通信原理—模拟信号的数字8讲(新)

1、抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输电子技术系1抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系2上章内容回顾1.1.掌握掌握模拟调制、载波、调制信号、已调信号、调模拟调制、载波、调制信号、已调信号、调制器的定义；制器的定义；2.2.掌握掌握调制的目的及模拟调制的分类；调制的目的及模拟调制的分类；3.3.掌握掌握线性调制器的原理模型，会分析线性调制器的原理模型，会分析AMAM、 DSBDSB、SSBSSB、VSBVSB调制与解调特性；调制与解调特性；4.4.掌握掌握非线性调制器的原理，及非线性已调信号的非线性调制器

2、的原理，及非线性已调信号的频谱和带宽特性。频谱和带宽特性。抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系1.1. 掌握掌握模拟信号的抽样，了解模拟信号的抽样，了解PAMPAM、PDMPDM、PPMPPM；2. 2. 掌握掌握抽样信号的量化，包括均匀量化和非抽样信号的量化，包括均匀量化和非均匀量化；均匀量化；3. 3. 掌握掌握脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）、差分脉冲编）、差分脉冲编码调制（码调制（DPCMDPCM）、增量调制（）、增量调制（DMDM）系统的）系统的原理及信号量噪比的分析。原理及信号量噪比的分析。3一、基本要求 基本要求抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的

3、数字传输电子技术系目标要求二、重点、难点1. 1. 重点重点 抽样定理的掌握、抽样过程的波形和抽样定理的掌握、抽样过程的波形和频谱特性分析；非均匀量化法中频谱特性分析；非均匀量化法中A A律和律和律的原理、近似实现和压缩特性的理解和律的原理、近似实现和压缩特性的理解和掌握，信号量噪比定义的掌握；几种编码掌握，信号量噪比定义的掌握；几种编码调制方式的掌握。调制方式的掌握。 2. 2. 难点难点 PCM PCM 、DPCM DPCM 、DMDM系统信号量噪比的系统信号量噪比的分析。分析。 4重点和难点抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系模拟信号的数字传输 抽样定理脉冲幅度调制（

4、PAM）脉冲编码调制（PCM）自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）增量调制（M/DM）5抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输利用数字通信系统传输模拟信号的步骤：利用数字通信系统传输模拟信号的步骤：1.1. 把模拟信号数字化，即模数转换把模拟信号数字化，即模数转换(A/D)(A/D)； 2.2. 进行数字方式传输；进行数字方式传输； 3.3. 把数字信号还原为模拟信号，即数模转换把数字信号还原为模拟信号，即数模转换(D/A)(D/A)。把发端的把发端的A/DA/D变换称为变换称为信源编码信源编码，而收端的，而收端的D/AD/A变换变换称为称

5、为信源译码信源译码，如语音信号的数字化叫做语音编码。，如语音信号的数字化叫做语音编码。 6抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 模拟信号数字化的方法大致可划分为模拟信号数字化的方法大致可划分为波形编码波形编码和和参量编码参量编码两类。两类。波形编码波形编码是直接把时域波形变换是直接把时域波形变换为数字代码序列，比特率通常在为数字代码序列，比特率通常在16 kb/s 16 kb/s 64 kb/s64 kb/s范围内，接收端重建信号的质量好。范围内，接收端重建信号的质量好。参量编码参量编码是利是利用信号处理技术，提取语音信号的特征参量，再变用信号处理技术，提取语音信号的特征参

6、量，再变换成数字代码，其比特率在换成数字代码，其比特率在16 kb/s16 kb/s以下，但接收端以下，但接收端重建重建( (恢复恢复) )信号的质量不够好。这里只介绍波形编信号的质量不够好。这里只介绍波形编码。码。 目前用的最普遍的波形编码方法有脉冲编码调制目前用的最普遍的波形编码方法有脉冲编码调制(PCM)(PCM)和增量调制和增量调制(M/DM)(M/DM)。模拟信号的数字传输7抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系图 6 1 模拟信号的数字传输 在在PCMPCM中，首先对模拟信息源发出的模拟信号进中，首先对模拟信息源发出的模拟信号进行抽样，使其成为一系列离散的抽样值，

