通信原理精：模拟信号的数字传输ppt课件

.,1,第五章模拟信号的数字传输,.,2,引言抽样定理脉冲振幅调制(PAM)脉冲编码调制(PCM)增量调制改进型增量调制差分(增量)脉码调制(DPCM)自适应差值脉码调制(ADPCM)语音和图像压缩编码小结,.,3,引言,1、利用数字通信系统传输模拟信号的步骤：,把模拟信号数字化，即模数转换(A/D)；进行数字方式传输；把数字信号还原为模拟信号，即数模转换(D/A)。,模拟信号的数字传输原理图,.,4,2、模拟信号数字化的方法,波形编码,直接把时域波形变换为数字代码序列，比特率通常在16kb/s64kb/s范围内，接收端重建信号的质量好。波形编码主要包括有脉冲编码调制(PCM)和增量调制(M)。,参量编码,利用信号处理技术，提取信号的特征参量，再变换成数字代码，其比特率在16kb/s以下，但接收端重建（恢复）信号的质量不够好。,混合编码,.,5,抽样定理,如果对一个频带有限的连续时间模拟信号抽样，当抽样速率达到一定数值时，那么根据它的抽样值就能重建原信号。,一、概念,抽样定理是模拟信号数字化的理论依据,抽样分类：,根据信号是低通型的还是带通型的，抽样分低通抽样和带通抽样；,.,6,根据用来抽样的脉冲序列是等间隔的还是非等间隔的，又分均匀抽样和非均匀抽样；,根据抽样的脉冲序列是冲激序列还是非冲激序列，又可分理想抽样和实际抽样。,.,7,二、低通信号的抽样定理,在Wm以上没有频谱分量的低通带限信号，可由其在时间间隔的等间隔点上的取值唯一确定。,.,8,（）连续信号(t)波形及其频谱,(a)抽样定理数学模型,(c)单位冲激序列T(t)及其,证明：,.,9,抽样信号fs(t)的频谱,（）抽样后信号（）及其频谱,（）特性,注意:理想抽样带宽为无穷大,返回,.,10,LPF输出信号频谱,（）输出信号波形及其频谱,若，,内插公式,任何一个有限频带的信号f(t)可以展成以抽样函数为基本信号的无穷级数,.,11,三、与抽样有关的误差,3个假设：,(1)信号严格带限;(2)理想抽样；(3)理想LPF来恢复信号,1.折叠(混叠)误差,抽样前滤波或提高抽样频率,.,12,2、孔径效应,实际脉冲进行瞬时抽样（平顶抽样）时，由于抽样脉冲具有一定的宽度，在通过LPF后不能完全恢复原信号，可用均衡电路补偿。,3、内插噪声,要想恢复在t时刻的原信号值f(t),必须给出全部时间内的全部样值，理想LPF实现。使用实际可实现的有限时延滤波器，不能得到与原信号完全相同的信号，由此产生的误差,.,13,四、带通信号的抽样,带通信号：频谱限制在与之间，而且,如果采用低通抽样定理的抽样速率ws2wm，对频率限制在与之间的带通型信号抽样，肯定能满足频谱不混叠的要求。但这样选择ws太高了，它会使0-一大段频谱空隙得不到利用，降低了信道的利用率。,.,14,f(t)可以由其抽样值完全确定。,.,15,带通信号的最低抽样速率是,.,16,讨论：,(1)当,为W的整数倍时,(2),当,不为W的整数倍时,当,W时,当,W时，无论是否为W的整数倍，,.,17,实际中应用广泛的高频窄带信号就符合这种情况，这是因为fH大而W小，由于带通信号一般为窄带信号，容易满足,W，因此，带通信号通常可按2W速率抽样。,例求60路载波群信号(312552kHz)的抽样速率,.,18,脉冲振幅调制(PAM),一、脉冲调制概念,调制分类,脉冲模拟调制：用调制信号f(t)去控制脉冲序列的某些参数,幅度、宽度、时间位置,.,19,脉冲振幅调制(PAM),脉冲宽度调制(PDM),脉冲位置调制(PPM),分为：,脉冲模拟调制特点：已调信号时间离散，但脉冲参数变化连续,.,20,二、脉冲振幅调制(PAM),若脉冲序列为冲激序列，则PAM和抽样定理原理一样。