第七章-模拟信号数字传输.ppt

第七章模拟信号的数字传输,主讲教师：任峻,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,7.1引言,我们已经了解了模拟信号在模拟通信系统的传输和数字信号在数字通信系统的传输。实际上我们面临的许多最初的信息都是模拟的，而数字通信由于其突出的优点成了通信的发展趋势。所以在数字通信系统中传输模拟消息就显得非常重要。本章将要讨论模拟信号经过数字化以后在数字通信系统中的传输，简称模拟信号的数字传输。语音和图象是常见的模拟信号，用得最多是语音信号。把语音信号数字化以后在数字通信系统传输，称为数字电话通信系统。,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,7.1引言,模拟信号的数字传输是通过三个步骤进行的：1把模拟信号数字化（A/D）2进行数字信号的传输3把数字信号还原为模拟信号（D/A）,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,7.1引言,模/数转换是通过三个步骤进行的：,抽样：将时间连续转为时间离散量化：将信号取值连续转为信号取值离散编码：将取值离散的信号值转为二进制编码（数字信号）,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,7.2抽样定理,抽样定理：如果对某一带宽有限的时间连续信号(模拟信号)进行抽样，且抽样的速率达到一定的数值时，那么根据这些抽样值就能准确的确定原信号。因此，若要传输模拟信号，不一定要传输模拟信号本身，可以只传输按抽样定理得到的抽样值。因此该定理为模拟信号的数字传输奠定了理论基础。,问题：抽样后是否能还原，什么情况下才能还原？抽样定理将回答这个问题。,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,7.2抽样定理,低通抽样定理：满足假设：模拟信号m(t)是低通信号，其频谱M()如下图所示。它通过低通滤波器恢复。,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,7.2抽样定理,提问：从直观上看抽样丢了很多信息，为什么它还能无失真的还原原信号？如果要还原原信号，抽样频率是多少？低通抽样定理：低通抽样定理：一个频带限制在(0，fH)的时间连续信号m(t)，如果以T1/2fH(抽样频率fS=2fH)的间隔对它进行等间隔抽样，则m(t)将被所得到的抽样值完全确定。(fH=2),2001Copyright,SCUTDT&PLabs,低通抽样定理的画图证明：,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,7.2抽样定理,低通抽样定理：当S2H时，m(t)能被原样恢复。转换为抽样频率fS与m(t)的最高频率fH的关系：2/T=2fS，H=2fH，=fS2fH最低抽样速率为：fS=2fH，S=2H最小抽样时间间隔T为：T=1/2fH或T=/H,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,考虑带通信号：,取fS=2fH，通过低通滤波器可以原样恢复m(t)，可见低通抽样定理对低通和带通信号都成立，因此通常称之为抽样定理。从上图可见，Ms()有很多空闲频带（频谱上的空白部分)，这是因为是采用低通滤波器来恢复m(t)。为了提高频带利用率，我们通常采用带通滤波器（只保留有用频带）恢复m(t)。？采用带通滤波器，抽样速率最低是多少？,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,带通抽样定理1：满足假设：带通信号m(t)的最高频率fH和最低频率fL是其带宽B的整数倍。结论：fS2B,7.2抽样定理,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,带通抽样定理1的画图证明：,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,7.2抽样定理,带通抽样定理2：如果M()的最高频率fH不是其带宽B的整数倍，即：fH=nB+kB，0k-18dB。=100时，S/N随信号x的减小缓慢下降。若要求S/N26dB，则x-36dB。可见采用压扩提高了小信号的信噪比，从而相当于扩大了输入信号的动态范围。,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,7.4模拟信号的量化（PAM）,A压缩律x、y：归一化的压缩器输入、输出电压。A：压扩参数，表示压缩的程度,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,7.4模拟信号的量化（PAM）,13折线A压缩律用电路实现连续曲线的A律压扩特性曲线是相当困难的。实际往往采用近似于A律函数规律的十三折线（A=87.6）的压扩特性。它基本上保持了连续压扩特性的优点，又便于数字电路实现。,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,7.4模拟信号的量化（PAM）,13折线A压缩律Y是奇函数，它在第三象限的图形与第一象限的完全一样。因此总共有16段直线，而正向1、2段与负向1、2段斜率相同，这四段可以合并为一条直线，因此正负向总共由13条直线段构成，故称其为13折线。,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,7.5脉冲编码调制（PCM）,抽样：把时间连续的模拟信号转换成时间离散、幅度连续的抽样信号。量化：把时间离散、幅度连续的抽样信号转换成时间离散、幅度离散的数字信号。编码：编码是将量化后的信号编码形成一个二进制码组。经过以上三步，就可以把连续的模拟信号转换为二进制码组，在数字传输系统中传输。我们称这个过程为脉冲编码调制(PCM)。PCM：将模拟信号的抽样量化，然后使已量化值变换成代码的过程。,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,PCM实例（均匀量化编码）,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,7.5脉冲编码调制（PCM）,PCM原理,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,7.5脉冲编码调制（PCM）,编码：把量化后的信号变换为代码的过程，其反过程是译码。编码方法分类按编码速度分：低速编码高速编码：通信中一般是高速编码。按编码方式分：逐次比较型（反馈型）折叠级联型混合型,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,按编码码型分常用的二进码型：自然二进码、折叠二进码,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,？