第4章模拟信号的数字传输

1、第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-151第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1524.1 4.1 引言引言 通信系统可以分为模拟通信系统和数通信系统可以分为模拟通信系统和数字通信系统两类，本章在介绍字通信系统两类，本章在介绍抽样定理抽样定理和和脉冲振幅调制（脉冲振幅调制（PAMPAM）的基础上，将着重讨的基础上，将着重讨论用来传输模拟语音信号常用的论用来传输模拟语音信号常用的脉冲编码脉冲编码调制调制(PCM)(PCM)和和增量调制增量调制(M)

2、(M)原理及性能，原理及性能，并简要介绍并简要介绍时分复用时分复用与多路数字电话系统与多路数字电话系统原理的基本概念。原理的基本概念。 第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-153 模数转换要经过模数转换要经过抽样、量化和编码抽样、量化和编码三步三步 模拟信息源抽样量化编码数字通信系统译码低通x(t)模拟随机信号 tT txs txq ks ks txq tx A/D模数转换D/A数模转换图6-1 模拟信号的数字传输第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理 典型案例： PCM时分多路复用通信系统（3路复用）第第4 4章章

3、 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理 我国采用的是30/32路PCM基群结构，即在传输数据时先传第1路信号，然后传第2路信号，第3路信号直到传完第32路，再传第1路，第2路如此循环下去。 在32路PCM系统中，只计话音信息码，它有30路，当 ，k8时，话音信息的码元速率为：30880001920千波特。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。第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-15632路PCM的帧结构12340TS5678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19

4、20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31F0F1F2F3F4F5F6F7F8F9F10F11F12F13F14F1516帧、2ms32时隙256bit、125s1 0 0 1 1 0 1 10 0 0 0 11 11 101011 1 1 1 1帧定位时隙复帧定位码组保留给国际用(目前固定为1)保留给国内用奇帧识别码帧对告码奇帧TS0偶帧TS0TS1TS15用于话路标志信号时隙x1x2x3x4x5x6x7x8段内码极性码复帧定位码组复帧对告和备用比特a b c d a b c d第1路第16路a b c d a b c d第2路第17路a b c d a b c

5、d第15路第30路F15F2F1F0段落码TS17TS30用于话路TS31用于话路(目前固定为1)第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-157PCM的高次群 30430路2.048Mb/s120路8.448Mb/s16480路34.386Mb/s1920路139.264Mb/s7680路565Mb/s444基 群二次群三次群四次群五次群第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1584.4.2 2 抽样定理抽样定理抽样定理的具体内容如下：一个频带限抽样定理的具体内容如下：一个频带限制在制在(0(0，f fH

6、 H) )内的时间连续信号内的时间连续信号x x( (t t) )，如果以，如果以不大于不大于1/(21/(2f fH H) )秒的间隔对它进行等间隔抽样秒的间隔对它进行等间隔抽样( (也就是也就是 ) )，则，则x x( (t t) )将被所得到的抽将被所得到的抽样值完全确定。样值完全确定。 数学描述：数学描述： 时域：时域： Hsff2 ttxtxTs ksTkTtt第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-159频域：频域： TsXX21 nsnssnXTnXTX11HfHf X T sXsfsf2sfsf2Hfsfsf2sfsf2HfsT1(a

7、)(b)(c)第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1510关于抽样的结论：关于抽样的结论： （1 1） 具有无穷大的带宽；具有无穷大的带宽；（2 2）只要抽样频率）只要抽样频率 ， 中中n n值不值不同的频谱函数就不会出现同的频谱函数就不会出现重叠重叠的现象；的现象；（3 3） 中中n = 0n = 0时的成分时的成分是是 ，因此只要用一个带宽，因此只要用一个带宽B B满足满足 的理想低通滤波器，就可以的理想低通滤波器，就可以取出的成分，以不失真地恢复取出的成分，以不失真地恢复x x(t)(t)的波形。的波形。 sXHsff2 sX sX)()1

8、 (sXTHsHffBf第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1511 4.4.3 3 脉冲振幅调制脉冲振幅调制(PAM)(PAM) t0 txt0基带信号PAMt0PDMtt0PPM第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1512 脉幅调制脉幅调制(PAM)(PAM)的工作原理：就是脉冲载的工作原理：就是脉冲载波的波的幅度幅度随基带信号变化的一种调制方式。随基带信号变化的一种调制方式。 txs tx ts(a)t tx ts txs(b)(c)(d) X S SX22HH5H5sTH4H4tt第第4 4

