通信原理韩庆文第三章模拟信号数字化传输(3)

1、CCEE数字通信原理数字通信原理第三章第三章 模拟信号的数字化传输模拟信号的数字化传输主要内容主要内容重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理 3 3.1 .1 引引 言言3.2 模拟信号的抽样模拟信号的抽样3.3 信号的量化信号的量化3.6 数字复接技术数字复接技术3.5 差分脉冲编码调制和增量调制差分脉冲编码调制和增量调制3.4 脉冲编码调制脉冲编码调制差分脉冲编码调制和增量调制差分脉冲编码调制和增量调制v差分脉冲编码调制v增量调制重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理差分编码调制差分编码调制v问题的提出： PCM系统之所以能够提供高的通信

2、质量，在于它采用了大的编码位数，为此在频带方面付出了很大的代价。这将严重地限制了PCM在已经相当拥挤的那些频段中应用。 压缩PCM系统所占用的频带宽度也就成为人们密切关注的问题。DPCM就是为了达到这一目的而提出的PCM编码重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理预测通信预测通信vDPCM是预测通信中最简单的一种。v预测通信的基本原理： 利用模拟信号在观察点tt0之前一个或若干个抽样点上的取值，对这个观察点上的取值进行估计和预测。 虽然预测值与实际值之间必然会存在着一定的误差,但可以将误差量化、编码传输。收端将预测值加上误差便可恢复原信号，由于误差值一般比量化值小，从而

3、达到压缩比特速率的目的。重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理2.4 增量调制增量调制重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理123增量调制的基本原理增量调制的基本原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理 增量调制简称增量调制简称MM或或DMDM，它是继，它是继PCM PCM 后出现的后出现的又一种模拟信号数字传输的方法。又一种模拟信号数字传输的方法。M M 只用一位编码表示相邻样值的相对大小，只用一位编码表示相邻样值的相对大小，从而反映抽样时刻波形的变化趋势，而与样值从而反映抽样时刻波形的变化趋势，而与样值本身的大

4、小无关。本身的大小无关。与与PCM PCM 编码方式相比编码方式相比,M,M具有编译码设备简具有编译码设备简单，低比特率时的量化信噪比高，抗误码特性单，低比特率时的量化信噪比高，抗误码特性好等优点。好等优点。预测通信预测通信vDPCM是预测通信中最简单的一种。v预测通信的基本原理： 利用模拟信号在观察点tt0之前一个或若干个抽样点上的取值，对这个观察点上的取值进行估计和预测。 虽然预测值与实际值之间必然会存在着一定的误差,但可以将误差量化、编码传输。收端将预测值加上误差便可恢复原信号，由于误差值一般比量化值小，从而达到压缩比特速率的目的。重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字

5、通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理v大多数情况下，模拟信号在相邻间隔上的抽样值都比较接近，而且其变化的规律与前几个抽样点上的取值都比较接近，并且多数具有单调变化的趋势。如下图所示：预测通信预测通信v信号相关性愈大、已知的观察点前的抽样值愈多，预测愈准确。v令 是信号在观察点t0上的实际抽样值， 为其预测值，则预测误差值 为：v接收端根据预测值和收到的预测误差值复制出抽样点上的实际信号重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理预测通信预测通信 0tf 0tf 00000tftftftftf 0tf 000tftftf预测通信预测通信v预

6、测通信，是一种理论上和实际上都很有价值的通信方法。v一般说来，预测误差f(t0)的取值范围，总是小于实际信号f(t0)的取值范围。如果量化阶距相等的话，传输预测误差信号就可以采用较小的编码位数N，从而达到压缩频率的目的。重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理v在一般PCM编码中加一个减法器和一个累加一延时器就可实现DPCM。v在接收端的译码系统中，只要增加一个“累加一延时器” 。DPCM的特点的特点vDPCM的特点是直接利用前一个抽样点上信号的量化电平作为预测值，无须复杂的运算，是最简单的预测通信。当传输