7、然后将这行抽样，使其成为一系列离散的抽样值，然后将这些抽样值进行量化并编码，变换成数字信号。些抽样值进行量化并编码，变换成数字信号。 这时信号便可用数字通信方式传输。在接收端，这时信号便可用数字通信方式传输。在接收端，则将接收到的数字信号进行译码和低通滤波，恢复则将接收到的数字信号进行译码和低通滤波，恢复原模拟信号。原模拟信号。模拟信号的数字传输模拟信息源抽样、量化和编码数字通信系统译码和低通滤波m(t)skskm(t)模拟随机信号数字随机序列数字随机序列 模拟随机信号8抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系抽样定理 抽样定理表明，如果对一个频带有限的时间连抽样定理表明，如果

8、对一个频带有限的时间连续的模拟信号抽样，当续的模拟信号抽样，当抽样频率（抽样速率）抽样频率（抽样速率）达到达到一定数值时，那么根据它的抽样值就能重建原信号。一定数值时，那么根据它的抽样值就能重建原信号。也就是说也就是说，若要传输模拟信号，不一定要传输模拟，若要传输模拟信号，不一定要传输模拟信号本身，只需传输按抽样定理得到的抽样值即可。信号本身，只需传输按抽样定理得到的抽样值即可。因此，抽样定理是模拟信号数字化的因此，抽样定理是模拟信号数字化的理论依据理论依据。 根据信号是低通型的还是带通型的，根据信号是低通型的还是带通型的，抽样定理分低抽样定理分低通抽样定理和带通抽样定理通抽样定理和带通抽样定

9、理；根据用来抽样的脉冲；根据用来抽样的脉冲序列是等间隔的还是非等间隔的，又分序列是等间隔的还是非等间隔的，又分均匀抽样定均匀抽样定理和非均匀抽样理和非均匀抽样；根据抽样的脉冲序列是冲击序列；根据抽样的脉冲序列是冲击序列还是非冲击序列，又可分还是非冲击序列，又可分理想抽样和实际抽样理想抽样和实际抽样。 9抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系理想抽样10抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 一个频带限制在一个频带限制在(0, f(0, fH H) )内的时间连续信号内的时间连续信号m(t)m(t)，如果以如果以T Ts s1/(2f1/(2fH H) )秒的

10、间隔对它进行等间隔秒的间隔对它进行等间隔( (均匀均匀) )抽抽样，则样，则m(t)m(t)可由抽样序列无失真地重建。可由抽样序列无失真地重建。 此定理告诉我们：若此定理告诉我们：若m(t)m(t)的频谱在某一角频率的频谱在某一角频率H H以上为零，则以上为零，则m(t)m(t)中的全部信息完全包含在其间隔中的全部信息完全包含在其间隔不大于不大于1/(2f1/(2fH H) )秒的均匀抽样序列里。秒的均匀抽样序列里。换句话说换句话说，在信，在信号最高频率分量的一个周期内起码应抽样两次。号最高频率分量的一个周期内起码应抽样两次。或者或者说说，抽样速率，抽样速率f fs s（每秒内的抽样点数）应不

11、小于（每秒内的抽样点数）应不小于2f2fH H，若抽样速率若抽样速率f fs s2f2fH H，则会产生失真，这种失真叫，则会产生失真，这种失真叫混叠混叠失真失真。 低通抽样定理低通抽样定理抽样定理11抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系从频域角度频域角度来证明这个定理抽样脉冲序列式中式中抽样后的信号的谱函数抽样定理12抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系抽样后信号的频谱抽样后信号的频谱M Ms s()()由无限多个间隔为由无限多个间隔为s s的的M()M()相叠加而成，这意味着抽样后的信号相叠加而成，这意味着抽样后的信号m ms s(t)(t)包含了信

12、包含了信号号m(t)m(t)的的全部信息全部信息。如果。如果s s22H H，即，即f fs s2f2fH H，也即也即T Ts s1/(2f1/(2fH H) )，则在相邻的，则在相邻的M()M()之间没有重叠，而位之间没有重叠，而位于于n=0n=0的频谱就是信号频谱的频谱就是信号频谱M() M() 本身。本身。抽样定理13抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系图 4-1 抽样过程的时间函数及对应频谱图抽样过程的时间函数及对应频谱图抽样定理14抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系图 4-2 混叠现象OMs()T2 如果抽样间隔如果抽样间隔T Ts s1/

