通信原理_第五章

1、南京理工大学南京理工大学电光学院通信工程系电光学院通信工程系Nanjing University of Science and TechnologyDepartment of Communication Engineering通信原理通信原理第五章第五章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输Communication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal2本章的主要内容本章的主要内容t 5.1 模拟信号的抽样模拟信号的抽样t 5.2 脉冲振幅调制（脉冲振幅调制（PAM）t 5.3 模拟信号的量化模拟信号的量化t 5.4 脉

2、冲编码调制（脉冲编码调制（PCM）t 5.5 差分脉冲编码调制（差分脉冲编码调制（DPCM）系统）系统t 5.6 增量调制（增量调制（ M）t 5.7 时分复用时分复用Communication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal35.5 差分脉冲编码调制（差分脉冲编码调制（DPCM）系统）系统t 64kb/s的的A律或律或 律的对数压扩律的对数压扩PCM编码已经在大容量的光编码已经在大容量的光纤通信系统和数字微波系统中得到了广泛的应用。纤通信系统和数字微波系统中得到了广泛的应用。 但但PCM信号占用频带要比模拟通信系统

3、中的一个标准话路带宽（信号占用频带要比模拟通信系统中的一个标准话路带宽（3.4 kHz）宽很多倍，这样，对于大容量的长途传输系统，尤其）宽很多倍，这样，对于大容量的长途传输系统，尤其是卫星通信，采用是卫星通信，采用PCM的经济性能很难与模拟通信相比。的经济性能很难与模拟通信相比。t 以较低的速率获得高质量编码，一直是语音编码追求的目标以较低的速率获得高质量编码，一直是语音编码追求的目标。通常，把话路速率低于。通常，把话路速率低于64kb/s的语音编码方法，的语音编码方法， 称为语音称为语音压缩编码技术。压缩编码技术。t 语音压缩编码方法很多，其中，语音压缩编码方法很多，其中， 自适应差分脉冲编

4、码调制是自适应差分脉冲编码调制是语音压缩中复杂度较低的一种编码方法，它可在语音压缩中复杂度较低的一种编码方法，它可在32kb/s的比的比特率上达到特率上达到64kb/s的的PCM数字电话质量。近年来，数字电话质量。近年来，ADPCM已成为长途传输中一种新型的国际通用的语音编码方法。已成为长途传输中一种新型的国际通用的语音编码方法。 ADPCM是在差分脉冲编码调制（是在差分脉冲编码调制（DPCM）的基础上发展）的基础上发展起来的。起来的。Communication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal45.5 差分脉冲编码调

5、制（差分脉冲编码调制（DPCM）系统）系统DPCM系统的原理系统的原理：在：在PCM中，每个波形样值都独立编码，与中，每个波形样值都独立编码，与其它样值无关，其它样值无关， 这样，样值的整个幅值编码需要较多位数，比这样，样值的整个幅值编码需要较多位数，比特率较高，特率较高， 造成数字化的信号带宽大大增加。造成数字化的信号带宽大大增加。 利用信源抽样值之间的相关性，一种比较简单的解决方法是利用信源抽样值之间的相关性，一种比较简单的解决方法是对相邻样值的差值进行编码。由于相邻样值的差值比样值本身对相邻样值的差值进行编码。由于相邻样值的差值比样值本身小，可以用较少的比特数表示差值。可以在量化台阶不变

6、的情小，可以用较少的比特数表示差值。可以在量化台阶不变的情况下（即量化噪声不变），编码位数显著减少，信号带宽大大况下（即量化噪声不变），编码位数显著减少，信号带宽大大压缩。这种利用差值的压缩。这种利用差值的PCM编码称为编码称为差分差分PCM（DPCM）t 实现差分编码的一个方法是根据前面的实现差分编码的一个方法是根据前面的p个样值预测当前时个样值预测当前时刻的样值。编码信号只是当前样值与预测值之间的差值的量刻的样值。编码信号只是当前样值与预测值之间的差值的量化编码。化编码。Communication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogu

7、e Signal55.5 差分脉冲编码调制（差分脉冲编码调制（DPCM）系统）系统t DPCM系统的框图系统的框图：当前的信源样值kmpiikikmam1预测器：kmkmkmqkeokpncnc okp量化器编码预测器解码预测器编码器解码器kmokkkkpmmm：重建的语音信号的预测值：kkmmkkqkmme的差值：当前样值与预测值之间预测器。该误差同时被送到本地送到目的地。，通过信道传二进制数字序列被编码成后的每个预测误差量化：代表量化器的输出， nqkokceP 接收端的预测器与发送端相同。在无传输误码的条件下，解码器输出的重建信号 与编码器中的 相同。kmkmCommunication

8、Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal65.5 差分脉冲编码调制（差分脉冲编码调制（DPCM）系统）系统t DPCM系统总量化误差：系统总量化误差：输入信号样值输入信号样值 与解码器输出样值与解码器输出样值 之差之差kmkmkkkmmqkkmmokkqkkpmemokqkpekmkmkmqkeokpncnc okp量化器编码预测器解码预测器编码器解码器kml由上式可知，由上式可知，DPCM的总量化误差的总量化误差qk仅与差值信号仅与差值信号eqk的量化误差有关。的量化误差有关。t DPCM系统总的量化信噪比系统总的量化信噪比

