第5章-模拟信号数字化传输.ppt

第5章模拟信号数字化传输,5.1脉冲幅度调制（PAM）5.2脉冲编码调制（PCM）5.3差分脉冲编码调制（DPCM）5.4增量调制M5.5时分复用和多路数字电话系统,5.1脉冲幅度调制PAM,1、抽样：将时间上连续的模拟信号变为时间上离散的抽样值的过程。就是对时间连续的信号隔一定的时间间隔T抽取一个瞬时幅度值（样值）。2、抽样定理讨论的问题：能否由离散的抽样值序列重新恢复原始模拟信号。,5.1.1抽样与抽样定理,抽样定理：在一个频带限制在（0，fH）内的时间连续信号f(t)，如果以抽样频率fs=2fH对它进行抽样，那么根据这些抽样所得的抽样值就能完全恢复原信号。,5.1.1.1抽样过程及实现,图5-1开关抽样器,s(t)周期性开关函数，抽样函数,按照抽样波形的特征，可以把抽样分为三种：,1、自然抽样,2、平顶抽样,3、理想抽样,5.1.1.2低通抽样定理,在一个频带限制在（0，fH）内的时间连续信号f(t)，如果以抽样频率fs=2fH对它进行抽样，那么根据这些抽样所得的抽样值就能完全恢复原信号。,设为一个频带限制在内的低通信号，抽样脉冲序列是一个周期性冲击函数，则抽样信号可看成是和相乘的结果，,冲击函数对函数的抽样,已抽样信号通过截止频率为的低通滤波器可恢复原基带信号,理想抽样的时域波形和频谱,若带通信号的上截止频率为，下截止频率为，此时并不一定需要抽样频率达到2或更高。只要此时的抽样频率满足：则接收端就可以完全无失真地恢复出原始信号。其中，-，；为不超过的最大正整数。,5.1.1.3带通信号抽样定理,带通信号抽样频率和的关系,带通信号抽样过程举例,抽样频率,中的频谱互不重叠，已抽样信号通过一个通带为的理想带通滤波器后，可重新获得，进而无失真地恢复,5.1.2脉冲幅度调制PAM,脉冲调制：以离散脉冲序列为载波的调制方式,脉冲调制的分类：按基带信号x(t)改变脉冲参数（幅度、宽度、时间位置）的不同，可把脉冲调制分为:,PAM、PDM、PPM信号波形,PAM的实现方式,1、自然抽样实现PAM,其频谱,自然抽样的PAM波形与频谱,2、平顶抽样实现PAM,自然抽样:其抽样信号在抽样期间的输出幅度值随输入信号的变换而变化，这将使得编码无法完成。平顶抽样或瞬时抽样：在抽样期间内使输出的抽样信号幅度保持不变。实际抽样过程中，平顶抽样是先通过窄脉冲序列完成自然抽样后，再利用脉冲形成电路来实现的。,理论上平顶抽样可分解为如下两步来进行：第一步，理想抽样（先通过窄脉冲序列完成自然抽样）；第二步，用一个冲击响应为矩形的网络对抽样值进行幅度值保持（即脉冲形成电路），其电路框图和平顶抽样信号如图511所示。,（a）,（b）,5.2脉冲编码调制PCM,脉冲编码调制（PCM）是由法国工程师AlecReeres1937年提出，这是一种将模拟信号变换成数字信号的编码方式。PCM在光纤通信、数字微波通信及卫星通信中都得到广泛的应用。,PCM过程包括：抽样、量化和编码抽样：把在时间上连续模拟信号转换成时间上离散而幅度上连续的抽样信号量化：把幅度上连续的抽样信号转换成幅度上离散的量化信号。编码：把时间和幅度都已离散的量化信号用二进制码组表示。,5.2.1抽样信号的量化,量化：编码之前还必须对抽样所得的样值序列，作进一步处理，使其成为在幅度上也只有有限种取值的离散样值。,对抽样信号的幅度进行离散化处理的过程就是量化，完成量化过程的器件就叫做量化器。