13、(2f1/(2fH H) )，则抽样后信号的频，则抽样后信号的频谱在相邻的周期内发生混叠，此时不可能无失真地重谱在相邻的周期内发生混叠，此时不可能无失真地重建原信号。建原信号。T Ts s=1/(2f=1/(2fH H) ) 是最大允许抽样间隔，它被是最大允许抽样间隔，它被称为称为奈奎斯特间隔奈奎斯特间隔，相对应的最低抽样速率，相对应的最低抽样速率f fs s=2f=2fH H称称为为奈奎斯特速率奈奎斯特速率。 抽样定理15抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系16例4.1抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系例：若一个信号为例：若一个信号为 。试问。试问最

14、小抽样频率为多少才能保证其无失真地恢最小抽样频率为多少才能保证其无失真地恢复？在用最小抽样频率对其进行抽样时，试复？在用最小抽样频率对其进行抽样时，试问保存问保存3 3分钟的抽样，需要保存多少个抽样分钟的抽样，需要保存多少个抽样值？值？可得信号可得信号S(t)S(t)的带宽为的带宽为314/2314/2=50Hz=50Hz所以其奈奎斯特频率所以其奈奎斯特频率fs=2fH=100Hz所以其奈奎斯特间隔所以其奈奎斯特间隔Ts=1/2fH=0.01s17抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 实际中实际中遇到的许多信号是遇到的许多信号是带通信号带通信号。如果采用低。如果采用低通抽样

15、定理的抽样速率通抽样定理的抽样速率f fs s2f2fH H，对频率限制在，对频率限制在f fL L与与f fH H之之间的带通型信号抽样，肯定能满足频谱不混叠的要求。间的带通型信号抽样，肯定能满足频谱不混叠的要求。但这样选择但这样选择f fs s太高太高了，它会使了，它会使0-f0-fL L一大段频谱空隙得不一大段频谱空隙得不到利用，降低了信道的到利用，降低了信道的利用率利用率。 为了提高信道利用率，同时又使抽样后的信号频为了提高信道利用率，同时又使抽样后的信号频谱不混叠，那么谱不混叠，那么f fs s到底怎样选择呢？到底怎样选择呢？带通信号的抽样定带通信号的抽样定理理将回答这个问题。将回答

16、这个问题。 带通抽样定理带通抽样定理抽样定理18抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系图 4-3 带通信号的抽样频谱（fs=2fH）抽样定理19抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 在图在图4-44-4中，抽样后信号的频谱中，抽样后信号的频谱M Ms s()()既没有混叠也没有既没有混叠也没有留空隙，而且包含有留空隙，而且包含有m(t)m(t)的频谱的频谱M()M()图中虚线所框的部分。图中虚线所框的部分。这样，采用带通滤波器就能无失真恢复原信号，且此时抽样速这样，采用带通滤波器就能无失真恢复原信号，且此时抽样速率率(2B)(2B)远低于按低通抽样定理时远

17、低于按低通抽样定理时f fs s=10B=10B的要求。的要求。 带通均匀抽样定理：一个带通信号带通均匀抽样定理：一个带通信号m(t)m(t)，其频率限制在，其频率限制在f fL L与与f fH H之间，带宽为之间，带宽为B=fB=fH H-f-fL L，如果抽样速率，如果抽样速率2f2fH H/(m+1)f/(m+1)fs s 2f2fL L/m/m，m m是一个不超过是一个不超过f fL L/B/B的最大整数，那么的最大整数，那么m(t)m(t)可由抽样序可由抽样序列无失真地重建。下面分两种情况加以说明。列无失真地重建。下面分两种情况加以说明。 (1)抽样定理20抽样PAMPCMADPCM

18、M模拟信号的数字传输电子技术系图 4-4 fH=nB时带通信号的抽样频谱 fH fL3 fs2.5 fs2 fs fsOfs2fsfLfH2.5fs3fsf(a)3 fs2 fs fsOfs2fs3fsfO(b)M()s()3 fs2 fs fsMs()fs2fs3fsf(c)抽样定理21抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 由图由图4-54-5可见，可见，f fs s在在2B2B 4B4B范围内取值，当范围内取值，当f fL LBB时，时，f fs s趋趋近于近于2B2B。即当。即当m m很大，无论很大，无论f fH H是否为带宽的整数倍，上式可简是否为带宽的整数倍，上式

