第3章_模拟信号数字传输

1、3.0 概述概述3.1 抽样定理抽样定理3.2 脉冲模拟调制（主要是脉冲模拟调制（主要是PAM）3.3 脉冲编码调制脉冲编码调制PCM3.4 增量调制增量调制M3.5 其他调制方法其他调制方法第第 3章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 本章内容在数字通信系统中所处的位置：本章内容在数字通信系统中所处的位置：运用：运用：用数字通信系统传输模拟信号用数字通信系统传输模拟信号m（t） ak m（t）数字通信数字通信系统系统模拟模拟信息源信息源抽样抽样量化量化编码编码译码译码低通低通 ak 任务：任务： 发送方发送方FormatFormat：模拟信号的数字化，形成数字基带信号模拟信号的数字化，

2、形成数字基带信号接收方接收方FormatFormat：从接收数字基带信号中完整无失真的还原模拟从接收数字基带信号中完整无失真的还原模拟信号信号3.0 概述概述 以以“语音编码语音编码”为例讲述为例讲述：波形编码：波形编码：在时域内，将语音波形变换为数字序列。优点：接收恢复的信号质量好。缺点：比特率较高，比特率通常在16 kb/s64 kb/s范围内，占用更大传输带宽。 两类常用的波形编码方法：两类常用的波形编码方法： PCM：脉冲编码调制（：脉冲编码调制（Pulse Coding Modulation） M：增量调制：增量调制参量编码：参量编码：在频域或其它变换域内（通常是正交变换）提取特征参

3、量，对特征参量进行数字化。优点：比特率较低，比特率在16 kb/s以下，占用带宽资源少。缺点：接收恢复的信号质量差。 3.1 抽样定理 任务：任务： 把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值序列（PAM信号）。 1、低通抽样定理：低通抽样定理：模拟信号为低通信号。 2、带通抽样定理：带通抽样定理：模拟信号为带通信号。 3、均匀抽样定理均匀抽样定理：抽样序列是等间隔 4、非均匀抽样定理非均匀抽样定理：抽样序列是非等间隔 5、理想抽样：理想抽样：抽样序列是冲击序列。 6、实际抽样：实际抽样：抽样序列是非冲击序列。 定义定义：若模拟信号若模拟信号 m( t ) 的频率范围为的频率范围为 f

4、L fH带宽带宽 B = fH - - fL 如果如果 fL B， 则则 m( t ) 为为带通带通型信号型信号什么是低通信号、带通信号？什么是低通信号、带通信号？3.1.2 低通信号低通信号的抽样定律的抽样定律 1. 定律描述定律描述：一个频带限制在0到fm以内的低通信号f(t)，如果以fs2fm的抽样速率进行均匀均匀抽样，则在接收端通过一个截止频率为fm的低通滤波器可以恢复原始信号。 fs=2fm：最小抽样速率或奈奎斯特速率。 1/2fm：最大抽样间隔或奈奎斯特间隔。 )f(T ms( t ) sT0时域图时域图频谱图频谱图tfttm ( t ) M ( f ) fm- fmMs( f )

5、 0fsfsf )t (T msf2f 讨论：讨论：msff2msff2结论：结论： fs 的值必须满足抽样定理的值必须满足抽样定理用理想低通滤波用理想低通滤波器恢复原始信号。器恢复原始信号。理想低通理想低通B？理想抽样理想抽样：用：用冲击序列冲击序列进行抽样。进行抽样。 理想抽样的原理图：理想抽样的原理图： tT ttmtmTs tm产生示意图滤波器 tms tm低通恢复示意图理想低通滤波器特性B的取值范围：（fm fs fm ）实际抽样实际抽样：用：用窄脉冲序列窄脉冲序列进行抽样。进行抽样。 自然抽样：即曲顶抽样，抽样后的脉冲顶部随 模拟信号变化平顶抽样：即瞬时抽样，抽样后的脉冲顶部是 平

