通信原理课件第6章模拟信号的数字传输

1、1第第6 6章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输v 6.1 概述概述v 6.2 模拟信号模拟信号的抽样的抽样v 6.3 抽样信号的量化抽样信号的量化v 6.4 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM）v 6.5 增量调制（增量调制（DM、M） v 6.6 DPCM的编码和解码过程的编码和解码过程 v 6.7PCM和和M的性能比较的性能比较 2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输2学习目标：学习目标：v 抽样定理及其应用抽样定理及其应用v 模拟信号的量化、编码与译码。模拟信号的量化、编码与译码。v PCM技术与技术与M技术技术v 差分脉冲编码调制的编码、解码过程。差分脉冲编码调制的编码、解

2、码过程。要点：要点：掌握抽样定理、量化过程及掌握抽样定理、量化过程及A律律13折线编码；折线编码；了解增量调制与差分脉冲编码调制的基本原理。了解增量调制与差分脉冲编码调制的基本原理。学习目标及要点学习目标及要点2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输36.1 概述概述u 目的目的 数字通信系统传输与模拟通信系统相比，抗干扰能力强；然而自然界的许多信号都是模拟的，将模拟信号转化为数字信号进行传输，可以利用数字传输的优点。引入了两种新的变换A/D变换D/A变换2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输46.1 概述概述u 模拟信号数字传输的过程模拟信号数字传输的过程利用数字通信系统传输模拟信号，

3、一般需三个步骤： 把模拟信号数字化，即模数转（A/D）； 进行数字方式传输； 把数字信号还原为模拟信号，即数模转换（D/A）。2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输5 模拟信号的数字传输原理图模拟信号的数字传输原理图 模拟模拟信息源信息源抽样、量化抽样、量化和编码和编码数字数字通信系统通信系统译码和低通译码和低通滤波滤波m(t)skskm(t)模拟随机信号模拟随机信号数字随机序列数字随机序列数字随机序列数字随机序列模拟随机信号模拟随机信号A/DD/A6.1 概述概述2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输6 模拟信号的数字传输原理图模拟信号的数字传输原理图 模拟模拟信息源信息源抽样、量化

4、抽样、量化和编码和编码数字数字通信系统通信系统译码和低通译码和低通滤波滤波m(t)skskm(t)模拟随机信号模拟随机信号数字随机序列数字随机序列数字随机序列数字随机序列模拟随机信号模拟随机信号A/DD/A6.1 概述概述2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输71、概念、概念 抽样是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的过程。6.2 模拟信号的抽样模拟信号的抽样2、实现方法、实现方法 用周期性单位冲激脉冲与模拟信号相乘，即：2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输8 能否由此样值序列重建原信号？6.2 模拟信号的抽样模拟信号的抽样2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输9

5、6.2 模拟信号的抽样模拟信号的抽样3、时域与频域分析、时域与频域分析 根据模型，抽样后的时域信号：根据模型，抽样后的时域信号： ( )( )( )sTm tm tt)()()(KTmKTttmnnnnsnnsTsnmTnTmmm)(1 )(2*)(21)(*)(21)(频域信号：频域信号：Ts2其中：其中：2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输106.2 模拟信号的抽样模拟信号的抽样4、波形分析、波形分析 m(t)tM()OHHT (t)tT ()T2tms(t)OMs()HHT2(a)(b)(c)(d)(e)(f )Hs2当当：2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输116.2 模拟

6、信号的抽样模拟信号的抽样4、波形分析、波形分析 Hs2当当：OMs()T2 则抽样后信号的频谱在相邻的周期内发生混叠，如图所示， 此时不可能无失真地重建原信号。2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输126.2 模拟信号的抽样模拟信号的抽样5、抽样定理、抽样定理 q 定理：定理：一个频带限制在一个频带限制在 (0, fH ) 赫兹内的时间连续信号赫兹内的时间连续信号 f(t)， 如果以如果以 秒的时间间隔对它进行等间隔（均匀）抽秒的时间间隔对它进行等间隔（均匀）抽样，则样，则 f(t) 将被所得到的抽样值完全确定。将被所得到的抽样值完全确定。 显然： 是最大允许抽样间隔，它被称为奈奎斯特间隔