19、可简化为化为 实际中应用广泛的高频窄带信号就符合这种情况，这是因实际中应用广泛的高频窄带信号就符合这种情况，这是因为为f fH H大而大而B B小，小，f fL L当然也大，很容易满足当然也大，很容易满足f fL LBB。由于带通信号一。由于带通信号一般为窄带信号，容易满足般为窄带信号，容易满足f fL LBB，因此带通信号通常可按，因此带通信号通常可按2B2B速率速率抽样。抽样。 (2)抽样定理22抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系图 4-5 fs与fL关系4B3B2BOn1n2Bn32B3Bn44Bn55B6Bn6n77BfLfs8B抽样定理23抽样PAMPCMADP

20、CMM模拟信号的数字传输电子技术系 顺便指出，对于一个携带信息的基带信号，可顺便指出，对于一个携带信息的基带信号，可以视为随机基带信号。若该以视为随机基带信号。若该随机基带信号随机基带信号是宽平稳是宽平稳的随机过程，则可以证明：一个宽平稳的随机信号，的随机过程，则可以证明：一个宽平稳的随机信号，当其当其功率谱密度函数功率谱密度函数限于限于f fH H以内时，若以不大于以内时，若以不大于1/(2f1/(2fH H) )秒的间隔对它进行均匀抽样，则可得一随机秒的间隔对它进行均匀抽样，则可得一随机样值序列。如果让该随机样值序列通过一截止频率样值序列。如果让该随机样值序列通过一截止频率为为f fH H

21、的低通滤波器，那么其输出信号与原来的宽平的低通滤波器，那么其输出信号与原来的宽平稳随机信号的稳随机信号的均方差均方差在统计平均意义下为零。也就在统计平均意义下为零。也就是说，是说，从统计观点来看，从统计观点来看， 对频带受限的宽平稳随对频带受限的宽平稳随机信号进行抽样，也服从抽样定理。机信号进行抽样，也服从抽样定理。抽样定理24抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系25例4.2抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 第第3 3章中讨论的连续波调制是以连续振荡的正弦章中讨论的连续波调制是以连续振荡的正弦信号作为载波。然而，正弦信号并非是惟一的载波信号作为载波。

22、然而，正弦信号并非是惟一的载波形式，时间上离散的脉冲串，同样可以作为载波。形式，时间上离散的脉冲串，同样可以作为载波。脉冲调制就是以时间上离散的脉冲串作为载波，用脉冲调制就是以时间上离散的脉冲串作为载波，用模拟基带信号模拟基带信号m(t)m(t)去控制脉冲串的某参数，使其按去控制脉冲串的某参数，使其按m(t)m(t)的规律变化的调制方式。的规律变化的调制方式。通常，按基带信号改通常，按基带信号改变脉冲参量变脉冲参量( (幅度、宽度和位置幅度、宽度和位置) )的不同，把脉冲调的不同，把脉冲调制又分为脉幅调制制又分为脉幅调制(PAM)(PAM)、脉宽调制、脉宽调制(PDM)(PDM)和脉位调和脉位

23、调制制(PPM)(PPM)。虽然这三种信号在时间上都是离散的，但。虽然这三种信号在时间上都是离散的，但受调参量变化是连续的，因此也都属于受调参量变化是连续的，因此也都属于模拟信号模拟信号。脉冲振幅调制是脉冲编码调制的基础脉冲振幅调制是脉冲编码调制的基础。 脉冲振幅调制脉冲振幅调制(PAM)(PAM)26抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系图 4-6 PAM、 PDM、 PPM信号波形x(t)Ot假设信号波形OtPAM波形脉冲高度在变化tPDM波形脉冲位置不变宽度变化OO脉冲宽变不变脉冲位置在变化tPPM波形脉冲振幅调制脉冲振幅调制(PAM)(PAM)27抽样PAMPCMAD