9、22kkDPCMqEmENS 2222kqkqkkqEeEeEmEqPNSGCommunication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal75.5 差分脉冲编码调制（差分脉冲编码调制（DPCM）系统）系统t DPCM系统总的量化信噪比系统总的量化信噪比l如果能够选择合理的预测规律，差值功率如果能够选择合理的预测规律，差值功率Eeqk2就能远小于信号功率就能远小于信号功率Emk2 ，Gp就会大于就会大于1，该系统就能获得增益。对，该系统就能获得增益。对DPCM系统的研究就系统的研究就是围绕着如何使是围绕着如何使Gp和和(S

10、/N)q 这两个参数取最大值而逐步完善起来的。这两个参数取最大值而逐步完善起来的。通常通常Gp约为约为611 dB。qPDPCMNSGNS(S/N)q是把差值序列作为信号时量化器是把差值序列作为信号时量化器的量化信噪比，与的量化信噪比，与PCM系统考虑量化系统考虑量化误差时所计算的信噪比相当。误差时所计算的信噪比相当。Gp可理解为可理解为DPCM系统相对于系统相对于PCM系统而系统而言的信噪比增益，称为言的信噪比增益，称为预测增益预测增益。lDPCM系统总的量化信噪比远大于量化器的信噪比。因此系统总的量化信噪比远大于量化器的信噪比。因此, 要求要求DPCM系统达到与系统达到与PCM系统相同的信

11、噪比，则可降低对量化器信噪比的要求系统相同的信噪比，则可降低对量化器信噪比的要求，即可减小量化级数，从而减少码位数，降低比特率。，即可减小量化级数，从而减少码位数，降低比特率。Communication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal85.5 差分脉冲编码调制（差分脉冲编码调制（DPCM）系统）系统tADPCM的主要特点是用自适应量化取代固定量化，用自适应预测的主要特点是用自适应量化取代固定量化，用自适应预测取代固定预测。自适应量化指量化台阶随信号的变化而变化，使量取代固定预测。自适应量化指量化台阶随信号的变化而变化

12、，使量化误差减小；自适应预测指预测器系数化误差减小；自适应预测指预测器系数ai可以随信号的统计特性而可以随信号的统计特性而自适应调整，提高了预测信号的精度，从而得到更高预测增益。通自适应调整，提高了预测信号的精度，从而得到更高预测增益。通过这两点改进，可大大提高输出信噪比和编码动态范围。过这两点改进，可大大提高输出信噪比和编码动态范围。t若若DPCM的预测增益为的预测增益为611dB，自适应预测可使信噪比改善，自适应预测可使信噪比改善4dB；自适应量化可使信噪比改善自适应量化可使信噪比改善47dB，则则ADPCM比比PCM可改善可改善1621dB，相当于编码位数可以减小，相当于编码位数可以减小

13、 3 位到位到 4 位。位。 因此，在维持相因此，在维持相同的语音质量下，同的语音质量下，ADPCM允许用允许用32 kb/s编码，这是标准编码，这是标准64kb/s PCM的一半。的一半。 CCITT已形成了关于已形成了关于ADPCM系统的规范建议系统的规范建议G.721、G.726等，用于长途传输系统。等，用于长途传输系统。 Communication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal9本章的主要内容本章的主要内容t 5.1 模拟信号的抽样模拟信号的抽样t 5.2 脉冲振幅调制（脉冲振幅调制（PAM）t 5.3 模

14、拟信号的量化模拟信号的量化t 5.4 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM）t 5.5 差分脉冲编码调制（差分脉冲编码调制（DPCM）系统）系统t 5.6 增量调制（增量调制（ M）t 5.7 时分复用时分复用Communication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal105.6 增量调制（增量调制（ M）增量调制增量调制 (简称简称 M或或DM)是将模拟信号变换为由一位二进制码是将模拟信号变换为由一位二进制码组成的数字信号序列。可以看成是组成的数字信号序列。可以看成是PCM的一个特例。的一个特例。l M与与PCM虽然都

15、是用二进制代码去表示模拟信号的编码方式。但是虽然都是用二进制代码去表示模拟信号的编码方式。但是在在PCM中，代码表示样值本身的大小，所需码位数较多，从而导致编中，代码表示样值本身的大小，所需码位数较多，从而导致编译码设备复杂；而在译码设备复杂；而在 M中，它只用一位编码表示相邻样值的相对大中，它只用一位编码表示相邻样值的相对大小，从而反映出抽样时刻波形的变化趋势，与样值本身的大小无关。小，从而反映出抽样时刻波形的变化趋势，与样值本身的大小无关。l M与与PCM编码方式相比具有编译码设备简单，编码方式相比具有编译码设备简单， 低比特率时的量化信低比特率时的量化信噪比高，抗误码特性好等优点。在军事