7、，相对应的最低抽样速率 称为奈奎斯特速率。Hsff2HsfT21HsfT212022-7-1第6章 模拟信号的数字传输136.2 模拟信号的抽样模拟信号的抽样5、抽样定理、抽样定理 q 总结总结n 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。因此，抽样定理是模拟信号数字化的理论依据。q 若用恢复信号，需低通滤波器来完成。2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输14量化：利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值的过程称为量化。量化分为6.3 抽样信号的量化抽样信号的量化非均匀量化均匀量化2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输15 均匀量化：把输入信号

8、的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化。1、 均匀量化（线性量化）均匀量化（线性量化）6.3 抽样信号的量化抽样信号的量化q 定义定义q 量化的过程量化的过程Ts)m(6Ts)t图图 6.5量化的物理过程量化的物理过程信号的实际值信号的量化值量化误差q7m6q6m5q5m4q4m3q3m2q2m1q1Ts2Ts3Ts4Ts5Ts6Ts7Tsmq(t)m(t)mq(6量化器m(kTs)mq(kTs)2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输17 若用k个bit来描述量化输出，可描述位L=2k个电平值。这样，把取值无限的抽样值划分成有限的L个离散电平，此电平被称为量化电平。2-)()()()(mi

9、nmaxminmaxktmtmtmtmL 6.3 抽样信号的量化抽样信号的量化 则：量化间隔取决于输入信号的变化范围和量化电平数。即：2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输18v量化间隔qii 1imq ,mmm 当当iminmim(t) ii 1immq,i1,2,L2 v量化器输出v分层电平v量化电平量化后的信号mq(t)是对原来信号m(t)的近似。 maxmini-Lm(t) m(t) 6.3 抽样信号的量化抽样信号的量化2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输19量化值mq(t)与原信号值m(t)之间的误差。即有：6.3 抽样信号的量化抽样信号的量化v量化误差q 量化噪声的平均功

10、率量化噪声的平均功率ii 12A2qqALm2imi1NEe (t)(xm ) f (x)dx(xq ) f (x)dx f f( (x x) )： 输输 入入 信信 号号 概概 率率 密密 度度 函函 数数iqsqtmkTe)()(2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输20ii1ii12A2qqALm2imi1Lm2imi1LAi2A( i1 )i12 A32LL3i1NEe (t )(xm) f (x )d x(xq ) f (x )d x1(xq )d x2 A1(xAi)d x22 A1L)2 A2 4 A1 2 （）（）1 1 2 26.3 抽样信号的量化抽样信号的量化 设信号m

11、(t)在-A,A间均匀分布，概率密度为1/2A,且均匀量化为L层，则信号功率Sq为mqi的均方电压。2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输212AL AA222qqAAA222A1SE(m ) x f(x)dxxdx2A31AL2A312x3 信号功率Sq为：6.3 抽样信号的量化抽样信号的量化q 量化信号的平均功率量化信号的平均功率2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输2222q22qq2qdBkLS12LN12S10lg L20lg LN20lg 220k lg 26k q 量化信号的信噪比量化信号的信噪比6.3 抽样信号的量化抽样信号的量化2022-7-1第6章 模拟信号的数字传

12、输23在语音信号数字化通信（或叫数字电话通信）在语音信号数字化通信（或叫数字电话通信）中，均匀量化则有一个明显的不足：中，均匀量化则有一个明显的不足：量化信噪量化信噪比随信号电平的减小而下降。比随信号电平的减小而下降。产生这一现象的产生这一现象的原因是均匀量化的量化间隔原因是均匀量化的量化间隔为固定值量化电为固定值量化电平分布均匀，因而无论信号大小如何，量化噪平分布均匀，因而无论信号大小如何，量化噪声功率固定不变，这样，小信号时的量化信噪声功率固定不变，这样，小信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。均匀量化时输入信比就难以达到给定的要求。均匀量化时输入信号的动态范围将受到较大的限制。为此，实