24、PCMM模拟信号的数字传输电子技术系 脉冲振幅调制脉冲振幅调制(PAM)(PAM)是脉冲载波的是脉冲载波的幅度幅度随基带信号变随基带信号变化的一种调制方式。若脉冲载波是化的一种调制方式。若脉冲载波是冲激脉冲冲激脉冲序列，则前序列，则前面讨论的抽样定理就是脉冲振幅调制的原理。也就是说，面讨论的抽样定理就是脉冲振幅调制的原理。也就是说，按抽样定理进行抽样得到的信号按抽样定理进行抽样得到的信号m ms s(t)(t)就是一个就是一个PAMPAM信号信号。 但是，用冲激脉冲序列进行抽样是一种但是，用冲激脉冲序列进行抽样是一种理想抽样理想抽样的的情况，是不可能实现的。即使能获得，由于抽样后信号情况，是不

25、可能实现的。即使能获得，由于抽样后信号的频谱为无穷大，对有限带宽的信道而言也无法传递。的频谱为无穷大，对有限带宽的信道而言也无法传递。因此，在实际中通常采用因此，在实际中通常采用脉冲宽度脉冲宽度相对于相对于抽样周期抽样周期很很窄窄的窄脉冲序列近似代替冲激脉冲序列。这里介绍实际抽的窄脉冲序列近似代替冲激脉冲序列。这里介绍实际抽样的两种脉冲振幅调制方式：样的两种脉冲振幅调制方式：自然抽样自然抽样的脉冲调幅和的脉冲调幅和平平顶抽样顶抽样的脉冲调幅。的脉冲调幅。 脉冲振幅调制脉冲振幅调制(PAM)(PAM)28抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系自然抽样又称曲顶抽样，它是指抽样后的

26、脉冲幅度（顶部）随被自然抽样又称曲顶抽样，它是指抽样后的脉冲幅度（顶部）随被抽样信号抽样信号m(t)m(t)变化，或者说保持了变化，或者说保持了m(t)m(t)的变化规律。的变化规律。图 4-7自然抽样的PAM原理框图理想低通m(t)s(t)ms(t)m(t)自然抽样的脉冲调幅自然抽样的脉冲调幅 脉冲振幅调制脉冲振幅调制(PAM)(PAM)29抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系图 4-9 自然抽样的PAM波形及频谱m(t)t(a)HHOM()s(t)ATt(b)O|S()|22H2H2tms(t)|Ms()|2O22H2H(c)(d)脉冲振幅调制脉冲振幅调制(PAM)(P

27、AM)30抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系PAM信号s(t)的频谱信号此频谱与理想抽样的频谱非常相似，也是由无限多个间此频谱与理想抽样的频谱非常相似，也是由无限多个间隔为隔为s s=2=2H H的的M()M()频谱之和组成。其中频谱之和组成。其中, n=0, n=0的成分是的成分是(A/T(A/Ts s)M()M()，与原信号谱，与原信号谱M()M()只差一个比例常数只差一个比例常数(A/T(A/Ts s) )，因而也可用低通滤波器从因而也可用低通滤波器从M Ms s()()中滤出中滤出M()M()，从而恢复出基，从而恢复出基带信号带信号m(t)m(t)。 脉冲振幅调制

28、脉冲振幅调制(PAM)(PAM)31抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 比较上两式，可以发现它们的不同之处是比较上两式，可以发现它们的不同之处是: : 理想抽样的理想抽样的频谱的包络是条直线，因而信号带宽为无穷大；自然抽样频频谱的包络是条直线，因而信号带宽为无穷大；自然抽样频谱的包络按谱的包络按SaSa函数随频率增高而下降，因而带宽是有限的，函数随频率增高而下降，因而带宽是有限的，且带宽与脉宽且带宽与脉宽有关。有关。越大，带宽越小，这有利于信号的越大，带宽越小，这有利于信号的传输，但传输，但大会导致时分复用的路数减小大会导致时分复用的路数减小，显然，显然的大小要的大小要兼

29、顾带宽和复用路数这两个互相矛盾的要求。兼顾带宽和复用路数这两个互相矛盾的要求。 脉冲振幅调制脉冲振幅调制(PAM)(PAM)32抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 平顶抽样又叫瞬时抽样，它与自然抽样的不同之处在于它平顶抽样又叫瞬时抽样，它与自然抽样的不同之处在于它抽样后的信号中的脉冲均具有相同的形状抽样后的信号中的脉冲均具有相同的形状顶部平坦顶部平坦的的矩形脉矩形脉冲冲，矩形脉冲的幅度即为瞬时抽样值。原理框图中的脉冲形成，矩形脉冲的幅度即为瞬时抽样值。原理框图中的脉冲形成电路的作用就是把冲激脉冲变为矩形脉冲。电路的作用就是把冲激脉冲变为矩形脉冲。 图 4-10 平顶抽样信