9、章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1513 比较采用比较采用矩形窄脉冲矩形窄脉冲抽样与采用抽样与采用冲激脉冲激脉冲冲抽样抽样( (理想抽样理想抽样) )的过程和结果，可得：的过程和结果，可得： （1 1）它们调制）它们调制( (抽样抽样) )与解调与解调( (信号恢复信号恢复) )过程过程相同，差别只是采用的相同，差别只是采用的抽样信号不同抽样信号不同。（2 2）矩形窄脉冲抽样的包络的总趋势是随）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。样的带宽是无限的。（3 3）的大

10、小要兼顾通信中对的大小要兼顾通信中对带宽带宽和和脉冲宽脉冲宽度度这两个互相矛盾的要求。这两个互相矛盾的要求。 f第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1514 平顶抽样的平顶抽样的PAMPAM方式：方式： txs tx tT脉冲形成电路h(t) txH txHtsT(a)(b)第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1515 4.4.4 4 模拟信号的量化模拟信号的量化定义：用定义：用有限个电平有限个电平来表示模拟信号抽样值来表示模拟信号抽样值被称为量化。被称为量化。 量化器的输出是阶梯形波：量化器的输出

11、是阶梯形波： 量化后的信号和原来信号存在误差，这量化后的信号和原来信号存在误差，这种误差被称为种误差被称为量化误差量化误差。因此，量化信噪功。因此，量化信噪功率比为：率比为： SSSqqTktkTkTxtx1当,22SqSSqqqkTxkTxEkTxENS第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1516ty6y5y4y3y2y1x(t)量化误差量化误差Q(nTQ(nTs s) )：量化信号样值：量化信号样值量化间隔量化间隔k1kkkxxxQyx xk k: : 分层电平分层电平x(nTx(nTs s) )：第：第n n个抽样值个抽样值y yk k：量

12、化电平：量化电平y(t)x6x5x4x3x2x1x7x(4Ts)量化原理量化原理0Ts2Ts3Ts4Ts5Ts6TsQ(4Ts)量化间隔相等称量化间隔相等称均匀量化均匀量化量化间隔不相等称量化间隔不相等称非均匀量化非均匀量化第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1517 1 1、均匀量化和量化信噪功率比、均匀量化和量化信噪功率比定义：把原来信号的值域按定义：把原来信号的值域按等幅值分割等幅值分割的量的量化过程被称为均匀量化。那么均匀量化时的化过程被称为均匀量化。那么均匀量化时的量化间隔为：量化间隔为：量化后信号功率为：量化后信号功率为：量化噪声功率

13、为：量化噪声功率为： Qab QiixixxiqqdxxfmxES1122 QiixixxiqqdxxfmxxxEN1122第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1518经计算量化信噪比为：经计算量化信噪比为： 如果用分贝表示：如果用分贝表示：k k是表示量化阶的二进制码元个数，从上式可是表示量化阶的二进制码元个数，从上式可以看到，量化阶的以看到，量化阶的Q Q值越大值越大，用以表述的二进，用以表述的二进制码组越长，所得到的量化信噪比越大，制码组越长，所得到的量化信噪比越大，信信号的逼真度就越好号的逼真度就越好。 1121212222 QQNSqq

14、dBkkQQdBNSkqq622022020102lglglglg第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-15192 2、非均匀量化、非均匀量化 非均匀量化是根据信号的不同区间来确非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。对于信号定量化间隔的。对于信号取值小的区间，其取值小的区间，其量化间隔也小量化间隔也小，反之，量化间隔就大。这样，反之，量化间隔就大。这样可以可以提高小信号时的量化信噪比提高小信号时的量化信噪比，适当，适当减小减小大信号时的信噪功率比大信号时的信噪功率比。优点：。优点：适合于非均匀分布信号情况；量化噪声对大、适合于非均匀分布信

15、号情况；量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即小信号的影响大致相同，即改善了小信号时改善了小信号时的量化信噪比的量化信噪比。 第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1520 （1 1）压缩律压缩律 对于小信号的情况有：对于小信号的情况有： 在大信号时，也就是在大信号时，也就是x x1 1，那么，那么 （2 2） A A压缩律压缩律 1011xxy,lnln 62111100.lnlnxxxdxdy 2140100110011001111.lnlnxxxdxdy1111101xAAAxAxAAxy,lnln,ln1118270110161xAxAxA