,实际抽样：有限宽度的窄脉冲,1、自然抽样(曲顶抽样),自然抽样的数学模型,时间上连续的模拟信号经过抽样后，成为时间上离散但幅度取值仍是连续变化的信号，即PAM信号,脉冲载波的幅度随基带信号f(t)变化的一种调制方式,理想抽样带宽为无穷,.,21,脉冲序列的频谱,矩形脉冲序列及其频谱,调制信号波形及其频谱,.,22,已抽样信号波形及其频谱,理想LPF可恢复信号：,(1)抽样脉冲可为任意脉冲q(t)，只会引起包络的变化，不影响信息的传输,讨论：,.,23,2、平顶抽样(瞬时抽样),(2)与理想抽样不同,频谱包络不恒定,是随频率按Sa(x)函数衰减的，有效带宽有限，脉宽越宽，频谱衰减越快，传输带宽越小,但仍可用LPF恢复信号,.,24,.,25,.,26,自然抽样信号频谱是由F(w)的周期重复,幅度下降,但形状不变.而平顶抽样,加权项使频谱形状发生变化,没有一个周期具有F(w)的形状.,(孔径失真),均衡电路传输函数,返回,.,27,均衡后输出信号频谱,讨论:,(1)若脉冲q(t)很窄,均衡电路可以取消.,(3)PAM是抽样定理的直接应用,与连续波调幅系统噪声性能类似,现很少用,但是脉冲调制的基础,(2)实际中,平顶抽样PAM信号常采用抽样保持电路来实现,此时为矩形脉冲,只要能够反映瞬时抽样值的任意脉冲都可采用.,.,28,脉冲编码调制(PCM),一、脉码调制的基本原理,是一种把模拟信号转换为数字信号的调制方式，用一组数字代码来代替连续信号的抽样值，从而实现通信的方式,连续输入信号,时域和幅值都离散的量,代码,PCM信号的形成：经过“抽样、量化、编码”三个步骤，实现连续消息的数字化。,抽样、量化,编码,.,29,编码：每一个量化电平转换为一组二进制或多进制代码，一个码组含有n位进制代码，量化电平数为,幅度离散化,时间离散化,PAM,.,30,量化后抽样值,PCM信号,f(t),注意：（1）接收机输出f(t)与输入f(t)不同，在PCM中即使没有噪声，也不可能精确恢复原信号。,（2）必须有同步设备，必须能够区分每一组码及每一位码在码组中的位置，时分复用也需要同步。,.,31,二、量化,量化：利用预先规定的有限个电平值来表示模拟信号抽样值的过程称为量化。,(1)通过再生中继实现远距离传输时可以消除噪声积累(2)将精确样值舍入到量化电平有量化误差（噪声），且不能消除,量化,标量量化,矢量量化,无记忆标量量化：均匀量化非均匀量化,有记忆标量量化：增量调制和差分脉码调制,.,32,1、均匀量化（线性量化）,把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化。量化电平：均取在各量化区间的中点。量化间隔：取决于输入信号的变化范围和量化电平数。,.,33,分析量化误差的性能,量化误差,不过载量化噪声,过载噪声：输入信号超过量化范围，实际中应避免,.,34,信号量噪比,认为量化噪声均匀分布,量化噪声平均功率,均匀量化时量化噪声功率与信号统计特性无关,例1：假设输入正弦波，求信号量噪比,解：信号峰峰幅值范围内假设包含N个量化级，则,.,35,二进制,带宽信噪比互换：利用脉冲调制传输单路消息所需最小传输带宽为W=Wm,而传输单路PCM信号带宽满足,注意：信噪比与带宽成指数关系增加，而角调中信噪比与带宽呈平方律关系,.,36,例2、假设量化幅度范围为-VV,而输入为正弦信号非满载运用,试求输出信噪比,（二进制）,量化信噪比随量化电平数N的增加而提高，信号的逼真度越好。输入信号均匀分布时，均匀量化是最佳量化。均匀量化缺点：量化信噪比随信号电平的减小而下降，无论信号大小如何，量化噪声功率固定不变，小信号时的量化信噪比也就很小。实际中往往采用非均匀量化，非均匀量化可以改善小信号时的量化信噪比,.,37,2、非均匀量化（压缩与扩张）,基本思想：在输入信号动态范围内尽可能保持量化信噪比恒定，量化间隔不相等。,（1）实现非均匀量化的方法-压缩扩张技术,.,38,压缩器就是一个非线性变换电路，强的信号被压缩，微弱的信号被放大，小信号时信噪比改善，相当于展宽了信号的动态范围,.,39,图5.3-6有无压扩的比较曲线,.,40,对于电话信号，ITU制定了两种对数压扩特性是律压扩和A律压扩，接近最佳特性且易于二进制编码。