第2章模拟信号数字化

1、第2章 模拟信号数字化人民邮电出版社现代通信技术2.1 模拟通信和数字通信2.2 数字通信的特点及性能指标2.3 语声信号数字化编码2.4 时分多路复用2.5 高次群数字复接人民邮电出版社现代通信技术2.1 模拟通信和数字通信 信道上传输的是模拟信号的通信系统称为模拟通信系统。 信道上传输的是数字信号的通信系统称为数字通信系统。 模数变换设备将模拟电信号变换成数字信号，数字信号通常是采用二进制信号形式送至信道传输。 在接收端，数字信号再经数模变换和电声变换还原成声音，送给接收者。人民邮电出版社现代通信技术2.2 数字通信的特点及性能指标 一、数字通信的特点一、数字通信的特点 二、二、 数字通信

2、系统的主要性能指标数字通信系统的主要性能指标人民邮电出版社现代通信技术 一、数字通信的特点一、数字通信的特点 1. 抗干扰能力强，无噪声积累。 2. 便于加密处理。 3. 利于采用时分复用实现多路通信。 4. 设备便于集成化、小型化。 5. 占用频带宽。 人民邮电出版社现代通信技术 二、二、 数字通信系统的主要性能指标数字通信系统的主要性能指标 1. 有效性指标 (1) 信息传输速率 (2)符号传输速率 (3) 频带利用率 2. 可靠性指标 (1) 误码率 (2) 信号抖动 人民邮电出版社现代通信技术 1. 有效性指标 (1) 信息传输速率 信道的传输速率是以每秒钟所传输的信息量来衡量的。 人

3、民邮电出版社现代通信技术 (2)符号传输速率 符号传输速率也叫码元速率。它是指单位时间内所传输码元的数目，其单位为“波特”(Bd) 这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的。符号传输速率和信息传输速率是可以换算的。信息传输速率与符号传输速率的关系是 Rb=NB log2M 式中，Rb为信息传输速率(bits)；NB为符号传输速率(码元秒或波特)；M为码元(或符号)的进制数。人民邮电出版社现代通信技术 (3) 频带利用率 频带利用率是指单位频带内的传输速率。信系统占用的频带愈宽，传输信息的能力应该愈大。所以，用来衡量数字通信系统传输效率(有效性)的指标应当是单位频带内的传输速率。人民邮电出版社

4、现代通信技术 2可靠性指标 衡量数字通信系统可靠性的主要指标是误码率和信号抖动。 (1) 误码率 在传输过程中发生误码的码元个数与传输的总码元数之比。 (2) 信号抖动 在数字通信系统中，信号抖动是指数字信号码元相对于标准位置的随机偏移。 2.3 语声信号数字化编码 2.3.1 语声信号编码的基本概念及分类 2.3.2 脉冲编码调制 2.3.3 差值脉冲编码调制 2.3.4 时分多路复用 人民邮电出版社现代通信技术 2.3.1 语声信号编码的基本概念及分类 一、语声信号编码的概念一、语声信号编码的概念 二、二、 语声信号编码的分类语声信号编码的分类 人民邮电出版社现代通信技术 一、语声信号编码

5、的概念一、语声信号编码的概念 一个简单的语声信号的脉冲编码调制(PCM)的编码、解码过程说明语声信号编 码的概念，其示意图如下图所示。人民邮电出版社现代通信技术人民邮电出版社现代通信技术 图中的AD变换包含三个部分：抽样、量化和编码。 (1)抽样：是指将模拟信号在时间上离散化的过程 (2)量化：是指将模拟信号在幅度上离散化的过程。 (3) 编码：编码是指将每个量化后的样值用一定的二进制代码来表示。 人民邮电出版社现代通信技术 二、二、 语声信号编码的分类语声信号编码的分类 (1) 波形编码 (2) 参量编码 (3) 混合编码 人民邮电出版社现代通信技术 2.3.2 脉冲编码调制 一、概述一、概