13、际号的动态范围将受到较大的限制。为此，实际中往往采用中往往采用非均匀量化非均匀量化。6.3 抽样信号的量化抽样信号的量化2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输24 非均匀量化是一种在整个动态范围内量化间隔不相等的量化。6.3 抽样信号的量化抽样信号的量化2、 非均匀量化非均匀量化q 非均匀量化的目的非均匀量化的目的改善小信号时的信号量噪比。q 非均匀量化思路非均匀量化思路 量化间隔随信号抽样值的不同而变化。信号抽样值小时，量化间隔也小；信号抽样值大时，量化间隔也大。2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输256.3 抽样信号的量化抽样信号的量化q 非均匀量化的实现非均匀量化的实现过程抽样

14、信号压缩均匀量化v 所谓压缩器就是一个非线性变换电路，微弱的信号被放大，强的信号被压缩。v 接收端采用一个与压缩特性相反的扩张器来恢复。2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输26v 广泛采用的两种对数压扩特性是律压扩和A律压扩。美国采用律压扩，我国和欧洲各国均采用A律压扩。 6.3 抽样信号的量化抽样信号的量化（1）律压扩特性律压扩特性1xy0 x11 ln()()ln()（2）A律压扩特性（重点）律压扩特性（重点）Ax1,0 x1lnAAy1lnA x1,x1lnAA （小小信信号号区区）（大大信信号号区区）图图 2.2 6 对数压缩特性对数压缩特性 (a) 律；律； (b) A律律对数

15、压扩特性曲线对数压扩特性曲线y12001003001x(a)y1y1b1ay1ln AAxx1A1y11ln A1y1ln A1ln Ax(b)0 x小信号区域大信号区域00.91xy0 x11 ln()()ln()2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输28在电路上实现在电路上实现A A律这样的函数是相当复杂律这样的函数是相当复杂的，实际中，往往采用近似于的，实际中，往往采用近似于A A律的律的1313折折线法来描述线法来描述A A律的压扩特性。这样，基本律的压扩特性。这样，基本保持连续压扩曲线的优点，电路上又易于保持连续压扩曲线的优点，电路上又易于实现。实现。6.3 抽样信号的量化抽样信

16、号的量化2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输29任何一条曲线都可以用无数折线逼近（1）将x0，1不断对分为8段，xi:1，1/2，1/4，1/8，1/16，1/32，1/64，1/128（2）将y0，1等间隔划分为8段， yi: 1/8，2/8，3/8，4/8，5/8，6/8，7/8，1如下图所示。（3） 对应xi、 yi 分别连线，交点连成一条曲线6.3 抽样信号的量化抽样信号的量化q A律律13折线法折线法图图 2.2-7A律律13折线折线 y1786858483828181011281641161321181412x斜率：1段162段163段84段45段26段17段1/28段1/4

17、234567第8段2(8-1)-1=13 折折2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输31v 13折线折线v x准确值准确值v 斜率斜率6.3 抽样信号的量化抽样信号的量化表表2-1 A=87.6与与 13 折线压缩特性的比较折线压缩特性的比较y01x准准确值确值01按折按折线分线分段时段时的的x01段落段落 1 2 3 4 5 6 7 8斜率斜率1616842121418182838485868712816 .6016 .3014 .15179. 7193. 3198. 1112816413211618141212022-7-1第6章 模拟信号的数字传输33PCM: Pulse Code

18、Modulation PCM的概念脉冲编码调制(PCM)简称脉码调制，它是一种用一组二进制数字代码来代替连续信号的抽样值，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、数字微波通信、卫星通信中均获得了极为广泛的应用。6.4 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM)2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输34 PCM信号的形成是模拟信号经过“抽样、量化、编码”三个步骤实现的。6.4 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM)v 抽样：满足抽样定理抽样：满足抽样定理v 量化：量化：A律律13折线量化折线量化u PCM的基本原理的基本原理v 编码：折叠二进制码编码：折叠二进制码2022-7