16、AAxAAdxdy,.ln,ln第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1521200100300(a)y1y1b1ax1A1y11lnA1y1lnA1lnAx(b)x小信号区域大信号区域0 xy011403020100-10-20-30-40-5018Q036Q00100改善量x / dB/ dBSNq（3 3）数字压扩技术）数字压扩技术基本思想：利用大量数字电路形成若干根折基本思想：利用大量数字电路形成若干根折线，并线，并用这些折线来近似对数的压扩特性用这些折线来近似对数的压扩特性，从而达到压扩的目的。从而达到压扩的目的。 第第4 4章章 模拟信

17、号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1522 两种常用的数字压扩技术：两种常用的数字压扩技术： （1 1）1313折线折线A A律压扩，它的特性近似律压扩，它的特性近似A A87.687.6的的A A律压扩特性。律压扩特性。 （2 2）1515折线折线律压扩，其特性近似律压扩，其特性近似255255的的律压扩特性。律压扩特性。 13 13折线折线A A律压扩特性各段落的斜率：律压扩特性各段落的斜率： 折线段折线段落落12345678斜率斜率161684211/21/4第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1523y1786

18、858483828181011281641161321181412x斜率：1段162段163段84段45段26段17段1/28段1/4234567第8段未压缩第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-15241313折线法进行压扩和量化后，可以做出量化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：信噪比与输入信号间的关系曲线：-10-30-50-7010305070 x / dB/ dBSNq13 折线12位均匀编码第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-15254.5 A律律PCM编码原

19、理编码原理一、二进制码一、二进制码第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1526第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1527二、A律PCM编码规则第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1528图5-21 A律13折线压扩特性第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1529二、A律13折线的码字安排量化间量化间隔越小隔越小量化级量化级数越多数越多 信号量信号量噪比越大噪比越大 码组中的二进码组中的二进制码元个数越多

20、制码元个数越多 传输量和存储量传输量和存储量越大，编码器越复杂越大，编码器越复杂优点优点缺点缺点第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1530第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1531第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1532第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1533第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1534例5.4.1 例：例：第第4 4章章 模拟信

21、号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1535第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1536第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-15375.4.3. 逐次比较型编解码原理第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1538 解码器的原理图第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1539例5.4.2 例：例：第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-154

22、04.5.5 PCM信号的码元速率和带宽信号的码元速率和带宽第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-15412skfB skfB 2.传输PCM信号所需的最小带宽 理想低通传输系统： 升余弦传输系统：第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1542例第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-15434.4.6 6 增量调制增量调制 增量调制获得广泛应用的主要原因：增量调制获得广泛应用的主要原因： (1) (1) 在比特率较低时，增量调制的在比特率较低时，增量调制的量

23、化信量化信噪比高噪比高于于PCMPCM的量化信噪比；的量化信噪比； (2) (2) 增量调制的增量调制的抗误码性能好抗误码性能好。能工作于。能工作于误码率为误码率为1010-2-2-1010-3-3的信道中，而的信道中，而PCMPCM要求误码要求误码率通常为率通常为1010-4-4-1010-6-6； (3) (3)增量调制的增量调制的编译码器编译码器比比PCMPCM简单简单。第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1544 4.4.6 6.1 .1 简单增量调制简单增量调制 1 1、编码的基本思想、编码的基本思想 m(t)0010101111110

24、tt12t11t10t9t8t7t6t5t4t3t2t1t tx tx tx0第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1545 2 2、译码的基本思想、译码的基本思想 收到收到“1”“1”码上升一个量化阶码上升一个量化阶( (跳变跳变) )，收，收到到“0”“0”码下降一个量化阶码下降一个量化阶( (跳变跳变) )，这样就可，这样就可以把二进制代码经过译码变成以把二进制代码经过译码变成 这样的阶这样的阶梯波。另一种的编码思路如图所示：梯波。另一种的编码思路如图所示： txp(t)1010111OTs2Ts3Ts4Ts7Tst积分器OTs2Ts3Ts4

25、Ts7Tstp(t) tx0 tx0第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1546 3 3、简单增量调制系统框图、简单增量调制系统框图判决器(比较器)消息信号 -e(t)积分器脉冲发生器发送端编码器抽样定时增量调制信号输出脉 冲发生器积分器EE低 通滤波器消息信号接收端译码器 tx0 tx0 tx tx tp tp 第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-15474.64.6.2.2增量调制的过载特性与编码的动态范围增量调制的过载特性与编码的动态范围 1 1、增量调制系统的量化误差、增量调制系统的量化误差