16、和工业部门的专用通信网和卫噪比高，抗误码特性好等优点。在军事和工业部门的专用通信网和卫星通信中得到了广泛应用，近年来在高速超大规模集成电路中用作星通信中得到了广泛应用，近年来在高速超大规模集成电路中用作A/D转换器。转换器。Communication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal115.6.1 增量调制原理增量调制原理t 编译码的基本思想编译码的基本思想l一个语音信号，如果抽样速率很高（远大于奈奎斯特速率），抽样一个语音信号，如果抽样速率很高（远大于奈奎斯特速率），抽样间隔很小，那么相邻样点之间的幅度变化不会很大，

17、相邻抽样值的间隔很小，那么相邻样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律。相对大小（差值）同样能反映模拟信号的变化规律。 若将这些差值若将这些差值编码传输，编码传输， 同样可传输模拟信号所含的信息。此差值又称同样可传输模拟信号所含的信息。此差值又称“增量增量”，其值可正可负。，其值可正可负。 这种用差值编码进行通信的方式，就称为这种用差值编码进行通信的方式，就称为“增量增量调制调制”（Delta Modulation），缩写为），缩写为DM或或M。lm(t)为模拟信号，可以用为模拟信号，可以用一个时间间隔为一个时间间隔为t， 相相邻幅度差为邻幅度差为+

18、或或的阶的阶梯波形梯波形m(t)来逼近它。只来逼近它。只要要t足够小，即抽样速率足够小，即抽样速率fs=1/t足够高，且足够高，且足够足够小，则阶梯波小，则阶梯波m(t)可近似可近似代替代替m(t)。其中，其中，为量为量化台阶，化台阶，t=Ts为抽样间为抽样间隔。隔。m(t)0010101111110tt12t11t10t9t8t7t6t5t4t3t2t1m(t)m (t)m1(t)tCommunication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal125.6.1 增量调制原理增量调制原理t 编译码的基本思想编译码的基本思想

19、m(t)0010101111110tt12t11t10t9t8t7t6t5t4t3t2t1m(t)m (t)m1(t)tl阶梯波阶梯波m(t)有两个特点：有两个特点：n在每个在每个t 间隔内间隔内m(t)的幅值不变的幅值不变;n相邻间隔的幅值差不是相邻间隔的幅值差不是+(上升一上升一个量化阶个量化阶)，就是，就是 (下降一个量下降一个量化阶化阶)。n利用这两个特点，利用这两个特点， 用用“1”码和码和“0”码分别代表码分别代表m(t)上升或下降上升或下降一个量化阶一个量化阶， 则则m(t)就被一个就被一个二进制序列表征（见图横轴下面二进制序列表征（见图横轴下面的序列）。于是，该序列也相当的序列

20、）。于是，该序列也相当表征了模拟信号表征了模拟信号m(t)， 实现了模实现了模/数转换。数转换。l除了用阶梯波除了用阶梯波m(t)近似近似m(t)外，还可用另一种形式外，还可用另一种形式图中虚线所示图中虚线所示的斜变波的斜变波m1(t)来近似来近似m(t)。斜变波。斜变波m1(t)也只有两种变化：按斜率也只有两种变化：按斜率/t上上升一个量阶和按斜率升一个量阶和按斜率 /t下降一个量阶。用下降一个量阶。用 “1”码表示正斜率，用码表示正斜率，用“0”码表示负斜率，同样可以获得二进制序列。码表示负斜率，同样可以获得二进制序列。Communication Principles Chapter 5

21、Digital Comm. for Analogue Signal135.6.1 增量调制原理增量调制原理t 增量调制的译码增量调制的译码与编码相对应，译码也有两种形式：与编码相对应，译码也有两种形式：l一种是收到一种是收到“1”码上升一个量阶（跳变），收到码上升一个量阶（跳变），收到“0”码下降一个量码下降一个量阶（跳变），这样把二进制代码经过译码后变为阶（跳变），这样把二进制代码经过译码后变为m(t)这样的阶梯波这样的阶梯波。l另一种是收到另一种是收到“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t时间内上升一个量时间内上升一个量阶阶 ， 收到收到“0”码后产生一个负斜率电压，

22、在码后产生一个负斜率电压，在t时间内下降一个量阶时间内下降一个量阶 ，这样把二进制代码经过译码后变为如，这样把二进制代码经过译码后变为如m1(t)这样的斜变波。这样的斜变波。l考虑到电路上实现的简易程度，一般都采用后一种方法。这种方法考虑到电路上实现的简易程度，一般都采用后一种方法。这种方法可用一个简单的可用一个简单的RC积分电路，即可把二进制代码变为积分电路，即可把二进制代码变为m1(t)这样的波这样的波形。形。p(t)1010111OTs2Ts3Ts4Ts7Tst积分器m1(t)m1(t)OTs2Ts3Ts4Ts7Tstp(t)Communication Principles Chapte