19、-1第6章 模拟信号的数字传输35图图 2 .3-1PCM通信系统通信系统抽抽样样语音信号语音信号压压缩缩量量化化PAM编编码码PCM信信道道PCM再再生生译译码码扩扩张张PCM低低通通截止频率为截止频率为fH语音信号语音信号干扰干扰A/D变换变换D/A变换变换6.4 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM)u PCM的基本原理的基本原理2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输36码型指的是代码的编码规律，其含义是把量化后的所有量化级，按其量化电平的大小次序排列起来，并列出各对应的码字，这种对应关系的整体就称为码型。常用的二进制码型有三种：v 自然二进码v 折叠二进码v 格雷二进码（反射二进码）

20、6.4 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM)u 常用的编码码型常用的编码码型2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输37就是一般的十进制正整数的二进制表示，编码简单、易记，而且译码可以逐比特独立进行。),(0121aaaann二进码001122112222aaaaDnnnn十进码若把自然二进码从低位到高位依次给以2倍的加权，就可变换为十进数。(1)(1)自然二进码自然二进码6.4 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM)u 常用的编码码型常用的编码码型2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输38q 左边第一位表示信号的极性，信号为正用“1”表示，信号为负用“0”表示；q 第二位至最后一位表示信

21、号的幅度。q 由于正、负绝对值相同时，折叠码的上半部分与下半部分相对零电平对称折叠，故名折叠码。(2)(2)折叠二进码折叠二进码6.4 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM)u 常用的编码码型常用的编码码型2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输39折叠二进码的优点：v 对于语音这样的双极性信号，只要绝对值相同，则可以采用单极性编码的方法，使编码过程大大简化。v 在传输过程中出现误码，对小信号影响较小。6.4 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM)u 常用的编码码型常用的编码码型2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输40v 任何相邻电平的码组，只有一位码位发生变化，即相邻码字的距离恒为1。v

22、 这种码除极性码外，当正、负极性信号的绝对值相等时，其幅度码相同，故又称反射二进码。(3) 格雷二进码格雷二进码n 1n 210nn 11n 1n 20(c, c,c , c )Qc(21)c(21).c (21)量化电平6.4 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM)u 常用的编码码型常用的编码码型表表 2 3 常用二进制码型常用二进制码型 样值脉冲极性样值脉冲极性自然二进码自然二进码8 4 2 1折叠二进码折叠二进码格雷二进码格雷二进码15 7 3 1量化级序号量化级序号正极性部分正极性部分1111111011011100101110101001100011111110110111001011

23、1010100110001000100110111010111011111101110015141312111098负极性部分负极性部分01110110010101000011001000010000 00000001001000110100010101100111 01000101011101100010001100010000 765432102022-7-1第6章 模拟信号的数字传输426.4 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM)u 13折线编码折线编码2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输43第一、二段的阶距最小，记为111111612820482 按折叠二进码的码型，这8位码的安

24、排如下： 6.4 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM)u 13折线编码折线编码极性码 段落码 段内码 c1 c2c3c4 c5c6c7c8 2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输44表示量化极性正负。 （1）极性码）极性码c1 u 13折线编码折线编码6.4 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM)c1=1量化极性为正量化极性为负c1=02022-7-1第6章 模拟信号的数字传输45第24位码c2c3c4为段落码，表示信号的绝对值处在哪个段落，3位码的8种可能状态分别代表8个段落的序号。 （2）段落码）段落码6.4 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM)u 13折线编码折线编码表表2-4 段段