30、号及其产生原理框图mq(t)OTt tmm( (t t) )mms s( (t t) ) T T( (t t) )(a)脉冲形脉冲形成电路成电路mmq q( (t t) )(b)Q Q( ( ) ) 平顶抽样的脉冲调幅平顶抽样的脉冲调幅 脉冲振幅调制脉冲振幅调制(PAM)(PAM)33抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系)2()(1)2()(1)()()(nHSnHssqnMQTnMQTQMM平顶抽样的平顶抽样的PAMPAM信号频谱信号频谱M Mq q()()是由是由Q()Q()加权后的周期性加权后的周期性重复的重复的M()M()所组成，由于所组成，由于Q()Q()是是的函

31、数，如果直接用低通的函数，如果直接用低通滤波器恢复，得到的是滤波器恢复，得到的是Q()M()/TQ()M()/Ts s，它必然存在失真（孔径，它必然存在失真（孔径失真）。失真）。 脉冲振幅调制脉冲振幅调制(PAM)(PAM)34抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系图 4-11 平顶抽样PAM信号的解调原理框图1 / Q()Mq()Ms()低 通滤波器M() 为了从为了从m mq q(t)(t)中恢复原基带信号中恢复原基带信号m(t)m(t)。要在滤波之前先用特。要在滤波之前先用特性为性为1/Q()1/Q()频谱校正网络频谱校正网络加以修正，则低通滤波器便能无失真加以修正，则

32、低通滤波器便能无失真地恢复原基带信号地恢复原基带信号m(t)m(t)。 在实际应用中，在实际应用中，平顶抽样信号采用抽样保持电路来实现平顶抽样信号采用抽样保持电路来实现，得，得到的脉冲为矩形脉冲。在后面将讲到的到的脉冲为矩形脉冲。在后面将讲到的PCMPCM系统的编码中，编码系统的编码中，编码器的输入就是经抽样保持电路得到的平顶抽样脉冲。器的输入就是经抽样保持电路得到的平顶抽样脉冲。 脉冲振幅调制脉冲振幅调制(PAM)(PAM)35抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 在实际应用中，恢复信号的低通滤波器也不可在实际应用中，恢复信号的低通滤波器也不可能是理想的，因此考虑到实际滤

33、波器可能实现的特能是理想的，因此考虑到实际滤波器可能实现的特性，性，抽样速率抽样速率f fs s要比要比2f2fH H选的大一些选的大一些，一般，一般 f fs s= =（2.5-32.5-3）f fH H。例如语音信号频率一般为。例如语音信号频率一般为 300-3400 300-3400 HzHz，抽样速率，抽样速率f fs s一般取一般取8000 Hz8000 Hz。 以上按自然抽样和平顶抽样均能构成以上按自然抽样和平顶抽样均能构成PAMPAM通信系通信系统，统， 也就是说可以在信道中直接传输抽样后的信号，也就是说可以在信道中直接传输抽样后的信号，但由于它们抗干扰能力差，目前很少实用。但由

34、于它们抗干扰能力差，目前很少实用。 它已被它已被性能良好的性能良好的脉冲编码调制脉冲编码调制(PCM)(PCM)所取代。所取代。 脉冲振幅调制脉冲振幅调制(PAM)(PAM)36抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系脉冲编码调制脉冲编码调制(PCM)(PCM)简称脉码调制，它是一简称脉码调制，它是一种种用一组二进制数字代码来代替连续信号用一组二进制数字代码来代替连续信号的抽样值的抽样值，从而实现通信的方式。由于这，从而实现通信的方式。由于这种通信方式抗干扰能力强，它在光纤通信、种通信方式抗干扰能力强，它在光纤通信、数字微波通信、卫星通信中均获得了极为数字微波通信、卫星通信中均

35、获得了极为广泛的应用。广泛的应用。 PCMPCM信号的形成是模拟信号经过信号的形成是模拟信号经过“抽样、抽样、量化、编码量化、编码”三个步骤实现的。三个步骤实现的。脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）37抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系图 4-12 PCM系统原理框图抽样m(t)量化编码信道译码低通滤波ms(t)A / D变化mq(t)m(t)mq(t)干扰编码后的编码后的PCMPCM码组的数字传输方式可以是直接的基码组的数字传输方式可以是直接的基带传输，也可以是对微波、光波等载波调制后的调带传输，也可以是对微波、光波等载波调制后的调制传输。制传输。脉冲编码调制（