7、话音信号时，码速32kb/s的DPCM系统的通话质量，大致可达到64kb/s PCM的水平。v在远距离时PCM话变成32kb/s的DPCM信号，可在传输信道中扩大一倍电话容量，而其接口仍满足64kb/s 。这是编码体制上的一个重要发展。重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理DPCM的实际应用的实际应用v单纯的DPCM已用得不多，更多的是采用自适应差分脉冲编码调制（AD-PCM）。v自适应是指能自动的改变量化间隔，使预测误差电平大时增大量化阶距，误差电平小时缩短量化阶距，从而进一步降低量化噪声。vDPCM信号的编码位n最低为2，即2比特量化。如果把n降到1，成为1比特量

8、化，就是增量调制（M）。重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理差分脉冲编码调制和增量调制差分脉冲编码调制和增量调制v差分脉冲编码调制v增量调制重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理2.4 增量调制增量调制重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理123简单增量调制简单增量调制重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理 编译码的基本思想编译码的基本思想 简单增量调制系统框图简单增量调制系统框图 增量调制的过载特性和动态编码范围增量调制的过载特性和动态编码范围编码的基本思想编码的基本思想重庆大学通信工程

9、学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理 语音信号，如果抽样速率很高，那么相邻样语音信号，如果抽样速率很高，那么相邻样点之间的幅度变化不会很大，相邻抽样值的相点之间的幅度变化不会很大，相邻抽样值的相对大小（差值）同样能反映模拟信号的变化规对大小（差值）同样能反映模拟信号的变化规律。律。 逼近过程逼近过程逼近过程逼近过程 m t重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理时间连续编码的模拟信号时间连续编码的模拟信号用阶梯波形逼近用阶梯波形逼近 m t时间间隔为时间间隔为T T相邻幅度差相邻幅度差或或只要只要T T足够小，即抽样速率足够高，足够小，即抽样速率足够高，足够

10、小，阶梯波足够小，阶梯波m m(t)(t)可以代替可以代替m(t)m(t) 阶梯波阶梯波m(t)的特点的特点阶梯波逼近阶梯波逼近重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理m(t)m(t)m(t)t010101111110t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12阶梯波阶梯波m(t)的特点的特点重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理 阶梯波阶梯波m m(t) (t) 有两个特点有两个特点 在每个在每个t t 间隔内，间隔内，m m(t) (t) 的幅值不变。的幅值不变。 相邻间隔的幅值差不是相邻间隔的幅值差不是+（上升一个量化阶）（上升

11、一个量化阶）就是就是-（下降一个量化阶）（下降一个量化阶） 可见可见 利用这两个特点，用利用这两个特点，用“1 1”码和码和“0 0”码分别代表码分别代表m m(t) (t) 上升或下降一个量化阶上升或下降一个量化阶， m m(t) (t) 就被就被一个二进制序列表征。一个二进制序列表征。斜变波的逼近斜变波的逼近重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理 也可用斜变波也可用斜变波m m1 1(t)(t)近似近似m(t)m(t)，斜变波也有，斜变波也有两种变化两种变化 按斜率按斜率/t/t上升一个量阶；上升一个量阶； 按斜率按斜率-/t-/t下降一个量阶。下降一个量阶。 用

12、用“1 1” 码表示正斜率，用码表示正斜率，用“0 0”码表示负斜率，码表示负斜率，同样可以获得二进制序列。同样可以获得二进制序列。斜变波逼近斜变波逼近重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理m(t)m1(t)m(t)t010101111110t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12译码译码重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理 与编码相对应，译码也有两种形式与编码相对应，译码也有两种形式 一种是收到一种是收到“1 1”码上升一个量阶（跳变），收到码上升一个量阶（跳变），收到“0 0”码下降一个量阶（跳变），这样把二进制代码下降一

