模拟信号的数字传输.ppt

2020 2 17 1 第6章模拟信号的数字传输 6 1引言6 2脉冲编码调制6 3增量调制6 4时分复用和多路数字电话系统 2020 2 17 2 教学要求 理解模拟信号数字化过程中抽样 量化 编码的概念深刻理解 的工作原理掌握十三折线法编码方法了解 数字音节压扩 等改进型增量调制方式了解 等概念 2020 2 17 3 重点和难点 重点 模拟信号的量化 编码与译码 难点 采用非均匀量化 律特性的十三折线法编译码 2020 2 17 4 6 1引言 通信系统可以分为模拟通信系统和数字通信系统两类 本章在介绍抽样定理和脉冲振幅调制的基础上 将着重讨论用来传输模拟语音信号常用的脉冲编码调制 PCM 和增量调制 M 原理及性能 并简要介绍时分复用与多路数字电话系统原理的基本概念 2020 2 17 5 6 2脉冲编码调制 模数转换要经过抽样 量化和编码三个步骤 2020 2 17 6 6 2 1抽样定理抽样定理的具体内容如下 一个频带限制在 0 fH 内的时间连续信号x t 如果以不大于1 2fH 秒的间隔对它进行等间隔抽样 也就是 则x t 将被所得到的抽样值完全确定 数学描述 时域 2020 2 17 7 频域 2020 2 17 8 关于抽样的结论 1 具有无穷大的带宽 2 只要抽样频率 中n值不同的频谱函数就不会出现重叠的现象 3 中n 0时的成分是 因此只要用一个带宽B满足的理想低通滤波器 就可以取出的成分 以不失真地恢复x t 的波形 2020 2 17 9 6 2 2脉冲振幅调制 PAM 2020 2 17 10 脉幅调制 PAM 的工作原理 就是脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式 2020 2 17 11 数学描述 2020 2 17 12 比较采用矩形窄脉冲抽样与采用冲激脉冲抽样 理想抽样 的过程和结果 可得 1 它们调制 抽样 与解调 信号恢复 过程相同 差别只是采用的抽样信号不同 2 矩形窄脉冲抽样的包络的总趋势是随上升而下降 因此带宽是有限的 而理想抽样的带宽是无限的 3 的大小要兼顾通信中对带宽和脉冲宽度这两个互相矛盾的要求 2020 2 17 13 平顶抽样的PAM方式 设脉冲形成电路的传输函数为 其输出信号频谱应为 2020 2 17 14 6 2 3模拟信号的量化定义 用有限个电平来表示模拟信号抽样值被称为量化 量化器的输出是阶梯形波 量化后的信号和原来信号存在误差 这种误差被称为量化误差 因此 量化信噪功率比为 2020 2 17 15 2020 2 17 16 1 均匀量化和量化信噪功率比定义 把原来信号的值域按等幅值分割的量化过程被称为均匀量化 那么均匀量化时的量化间隔为 量化后信号功率为 量化噪声功率为 2020 2 17 17 经计算量化信噪比为 如果用分贝表示 k是表示量化阶的二进制码元个数 从上式可以看到 量化阶的Q值越大 用以表述的二进制码组越长 所得到的量化信噪比越大 信号的逼真度就越好 2020 2 17 18 2 非均匀量化非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的 对于信号取值小的区间 其量化间隔也小 反之 量化间隔就大 这样可以提高小信号时的量化信噪比 适当减小大信号时的信噪功率比 优点 适合于非均匀分布信号情况 量化噪声对大 小信号的影响大致相同 即改善了小信号时的量化信噪比 2020 2 17 19 1 压缩律对于小信号的情况有 在大信号时 也就是x 1 那么 2 A压缩律 2020 2 17 20 3 数字压扩技术基本思想 利用大量数字电路形成若干根折线 