25、落落 码码 段落段落序号序号段落码段落码c2 c3 c4876543211 1 11 1 01 0 11 0 00 1 10 1 00 0 10 0 0图图 2.3 3 段落码与各段的关系段落码与各段的关系2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输47第5至第8位码c5c6c7c8为段内码，这4位码的16种可能状态用来分别代表每一段落内的16个均匀划分的量化级。描述在段内某一处。 （3）段内码）段内码6.4 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM)u 13折线编码折线编码表表2 25 5 段内码段内码 量化间隔量化间隔段内码段内码15141312111098765432101 1 1 11 1 1

26、 01 1 0 11 1 0 01 0 1 11 0 1 01 0 0 11 0 0 00 1 1 10 1 1 00 1 0 10 1 0 00 0 1 10 0 1 00 0 0 10 0 0 02022-7-1第6章 模拟信号的数字传输49例如信号：+1260 8位编码： 1 111 00117/11转换编码：10011000000 即1216 6.4 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM)2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输50编码量化误差编码量化误差信号：+1260 编码：1111 0011 7/11转换即10011000000 表2-6、2-8(1024+128+64)=121

27、6i641260-1216=443222 量量 化化 误误 差差为了减少量化误差，在接受端增补一个使译码后最大误差不超过iD2iD26.4 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM)2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输517-10 采用采用13折线折线A律编码，设最小的量化律编码，设最小的量化间隔为间隔为1个量化单位，已知抽样脉冲为个量化单位，已知抽样脉冲为+635量化单位：量化单位：（1）编码器输出码组，并计算量化误差；）编码器输出码组，并计算量化误差；（2）写出对于该）写出对于该7位码的均匀量化位码的均匀量化11位编码。位编码。（采用自然二进制码）（采用自然二进制码）注：表2-7，表2-8

28、，表2-66.4 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM)2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输52 6.4 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM)2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输53n设输入信号抽样值为+1270个量化单位（为一个量化单位），采用逐次比较型编码将它按照13折线A律特性编成8位码。试求： 1、编成8位码； 2、试计算量化误差；6.4 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM)2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输54n解：1、因为A律13折线8比特逐次反馈编码器， 现在对样值IC=+1270进行编码：(1)先编极性码C1：因为IC=+12700 C1=1(2)编段落码：C

29、1C2C3 由于： |IC|=1270IS=1024 故样值落在第八段，则段落码C2C3C4=111(3)编段内码：C4C5C6C7 由于第八段起始电平IS=1024，且量化间隔为64 样值比较： IS=1024+264+64=1216 |IC|=1270IS=1216 故段落码C4C5C6C7=0011 C1C2C3C4C5C6C7C8=111100112、量化误差e= IS- IC=446.4 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM)2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输55采用采用1313折线折线A A律编码，设最小的量化间隔为律编码，设最小的量化间隔为1 1个量化单位，已知抽样脉冲为个

30、量化单位，已知抽样脉冲为-95-95量化单位：量化单位：（1 1）编码器输出码组，并计算量化误差；）编码器输出码组，并计算量化误差；（2 2）写出对于该）写出对于该7 7位码的均匀量化位码的均匀量化1111位编码。位编码。作作 业业6.4 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM)2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输561 1、系统输出端总的、系统输出端总的信噪比信噪比0qe0qem(t)m (t) n (t) n (t)m (t)n (t)n (t) 接接收收端端低低通通的的输输出出：输输出出信信号号成成分分：量量化化噪噪声声引引起起输输出出噪噪声声：信信道道噪噪声声引引起起输输出出噪噪声声

31、6.3 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM)2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输572.4 2.4 自适应差分脉冲编码调制自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)(ADPCM) 64kb/s的A律或律的对数压扩PCM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。 但PCM信号占用频带要比模拟通信系统中的一个标准话路带宽（3.1 kHz）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PCM的经济性能很难与模拟通信相比。 (Adaptive Differential PCM)2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输58语音压缩编码技术：以较低的速率获得高质量编

32、码，一直是语音编码追求的目标。通常把话路速率低于64kb/s的语音编码方法，称为语音压缩编码技术。 2.4 2.4 自适应差分脉冲编码调制自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)(ADPCM)2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输59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32kb/s的比特率上达到64kb/s的PCM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。 ADPCM是在差分脉冲编码调制(DPCM)的基础上发展起来的。 2.4 2.4 自适应差分脉冲编码调制自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)(ADPCM)2022-7-1第