,（a）律压扩特性,x为归一化输入，y为归一化输出，为压缩参数,(2)常见压扩特性,压缩特性的选取与信号统计特性有关.通常，大多采用对数式压缩,.,41,=0时，没有压缩效果，小信号性能得不到改善；值越大压缩效果越明显，在国际标准中取=255。在小信号时，近似线性，而高输入电平时近似对数关系,.,42,(b)A率压扩特性,A为压扩参数。国际标准取值为A=87.6A值越大压缩效果越明显，A=1时无压缩,.,43,数字压扩,A律是平滑曲线，用电路很难准确地实现，实际中，常采用A率13折线法来近似A率的压缩特性。,.,44,表A=87.6与13折线压缩特性的比较,13折线非常逼近A=87.6的对数压缩特性。,.,45,A率13折线可以用8位PCM编码表示,对应有L=28=256个量化级，由于每个段落长度不均匀，因此正或负输入的8个段落都被划分成816=128个不均匀的量化间隔,第一、二段的量化间隔最小，记为，最小的均匀量化间隔（级）,.,46,13折线的第一段到第八段总共有2048个最小均匀量化级，按照二进制编码位数n与量化级数M的关系：M=2n，均匀量化需要编11位码(2048=211)，非均匀量化只需要7位编码。,在保证小信号时的量化间隔相同的条件下，7位非线性编码与11位线性编码等效。,均匀量化与非均匀比较：,各段均匀量化间隔：,.,47,例：设码组的8位码为11110011，求量化电平为多少？,8位非线性码所代表的信号抽样量化值为1216,各段起始电平：,.,48,三、编码,1、码型：代码的编码规律,（1）自然二进码:就是一般的十进制正整数的二进制表示,编码简单，具有可加性，译码可逐比特独立进行，表示相邻两个量化电平的码字之间的汉明距离有可能大于1,多采用二进制，在PCM中广泛使用的二进码：,.,49,（2）格雷码（单位距离码）,两个相邻电平的码字之间的汉明距离为1，使得量化电平产生的误差较小，但格雷码不可加，不能逐比特译码,3、折叠二进码,除最高位极性位外，上半部分和下半部分呈对称关系,优点：,（1）适合表示双极性信号，只要绝对值相同，则可以采用单极性编码的方法使编码电路简化,（2）在传输过程中若出现误码，对小信号影响较小，有利于减小平均量化级，因为语音信号小幅度出现的概率大。,.,50,2、逐次比较型编译码原理,实现编码的具体方法和电路：低速编码和高速编码；逐次比较型、折叠级联型和混合型编码器。,编码工作原理与天平称物类似,被测物是抽样值，砝码是相应的标准电平,.,51,基本原理：当样值脉冲Is到来后，用逐步逼近的方法有规律地用各标准电流Ir去和样值脉冲比较，每比较一次输出一位码,直到Ir和抽样值Is逼近为止，完成对输入样值的非线性量化和编码。,位时钟脉冲,.,52,输入PAM信号是双极性信号，其样值为正时，在位脉冲到来时刻出“1”码；样值为负时，出“0”码。,(1)极性判决电路:确定信号的极性,(2)整流器,将该信号经过全波整流变为单极性信号,(3)比较器:,通过比较样值电流Is和标准电流Ir，从而对输入信号抽样值实现非线性量化和编码，PCM比较7次，每次所需的标准电流Ir均由本地译码电路提供,.,53,注意：逐次比较型编码器编7位码(极性码除外)需要在一个抽样周期Ts以内完成Is与Ir的7次比较,在比较过程中保持输入信号幅度不变，故需保持电路,(4)本地译码电路,记忆电路用来寄存二进代码，因为除第一次比较外，其余各次比较都要依据前几次比较的结果来确定标准电流Ir值。711变换电路就是数字压缩器A律13折线只编7位码，而线性解码电路（恒流源）需要11个基本的权值电流支路，这就要求有11个控制脉冲对其控制。因此，需通过711逻辑变换电路将7位非线性码转换成11位线性码，其实质就是完成非线性和线性之间的变换。,.,54,7/11变换,例如信号：+12608位编码：111100117/11转换编码：10011000000即1216,.,55,逐次比较法编码流程,判别样值x的极性，编出c7;,取x的绝对值|x|，对照各段起始值与段号间的关系，用中分法分三次判断段号代码c6,c5,c4;,I权1=27=128,I权2=29=512,I权2=25=32,I权3=210=1024,I权3=28=256,I权3=26=64,I权3=24=16,.,56,计算段内电平，分四次编出段内码c3,c2,c1,c0。