并用这些折线来近似对数的压扩特性 从而达到压扩的目的 2020 2 17 21 两种常用的数字压扩技术 1 13折线A律压扩 它的特性近似A 87 6的A律压扩特性 2 15折线 律压扩 其特性近似 255的 律压扩特性 13折线A律压扩特性各段落的斜率 2020 2 17 22 2020 2 17 23 13折线法进行压扩和量化后 可以做出量化信噪比与输入信号间的关系曲线 2020 2 17 24 6 2 4脉冲编码调制原理 PCM 把量化后的信号变换成代码的过程称为编码 其相反的过程称为译码 1 常用的二进制编码码型 见表6 2 2 13折线的码位安排具体情况见表6 3 6 4 6 5 2020 2 17 25 3 逐次比较型编码原理表6 6A律13折线非线性码与线性码间的关系 2020 2 17 26 4 译码原理译码的作用是把接受端收到的PCM信号还原成相应的PAM信号 即实现数 模变换 D A变换 2020 2 17 27 5 PCM信号的码元速率和带宽 1 码元速率设x t 为低通信号 最高频率为 抽样速率 如果量化电平数为Q 采用M进制代码 每个量化电平需要的代码数为 因此码元速率为 2 传输PCM信号所需的最小带宽 2020 2 17 28 6 2 5PCM系统的抗噪性能低通滤波后得到的模拟信号 噪声分为 量化噪声和信道加性噪声 系统输出端总的信噪比定义为 2020 2 17 29 1 量化信噪功率比在均匀量化情况下 信号x t 的概率密度函数在 a a 区域内均匀分布时 其量化信噪比为 第一 当采用非均匀量化的非线性编码时 在码位数相同 信号较小的条件下 非线性编码的要比线性编码的高 第二 实际信号的不是常数 此时的计算要复杂得多 2020 2 17 30 2 误码信噪功率比由于信道中加性噪声对PCM信号的干扰 将造成接收端判决器判决错误 误码信噪功率比与误码率的关系为 2020 2 17 31 小结 对于折叠二进制码 x t 可正可负的情况为例 总的信噪比可以写为 时的误码信噪比大体上与k 7 8位代码时的量化信噪功率比差不多 对于A律13折线的情况 当时忽略由误码引起的噪声 而当时 误码噪声将变成主要的噪声 2020 2 17 32 6 3增量调制 增量调制获得广泛应用的主要原因 1 在比特率较低时 增量调制的量化信噪比高于PCM的量化信噪比 2 增量调制的抗误码性能好 能工作于误码率为10 2 10 3的信道中 而PCM要求误比特率通常为10 4 10 6 3 增量调制的编译码器比PCM简单 2020 2 17 33 6 3 1简单增量调制1 编码的基本思想 2020 2 17 34 2 译码的基本思想收到 1 码上升一个量化阶 跳变 收到 0 码下降一个量化阶 跳变 这样就可以把二进制代码经过译码变成这样的阶梯波 另一种的编码思路如图所示 2020 2 17 35 3 简单增量调制系统框图 2020 2 17 36 判决器是用来比较与大小 在定时抽样时刻如果 0输出 1 0输出 0 4 简单增量调制系统的带宽从编码的基本思想中可以知道 每抽样一次即传输一个二进制码元 因此码元传输速率为 从而调制系统带宽为 2020 2 17 37 6 3 2增量调制的过载特性与编码的动态范围1 增量调制系统的量化误差增量调制系统中量化噪声有两种形式 一般量化噪声和过载量化噪声 2020 2 17 38 一般量化噪声 过载量化噪声 发生在模拟信号斜率陡变时 由于量化阶是固定的 而且每秒内台阶数也是确定的 因此 阶梯电压波形就有可能跟不上信号的变化 这样的失真称为过载现象 也称过载噪声 2 过载特性当出现过载时 量化噪声将急剧增加 因此在实际应用中要尽量防止出现过载现象 2020 2 17 