6、坦的，幅度等于抽样的瞬时值示意图可见P63图3-3图 自然抽样的方框图和各点波形 1、 自然抽样原理图自然抽样原理图用理想低通滤波用理想低通滤波器恢复原始信号。器恢复原始信号。平顶抽样示意：平顶抽样示意：tx(t)0TS在原理上可以由理想抽样和脉冲形成电路产生理想抽样和脉冲形成电路产生。 H(w)矩形脉冲产生理想抽样s s产生示意图恢复示意图P69图3-10 在工程设计中，考虑到信号不会严格带限，以及实际滤波器特性的不理想，通常取抽样频率为(2.55)fm，以避免失真。 3. 抽样定理应用抽样定理应用 3.2.2 3.2.2 带通型信号的抽样定理带通型信号的抽样定理若仍按若仍按 fs 2 fH

7、 抽样，将降低信道频带利用率。抽样，将降低信道频带利用率。 负频谱 fH fLM()正频谱fHfLT()O fsOfs正， 2fs负， fs fs fL正， fs负，fsOMs() fL fH fs fL正，零正，fs负，2fsf(a)(b)(c)ff负，零fLfHfs fLfs fL上上上上下下下下上边带下边带 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fs到底怎样选择呢？ 带通均匀抽样定理描述带通均匀抽样定理描述：一个带通信号x(t)，其频率限制在fL与fH之间，带宽为B=fH-fL，设n是一个不超过fL/B的最大整数，那么抽样速率应满足如下关系： fsmin=2fH/(n+

8、1) fs fsmax=2fL/n2()21sLHfffn一般选：P65公式（3-4）P65公式（3-5）1、fL是B的整数倍， fs(min)为2B； fL不是B的整数倍， fs(min)大于2B；2、当当n很大时，无论fL是不是B的整数倍， 。 实际中应用广泛的高频窄带信号，都可用2B速率来进行抽样。(min)2sfBfsmin=2fH/(n+1)= 2(B+fL)/(n+1)例：例：)(122HLsffnf若用公式fsmin=2fH/(n+1) fs=x(t-),则则x(t)上升一个量化阶上升一个量化阶+，用，用“1”码表码表示。示。3.若若x(t) = 0, C(n) = 1 ;d(n

9、) = 0, C(n) = 1 ;d(n) 0, C(n) = 0d(n) 32kb/s PCM优于优于M 32kb/s M优于优于PCM 6、 信道误码的影响信道误码的影响l在M系统中，每一个误码代表造成一个量阶的误差，所以它对误码不太敏感。故对误码率的要求较低，一般在10-310-4。lPCM的每一个误码会造成较大的误差，对误码率的要求较高， 一般为10-510-6。 由此可见，M允许用于误码率较高误码率较高的信道条件，这是M与PCM不同的一个重要条件。3.5 差值脉冲编码技术概述：1、由前面介绍的PCM编码，比特率为64kb/s。广泛应用在以光纤传输线路和数字微波线路为干线的固定通信网中

10、。2、但是对于频率资源比较紧张的卫星通信网、超短波波段的移动通信网来说，64kb/s的PCM技术很难直接获得应用。3、因此，多年来人们一直在研究压缩数字化语音占用频带的方法，相继提出了一些实用的数码率更低的话音编码技术。 4、自适应差分脉码调制(ADPCM)：是语音压缩中复杂度较低的一种编码方法，它可在32kb/s数码率上达到64b/s的PCM话音质量。是作为长途传输中一种新型的国际通用的语音编码方法。自适应差分脉码调制(ADPCM)是在差分脉冲编码调制（DPCMDifferential Pulse Code Modulation）基础上增加自适应措施而形成的。3.5.1差值脉冲编码调制（DP

11、CM）DPCM的基本思想：1、语音信号的相邻抽样点之间都有一定的相关性（冗余），信号的一个抽样值到相邻的一个抽样值不会发生迅速的变化。2、所以，数字通信中可以根据前一时刻的样值S(n-1)来预测下一时刻的样值S(n)，通信时只要传输预测样值Sp(n)与实际样值S(n)的差值序列d(n)（图解见P89）3、差值信号的的动态范围要比样值本身的动态范围小的多，这样就可使量化电平数减少，编码位数降低，在保证一定话音质量要求下，大大地压缩数码率。4、在收端，只要把样值差值样值差值序列叠加到预测样值预测样值序列上，就可以恢复原话音信号样值序列。5、这样，只需用较少的编码位数对实际样值与预测样值的实际样值与