6、述 脉冲编码调制系统中的信号变换和处理过程如图所示。 人民邮电出版社现代通信技术 二、二、 抽样抽样 模拟信号数字化的第一步是在时间上对信号进行离散化处理，即将时间上连续的信号处理成时间上离散的信号，这一过程称之为抽样。 1抽样定义及实现抽样的电路模型 2抽样定理 3与抽样有关的误差 人民邮电出版社现代通信技术 1 抽样定义及实现抽样的电路模型 连续信号在时间上离散化的抽样过程如图所示。 人民邮电出版社现代通信技术 具体地说，就是某一时间连续信号f(t)，仅取f(t0)、f(t1)、f(t2) 等各离散点数值，就变成了时间离散信号。这个取时间连续信号离散点数值的过程就叫做抽样。人民邮电出版社现

7、代通信技术 2抽样定理 设时间连续信号f(t)，其最高截止频率为fM。如果用时间间隔为Ts1/2fM的开关信号对f f( (t) )进行抽样，则f(t) 就可被样值信号fs(t)=f(nTs)来惟一地表示。或者说，要从样值序列无失真地恢复原时间连续信号，其抽样频率应选为fs2fM。这就是著名的奈奎斯特抽样定理、简称抽样定理。 语声信号的最高频率限制在3400Hz，这时满足抽样定理的最低抽样频率应为fsmm=6800Hz,为了留有一定的防卫带，原CCITT规定语音信号的抽样频率为fs=8000Hz，这样，就留出了80006800=1200Hz作为滤波器的防卫带。 人民邮电出版社现代通信技术 英文

8、缩写英文缩写: CCITT (Consultative Committee of International Telegraph and Telephone) 中文译名中文译名: 国际电报电话咨询委员会国际电报电话咨询委员会 分类分类: 其它其它 解释解释: CCITT是国际电报电话咨询委员会的是国际电报电话咨询委员会的简称，它是国际电信联盟（简称，它是国际电信联盟（ITU）的常设机构之）的常设机构之一。主要职责是研究电信的新技术、新业务和资一。主要职责是研究电信的新技术、新业务和资费等问题，并对这类问题通过建议使全世界的电费等问题，并对这类问题通过建议使全世界的电信标准化。信标准化。 从从1

9、993年年3月月1日起，国际电报电话咨询委员会日起，国际电报电话咨询委员会（CCITT）改组为国际电信联盟（）改组为国际电信联盟（ITU）电信标）电信标准化部门，简称准化部门，简称ITU-T。 人民邮电出版社现代通信技术 3与抽样有关的误差与抽样有关的误差 对语声信号带宽的限制是充分的；对语声信号带宽的限制是充分的； 实行抽样的开关函数是单位冲激脉冲序列，实行抽样的开关函数是单位冲激脉冲序列，即理想抽样；即理想抽样； 通过理想低通滤波器恢复原语声信号。通过理想低通滤波器恢复原语声信号。 (1) 抽样的折叠噪声抽样的折叠噪声 如果前置低通滤波器性能不良，或抽样频率不如果前置低通滤波器性能不良，或

10、抽样频率不能满足能满足f fs s22f fM的条件，都会产生折叠噪声。的条件，都会产生折叠噪声。 (2) 抽样展宽的孔径效应失真。抽样展宽的孔径效应失真。 人民邮电出版社现代通信技术 三、三、 量化量化 1量化定义及描述 2均匀量化及量化噪声计算 3非均匀量化及压缩扩张技术 人民邮电出版社现代通信技术 1 1量化定义及描述量化定义及描述 量化是把信号在幅度域上连续取值变换为幅度量化是把信号在幅度域上连续取值变换为幅度域上离散取值的过程。具体的定义是，将幅度域连域上离散取值的过程。具体的定义是，将幅度域连续取值的信号在幅度域上划分为若干个分层，在每续取值的信号在幅度域上划分为若干个分层，在每一