23、r 5 Digital Comm. for Analogue Signal145.6.1 增量调制原理增量调制原理t 系统方框图系统方框图判决器(比较器)消息信号m(t)e(t)积分器脉冲发生器发送端编码器p(t)抽样定时增量调制信号输出c(t)脉 冲发生器c(t)积分器EE低 通滤波器消息信号m(t)接收端译码器m1(t)l发送端编码器是相减器、判决器、积分器及脉冲发生器（极性变换电发送端编码器是相减器、判决器、积分器及脉冲发生器（极性变换电路）组成的一个闭环反馈电路。路）组成的一个闭环反馈电路。n相减器的作用是取出差值相减器的作用是取出差值e(t)，使，使e(t)=m(t)-m1(t)。n

24、判决器也称比较器或数码形成器，它的作用是对差值判决器也称比较器或数码形成器，它的作用是对差值e(t)的极性进行识的极性进行识别和判决，以便在抽样时刻输出编码（增量码）别和判决，以便在抽样时刻输出编码（增量码）c(t)。 01iiitmtmte 1 itc 01iiitmtmte 0itcCommunication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal155.6.1 增量调制原理增量调制原理t 系统方框图系统方框图判决器(比较器)消息信号m(t)e(t)积分器脉冲发生器发送端编码器p(t)抽样定时增量调制信号输出c(t)脉

25、冲发生器c(t)积分器EE低 通滤波器消息信号m(t)接收端译码器m1(t)l积分器和脉冲产生器组成积分器和脉冲产生器组成本地译码器本地译码器， 它的作用是根据它的作用是根据c(t)，形成预测，形成预测信号信号m1(t)，即，即c(t)为为“1”码时，码时， m1(t)上升一个量阶上升一个量阶，c(t)为为“0”码时，码时，m1(t)下降一个量阶下降一个量阶，并送到相减器与，并送到相减器与m(t)进行幅度比较。进行幅度比较。 01iiitmtmte 1 itc 01iiitmtmte 0itcCommunication Principles Chapter 5 Digital Comm. fo

26、r Analogue Signal165.6.1增量调制原理增量调制原理t 系统方框图系统方框图判决器(比较器)消息信号m(t)e(t)积分器脉冲发生器发送端编码器p(t)抽样定时增量调制信号输出c(t)脉 冲发生器c(t)积分器EE低 通滤波器消息信号m(t)接收端译码器m1(t)l接收端解码电路由译码器和低通滤波器组成。接收端解码电路由译码器和低通滤波器组成。 01iiitmtmte 1 itc 01iiitmtmte 0itcn译码器的电路结构和作用与发送端的本地译码器相同，用来由译码器的电路结构和作用与发送端的本地译码器相同，用来由c(t)恢复恢复m1(t)。n低通滤波器的作用是滤除低

27、通滤波器的作用是滤除m1(t)中的高次谐波，使输出波形平滑，更加逼近中的高次谐波，使输出波形平滑，更加逼近原来的模拟信号原来的模拟信号m(t)。Communication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal17m(t)m (t)eq(t)(a)m(t)m (t)tt(b)eq(t)5.6.2 增量调制的过载特性与动态编码范围增量调制的过载特性与动态编码范围t 增量调制系统中，在模拟信号的数字化过程中也会带来误差增量调制系统中，在模拟信号的数字化过程中也会带来误差而形成量化噪声。误差表现为两种形式：而形成量化噪声。误差表现

28、为两种形式：l过载量化误差。过载量化误差。l一般量化误差；一般量化误差；l当输入模拟信号当输入模拟信号m(t)斜率陡变时，本地译码器输出信号斜率陡变时，本地译码器输出信号m(t)跟不上信跟不上信号号m(t)的变化的变化。这时，这时， m(t)与与m(t)之间的误差明显增大，引起译码后之间的误差明显增大，引起译码后信号的严重失真，这种现象叫信号的严重失真，这种现象叫过载现象过载现象，产生的失真称为过载失真，产生的失真称为过载失真，或称或称过载噪声过载噪声。这是在正常工作时必须而且可以避免的噪声。这是在正常工作时必须而且可以避免的噪声。Communication Principles Chapte

29、r 5 Digital Comm. for Analogue Signal185.6.2 增量调制的过载特性与动态编码范围增量调制的过载特性与动态编码范围t 避免过载的条件避免过载的条件l设抽样间隔为设抽样间隔为t(抽样速率为抽样速率为fs=1/t)，则一个量阶，则一个量阶上的最大斜率上的最大斜率K为为sftK 它被称为译码器的它被称为译码器的最大跟踪斜率最大跟踪斜率。显然，当译码器的最大跟踪斜率。显然，当译码器的最大跟踪斜率大于或等于模拟信号大于或等于模拟信号m(t)的最大变化斜率时，的最大变化斜率时， 即即sfdttdmmax)( 译码器输出译码器输出m(t)能够跟上输入信号能够跟上输入信