为什么在语音信号中，通常采用折叠码折叠码用最高位表示信号的正、负极性，用其余的码表示信号的绝对值。因此只要正、负极性的绝对值相同，则可进行相同的编码，这样采用折叠二进制码可大为简化编码过程；在传输中若出现误码，折叠码对小信号的影响较小。如小信号1000变为0000，自然码误差8个量化间隔，而折叠码值误差一个间隔。在语音信号中，小信号比重大，因此宜选用折叠码。,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,7.5脉冲编码调制（PCM）,13折线非均匀量化编码（逐次比较型）编码方式：按极性码、段落码、段内码的码位顺序来编码。,极性码：0，1（1，0）段落码：对应13折线的正向八段（3位，0001段，表示电平最低段；1118段，表示电平最高段）段内码：每一段中16个量化级，段内采用均匀量化（4位）,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,各段落的量化单位表示,例7.5.1+1270极性码：C1=1段落码：12701024，位于第8段，C2C3C4=111段内码：段内距离=抽样值段落的起点值=12701024=246段内量化区间=段内距离/该段的量化间隔=246/64=3位于第4量化区间，C5C6C7C8=0011。该区间的起点值为643=192，量化电平位于量化区间中点，因此q=1024+192+(64/2)=1248，量化误差=1270-1248=22编码为：11110011，量化误差为22。,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,7.5脉冲编码调制（PCM）,问题：起点值和量化间隔是如何求出来的？求段落区间大小：,总量化范围为1，根据13折线图，第八段占1/2，第七段为1/4，依次类推，第二段为1/128，第一段与第二段斜率相同，区间大小相同，也为1/128。,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,7.5脉冲编码调制（PCM）,13折线非均匀量化编码的最小量化间隔。,对于量化间隔最小的两段1，2，它们的量化间隔是1/128，而每段又均匀分割为16个量化区间，因此最小的量化间隔是(1/128)/16=1/2048。类似的，第8段的量化间隔是1/2，量化间隔最大，它均匀分割为16个量化区间，因此最大的量化间隔是(1/2)/16=1/32。,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,各段落的量化单位表示。,把1/2048作为单位1，则第1、2段的量化间隔为1，而第3段的量化间隔为2，第4段为4，依次类推，第8段为64。由于整个量化范围为2048个单位，第8段的起点值为1024，第7段的起点值为512，依次类推，第2段为16，第1段为0：。,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,7.5脉冲编码调制（PCM）,非均匀量化编码与均匀量化编码的比较对于非均匀量化编码，最小量化间隔是1，其动态取值范围为2048，即我们可以用7位二进制表示2048个量化空间。而用普通的二进制，由于2048=211，就必须用11位二进制才能表示2048个量化空间。在保证小信号量化间隔相等(第1，2段)的条件下（即小信号的信噪比相同），通过采用使大信号量化间隔相应增大的措施，非均匀量化编码的7位与11位自然编码等效，这称之为7/11变换，它完成了数字压缩的作用。,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,7.5脉冲编码调制（PCM）,课堂练习与作业P2367-11、7-12,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,7.7脉冲编码调制（PCM）,非均匀量化编码的电路实现(逐次比较型编码器),|IS|IW11IW10,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,7.9时分复用和多路数字电话系统,时分复用(TDM)：借助“把时间帧划分为若干个时隙，各路信号占有各自的时隙”的方法实现在同一信道上传输多路信号。频分复用(FDM)：借助“把可用带宽划分为若干个频隙，各路信号占有各自的频隙”的方法实现在同一信道上传输多路信号。TDM：各路信号在时域上分离，频域上混合。FDM：各路信号在频域上分离，时域上混合。,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,7.9时分复用和多路数字电话系统,时分复用的工作原理,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,7.9时分复用和多路数字电话系统,PCM数字电话系统方框图,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,7.9时分复用和多路数字电话系统,数字电话系统帧结构我国使用的PCM系统，采用PCM30/32路的帧结构。一帧分为32个时隙（TS0TS31）：TS0：帧同步时隙TS16：信令时隙，传送话路信令TS1TS15，TS17TS31：30个用户时隙,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,7.9时分复用和多路数字电话系统,数字电话系统的传码率采用13折线A律编码，因此所有时隙采用8位二进制码。话音信号的抽样速率规定为：8000HzPCM30/32系统的传码率RBP=fsNn=8000832=2.048MB式中：fs抽样速率，n一帧中所含的时隙数，N一个时隙中所含的码元数,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,7.9时分复用和多路数字电话系统,数字通信系统高次群前面讨论的PCM30/32系统称为数字基群（一次群），其传码率为2.048MB。通过复接技术，可以把较低群次的数字流汇合成更高群次的数字信息流。使传码率成4的指数增长。一次群：2.048MB二次群：2.0484=8.448MB三次群：8.4484=34.368MB四次群：34.3684=139.264MB,2001Copyright,SCUTDT&PLabs,本章重点,掌握低通和带通抽样定理，并在此基础上确定抽样速率和抽样信号的频谱。(重要题型：习题7.2，3)理解均匀量化的缺点，指出为什么在语音信号中通常采用非均匀量化的方法。理解折叠码的优点，指出为什么在语音信号中通常采用折叠码而不是自然码。掌握13折线非均匀量化编码的方法，能根据给出的抽样脉