39 译码器的最大跟踪斜率 当信号实际斜率超过这个最大跟踪斜率时 则将造成过载噪声 即有如下要求 3 动态范围当系统的有关参数确定以后 信号能够进行正常编码的幅度范围 就是系统编码的动态范围 2020 2 17 40 设输入信号为 此时信号的斜率为 不过载且信号幅度又是最大值的条件为 开始编码正弦信号振幅 系统编码的动态范围可以定义为 以正弦波值为标准 上式就变为 2020 2 17 41 6 3 3增量调制的抗噪性能1 量化信噪比量化误差有两种 即一般量化误差和过载量化误差 这里仅考虑一般量化噪声 于是噪声的一维概率密度函数为 平均功率可表示成 2020 2 17 42 经分析可知通过低通滤波器之后的输出量化噪声功率为 信号最大输出功率为 增量调制系统最大量化信噪比为 2020 2 17 43 2 误码信噪比经分析推导可以得到总的信噪比为 3 PCM与增量调制系统性能比较 2020 2 17 44 6 3 4改进型增量调制1 总和增量调制对于简单增量调制系统 当采样频率和量化阶确定以后 输入信号的最大振幅与其工作频率成反比 总和增量调制的编码方法 这种编码方法首先对x t 信号进行积分 然后再进行简单增量调制 具体情况见图6 21 2020 2 17 45 2020 2 17 46 简单增量调制系统携带的是信号微分信息 总和增量调制系统携带的是信号幅度信息 2020 2 17 47 2020 2 17 48 2020 2 17 49 系统具有与系统相似的缺点 即动态范围小 造成这个缺点的原因是由于量化阶是固定不变的量 因此引入自适应增量调制 ADM 和脉码增量调制 DPCM 等改进型增量调制系统 2 数字音节压扩自适应增量调制根据信号斜率的不同采用不同的量化阶 对于类型相同的信号 小信号的斜率小 大信号的斜率大 2020 2 17 50 提取控制电压两种方法 1 前向控制 即控制电压直接从输入信号x t 中提取话音信号的斜率 按话音信号斜率变化的电压控制量化阶 2 后向控制 控制电压从信码中提取 因此 不需要另外把控制电压从发端传送到收端 这种方法目前用得最多 后向控制又分为瞬时压扩式和音节压扩式 后一种目前广泛使用 2020 2 17 51 若在音节内的平均值增大 连码多 数字检测器输出脉冲数目增多 平滑电路输出在音节内的平均电压增大 脉幅调制器得到的输入控制电压增大 脉幅调制器输出脉冲幅度增大 积分器的增大 2020 2 17 52 3 数字音节压扩调制将数字音节压扩和总和增量调制结合起来 就变成现在用得最多的数字音节压扩增量调制 2020 2 17 53 4 脉码增量调制 DPCM 综合了增量调制和脉冲编码调制两者特点的调制方法进行编码 这种编码方式被简称为脉码增量调制 2020 2 17 54 6 4时分复用和多路数字电话系统 多路复用通信方式定义 在一个信道上同时传输多个话音信号的技术 复用技术有多种工作方式 例如频分复用 时分复用以及码分复用等 6 4 1PAM时分复用原理 2020 2 17 55 2020 2 17 56 6 4 1时分复用的PCM系统 TDM PCM 2020 2 17 57 带宽设计 TDM PCM的信号代码在每一个抽样周期内有Nk个 这里N表示复用路数 k表示每个抽样值编码的二进制码元位数 因此 二进制码元速率可以表示为 在32路PCM系统中 只计话音信息码 它有30路 当 k 8时 话音信息的码元速率为 30 8 8000 1920千波特 但是 当考虑振铃码和同步码后2048千波特 也就是相当于32个话路 带宽为2MHz 2020 2 17 58 6 4 332路PCM的帧结构 2020 2 17 59 从时间上讲 抽样频率为8000Hz 抽样周期这