33、6章 模拟信号的数字传输60 在PCM中，每个波形样值都独立编码，与其他样值无关，这样，样值的整个幅值编码需要较多位数，比特率较高，造成数字化的信号带宽大大增加。 2.4.12.4.1DPCMDPCM然而，大多数以奈奎斯特或更高速率抽样的信源信号在相邻抽样间表现出很强的相关性，有很大的冗余度(Redundancy)。2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输61利用信源的这种相关性，可以对相邻样值的差值而不是样值本身进行编码。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。这样，用差值编码可以在量化台阶不变的情况下(即量化噪声不变)，使编码位数显著减少，信号带宽大大压缩。差值的PC

34、M编码称为差分PCM(DPCM)。2.4.12.4.1DPCMDPCM2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输621 1、差值信号能否转换成样值信号、差值信号能否转换成样值信号d0=s0d1=s1-s0d2=s2-s1d3=s3-s2d4=s4-s3.t信信号号s0.s1s2s3s4t.d1d2d3d4差差值值d0图图2.4-1 样值信号与差值信号样值信号与差值信号2.4.12.4.1DPCMDPCM2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输63s0=d0s1=d1+s0=d1+d0s2=d2+s1= d2+d1 +d0s3=d3+s2 =d3+d2 +d1 +d0s4=d4+s3 =d4+

35、 d3+d2 +d1 +d0.sn=dn+sn-1 =dn+ dn-1+. +d1 +d0=nii 0d 结论：差值可以转换为样值。结论：差值可以转换为样值。2.4.12.4.1DPCMDPCMT T延迟延迟sn-1dn序列序列sn序列序列图图2.4-2 差分编码差值差分编码差值/样值转换示意样值转换示意sn-1sndn量化量化+延迟延迟Tnsnd2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输652 2、差值信号优点、差值信号优点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。这样，用差值编码可以在量化台阶不变的情况下(即量化噪声不变)，使编码位数显著减少，信号带宽大大压缩。2.4.1

36、2.4.1DPCMDPCM2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输66 将“语音信号抽样值与预测样值的差”做量化编码。 实现差分编码的一个好办法是根据前面的p个样值预测当前时刻的样值。 3 3、 DPCMDPCM系统原理系统原理2.4.12.4.1DPCMDPCM译码译码抽样器抽样器量化量化编码编码m(t)mkeqk+pok预测器预测器kmkm+预测器预测器okpkm编码器编码器解码器解码器图图2.4-3 DPCM系统原系统原理图理图2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输68（1 1）预测器输出样值与输入样值的关系）预测器输出样值与输入样值的关系pkikii1kma mp :mp i i

37、参参数数，代代表表是是前前面面个个样样值值的的加加权权和和 a a ：预预测测器器系系数数2.4.12.4.1DPCMDPCM2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输69（2 2）DPCMDPCM量化误差量化误差okokkkppmm 若传输无误码，则：kkkq kokmmmep k k量量 化化 误误 差差q q ( ( k k ) ) = = m m2.4.12.4.1DPCMDPCM2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输70（3 3）DPCMDPCM信号量化噪声功率比信号量化噪声功率比202qsEm (k)NEq (k) 2.4.12.4.1DPCMDPCM2022-7-1第6章 模

38、拟信号的数字传输714 4、实际应用、实际应用实际中的一个简单做法是用一个样值代替预测值实现差分编码。2.4.12.4.1DPCMDPCM图图2.4-4 DPCM系统最简单的编码原理框图系统最简单的编码原理框图语音信号语音信号抽样抽样sn-1sndn量化量化编码编码cn+延迟延迟Tnsndsn:当前抽样值当前抽样值sn-1:用来代替预测值的一个样值用来代替预测值的一个样值dn:预测值与当前样值的误差信号预测值与当前样值的误差信号图图2.4-5 DPCM系统译码原理框图系统译码原理框图解码解码sn-1+cn低通低通延迟延迟Tnsnd2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输74DPCM系统性能的