30、号m(t)的变化，不会发生过载现象，的变化，不会发生过载现象， 因而不会形成很大的失真。因而不会形成很大的失真。l为了不发生过载，为了不发生过载， 必须增大必须增大 和和 fs。 但但 增大，一般量化误差也大，增大，一般量化误差也大，由于简单增量调制的量阶由于简单增量调制的量阶 是固定的，因此很难同时满足两方面的要是固定的，因此很难同时满足两方面的要求。提高求。提高 fs 对减小一般量化误差和减小过载噪声都有利。对减小一般量化误差和减小过载噪声都有利。 因此，因此， M系统中的抽样速率要比系统中的抽样速率要比PCM系统中的抽样速率高得多。系统中的抽样速率高得多。 M系统抽样系统抽样速率的典型值

31、为速率的典型值为16kHz或或32kHz，相应单话路编码比特率为，相应单话路编码比特率为16kb/s或或32kb/s。 Communication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal195.6.2 增量调制的过载特性与动态编码范围增量调制的过载特性与动态编码范围t 避免过载的条件避免过载的条件以正弦信号为例来说明希望不发生过载现象时，对输入信号的限制。以正弦信号为例来说明希望不发生过载现象时，对输入信号的限制。 tAtmksin设输入模拟信号为：kAdttdmmax)( tAdttdmkkcos其斜率为：skfA不发生过

32、载现象要求：ksfAmax称临界过载振幅）：允许的信号最大幅度（ksff2 可见，当信号斜率一定时，允许的信号幅度随信号频率的增加而可见，当信号斜率一定时，允许的信号幅度随信号频率的增加而减小，这将导致语音高频段的量化信噪比下降。减小，这将导致语音高频段的量化信噪比下降。l对能正常开始编码的最小信号振幅也有要求：对能正常开始编码的最小信号振幅也有要求：2minACommunication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal205.6.2 增量调制的过载特性与动态编码范围增量调制的过载特性与动态编码范围l编码的动态范围编码

33、的动态范围 定义为：最大允许编码电平定义为：最大允许编码电平Amax与最小编码电平与最小编码电平Amin之比，即之比，即minmaxdBlg20AADc22lg20ksffksfflg20800lg20sf 通常采用通常采用fk=800Hz为测试标准。为测试标准。l编码的动态范围与抽样速率的关系编码的动态范围与抽样速率的关系 抽样速率为抽样速率为fs(kHz)1020324080100编码的动态范围编码的动态范围DC(dB)121822243032l由上表可见，简单增量调制的编码动态范围较小，在低传码率时，不由上表可见，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。通常话音

34、信号动态范围要求为符合话音信号要求。通常话音信号动态范围要求为4050dB。因此，。因此，实用中的实用中的M常用它的改进型，如总和增量调制、常用它的改进型，如总和增量调制、 数字压扩自适应增数字压扩自适应增量调制等。量调制等。Communication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal215.6.3 增量调制系统的抗噪声性能增量调制系统的抗噪声性能t与与PCM系统一样，增量调制系统的抗噪声性能也是用输出信噪比系统一样，增量调制系统的抗噪声性能也是用输出信噪比来表征的。在来表征的。在M系统中同样存在两类噪声，即量化噪声和

35、信道加系统中同样存在两类噪声，即量化噪声和信道加性噪声。由于这两类噪声是互不相关的，可以分别讨论。性噪声。由于这两类噪声是互不相关的，可以分别讨论。t 量化信噪功率比量化信噪功率比l从前面分析可知，量化噪声有两种，即过载噪声和一般量化噪声。由从前面分析可知，量化噪声有两种，即过载噪声和一般量化噪声。由于在实际应用中都是防止工作到过载区域，因此这里仅考虑一般量化于在实际应用中都是防止工作到过载区域，因此这里仅考虑一般量化噪声。噪声。 在不过载情况下，误差在不过载情况下，误差eq(t)=m(t)m(t)限制在限制在 到到 范围内变化，范围内变化，若假定若假定eq(t)值在（值在（ ，+）之间均匀分

36、布，则）之间均匀分布，则 M调制的量化噪声的调制的量化噪声的平均功率为平均功率为: deeteEq222 sqefteEfP)(232l可近似认为量化噪声功率谱在可近似认为量化噪声功率谱在(0, fs)频带内均匀分布，则量化噪声的单频带内均匀分布，则量化噪声的单边功率谱密度为边功率谱密度为sf32Communication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal225.6.3 增量调制系统的抗噪声性能增量调制系统的抗噪声性能t 量化信噪功率比量化信噪功率比l若接收端低通滤波器的截止频率为若接收端低通滤波器的截止频率为 fm，

37、则经低通滤波器后输出的，则经低通滤波器后输出的量化量化噪声功率噪声功率为为 meqffPNsmff32 M系统输出的量化噪声功率与量化台阶系统输出的量化噪声功率与量化台阶 及比值及比值(fm/fs)有关，而有关，而与未过载时的信号幅度无关。与未过载时的信号幅度无关。l信号功率信号功率 对于频率为对于频率为fk的正弦信号，的正弦信号， 临界过载振幅为临界过载振幅为ksffA2max 所以信号功率的最大值为所以信号功率的最大值为22maxASomksqfffNS232083l临界振幅条件下，临界振幅条件下， 系统最大的量化信噪比为系统最大的量化信噪比为22228kffsmksfff2304. 0)