36、脉冲编码调制（PCMPCM）38抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系图 4-13 PCM信号形成示意图脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）39抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 利用预先规定的有限个量化电平来表示模利用预先规定的有限个量化电平来表示模拟信号抽样值的过程称为量化拟信号抽样值的过程称为量化。时间连续的模。时间连续的模拟信号经抽样后的样值序列，虽然在时间上离拟信号经抽样后的样值序列，虽然在时间上离散，但在幅度上仍然是连续的，即抽样值散，但在幅度上仍然是连续的，即抽样值m(kT)m(kT)可以取无穷多个可能值，因此仍属可以取无穷多个可能值

37、，因此仍属模拟信号模拟信号。 如果用如果用N N位二进制码组来表示该样值的大位二进制码组来表示该样值的大小，以便利用数字传输系统来传输的话，那么小，以便利用数字传输系统来传输的话，那么, , N N位二进制码组只能同位二进制码组只能同M=2M=2N N个电平值相对应，而个电平值相对应，而不能同无穷多个可能取值相对应。这就需要把不能同无穷多个可能取值相对应。这就需要把取值无限的抽样值划分成有限的取值无限的抽样值划分成有限的M M个离散电平，个离散电平，此电平被称为此电平被称为量化电平量化电平。 量化量化脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）40抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电

38、子技术系量化的物理过程脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）41抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 量化后的信号量化后的信号m mq q(t)(t)是对原来信号是对原来信号m(t)m(t)的近似，的近似，当抽样速率一定，量化级数目（量化电平数）增加当抽样速率一定，量化级数目（量化电平数）增加并且量化电平选择适当时，可以使并且量化电平选择适当时，可以使m mq q(t)(t)与与m(t)m(t)的的近似程度提高。近似程度提高。 m mq q(kT(kTs s) )与与m(kTm(kTs s) )之间的误差称为之间的误差称为量化误差量化误差。对。对于语音、图像等随机信号，

39、量化误差也是随机的，于语音、图像等随机信号，量化误差也是随机的，它像噪声一样影响通信质量，因此又称为它像噪声一样影响通信质量，因此又称为量化噪声量化噪声，通常通常用均方误差来度量用均方误差来度量。为方便起见，假设。为方便起见，假设m(t)m(t)是是均值为零，概率密度为均值为零，概率密度为f(x)f(x)的平稳随机过程。的平稳随机过程。脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）42抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 在给定信息源的情况下，在给定信息源的情况下，f(x)f(x)是已知的。因此，是已知的。因此，量化误差的平均功率与量化间隔的分割有关量化误差的平均功率与量化间隔

40、的分割有关，如何使，如何使量化误差的平均功率最小或符合一定规律，量化误差的平均功率最小或符合一定规律， 是量化是量化器的理论所要研究的问题。器的理论所要研究的问题。 量化噪声的均方误差量化噪声的均方误差( (即平均功率即平均功率) )为为对于多个量化间隔对于多个量化间隔脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）43抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系 把输入信号的把输入信号的取值域取值域按按等距离等距离分割的量化称为分割的量化称为均均匀量化匀量化。在均匀量化中，每个量化区间的量化电平均在均匀量化中，每个量化区间的量化电平均取在各区间的中点。其量化间隔取在各区间的中点。其量化

41、间隔i i取决于输入信号取决于输入信号的变化范围的变化范围a,ba,b和量化电平数和量化电平数M M。量化间隔量化间隔,M,i,mmqiii2121 量化器输出量化器输出量化电平量化电平 均匀量化均匀量化iami分层电平分层电平脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）44抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术系相对量化误差的大小反映了量化器的性能相对量化误差的大小反映了量化器的性能，通常用量化信，通常用量化信噪比来衡量。噪比来衡量。绝对量化误差绝对量化误差相对量化误差相对量化误差量化信噪比量化信噪比计算量化噪声计算量化噪声脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）45抽样PAMPCMADPCMM模拟信号的数字传输电子技术