13、个量阶（跳变），这样把二进制代码经过译码后变为码经过译码后变为m m(t) (t) 这样的阶梯波。这样的阶梯波。 另一种是收到另一种是收到“1 1”码后产生一个正斜率电压，在码后产生一个正斜率电压，在tt时间内上升一个量阶时间内上升一个量阶，收到，收到“0 0”码后产生码后产生一个负斜率电压，在一个负斜率电压，在tt时间内下降一个量阶时间内下降一个量阶，二进制代码经译码。变为二进制代码经译码。变为m m1 1(t)(t)这样的斜变波。这样的斜变波。 如考虑电路实现的简易程度，一般采用后一种方如考虑电路实现的简易程度，一般采用后一种方法。这种方法可用一个简单的法。这种方法可用一个简单的RC RC

14、 积分电路，即积分电路，即可把二进制代码变为可把二进制代码变为m m1 1(t)(t)波形波形译码译码重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理积分器积分器 p t 1m t p tt0Ts2Ts3Ts4Ts7Ts0101111 1m tt0Ts2Ts3Ts4Ts7Ts 1m tt0Ts2Ts3Ts4Ts7Ts简单增量调制简单增量调制重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理 编译码的基本思想编译码的基本思想 简单增量调制系统框图简单增量调制系统框图 增量调制的过载特性和动态编码范围增量调制的过载特性和动态编码范围简单增量调制系统框图简单增量调制系统

15、框图重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理简单增量调制系统简单增量调制系统重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理发送端编码器是相减器、判决器、本地发送端编码器是相减器、判决器、本地译码器及脉冲产生器（极性变换电路）译码器及脉冲产生器（极性变换电路）组成的一个闭环反馈电路。组成的一个闭环反馈电路。接收端解码电路由译码器和低通滤波器接收端解码电路由译码器和低通滤波器组成组成简单增量调制系统简单增量调制系统重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理 相减器的作用是取出差值相减器的作用是取出差值e(t)e(t)，使，使e(t)=

16、m(t)-me(t)=m(t)-m1 1(t)(t)判决器也称比较器或数码形成器，它的作用判决器也称比较器或数码形成器，它的作用是对差值是对差值e(t)e(t)极性进行识别和判决，以便在极性进行识别和判决，以便在抽样时刻输出数码（增量码）抽样时刻输出数码（增量码）c(t)c(t)简单增量调制系统简单增量调制系统重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理给定抽样时刻给定抽样时刻t ti i 10iiie tm tm t判决器输出判决器输出1 1给定抽样时刻给定抽样时刻t ti i 10iiie tm tm t判决器输出判决器输出0 0简单增量调制系统简单增量调制系统重庆大学

17、通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理 积分器和脉冲产生器组成本地译码器，它的积分器和脉冲产生器组成本地译码器，它的作用是根据作用是根据c(t)c(t)，形成预测信号，形成预测信号m1(t)m1(t) c(t)c(t)为为“1 1”，m(t)m(t)上升一个量阶上升一个量阶 c(t)c(t)为为“0 0”，m(t)m(t)下降一个量阶下降一个量阶 送到相减器与送到相减器与m(t)m(t)进行幅度比较进行幅度比较简单增量调制系统简单增量调制系统重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理译码器与发送端的本地译码器相同由译码器与发送端的本地译码器相同由c(t)

18、c(t)恢复恢复m m1 1(t)(t)低通滤波器的作用是滤除低通滤波器的作用是滤除m m1 1(t)(t)中的高次中的高次谐波，使得输出平滑波形谐波，使得输出平滑波形简单增量调制简单增量调制重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理 编译码的基本思想编译码的基本思想 简单增量调制系统框图简单增量调制系统框图 增量调制的过载特性和动态编码范围增量调制的过载特性和动态编码范围过载特性和动态编码范围过载特性和动态编码范围重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理 增量调制也会带来误差而形成量化噪声增量调制也会带来误差而形成量化噪声 当模拟输入信号斜率陡变