38、04. 0lg(1023dB0mksqfffNS14lg10lg20lg30mksfffCommunication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal235.6.3 增量调制系统的抗噪声性能增量调制系统的抗噪声性能t 临界振幅条件下，临界振幅条件下， 系统最大的量化信噪功率比系统最大的量化信噪功率比mksmksqffffffNS23232004. 083l简单简单 M的信噪比与抽样速率的信噪比与抽样速率fs成立方关系，即成立方关系，即fs每提高一倍，量化信每提高一倍，量化信噪比提高噪比提高 9dB。因此，。因此， fk

39、=1KHz， fm =1KHz时，时， M系统的抽样速率系统的抽样速率至少要在至少要在16kHz以上，才能使量化信噪比达到以上，才能使量化信噪比达到15dB以上，而抽样速率以上，而抽样速率在在32kHz时，量化信噪比约为时，量化信噪比约为26dB，只能满足一般通信质量的要求。，只能满足一般通信质量的要求。l量化信噪比与信号频率量化信噪比与信号频率fk的平方成反比，即的平方成反比，即fk每提高一倍，每提高一倍， 量化信噪量化信噪比下降比下降 6dB。因此，简单。因此，简单 M时语音高频段的量化信噪比下降。时语音高频段的量化信噪比下降。14lg10lg20lg30dB0mksqfffNSCommu

40、nication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal245.6.3 增量调制系统的抗噪声性能增量调制系统的抗噪声性能t 误码信噪功率比误码信噪功率比21016kesefpffNS2221231004883skekmsqeeffpfffffNNsNsl在给定在给定f1、fs、 fk的情况下，的情况下，M系统的误码信噪比与系统的误码信噪比与Pe成反比。成反比。止频率即信道滤波器低端的截率，：语音频带的下截止频：正弦信号的频率：抽样频率 1fffkst M系统输出总信噪比系统输出总信噪比Communication Princi

41、ples Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal255.6.4 PCM与与M系统的比较系统的比较t PCM和和 M都是模拟信号数字化的基本方法。都是模拟信号数字化的基本方法。 M实际上是实际上是DPCM的一种特例，所以有时把的一种特例，所以有时把PCM和和 M统称为脉冲编码统称为脉冲编码。但应注意，。但应注意，PCM是对样值本身编码，是对样值本身编码， M是对相邻样值是对相邻样值的差值的极性（符号）编码。这是的差值的极性（符号）编码。这是 M与与PCM的本质区别。的本质区别。t 抽样速率抽样速率lPCM系统中的抽样速率系统中的抽样速率 fs 是根

42、据抽样定理来确定的。若信号的最高是根据抽样定理来确定的。若信号的最高频率为频率为fm，则，则 fs2fm。对语音信号，取。对语音信号，取fs=8kHz。l在在 M系统中传输的不是信号本身的样值，而是信号的增量系统中传输的不是信号本身的样值，而是信号的增量(即斜率即斜率)，因此其抽样速率因此其抽样速率 fs 不能根据抽样定理来确定。不能根据抽样定理来确定。 M的抽样速率与最大的抽样速率与最大跟踪斜率和信噪比有关。在保证不发生过载，达到与跟踪斜率和信噪比有关。在保证不发生过载，达到与PCM系统相同的系统相同的信噪比时，信噪比时， M的抽样速率远远高于奈奎斯特速率。的抽样速率远远高于奈奎斯特速率。C

43、ommunication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal265.6.4 PCM与与M系统的比较系统的比较t 带宽带宽l M系统在每一次抽样时，只传送一位代码，因此系统在每一次抽样时，只传送一位代码，因此 M系统的数码率为系统的数码率为fB=fs，要求的最小带宽为：，要求的最小带宽为：2sMfB 实际应用时实际应用时的最小带宽为：的最小带宽为：sMfBlPCM系统的数码率为系统的数码率为fB=Nfs。在同样的语音质量要求下，。在同样的语音质量要求下，PCM系统的系统的数码率为数码率为64 kHz，因而要求最小信道带宽为

44、，因而要求最小信道带宽为32kHz。l而采用而采用 M系统时，抽样速率至少为系统时，抽样速率至少为100 kHz，则最小带宽为，则最小带宽为50kHz。通常，通常， M速率采用速率采用32kHz或或16kHz时，语音质量不如时，语音质量不如PCM。Communication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal275.6.4 PCM与与M系统的比较系统的比较t 量化信噪比量化信噪比lPCM量化信噪比量化信噪比dB 62lg1020NNSNPCMqlM系统的数码率为系统的数码率为 fB=fs，PCM系统的数码率为系统的数码率