39、改善是以最佳的预测和量化为前提的。但对语音信号进行预测和量化是复杂的技术问题，这是因为语音信号在较大的动态范围内变化。 为了能在相当宽的变化范围内获得最佳的性能，只有在DPCM基础上引入自适应系统。有自适应系统的DPCM称为自适应差分脉冲编码调制，简称ADPCM。 2.4.2 ADPCM2.4.2 ADPCM2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输75ADPCM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。 2.4.2 ADPCM2.4.2 ADPCM2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输76v 自适应量化指量化台阶随信号的变化而变化，使量化误差减小；v 自适应预测指预

40、测器系数ai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。2.4.2 ADPCM2.4.2 ADPCM2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输772.5 2.5 增增 量量 调调 制（制（DMDM、MM） 增 量 调 制 简 称 M 或 D M ( D e l t a Modulation)，它可以看成是PCM的一个重要特例。其目的在于简化语音编码方法。（不再用一组包含L个二进制码元的代码来表示抽样值，而用一个二进制码来传输抽样点的信息）2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输78 M与PCM都是用二进制代

41、码去表示模拟信号的编码方式。区别：v 在PCM中，代码表示样值本身的大小，所需码位数较多，从而导致编译码设备复杂；v 在M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。2.5 2.5 增增 量量 调调 制（制（DMDM、MM）2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输791 1、编码的基本思想、编码的基本思想2.5.1 2.5.1 简单增量调制简单增量调制一个语音信号，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，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。若将这些差值编码传输，同样可

42、传输模拟信号所含的信息。此差值又称“增量”，其值可正可负。这种用差值编码进行通信的方式，就称为“增量调制” ，缩写为DM或M。图图 2.5-1 增量编码波形示意图增量编码波形示意图m(t):输入的基带信号（如语音信号）输入的基带信号（如语音信号）m(t):阶梯波阶梯波m1(t):斜变波斜变波m(t)0010101111110t9ttttt3tt12t11t10t87654t2t1(m t)m (t)m1(t) tT3572022-7-1第6章 模拟信号的数字传输81v 将t分为许多相等的时间段t；v 将代表m(t)幅度的纵轴分为许多相等的小区间；v 模拟信号m(t)可以用阶梯波m(t)来逼近。

43、（1 1）用阶梯波来逼近曲线）用阶梯波来逼近曲线2.5.1 2.5.1 简单增量调制简单增量调制2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输82在T0时刻，抽样信号m(T0)经过量化成为量化信号 m(T0)q 若抽样信号m(T0)=量化信号 m(T0-T)则 m(T0) =m(T0-T)+ 输出“1”q 若抽样信号m(T0) f02.5.2 2.5.2 M M的过载特性的过载特性2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输101(1)斜率smax000sdm(t)fdtdm(t)M2 f cos2 f tM2 ffdt 00M2 f Mf2 (2)起始电平00ss0f2 f Mfff 结论：202

44、2-7-1第6章 模拟信号的数字传输102 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来表征的。在M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。 2.5.3 2.5.3 增量调制系统的量化噪声增量调制系统的量化噪声2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输103 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噪声。 )( )()(tmtmteq)(qe不过载情况:2.5.3 2.5.3 增量调制系统的量化噪声增量调制系统的量化噪声2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输104若eq(t)在区间（-，+）上均匀分布，则eq(t)的一维概率密度fq(e)为：222qq321E e (t)e (t)f (e)de(t)e (t)de(t)21e (t)233 q1f (e),e2 1、 eq(t)的平均功率的平均功率eq(t)的平均功率为：2.5.3 2.5.3 增量调制系统的量化噪声增量调制系统的量化噪声2022-7-1第6章 模拟信号的数字传输105考虑到eq(t