19、时，本地译码器当模拟输入信号斜率陡变时，本地译码器输出信号输出信号m m(t) (t) 跟不上信号跟不上信号m(t)m(t)的变化，的变化， m m(t) (t) 与与m(t)m(t)之间的误差明显增大，引起译码之间的误差明显增大，引起译码后的严重失真，这种现象称为过载现象，产后的严重失真，这种现象称为过载现象，产生的失真称为过载失真生的失真称为过载失真阶梯波逼近阶梯波逼近重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理m(t)m(t)m(t)t010101111110t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12过载特性和动态编码范围过载特性和动态编码范围重庆大学通信

20、工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理一般量化噪声一般量化噪声过载量化噪声过载量化噪声过载特性过载特性重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理用阶梯波用阶梯波m m(t)(t)逼近逼近t抽样间隔抽样间隔一个量阶一个量阶上最大斜率上最大斜率sKft译码器的最大跟踪斜率译码器的最大跟踪斜率过载特性过载特性重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理量化误差量化误差e eq q(t)(t)在在-,+,+ 区间内变化区间内变化 maxsdm tfdt译码器的输出译码器的输出m m(t)(t)能跟上能跟上m(t)m(t)的变化的变化过载特性过载特

21、性sf 重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理增量调制系统的抽样速率增量调制系统的抽样速率远大于远大于PCMPCM有利于减少量化误差和过载噪声有利于减少量化误差和过载噪声,sf量化误差增大量化误差增大过载特性过载特性 coskkdm tAtdt重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理模拟信号模拟信号 sinkm tAt斜率斜率不过载条件不过载条件ksAf临界过载振幅临界过载振幅（允许信号幅度）（允许信号幅度）maxskfA最大允许最大允许编码电平编码电平过载特性过载特性重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理 可见可见

22、当信号斜率一定时，允许信号的幅度随信号频率当信号斜率一定时，允许信号的幅度随信号频率的增加而减小，这将导致语音高频段信号量化信的增加而减小，这将导致语音高频段信号量化信噪比下降。噪比下降。最大允许编码电平最大允许编码电平maxskfA最小允许编码电平最小允许编码电平min2A编码的动态范围编码的动态范围重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理编码器能够正常工作的编码器能够正常工作的输入信号振幅范围输入信号振幅范围maxmin20lgcdBADA编码的动态范围定义为：最大允许编码电平编码的动态范围定义为：最大允许编码电平与最小允许编码电平之比与最小允许编码电平之比20lg

23、/20lg22sscdBkkffDff800kfHz20lg800scdBfD说明说明重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理 可见可见简单增量调制的编码动态范围较小，在简单增量调制的编码动态范围较小，在低传码率时，不符合话音信号要求。低传码率时，不符合话音信号要求。 实用中的实用中的MM常用它的改进型。常用它的改进型。2.4 增量调制增量调制重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理123增量调制系统的性能增量调制系统的性能重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理 抗噪声性能抗噪声性能 与与PCM系统的比较系统的比较抗噪声

24、性能抗噪声性能重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理 增量调制系统的两种噪声增量调制系统的两种噪声 量化噪声量化噪声 加性噪声加性噪声量化噪声信噪比量化噪声信噪比重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理 前提前提 不考虑过载，只研究量化噪声不考虑过载，只研究量化噪声 ,qet 不过载条件下不过载条件下在在(-(-,+,+) )范围内均匀分布范围内均匀分布 qetM M量化噪声平均功率量化噪声平均功率 22223qeE etde 量化噪声功率谱在量化噪声功率谱在(0,f(0,fs s) )均匀分布均匀分布量化噪声信噪比量化噪声信噪比重庆大学通信工

25、程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理mf接收端低通滤波器截止频率接收端低通滤波器截止频率输出量化噪声功率输出量化噪声功率 223qssE etP fff量化噪声单边功率谱密度量化噪声单边功率谱密度 23mqmsfNP fff量化噪声信噪比量化噪声信噪比max2skfAf重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理信号功率的最大值信号功率的最大值临界振幅临界振幅信号最大量化信噪比信号最大量化信噪比33022230.048ssqkmkmSffNffff正弦信号临界过载振幅正弦信号临界过载振幅222max02228skAfSf 可知可知 信号越大，信噪比越大信号越大