45、为 fB=2Nfm。当。当 M与与PCM的数码率的数码率fB相同时，有相同时，有fs=2Nfm， 可得可得 M的量化信噪比为的量化信噪比为与编码位数与编码位数N成线性关系成线性关系mksMqfffNS23004. 0lg10dB 32. 0lg1023kmffN M的量化信噪比与的量化信噪比与N成对数关系，成对数关系，并与并与fm/fk有关。当取有关。当取fm/fk =3000/1000时，时， 它与它与N的关系如右图的关系如右图 所示。比所示。比较两者曲线可看出，若较两者曲线可看出，若PCM系统的系统的编码位数编码位数 N4（码率较低）时，（码率较低）时， M的量化信噪比高于的量化信噪比高于

46、PCM系统。系统。403020100123456NSoNq( )dBMPCMCommunication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal285.6.4 PCM与与M系统的比较系统的比较t 信道误码的影响信道误码的影响l在在 M系统中，每一个误码代表造成一个量阶的误差，所以它对误码系统中，每一个误码代表造成一个量阶的误差，所以它对误码不太敏感。故对误码率的要求较低，一般在不太敏感。故对误码率的要求较低，一般在103104。lPCM的每一个误码会造成较大的误差，尤其高位码元，错一位可造的每一个误码会造成较大的误差，尤其高位

47、码元，错一位可造成许多量阶的误差成许多量阶的误差(例如，最高位的错码表示例如，最高位的错码表示2N-1个量阶的误差个量阶的误差)。所。所以误码对以误码对PCM系统的影响要比系统的影响要比 M系统严重些，故对误码率的要求较系统严重些，故对误码率的要求较高，高， 一般为一般为105106。Communication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal29本章的主要内容本章的主要内容t 5.1 抽样定理抽样定理t 5.2 脉冲振幅调制（脉冲振幅调制（PAM）t 5.3 模拟信号的量化模拟信号的量化t 5.4 脉冲编码调制（脉冲

48、编码调制（PCM）t 5.5 差分脉冲编码调制（差分脉冲编码调制（DPCM）系统）系统t 5.6 增量调制（增量调制（ M）t 5.7 时分复用时分复用Communication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal305.7 时分复用时分复用t 时分复用原理时分复用原理时分复用时分复用(Timedivision Multiplexing-TDM)是利用各信号的抽样值在时间是利用各信号的抽样值在时间上不重叠来达到在同一信道中传输多路信号的一种方法。上不重叠来达到在同一信道中传输多路信号的一种方法。 在在TDM系统中，各信号

49、在时域上是分开的，系统中，各信号在时域上是分开的， 而在频域上是混叠在一起而在频域上是混叠在一起的。下图的。下图 给出了两个基带信号进行时分复用的原理图。对给出了两个基带信号进行时分复用的原理图。对m1(t)和和m2(t)按相按相同的时间周期进行采样，只要采样脉冲宽度足够窄，同的时间周期进行采样，只要采样脉冲宽度足够窄， 在两个采样值之间就在两个采样值之间就会留有一定的时间空隙。如果另外一路信号的采样时刻在时间空隙，则两会留有一定的时间空隙。如果另外一路信号的采样时刻在时间空隙，则两路信号的采样值在时间上将不发生重叠。在接收端只要在时间上与发送端路信号的采样值在时间上将不发生重叠。在接收端只要

50、在时间上与发送端同步，则两个信号就能分别正确恢复。上述概念也可以推广到同步，则两个信号就能分别正确恢复。上述概念也可以推广到 n 个信号进个信号进行时分复用。行时分复用。m1(t)m2(t)Communication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal31l在接收端，输入的在接收端，输入的TDM-PCM信号经过译码信号经过译码器输出器输出TDM-PAM波形，与发送端抽样开关波形，与发送端抽样开关同步的接收抽样开关对输入的同步的接收抽样开关对输入的TDM-PAM波波形正确分路。于是，三路信号得到分离，各形正确分路。于是，三

51、路信号得到分离，各分离后的分离后的PAM信号通过低通滤波器，信号通过低通滤波器， 从而恢从而恢复出发送的三路基带信号。复出发送的三路基带信号。5.7.1 时分复用原理时分复用原理t 时分复用时分复用PCM系统原理图系统原理图QuantizerandencoderChannelDecoderLPFLPFLPFAnalog input signalsChannel 1(from source 1)Channel 2(from source 2)Channel 3(from source 3)TransmitterSamplerTDMPAMsignalTsTstTDMPCMsignalSynchro

52、nizationSamplerTDMPAMReceiverReceivedTDM PCMplus noiseChannel 1Channel 2Channel 3Output analog signalsfsfsl抽样电子开关以抽样电子开关以适当的速率交替适当的速率交替对输入的三路基对输入的三路基带信号分别进行带信号分别进行自然抽样，得到自然抽样，得到TDM-PAM波形波形。 TDM-PAM脉冲波形宽度脉冲波形宽度为为Ta=T/3=1/(3fs)Communication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal325.7.2