,x2c3,c2,c1,c0,从绝对值x1中减去该段的起始电平值xi;除以该段的均匀量化间隔Di,变成015之间的正数；取整，变成015之间的正整数，记为x2。,可以计算，也可以比较判断,.,57,例.设输入信号样值为276,采用逐比特比较型编码将它按照13折线A率特性编成8位码，试求编码序列,.,58,第6段的量化间隔均为D6=16。确定c3：Ir=段落起始电平+8(量化间隔)=256+816=384第四次比较结果为IsIr，故c3=0确定c2：Ir=256+416=320第五次比较结果为IsIr，故c2=0。,确定c1：Ir=256+216=288第六次比较结果为Is最大跟踪斜率时，将发生过载量化噪声,为了不发生过载，必须,，一般量化噪声也增大，只能用增大fs的办法增大乘积fs，才能保证基本量化噪声和过载量化噪声两者都不超过要求,M系统中的抽样频率要比PCM系统中的抽样频率高的多,为了不发生过载，必须增大和fs：,.,75,如：输入正弦信号,则,无过载条件,临界过载振幅,f,允许的振幅A,M不适合传输均匀频谱信号，但却适传输,功率谱随频率增加而下降的信号，如：语音信号,.,76,4、量化信噪比,与PCM系统一样，M系统的抗噪声性能也是用输出信噪比来表征的。M系统同样存在两类噪声，即量化噪声和信道加性噪声（不考虑）。,M量化噪声有两种，即一般量化噪声和过载噪声（尽量避免）,.,77,则e(t)的平均功率为：,假设此功率均匀分布在0fs间，则其单边功率谱密度为,假设：无过载量化噪声，仅考虑基本量化噪声。低通滤波前，基本量化噪声e(t)为均匀分布,.,78,故接收端通过截止频率为fm的低通滤波器之后，,M系统输出的量化噪声功率与量化台阶及比值(fm/fs)有关，而与信号幅度无关（未过载时）。,量化噪声功率为,LPF：,.,79,求信号功率：设输入信号为：平均信号功率,临界时，信号功率最大,在临界振幅条件下，系统最大的量化信噪比为,最大量化信噪比和fs3成正比，而和f2成反比。所以，提高抽样频率fs将能显著增大量化信噪比,.,80,5、M系统动态范围,对于任意的正弦信号，信噪比,信号幅度小，信噪比降低，对Amin也有限制,M动态范围D：把满足不过载条件的Amax与满足信噪比要求的Amin之比,.,81,6、M系统与PCM系统的比较,M实际上是DPCM的一种特例，所以有时把PCM和M统称为脉冲编码。本质区别：PCM是对样值本身编码，M是对相邻样值的差值的极性（符号）编码,(1)抽样频率,PCM：抽样定理,M：与斜率过载条件及信噪比有关，达到与PCM系统相同的信噪比时远远高于PCM,(2)带宽,M信号带宽大于PCM信号带宽，通常M码速32kps或16kps,但语音质量不如PCM,.,82,(3)量化信噪比,正弦信号时：最大量化信噪比,在相同码元速率即相同带宽条件下比较,.,83,(4)信道误码的影响,M系统对误码不敏感，每一个误码代表造成一个量阶的误差PCM对信道误码要求高,(5)设备复杂性,M系统特点：单路信号独用一个编码器，设备简单，单路不需要同步设备，但路数增多时，设备成倍增加,M一般适于小容量支线通信,PCM系统：单路应用也需要同步设备，多路时可共用调制解调器，PCM一般用于大容量的干线（多路）通信,在传输语音信号，M系统清晰度和自然度不如PCM,目前在通用多路系统中很少用或不用M。,.,84,改进型增量调制,一、基本增量调制缺点：,（1）信噪比特性与频率有关（2）过载特性和动态范围也与频率有关，f,过载特性越差，动态范围越小,所以对于高频端频谱丰富(均匀频谱)的输入信号，高频端极易过载。,二、总和增量调制,将输入信号先积分后M调制，接收端进行一次微分，以补偿发端积分后引起的频率失真。