模拟信号的数字传输.ppt

第九章模拟信号的数字传输,本章大纲：,低通信号抽样定理；理想抽样与自然抽样的波形与频谱特点；均匀量化与非均匀量化的概念；PCM脉冲编码调制原理；时分复用原理；,9.1引言,利用数字通信系统传输模拟信号，需三个步骤：,模数转换（A/D）,数字传输,数模转换（D/A）,模拟信号数字化的过程：抽样(sampling)量化(quantization)编码(coding),抽样量化编码,9.2模拟信号的抽样,频带限制在(0,fH)内的时间连续信号m(t)，fs=?,一、低通抽样定理,fs2fH,原信号就能无失真地恢复。,9.3模拟脉冲调制(PAM),脉冲振幅调制（PulseAmplitudeModulation）,自然抽样的脉冲调幅平顶抽样的脉冲调幅,自然抽样又称曲顶抽样，它是指抽样后的脉冲幅度（顶部）随被抽样信号m(t)变化，或者说保持了m(t)的变化规律。,相乘,卷积,9.4模拟信号的量化,模拟信号,量化方法分：均匀量化和非均匀量化。,离散信号,数字信号,抽样,量化,一、均匀量化,量化间隔v取决于输入信号的变化范围和量化电平数。,如：输入信号的最小值和最大值分别用a和b表示，量化电平数为M，那么，均匀量化时的量化间隔为：,对于不同的信号输入范围，量化误差有两种情况：,2.当信号幅度超出量化范围，量化值保持不变，|eq|/2，此时称为过载或饱和。,1.在量化范围内，量化误差的绝对值|eq|/2；,信号功率为：,量化后的噪声功率为：,衡量量化器的性能-量化信噪比（S/Nq）,均匀量化时,均匀量化的缺点：弱信号时的信号量噪比难以达到给定的要求。,二、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v也小；反之，量化间隔就大。,实现方法：将抽样值x通过压缩器转化成y，再对y进行均匀量化。,接收端采用一个传输特性为x=f-1(y)的扩张器来恢复x。,压缩器大多采用对数式压缩，即y=lnx。,广泛采用两种对数压缩律：压缩律（美国）A压缩律（中国和欧洲）。,1.A压缩律,A压缩律的压缩器具有如下特性（正向部分）：,x归一化的压缩器输入电压，即：,y归一化的压缩器输出电压，即：,A压扩参数，表示压缩程度。,2.13折线压缩特性A律的近似,A律13折线的产生是从不均匀量化的基点出发，设法用13段折线逼近A=87.6的A律压缩特性。,1/4,1/2,1,2,4,8,9.5脉冲编码调制(PCM),编码：把量化后的信号变换成代码，其相反的过程称为译码。,将模拟信号抽样、量化、编码的过程称为脉冲编码调制。,一、基本原理,用第二至第四位（段落码）分别代表8个段落的段落电平；,信号的正负极性用1位二进制代码表示；,用8位二进制代码表示量化后的电平。其中：,其它4位码（段内码）代表每一段落的16个均匀划分的量化间隔。,段落码的编码方式,段内码的自然二进制编码方式,111,110,101,若用最小量化间隔表示一个量化单位。则各段折线能表示的量化范围如下：,二、逐次比较型编码,逐次比较型编码器,例：设输入信号抽样值为+1270个量化单位。将它按照13折线A律特性编码；将它按照均匀量化编码。,极性码：,1,段落码：,111,段内码：,0011,11110011,10011110110,除极性码外，可用7位二进制代码表示所有的量化值，最小量化间隔可达到1/2048个量化单位；,而以此量化间隔进行均匀量化，则须用11位二进制代码表示。,非均匀量化的特点：,即非均匀量化可用更少的编码位数实现量化，而仍能使量化信噪比达到规定的要求。,三、PCM系统的码元速率和带宽,PCM系统要用N位二进制代码表示一个抽样值，即一个抽样周期Ts内要编出N位码；,每个码元宽度为Ts/N，码位越多，码元宽度越小，占用带宽越大；,传输PCM信号所需要的带宽要比模拟基带信号的带宽大得多。