53、 PCM基群帧结构基群帧结构t 目前国际上推荐的目前国际上推荐的PCM基群有两种标准，即基群有两种标准，即PCM30/32路路(A律压扩特性律压扩特性)制式和制式和PCM24路路(律压扩特性律压扩特性)制式。并规定，制式。并规定，国际通信时，以国际通信时，以A律压扩特性为标准。律压扩特性为标准。 我国也规定采用我国也规定采用PCM30/32路制式。路制式。Communication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal335.7.2 PCM基群帧结构基群帧结构t PCM30/32路制式基群帧结构路制式基群帧结构TS0123

54、45678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31F0F1F2F3F4F5F6F7F8F9F10F11F12F13F14F1500110110000111A2abcdabcdabcdabcd复帧同步信号备用比特CH1CH16CH2CH17abcdabcdCH15CH30F1F2F15帧同步信号1A111111保留给国内通信用帧同步时隙话路时隙话路时隙信令时隙CH30(CH16 CH29)(CH1 CH15)32路时隙，256 bit,125 s16帧，2.0 ms复帧结构帧结构偶帧TS0奇帧TS0488

55、 ns3.91 sl一帧共有一帧共有32个时间间隔，称个时间间隔，称为为时隙时隙，分别记作，分别记作TS0, TSl, TS2, ，TS31 。l30路用来传输用户话音；路用来传输用户话音；l2路用作信令。路用作信令。l每路话音信号抽样速率每路话音信号抽样速率fs=8kHz，故对应的每帧时，故对应的每帧时间间隔为间间隔为125s。Communication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal345.7.2 PCM基群帧结构基群帧结构lTS1至至TS15和和TS17至至TS31这这30个路时隙用来传送个路时隙用来传送30路

56、电话信号的路电话信号的8位编位编码码组；码码组；lTS0分配给帧同步分配给帧同步； TS16专用于传送话路信令。专用于传送话路信令。l当采用共路信令传送方式时，必须将当采用共路信令传送方式时，必须将16个帧构成一个更大的帧，称为复个帧构成一个更大的帧，称为复帧。复帧的重复频率为帧。复帧的重复频率为500Hz，周期为，周期为 2ms，复帧中各帧顺次编号。，复帧中各帧顺次编号。l每个时隙包含每个时隙包含8位码，一帧共包含位码，一帧共包含256个比特。个比特。l信息传输速率为：信息传输速率为：82308000bfMb/s048. 2l每比特时间宽度为：每比特时间宽度为：sfbb488. 01l每时隙

57、时间宽度为：每时隙时间宽度为：sb91. 38l帧同步码组为帧同步码组为 X0011011，它插入在偶数帧的，它插入在偶数帧的TS0时隙，时隙， 其中第一位码其中第一位码“X”保留作国际电话间通信用。接收端识别出帧同步码组后，即可建立保留作国际电话间通信用。接收端识别出帧同步码组后，即可建立正确的路序。奇帧发送帧失步告警码正确的路序。奇帧发送帧失步告警码,A1=0表示帧同步表示帧同步,为为1时帧失步时帧失步.lTS16为信令时隙，插入各话路的信令。在传送话路信令时，若将为信令时隙，插入各话路的信令。在传送话路信令时，若将TS16所包含的总比特率集中起来使用，则称为共路信令传送；若将所包含的总比

58、特率集中起来使用，则称为共路信令传送；若将TS16按按规定的时间顺序分配给各个话路，直接传送各话路所需的信令，则称规定的时间顺序分配给各个话路，直接传送各话路所需的信令，则称为随路信令传送。为随路信令传送。Communication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal355.7.3 PCM高次群高次群t 以上讨论的以上讨论的PCM30/32路与路与PCM24路时分多路数字电话系统路时分多路数字电话系统，称为，称为数字基群或一次群数字基群或一次群。如果要传输更多路的数字电话，。如果要传输更多路的数字电话，则需要将若干个一次

59、群数字信号通过数字复接设备复合成则需要将若干个一次群数字信号通过数字复接设备复合成二二次群，次群，二次群复合成二次群复合成三次群三次群等。我国和欧洲各国采用以等。我国和欧洲各国采用以PCM30/32路制式为基础的高次群复接方式，北美和日本采路制式为基础的高次群复接方式，北美和日本采用以用以PCM24路制式为基础的高次群复接方式。路制式为基础的高次群复接方式。t 在数字通信系统中，为了扩大传输容量，通常将若干个低等在数字通信系统中，为了扩大传输容量，通常将若干个低等级的支路比特流汇集成一个高等级的比特流在信道中传输。级的支路比特流汇集成一个高等级的比特流在信道中传输。 这种将若干个低等级的支路比

60、特流合成为高等级比特流的过这种将若干个低等级的支路比特流合成为高等级比特流的过程称为程称为数字复接数字复接。完成复接功能的设备称为。完成复接功能的设备称为数字复接器数字复接器。 t 在接收端，需要将复合数字信号分离成各支路信号，该过程在接收端，需要将复合数字信号分离成各支路信号，该过程称为称为数字分接数字分接， 完成分接功能的设备称为完成分接功能的设备称为数字分接器数字分接器。Communication Principles Chapter 5 Digital Comm. for Analogue Signal365.7.3.1 北美采用的数字北美采用的数字TDM等级结构等级结构第一级复用12