11、个分层范围内的信号值用一个分层范围内的信号值用“四舍五四舍五入入”的办法取的办法取某一个固定的值来表示。某一个固定的值来表示。 这一近似过程一定会产生误差这一近似过程一定会产生误差。量化误差就是量化误差就是指量化前后信号之差，通常用功率来表示，称之为指量化前后信号之差，通常用功率来表示，称之为量化噪声。量化噪声。返回人民邮电出版社现代通信技术 2均匀量化及量化噪声计算均匀量化及量化噪声计算 量化可以分为均匀量化与非均匀量化两种方式。量化可以分为均匀量化与非均匀量化两种方式。 各量化分级间隔相等的量化方式即为均匀量化。各量化分级间隔相等的量化方式即为均匀量化。 均匀量化时均匀量化时在整个输入信号

12、的幅度范围内量化在整个输入信号的幅度范围内量化级的大小都是相等的。级的大小都是相等的。 在非过载区内，量化值随输入信号的变化而离在非过载区内，量化值随输入信号的变化而离散地变化，并且量化误差总是限制在一定的范围之散地变化，并且量化误差总是限制在一定的范围之内。内。 在过载区内，量化输出就不再随输入信号的变在过载区内，量化输出就不再随输入信号的变化而变化，而是保持在输出的最大量化值上，故量化而变化，而是保持在输出的最大量化值上，故量化误差将随着信号的增加而增大。化误差将随着信号的增加而增大。量化噪声有量化噪声有非过非过载量化噪声和过载量化噪声。载量化噪声和过载量化噪声。 人民邮电出版社现代通信技

13、术 对于均匀量化则是将对于均匀量化则是将- -U+U范围内均范围内均匀等分为匀等分为N个量化间隔，则个量化间隔，则N N称为量化级数。称为量化级数。设量化间隔为设量化间隔为，则，则 =2U/N 如量化值取于每一量化间隔的中间值，如量化值取于每一量化间隔的中间值，在非在非过载区内的最大量化误差为：过载区内的最大量化误差为： e emama (u)=/2 但在过载区内的量化误差，即过载量化误差但在过载区内的量化误差，即过载量化误差则会大于则会大于/2。人民邮电出版社现代通信技术 非过载区内量化噪声功率应为： 或 2)(12122322NU人民邮电出版社现代通信技术 根据信噪比的定义，我们可求得量化

14、信噪比，根据信噪比的定义，我们可求得量化信噪比，即信号功率与量化噪声功率之比，可表示为：即信号功率与量化噪声功率之比，可表示为： 其中其中S S= = u ue e2 2 为信号功率为信号功率eeueuNUuNquqNSee2222223/人民邮电出版社现代通信技术 如前所述，N为量化分级数。在二进制数字信号编码中，编码码组的码位数l与量化分级数N的关系是： N=2l 人民邮电出版社现代通信技术 当过载电压取得足够大将使过载概率很小，这时主要考虑非过载项，则有 对通信系统提出如下要求：在信号动态范围40dB的条件下，量化信噪比不应低于26dB。 264.8+6l - 40 则可得l11返回ee

15、dBqXNXNNSlg20)3lg(2031lg10)/(22人民邮电出版社现代通信技术3非均匀量化及压缩扩张技术(1)非均匀量化及实现(2)律和A律压缩特性返回人民邮电出版社现代通信技术 (1) 非均匀量化及实现非均匀量化及实现 采用均匀分级量化时其量化信噪比随信号电平的采用均匀分级量化时其量化信噪比随信号电平的减小而下降。产生这一现象的原因就是均匀量化的分级减小而下降。产生这一现象的原因就是均匀量化的分级间隔是固定值，它不能随信号幅度的变化而变化，故大间隔是固定值，它不能随信号幅度的变化而变化，故大信号时信噪比大；小信号时信噪比小。解决这一问题的信号时信噪比大；小信号时信噪比小。解决这一问

16、题的有效方法是要用非均匀分级，即非均匀量化。有效方法是要用非均匀分级，即非均匀量化。 非均匀量化的特点是：信号幅度小时，量化间隔小非均匀量化的特点是：信号幅度小时，量化间隔小其量化误差也小；信号幅度大时，量化间隔大，其量化其量化误差也小；信号幅度大时，量化间隔大，其量化误差也大。采用非均匀量化可以改善小信号的量化信噪误差也大。采用非均匀量化可以改善小信号的量化信噪比，可以做到在不增大量化级数比，可以做到在不增大量化级数N N的条件下，使信号在的条件下，使信号在较宽的动态范围内的较宽的动态范围内的（S/Nq) dB达到指标的要求。达到指标的要求。 人民邮电出版社现代通信技术 实现非均匀量化的方法