26、增量调制系统中量化噪声有两种形式，增量调制系统中量化噪声有两种形式，一般一般量化噪声和量化噪声和过载过载量化噪声。量化噪声。 (a)tt(b) tx tx tx tx te te第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1548 一般量化噪声：一般量化噪声： 过载量化噪声：发生在模拟信号斜率陡过载量化噪声：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，阶数也是确定的，因此，阶梯电压波形就有阶梯电压波形就有可能跟不上信号的变化可能跟不上信号的变化，这样的失真称为过，这样的失真称为过载

27、现象，也称过载噪声。载现象，也称过载噪声。 2 2、过载特性、过载特性 当出现过载时，量化噪声将急剧增加，因此当出现过载时，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在实际应用中要尽量防止出现过载现象。 txtxte0第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1549译码器的最大跟踪斜率：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：时，则将造成过载噪声。即有如下要求： 3 3、动态范围、动态范围 当系统的有关参数确定以后，信号能够当系统的有关参数确定以后

28、，信号能够进行正常编码的幅度范围，就是系统编码的进行正常编码的幅度范围，就是系统编码的动态范围。动态范围。 sftK maxdttdxftKs第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1550 设输入信号为设输入信号为 ，此时信号的斜率为：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：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：开始编码正弦信号振幅：系统编码的动态范围可以定义为：系统编码的动态范围可以定义为：以以 正弦波值为标准，上式就变为：正弦波值为标准，上式就变为： tAtxksin tAdttdxkkcosksksfAAft

29、max2minAdBfffffAADksksksClg2022lg202lg20lg20minmaxHzfk800dBfDsC800lg20第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1551HfHsff2 增量调制与增量调制与PCMPCM比较比较 抽样频率：抽样频率： 信号最高频率为 ，则 ,一般最高频率不会太高，所以PCM的抽样频率也不会很高。 增量调制为了避免过载现象，抽样频率较高，一般为PCM的两倍。 带宽：带宽：sPCMmssPCMmsBBff第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1552 设备复杂

30、度：设备复杂度： 单路传输中：增量调制简单 多路传输中：PCM优于增量调制第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-15534.7 时分复用和多路数字电话系统时分复用和多路数字电话系统 所谓多路复用所谓多路复用是指在同一个信道上同时传输多路信号而互不是指在同一个信道上同时传输多路信号而互不干扰的一种技术。干扰的一种技术。 最常用的多路复用方式是频分复用（最常用的多路复用方式是频分复用（FDM）、时分复用（）、时分复用（TDM）和码分复用（）和码分复用（CDM）。）。按频段区分信号的方法叫频分按频段区分信号的方法叫频分复用复用；按时隙区分信号的方法叫时分

31、复用按时隙区分信号的方法叫时分复用；按相互正交的码字按相互正交的码字区分信号的方法叫码分复用区分信号的方法叫码分复用。 传统的模拟通信中都采用频分复用；随着数字通信的传统的模拟通信中都采用频分复用；随着数字通信的发展，时分复用和码分复用通信系统的应用越来越广泛。发展，时分复用和码分复用通信系统的应用越来越广泛。 第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输现代通信系统原理2021-10-1554 时分复用（时分复用（TDM）是建立在）是建立在抽样定理抽样定理基础上的。抽样定理基础上的。抽样定理指明：满足一定条件下，时间连续的模拟信号可以用时间上指明：满足一定条件下，时间连续的模拟信号可以用时间上离散的抽样脉冲值代替。因此，如果抽样脉冲占据较短时间，离散的抽样脉冲值代替。因此，如果抽样脉冲占据较短时间，在抽样脉冲之间就留出了在抽样脉冲之间就留出了时间空隙时间空隙，利用这种空隙便可以传，利用这种空隙便可以传输其它信号的抽样值。时分复用就是利用各路信号的抽样值输其它信号的抽样值。时分复用就是利用各路信号的抽样值在时间上占据不同的时隙，来达到在同一信道中传输多路信在时间上占据不同的时隙，来达到在同一信道中传输多路信号而互不干扰的一种方法。号而互不干扰的一种方法。 与频分复用相比，时分复用具有以下的主要优点：与频分复用相比，