,量化误差：,信号样本的量化和量化误差,5.2.1.1均匀量化,均匀量化器的量化特性是一条等阶距（相邻两个阶梯面之间的距离为阶距）的阶梯型曲线。均匀量化器由于阶距相等，其特性曲线呈等间距跳跃的形式,量化范围：（V，+V）量化间隔数：M量化间隔：,图5-15均匀量化特性和量化误差,均匀量化的量化电平数n与量化间隔数M的关系为：,5.2.1.2非均匀量化,非均匀量化：量化间隔不相等的量化；根据信号的不同区间来确定量化间隔。对于信号取值小的区间，其量化间隔相应小；反之则量化间隔大。,非均匀量化可以认为是先对信号进行非线性变换，然后再进行均匀量化的结果。,非均匀压缩特性,Z信号采用均匀量化间隔，其对应的输入信号有非均匀量化间隔k(x)，等效于对输入信号进行了非均匀量化。,两种压缩特性：压缩律（美国、日本采用）A压缩律（我国、欧洲国家采用）,1.A律对数压缩特性,式中：A为压缩系数。A=1时无压缩，A愈大压缩效果愈明显。,国际标准中取：A=87.6,A律对数压缩特性定义为：,2.律对数压缩特性,律对数压缩特性定义为：,式中：为压缩系数，=0时无压缩。愈大压缩效果愈明显，对改善小信号的性能有利,国际标准中,取=255,律压缩量化信噪比改善程度与输入电平的关系,无压缩时，信噪比随输入信号的减小迅速呈直线趋势下降；有压缩时，虽然大信号时的信噪比低于无压缩时，但整个信噪比随输入信号的下降明显缓慢,扩大输入信号的动态范围。,A律和律压缩特性的折线近似法,A律压缩特性采用13折线近似，该折线是一个奇对称的图形,输入信号幅度的归一化范围为(0,1)，将其不均匀地划分为8个区间，每个区间的长度按照1/2的关系递减,输出信号幅度的归一化范围(0,1)，均匀地分成8个区间，每个区间的长度为1/8,正负方向共有16个线段但正负方向的第1、2两段因斜率相同而合成为同一个线段，因此16个线段实际上是13段折线,律15折线近似表示255时的律压缩特性,正、负方向也各有8个线段，由于两个方向的第1段因斜率相同而合成为一段，16折线实际上变为15折线，故常称之为律15折线。,5.2.2编码,编码：把量化后的信号电平值转换成二进制码组的过程。,1、二进制码组的选取,PCM编码常用的二进制码组：自然二进制码组折叠二进制码组格雷二进制码组,折叠码因误码产生的误差功率要比自然码小；折叠码的极性码可由极生判决电路完成，使在编码位数相同的情况下编码位数少一位而使编码电路大大简化；因此，PCM编码中通常采用折叠二进制码。,三种四位二进制码,2、A律13折线PCM编码,在A律13折线编码中，正负方向共有16个段落，每一个段落内又均匀地划分出16个量化级，总的量化级数为个，所以取编码位数n=8,8位PCM码的排序为：M1M2M3M4M5M6M7M8,M1:极性码，1代表正极性，0代表负极性,M2M3M4:段落码，该3位码表示8个段落的起始电平值，即确定出信号位于8段中的哪个段落。,M5M6M7M8:段内码，表示信号绝对值在段内16个量化级中的哪一个量化级上,段落码,段内码,段落起始电平及量化级间隔电平,在13折线的8个段落中，一共有2048个量化单位，相当于有2048个均匀量化级。表5-5若对此进行均匀量化编码（线性编码），则需要11位数码，而非均匀量化却只有128个量化级非线性编码只需7位码（不考虑极性码）。可见，在保证小信号区间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。,13折线的非线性PCM编码可由逐次比较型编码器实现。