17、之一是采用压缩扩张技术。 压缩特性是：在最大信号时其增益系数为1，随着信号的减小增益系数逐渐变大。信号通过这种压缩电路处理后就改变了大信号和小信号之间的比例关系大信号时比例基本不变或变化较小，而小信号则相应按比例增大。 返回人民邮电出版社现代通信技术 (2) 律和A律压缩特性 律压扩特性 律压缩特性表示式为： A律压扩特性 以A为参量的压扩特性叫做A律特性。 A律特性的表示式为 )1ln()1ln(1XyAXAAXy10ln111lm1ln1XAAXAy人民邮电出版社现代通信技术 A律13折线压扩特性 目前应用较多的是以数字电路方式实现的A律特性折线近似。具体实现的方法是：对x轴在01(归一化

18、)范围内以1/2递减规律分成8个不均匀段，其分段点是1/2，1/4，1/8，1/16，1/32，1/64和1/128。对y轴在01(归一化)范围内以均匀分段方式分成8个均匀段，其分段点是1/8，2/8，3/8，4/8，5/8，6/8，7/8和1。将x轴和y轴对应的分段线在x-y平面上的相交点相连接的折线就是有8个线段的折线。 人民邮电出版社现代通信技术人民邮电出版社现代通信技术 可以看出，对应同一可以看出，对应同一y值的两种情况计算所得值的两种情况计算所得的的x值基本上相等，这说明按递减值基本上相等，这说明按递减规律进行非均匀规律进行非均匀分段的折线与分段的折线与A87. .6的的A律特性是十

19、分逼近的。律特性是十分逼近的。 通常就称为通常就称为A A律律1313折线压缩特性。折线压缩特性。 A律律1313折线压扩时量化信噪比也可用计算改善折线压扩时量化信噪比也可用计算改善量的方法进行计算，有量的方法进行计算，有 (S/Nq)A.dB=(S/Nq)Db +QA.dB (均均)返回人民邮电出版社现代通信技术 四、四、 编码与解码编码与解码 通常记作通常记作A/D；解码过程是数模变换，通常记解码过程是数模变换，通常记作作DA。 1. .二进制码组及编码的基本概念二进制码组及编码的基本概念 2. .线性编码与解码线性编码与解码 3. .非线性编码与解码非线性编码与解码 人民邮电出版社现代通

20、信技术 1. .二进制码组及编码的基本概念二进制码组及编码的基本概念 目前使用的二进制码组的编码关系有目前使用的二进制码组的编码关系有3 3种：种： 一般二进制码一般二进制码 循环二进制码循环二进制码 折叠二进制码折叠二进制码 编码是把模拟信号样值变换成对应的二进制码编码是把模拟信号样值变换成对应的二进制码组。从概念上讲，编码过程可以用天平称某一组。从概念上讲，编码过程可以用天平称某一物体物体重量的过程类比。重量的过程类比。 编码的过程自然完成了量化。编码的过程自然完成了量化。 人民邮电出版社现代通信技术 2. .线性编码与解码线性编码与解码 对应于均匀量化特性的编码电路叫作线性编码对应于均匀

21、量化特性的编码电路叫作线性编码电路。线性编码的码组中各码位的权值是定数电路。线性编码的码组中各码位的权值是定数，它，它不随输入信号幅度的变化而变化。不随输入信号幅度的变化而变化。 (1) 级联逐次比较型编码电路级联逐次比较型编码电路 (2) 反馈型线性编码器反馈型线性编码器 (3) 加权求和解码网络加权求和解码网络 人民邮电出版社现代通信技术 3. 非线性编码与解码非线性编码与解码 具有均匀量化特性的编码叫做线性编码，具有均匀量化特性的编码叫做线性编码，与之对应的具有非均匀量化特性的编码就叫做与之对应的具有非均匀量化特性的编码就叫做非线性编码。非线性编码的码组中各码位的权非线性编码。非线性编码