,码元速率,设m(t)为低频信号，最高频率为fH：,抽样速率为：,fs=2fH,若量化电平数为M，采用N进制代码编码，每个量化电平需要的代码数为：,k=logNM,码元速率为：,kfs,对于电话传输系统，所传输模拟话音信号的带宽为4kHz，因此，采样频率fs=8kHz，假设按A律13折线编成8位码，采用升余弦系统传输特性，那么传输带宽为：,BPCM=kfs=88000Hz=64kHz,传输PCM信号所需的最小带宽,若抽样速率为fs，则码元传输速率为RB=kfs，带宽为：,BPCM=RB/2=kfs/2=kfH(Hz)（理想低通传输系统）,BPCM=RB=kfs(Hz)（升余弦传输系统）,四、PCM系统的抗噪声性能,(a)编码器,(b)译码器,均匀量化，编码方式为自然码的情况下，经分析：,输出加性噪声功率：,其中：,输出量化噪声功率：,输出信号功率：,接收端PCM信号经译码及低通滤波后，,PCM系统总的输出信噪功率比为：,在大信噪比条件下：,在小信噪比条件下：,一、预测编码简介,9.6差分脉冲编码调制,传输一路PCM信号：64kb/s。传输一路模拟话音信号：占用4kHz带宽。,减小带宽办法之一是采用预测编码(predictioncoding)方法。,预测编码中，不对抽样值进行编码，而是先根据前几个抽样值计算出一个预测值，取预测值和当前抽样值之差进行编码传输。,基本思想：,理论基础：,话音等连续变化的信号，其相邻抽样值之间有较强的相关性（即前后抽样电平值相差不大）。,抽样值和预测值的误差变化范围较抽样值本身的变化小得多，可用更少的量化间隔进行量化，即更少的码位数进行编码，从而降低了码率。,利用前面的几个抽样值的线性组合来预测当前值，称为线性预测(linearprediction)。,仅利用前面一个抽样值预测当前抽样值，就是差分脉冲编码调制(DifferentialPCM)。,二、差分脉冲编码调制,将前一个抽样值作为预测值，取当前抽样值与预测值之差进行编码传输。,(a)编码器,(b)译码器,+,-,当前抽样值,预测值（前一抽样值）,误差信号,量化后的误差信号,量化后的误差信号,预测值（前一抽样值）,当前抽样值,DPCM调制的性能特点：,为了不发生量化过载，要求前后抽样电平差值不能超过一定的范围。,信号的量噪比随编码位数N和抽样频率fs的增大而增加。,9.8时分复用,频分复用(FrequencyDivisionMultiplexing)：将信道资源按频率划分成段，每个频率段中传输一路信号。,时分复用(TimeDivisionMultiplexing)：将信道资源按时间划分成片，每个时间片中传输一路信号。,9.8.1基本原理,假设有3路PAM信号进行时分多路复用，具体实现方法如图所示：,对模拟话音信号，通常设其最高频率为fH=4kHz，则采样速率为fs=2fH=8kHz；每帧时长为125s。,多个单路模拟信号可构成一路PCM时分复用信号，称为一次群（基群）；,多路PCM时分复用信号可再次复用，成为更高速率的复用信号，称为高次群。,将低次群合并成高次群的过程称为复接(multipleconnection)；其反过程称为分接(demultipleconnection)。,时分制多路电话通信系统的复用体系：,准同步数字体系(PlesiochronousDigitalHierarchy),同步数字体系(SynchronousDigitalHierarchy),9.8.2准同步数字体系,E体系结构图,E体系一次群的帧结构,复帧周期：2ms；,一帧内每路信号占用时隙：3.9s；,每个码元宽度：488ns；,每秒传送8000帧；,每帧包含256bit；,总的传码率为2048kbit/s。,每个话路传输速率64kbit/s。,PCM系统使用的传输介质和传输速率有关。基群PCM的传输介质一般采用市话对称电缆，也可以在市郊长途电缆上传输。基群PCM可以传输电话、数据或1MHz可视电话信号等。,二次群速率较高，需采用对称平衡电缆，低电容电缆或微型同轴电缆。二次群PCM可传送可视电话、会议电话或电视信号等。,三次群以上的传输需要采用同轴电缆或毫米波波导等，它可传送彩色电视信号。,目前传输媒介向毫米波发展，其频率可高达30300GHz