,例：设某量化器的量化范围是（-5V,+5V）,输入模拟信号x(t)如图所示，试分析该信号经抽样、量化后，分别进行自然二进制编码和A律13折线PCM编码的过程。,5.2.3PCM系统的噪声,PCM通信系统中，影响信号恢复质量的因素：抽样频率不够高；接收端低通滤波器的特性不理想；收、发两端抽样脉冲不同步。,PCM通信系统中重建信号不可避免的主要误差来自模/数和数/模变换过程，即量化过程，信号的失真主要是量化失真。,信道干扰主要有乘性干扰和加性干扰。乘性干扰与信道特性有关，信道理想的前提下可被忽略；加性干扰来自干扰源的激励或辐射影响。影响接收端对信号码元的准确判决，从而造成误码；影响接收端位同步和帧同步脉冲的准确性，从而进一步引起误码。,只考虑由加性噪声引起误码时，系统的输出信噪比为：由误码引起的信噪比与误码率成反比。,接收端的输出电压x(t)可表示为：,系统的总信噪比：,系统的抗噪声性能与信号噪声比有关。信噪比愈大，系统的抗噪声性能愈好。,5.3差分脉冲编码调制DPCM,5.3.1DPCM原理,差分脉冲编码调制（DPCM）：考虑模拟信号抽样后的幅度样值中仍然保留的相关性（即前面的幅度样值中包含有后面样值的大部分信息），利用前面的幅度样值来对后面的幅度样值进行编码，大大降低了模拟信号编码的位数，使信息传输的比特率也随之减小，从而在不影响通信质量的前提下，克服了PCM系统的缺点。,：模拟信号波形,：,的抽样幅度样值序列,5.3.2DPCM系统的噪声,DPCM的量化阶距可以是均匀的，也可以是非均匀的。,在每个样值编码位数相同即等比特速率条件下，DPCM的量阶就要比PCM的小，因而DPCM的量化噪声将比PCM小，其相应的量化输出信噪比比PCM系统大。,对于话音信号的传输处理来说，在保持相同话音质量的条件下，DPCM的编码比特速率要比PCM的低。,5.4增量调制M,5.4.1增量调制原理,M可以看成PCM的一个特例，它们都用二进制代码来表示模拟信号,M与PCM的比较PCM系统：信号代码表示模拟信号的抽样值，且为了减小量化噪声而使得代码较长，故其相应的编译码设备比较复杂。M系统：将模拟信号变换成每个抽样值仅与一位二进制编码对应的数字信号序列，在接收端只需要一个线性网络便可复制出原模拟信号。编译码设备通常比PCM的简单。,一位二元码可以表示相邻两个抽样值的相对大小，这个大小同样可以反映模拟信号的变化规律。,用二进制码“1”代表在给定时刻是上升了一个台阶，用“0”表示下降了一个台阶，则就被一个二元码序列所表征，相当于该序列同样也表征了,M信号的译码,接收端只要每收到一个“1”码就使译码输出上升一个值，收到“0”码则使输出下降一个值；连续收到“1”码（或“0”码）就使输出一直上升（或下降），这样就可以近似地复制出阶梯波m(t),M信号的编码,5.4.2增量调制系统的噪声,M系统中的量化噪声有两种：过载量化噪声、一般量化噪声。,1、过载量化噪声模拟信号斜率陡变时，由于台阶是固定的，而且单位时间内台阶数也是确定的，因此，阶梯电压波形就跟不上信号的变化，形成了很大失真的阶梯电压波形。,2、一般量化噪声,如果没有发生上述过载的情况，则模拟信号与阶梯波形之间的误差引起的就是一般量化噪声。,5.5时分复用和多路数字电话系统,5.5.1PCM时分多路复用信号帧结构,现在的数字传输系统都是采用脉码调制（Pulse-codemodulation）体制。PCM最初并非传输计算机数据用的，而是使交换机之间有一条中继线不是只传送一条电话信号。,PCM有两个标准（表现形式）即E1和T1。