22、的码组中各码位的权值不是固定的，而是随着输入信号幅值不是固定的，而是随着输入信号幅度的变化度的变化而改变的。而改变的。 (1) A律律13折线编码的码字安排折线编码的码字安排 (2) A律律13折线编码方法折线编码方法 人民邮电出版社现代通信技术 (1) A律律13折线编码的码字安排折线编码的码字安排 采用采用A律律13折线编码时所需的码位数是折线编码时所需的码位数是8， 其具体安排是：其具体安排是： a1 a2a3a4 a5a6a7a8 极性码极性码 段落码段落码 段内电平码段内电平码 例：例：HT设设A律律13折线折线8位码的码字为位码的码字为11011011，试计算码字电平，试计算码字电

23、平Ic。 例：求抽样电平幅度例：求抽样电平幅度+107时所对应的编码码时所对应的编码码字。字。 人民邮电出版社现代通信技术(2) A律律13折线编码方法折线编码方法 判定值的确定规律和提供方法判定值的确定规律和提供方法 编码方法编码方法 逐次渐近型编码器逐次渐近型编码器 编码端量化误差的分析编码端量化误差的分析 A律律13折线解码折线解码 人民邮电出版社现代通信技术 判定值的确定规律和提供方法判定值的确定规律和提供方法 极性码的判决极性码的判决 段落码的判决段落码的判决 段内电平码的判决段内电平码的判决 返回人民邮电出版社现代通信技术 编码方法编码方法 A律律13折线编码采用逐次反馈编码，其编

24、折线编码采用逐次反馈编码，其编码过程举例如下。码过程举例如下。 例：假设输入样值例：假设输入样值IS+444，按，按A律律13折线编折线编8位码，求具体码字。位码，求具体码字。 返回人民邮电出版社现代通信技术 A律律13折线解码折线解码 数字扩张部分由数字扩张部分由711变换变为变换变为712变换。变换。 该解码器采用线性解码网络，需要将非线该解码器采用线性解码网络，需要将非线性码变换成线性码。为了保证接收端解码后的性码变换成线性码。为了保证接收端解码后的量化误差不超过量化误差不超过(1/2)i ，在接收端应加入，在接收端应加入(1/2)i的补差项，所以要进行的补差项，所以要进行712变换，最

25、后变换，最后由变换后的线性码由变换后的线性码B1B12来控制来控制12位线性解码位线性解码网络。网络。返回人民邮电出版社现代通信技术 五、五、 单片集成单片集成PCM编解码器编解码器 大规模集成的单片编解码器已商品化生产。 常把编码和解码集成在一块芯片中，称为单路PCM编解码器。人民邮电出版社现代通信技术2.3. 3 差值脉冲编码调制 一、 差值脉冲编码调制原理及实现 二、 自适应差值脉冲编码调制人民邮电出版社现代通信技术 一、一、 差值脉冲编码调制原理及实现差值脉冲编码调制原理及实现 差值脉冲编码调制(DPCM)就是考虑利用语声信号的相关性找出可反映信号变化特征的一个差值量进行编码的。根据相

26、关性原理，这一差值的幅度范围一定小于原信号的幅度范围。 因此，在保持相同量化误差的条件下，量化电平数就可以减少，也就是压缩了编码速率。 人民邮电出版社现代通信技术 二、二、 自适应差值脉冲编码调制自适应差值脉冲编码调制 为了能进一步提高DPCM方式的质量还需采取一些辅助措施，即自适应措施。为了能在相当宽的变化范围内仍能得到最佳的性能，DPCM也需要自适应系统，这里的自适应包括自适应预测和自适应量化，称为ADPCM。 自适应量化的基本思想是：让量化间隔(t) 的变化，与输入信号方差相匹配，即量化器阶距随输入信号的方差而变化，它正比于量化器输入信号的方差。 人民邮电出版社现代通信技术 2. 3.