,.,85,调制仍然存在过载现象，不发生过载条件,对正弦信号,过载特性与信号频率无关，适合传输均匀频谱信号,.,86,发端两个积分器可用一个代替,是M的改进，但二者有本质不同：,M：输出脉冲序列p(t)传送的是信号f(t)的斜率变化（微分信息），是斜率跟踪系统,中，传送的是积分信号的微分信息，即输入信号f(t)的幅度信息，为数字调制，与PAM区别,过载特性及量化信噪比均不随信号频率变化,但动态范围不够宽,.,87,三、数字压扩增量调制改进动态范围,当量阶不变时，一般量化噪声功率不变，信噪比随信号电平幅度而变化,自适应增量调制（ADM）：,通过调节量阶的大小来自动适应信号条件的变化，若输入信号斜率增加，增大量阶；若信号变化缓慢或电平下降，减小量阶。,数字压扩M基本原理：让量阶的大小自动跟随信号的平均斜率（斜率绝对值的平均值）变化，以音节为单位,首先，必须从发送信码中提取信号斜率信息,连1连0数越多，信号斜率越大,输入信号斜率与连码的关系,.,88,工作原理：借助数字检测电路检测连“1”连“0”的次数，并通过一个音节平滑滤波器后形成直流控制电压，控制PAM的脉冲幅值，进而控制量阶大小。,在各种音节压扩自适应M中，上述原理的连续可变斜率增量调制（CVSD）应用最广泛,.,89,增量(差分)脉码调制(DPCM),利用信源的相关性，可以根据过去的样值来预测下一时刻的样值，并仅把预测值与现实的样值之差加以量化、编码以后进行传输。,DPCM:,优点：由于相邻样值的差值比样值本身小，可以用较少的比特数表示差值，信号带宽大大压缩,.,90,DPCM与PCM和M的比较,（1）PCM对信号抽样值进行量化、编码，DPCM是用信号抽样值与信号预测值的差值进行量化编码；（2）M是用一位二进码表示增量，而DPCM是用n位二进码表示增量，增多了量化级，改善量化噪声方面优于M。,（3）缺点：DPCM减少了多余信息，抗传输噪声能力降低，在抑制信道噪声方面不如M,.,91,自适应差分脉码调制(ADPCM),DPCM系统性能的改善是以最佳的预测和量化为前提的，为了能在相当宽的变化范围内获得最佳的性能，只有在DPCM基础上引入自适应系统。,有自适应系统的DPCM称为自适应差分脉冲编码调制,ADPCM是语音压缩中复杂度较低的一种编码方法，它可在32kb/s的比特率上达到64kb/s的PCM数字电话质量,.,92,自适应量化指量化台阶随信号的变化而变化，使量化误差减小；自适应预测指预测器系数可以随信号的统计特性而自适应调整，提高了预测信号的精度，从而得到高预测增益。通过这两点改进，可大大提高输出信噪比和编码动态范围。,ADPCM的主要特点是用自适应量化取代固定量化，用自适应预测取代固定预测。,.,93,.,94,语音和图象压缩编码,一、语音压缩编码,降低语音编码速率的依据：,研究问题：,保证质量，降低编码速率或一定速率，提高重建语音质量,语音本身的冗余度及人耳听觉特性,衡量语音压缩编码的指标：,语音编码质量、编码速率、编码算法复杂度及编解码延时,分为三类：,波形编码、参量编码（声码化编码）和混合编码,.,95,1、波形编码,使重建语音信号波形保持原语音波形，重建语音质量好，但编码速率高,如：脉冲编码调制(PCM)自适应增量调制(ADM)自适应差分脉码调制(ADPCM)自适应预测编码(APC)子带编码(SBC)等等,对于3.4KHz的语音信号，抽样频率为8KHz,在6416kb/s的速率上可获高质量重建语音信号，若速率降低则性能下降较快,.,96,2、参量编码（声码化编码）,通过对语音信号特征参数的提取及编码，要求语音信号具有尽可能高的可懂性，往往利用某种语音生成模型，在幅度谱上逼近原语音。,优点：编码速率低，在1.22.4kb/s的速率上可获得可懂度很好的合成语音,缺点：自然度差，抗背景噪声能力差,如：线性预测声码器(LPC)共振峰声码器、通道声码器等等最近：混合激励线性预测编码(ME-LPC)、正弦变换编码等,.,97,3、混合编码,除了利用语音产生模型提取语音参数外，又利用波形编码的特点(优化