26、，信噪比越大量化噪声信噪比量化噪声信噪比重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理分贝表示分贝表示030lg20lg10lg14skmqdBSfffN 增量调制最重要的公式，表明增量调制最重要的公式，表明 简单简单M M 的信噪比与抽样速率的信噪比与抽样速率f fs s成立方关系，成立方关系，即即f fs s每提高一倍，量化信噪比提高每提高一倍，量化信噪比提高9dB9dB 量化信噪比与信号频率量化信噪比与信号频率f fk k的平方成反比，即的平方成反比，即f fk k每提高一倍，量化信噪下降每提高一倍，量化信噪下降6dB6dB抗噪声性能抗噪声性能重庆大学通信工程学院重庆大

27、学通信工程学院数字通信原理数字通信原理 增量调制系统的两种噪声增量调制系统的两种噪声 量化噪声量化噪声 加性噪声加性噪声误码信噪功率比误码信噪功率比2212seef PNf重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理信噪比信噪比总信噪比总信噪比01216seekSf fNP f由误码造成的误码噪声功率由误码造成的误码噪声功率语音信号的语音信号的下截止边带下截止边带30012222013848seqmkeksSSf fNNNf f fP ff增量调制系统的性能增量调制系统的性能重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理 抗噪声性能抗噪声性能 与与PCM系

28、统的比较系统的比较增量调制系统的性能增量调制系统的性能重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理 抽样速率抽样速率 带宽带宽 量化信噪比量化信噪比 信道误码的影响信道误码的影响 设备复杂度设备复杂度抽样速率抽样速率重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理 PCM PCM 系统中的抽样速率是根据抽样定理来系统中的抽样速率是根据抽样定理来确定的。若信号的最高频率为确定的。若信号的最高频率为f fm m，则，则f fs s2f2fm m。 MM系统不能根据抽样定理确定抽样速率。系统不能根据抽样定理确定抽样速率。在保证不发生过载，达到与在保证不发生过载，达

29、到与PCM PCM 系统相同系统相同的信噪比时，的信噪比时，MM的抽样速率远远高于奈奎的抽样速率远远高于奈奎斯特速率。斯特速率。增量调制系统的性能增量调制系统的性能重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理 抽样速率抽样速率 带宽带宽 量化信噪比量化信噪比 信道误码的影响信道误码的影响 设备复杂度设备复杂度带宽带宽2sMfBMsBf重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理 MM系统在每一次抽样，只传送一位代码，系统在每一次抽样，只传送一位代码，因此因此M M系统的数码率系统的数码率f fb b =f =fs s，要求的最小，要求的最小带宽为带宽为

30、实际应用时实际应用时 PCMPCM系统数码率系统数码率bsfNf带宽带宽重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理 同样语音质量要求下同样语音质量要求下 PCM PCM 系统的数码率为系统的数码率为64kHz64kHz，因而要求最小信，因而要求最小信道带宽为道带宽为32kHz 32kHz 。 M M 系统抽样速率至少为系统抽样速率至少为100 kHz100 kHz，则最小带，则最小带宽为宽为50kHz50kHz 增量调制系统的性能增量调制系统的性能重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理 抽样速率抽样速率 带宽带宽 量化信噪比量化信噪比 信道误码的影响信道误码的影响 设备复杂度设备复杂度量化信噪比量化信噪比重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理 在相同的信道带宽（即相同的数码率在相同的信道带宽（即相同的数码率f fb b）条）条件下：件下： 在低数码率时，在低数码率时，M M 性能优越；性能优越； 在编码位数多，码率较高时，在编码位数多，码率较高时，PCM PCM 性能优越。性能优越。 信噪比分析信噪比分析信噪比分析信噪比分析重庆大学通信工程学院重庆大学通信工程学院数字通信原理数字通信原理它与它与N N