12、预测样值的差值进行差值进行PCMPCM编码编码，就可以达到通信的目的。 系统的原理示意图：a）发送端原理框图 b）接收端原理框图6、预测：消除或降低信号冗余度的一种有效方法。7、模拟信号抽样值分成可预测和不可预测的两个成分；可预测成分（即相关部分）：是由过去的若干个样值的加权后得到；本例中为一阶预测( )(1)(1)(1)(1)ppSnS nSnd nS n1( )( )kPik iiiSna S nak其中 ， 是预测器的参数不可预测的成分（即非相关部分）：是预测误差。通常为高阶预测：可以提高预测的精度P90公式3-27DPCM的量化信噪比：的量化信噪比：10lg()10lg()10lg10

13、lg10lgPCM10lgssdsdSNndndnsdndsPndPPPPPPPPPPPPPPPGPP其中， 为样值信号功率， 为差值信号功率， 为量化噪声功率为的量化信噪比；为系统获得的增益1 DPCM PCMDPCMPG 通常，与相比，量化信噪比要大。在两者要求具有相同的信噪比时，对于就可以减少量化级数、减少二进制位数，压缩信号带宽。3.5.23.5.2、自适应差分脉冲编码调制（、自适应差分脉冲编码调制（ADPCMAdaptive ADPCMAdaptive Differential Pulse Code ModulationDifferential Pulse Code Modulati

14、on）具有自适应功能的DPCM就称为自适应差值脉冲编码调制，简称ADPCM。有两种方案：1、自适应量化：预测固定，量化自适应；2、自适应预测：预测和量化都能自适应；3、实现自适应量化方法通常有两种：前向（前馈）型自适应量化器：根据输入样值序列幅度来估计输入信号本身的能量，从而对量化器的量阶自动调整；后向（反馈）型自适应量化器：根据量化器的输出或编码后的信码来估计输入样值序列的能量，实时改变其量阶。4、自适应预测基本思想：使公式中预测系数或加权系数随输入信号幅值的变化作相应的改变，同自适应量化一样，自适应预测也有前向型和后向型两种类型。1( )( )kPik iiiSna S nak其中 ， 是

15、预测器的参数3.63.6子带编码（子带编码（SBCSBC：Sub-Band CodingSub-Band Coding）基本思想：利用语音信号在整个频带内分布不均匀的特性，用一组滤波器将语音频带分割成几个不同频带分量的子带；对每个子带利用DPCM进行编码，不同子带采用不同的编码比特数。3.7 参量编码技术参量编码技术参量编码：提取语音信号的特征参数，对其进行编码。语音的特征参数主要有基音、共振峰频率、浊音/清音和强度。发送端只需要提取这些特征参数并对其进行量化编码收端根据这些参数通过语音信号模型便可以合成语音信号。优点：传送这些话音特征参数所需的数码率大大低于传送话音信号抽样值所需的数码率。缺

16、点：收端合成的语音信号仅保持了原语音信号的可懂度，而失去了自然度和音质。参量编码是以牺牲语音音质来实现低数码率语音编码的。至于提取语音信号上述特征参数的原理和算法，请参看其他资料。 目前国际上流行的话音质量评估方法是5分制主观评定方法。这就是所谓“平均评价得分”(Meam Opinion Score简称MOS)。MOS为5分，表示质量完美，称为“广播级质量”；4分或4分多，表示高质量，说明测试者认为话音与原话一样可懂，没有失真，常称作“长途通信质量” ；34分，说明有失真，但不明显，可懂度仍很高，称作“通信级质量” 实际中3.54分代表了很实用的通信质量；话音大部分可懂的，但自然度差，不易识别讲话者MOS为3分以下，为“合成级质量”。音质评估音质评估补充：补充：表2-7 各种语音编码方法及主要特性 长途电话质量 长途电话质量 广播质量 通信质量 通信质量 通信质量 接近长途质量 通信质量 通信质量 合成质量 合成质量 32 16 32 16 8 8 8 4 2.4 1.2 0.6 64 32 64 32 16 16 16 8 4.8 2.4 1.2 PCM ADPCM SBC(