27、4 子带编码的基本概念及工作原理 子带编码是首先将输入信号分割成几个不同的频带分量，然后再分别进行编码，这类编码方式称为频域编码。 频域编码将信号分解成不同频带分量的过程去除了信号的冗余度，得到了一组互不相关的信号。 这同DPCM方式的机理虽然不同，但从去除冗余度的角度来说这两者又是相似的。 人民邮电出版社现代通信技术2.4 时分多路复用 2.4.1 时分多路复用的概念及构成 2.4.2 时分复用系统中的帧同步 2.4.3 PCM3032路系统 人民邮电出版社现代通信技术 2.4.1 时分多路复用的概念及构成时分多路复用的概念及构成 为了提高信道利用率，在传输过程中一般为了提高信道利用率，在传

28、输过程中一般采用多路复用的传输方式采用多路复用的传输方式多个信号在同一条多个信号在同一条信道上传输。信道上传输。 目前应用较多的是频分多路复用目前应用较多的是频分多路复用(FDM)和和时分多路复用时分多路复用(TDM)。前者适用于时间连续信。前者适用于时间连续信号的传输，后者适用于时间离散信号的传输，号的传输，后者适用于时间离散信号的传输，如前面讨论的如前面讨论的PCM系统就是采用时分多系统就是采用时分多路复用路复用的方式传输的。的方式传输的。 人民邮电出版社现代通信技术 下图给出了一个时分复用系统的示意图。人民邮电出版社现代通信技术 时分多路复用系统中收、发两端的同步应时分多路复用系统中收、

29、发两端的同步应包括两个方面：包括两个方面： (1) 时钟频率的同步时钟频率的同步 (2) 帧时隙的同步帧时隙的同步 人民邮电出版社现代通信技术 2.4.2 时分复用系统中的帧同步 一、一、 帧同步电路的工作原理帧同步电路的工作原理 二、二、 帧同步系统中的保护电路帧同步系统中的保护电路 三、三、 对帧同步系统的要求对帧同步系统的要求 人民邮电出版社现代通信技术 一、一、 帧同步电路的工作原理帧同步电路的工作原理 为完成同步功能，在接收端还需有两种装置：为完成同步功能，在接收端还需有两种装置： 一是同步码识别装置，识别接收的一是同步码识别装置，识别接收的PCM信号序信号序列中的同步标志码的位置；

30、列中的同步标志码的位置； 二是调整装置，当收、发两端同步标志码位置二是调整装置，当收、发两端同步标志码位置不对应时，需对收端进行调整使其两者位置相对不对应时，需对收端进行调整使其两者位置相对应，这些装置统称为帧应，这些装置统称为帧同步电路。同步电路。 人民邮电出版社现代通信技术 二、二、 帧同步系统中的保护电路帧同步系统中的保护电路 由同步码误码引起的误判失步叫做由同步码误码引起的误判失步叫做“假失步假失步”。为了减少系统工作中出现假失步的现象，避免误判，为了减少系统工作中出现假失步的现象，避免误判，一般系统中并不是将一次比较结果就作为是否失步一般系统中并不是将一次比较结果就作为是否失步的判决

31、依据，而是连续观察几次的判决依据，而是连续观察几次，如几次都不能对，如几次都不能对准信号序列中的同步码时才确认是真正失步。准信号序列中的同步码时才确认是真正失步。 在系统进入同步引入过程之后，为了避免由于在系统进入同步引入过程之后，为了避免由于假同步码的出现而误判为同步，在电路设计中加入假同步码的出现而误判为同步，在电路设计中加入一个核对保护电路。这个电路的作用一个核对保护电路。这个电路的作用是在同步引入是在同步引入状态中连续几帧的同步检测均检测到同步码才确认状态中连续几帧的同步检测均检测到同步码才确认为同步，为同步，这这一段时间称为后方保护时间。一段时间称为后方保护时间。 人民邮电出版社现代通信技术 三、三、 对帧同步系统的要求对帧同步系统的要求 人民邮