T1的速率是1.544Mbit/s，E1的速率是2.048Mbit/s。脉冲编码调制可以向用户提供多种业务，既可以提供从2M到155M速率的数字数据专线业务，也可以提供话音、图象传送、远程教学等其他业务。特别适用于对数据传输速率要求较高，需要更高带宽的用户使用。,帧结构：把多路数字信码以及插入的各种PN码，按照一定的时间顺序进行排列的数字码流组合就是帧结构。,帧结构图：反映帧长、时隙、码位的位置关系的时间图。,我国采用30/32路PCM基群帧结构,一帧的帧长为125s，抽样频率8000Hz,每帧分为32时隙,传前15个话路语音数码，传前15个话路语音数码.,用于传同步、监视、对端告警码组,传信令码,信令传输方式:随路信令方式CAS；共路信令方式CCS,PCM3032路系统：信令和语音信息分开，30路信令共用TS16传送，但实质上话音信道和信令信道仍有明确的位置对应关系，30路信令分时占用TS16，因此属于CAS方式。,CAS：语音信道和信令信道的位置关系是固定的，信令信道和信令设备利用率不高。,CCS：语音信道和信令信道无明确的位置对应关系，多路信令共用一个专门的信令信道。,5.5.23032路PCM基群终端机及其定时与同步,PCM基群终端机：可用于市一市或长一市的局间中继，也可将30路电话直接接到PCM基群终端机中，实现乡镇和城市之间的多路通信，还可以作为模拟移动电话进入数字通信网的一个接口。,发端把30路语音信号和信令信号进行A/D变换后，把他们和同步、监视、对告码组等汇总，变为符合3032路基群帧结构要求的数字码流，经码型变换后送到电缆线路进行传输或送到高次群设备进行复接，从而实现更大容量的时分多路复用；,收端完成相反的变换。,PCM基群终端机的同步包括位同步、帧同步以及复帧同步三个部分。,位同步：使收/发时钟频率完全相同，收定时系统的主时钟脉冲要与接收信码流主时钟脉冲同频同相。,帧同步：保证接收端正确区分数码流的首尾，使发端第n路抽样量化编码的信号一定要在收端第n路被解码、滤波和恢复，保证语音的正确传送。,复帧同步：则确保信令的正确传送，即使发端第n路的信令一定要送到收端第n路。,5.5.3数字复接技术,CCITT推荐两类数字速率系列和数字复接等级：（1）以北美和日本采用的1.544Mbit/s作基群的数字速率系列；（2）以欧洲和我国采用的2.048Mbit/s作基群的数字速率系列。,复接原理,数字复接包括发送数字复接器和接收数字分接器两部分。,复接器：在发送端把多路信号按TDM方式合并为单路合路信号；,分接器：把合路信号分解为原来的各支路信号。,复接方式,1、按位/按路/按接帧复：根据各支路在高次群中的排列方式分,按位复接：每次只复接每支路的一位码元，待各支路第n位码都取过之后，再依次取各支路的(n+1)位、(n+2)位。,按路复接:各个支路轮流按顺序一次复接8位码。,按帧复接：每次复接一个支路的一帧数码。,2、同步/异步/准同步复接依照复接时各低次群的时钟情况分,同步复接：被复接各支路的时钟由同一个总时钟供给，各支路时钟频率完全相等的。,异步复接：指时钟不同、且没有统一标称频率或相应关系的支路信号进行复接的方式。,准同步复接：参与复接的各低次群信号使用各自的时钟但频差，在一定的范围内，复接前必须将各支路码速调整到统一值。,PCM二次群采用准同步复接方式。,二次群同步复接,二次群由四个基群复接而成，复接后的码速率是8.448Mbs。,每个基群的标称码速率是2.048Mbs