通信原理第9章.ppt

1、模拟信号数字化第1节-,引 言,数字信号的特点？ 模拟信号数字传输原理？ 模拟信号数字化的基础方式？,但数字信号可以压缩（瘦身）后再传输或存储,音频视频等多媒体信号均可数字化后再数字基带频带传输,1.数字信号的主要特点,模拟信号数字化是实现ISDN（综合业务数字网）的基础，使利用internet网实现各种信息的传递/共享成为可能.,模拟信号经抽样、量化和编码随机数字信息序列。它经数字基带或频带系统传输后，在收端经解调、译码和低通滤波，便可重建！,抽样量化/编码,译码滤波,2.模拟信号数字传输原理,许多直接代表消息的信号都是模拟的!,3. 模拟信号数字化的基础方式,脉冲编码调制(PCM) 增量调

2、制(DM) 差分脉冲编码调制(DPCM),模/数方式还有：参数编码； 混合编码,模拟信号数字化第2节-,脉冲编码调制,（PCM）,一. 概念及原理,模拟信号,“抽样-量化-编码”过程示意(1),含义？,欲时间上离散m（t），须等间隔（Ts）抽样 欲由ms(t)无失真重建m（t） 要求：fs2fH or Ts 1/（2 fH ）-奈奎斯特间隔,文字描绘（见P260）,-设有频带限制在（0，fH）Hz内的时间连续信号m（t），若以每秒不小于2fH的速率对m（t）进行等间隔抽样，m（t）将被所得抽样值完全确定！,即fs2fH可保证已抽样频谱无重叠,（一） 低通型抽样定理,二. 抽样定理,理想抽样模型

3、,发送端：以相乘器实现模拟信号时间上的离散 接收端：以LPF重建模拟信号（BPF可以吗？）,提问：实际电路能否产生这种信号？,定理的证明(发端),f,Ms(f),S(t),S(f),定理的证明(收端)内插公式的应用,fH = nB时（n为任意正整数） fs = 2iB (i=1,2,3且一般i=1),fH nB = nB + kB时（ k1） fs = 2B（ 1k/n）,设m（t）频带限制在（fL ，fH）Hz内， fs=？（注：其带宽：B = fH-fL ）,（二） 带通型抽样定理,小 结,抽样定理实质？为何如此规定？（重叠问题） 理想抽样 Ms()带宽为无穷大 抽样定理有哪两类？fs=？

4、 收端重建滤波器应是哪种类型的？ -理想/普通/低通/带通？,（一）脉冲调制的分类,用m(t)控制脉冲载波的参数： 幅度；宽度；时间位置脉冲调制分类：,(a) 模拟基带信号,(b) PAM信号,(c) PDM信号,(d) PPM信号,三. 模拟脉冲调制,概念：脉冲载波振幅随m(t) 变! （注：抽样频率按抽样定理选） 分类 曲顶抽样-ms(t)顶部随m(t)变(曲顶/自然) 平顶抽样- ms(t)顶部不随m(t)变(平顶/瞬时),（二）PAM（脉冲调制主要方式）,系统电路结构,S()为包络按Sa(x)变化的冲激串,S(t)（矩形脉冲串）表达式:,1.曲顶抽样（自然抽样）,M（w）,特点：频谱包

5、络不恒定，按Sa(x)函数规律衰减，但仍可用LPF重建m(t),曲顶抽样（续）,2.平顶抽样（瞬时抽样）,结论： MH()= Ms() H()(H()是的函数 ) 收端无法直接滤波得M(),解调原理,说明： 实际平顶抽样常用“抽样保持电路” 脉冲形式可任意!(载波为周期三角波等),平顶抽样（续）,结 论,无论何种抽样，均须满足抽样定理的要求 PAM使TDM成为可能多个PAM信号可以交织在一起在一个信道上传输,带宽比较：PAM信号比原始模拟信号频带宽很多，不适合长距离传输（噪声功率大，信噪比低）,将ms(t)幅值域分成M个量化层. 每层设一量化电平,- mq(t)与mS(t)的近似程度用下参数衡

6、量：,量化概念,量化 -按预先规定的有限个电平表样值大小的过程（将PAM信号幅度离散化）,四. 模拟信号的量化,定义：等间隔分层的量化(量化台阶固定),存在量化误差,1. 均匀量化,分类： 中升型（无0电平）中平型（含0电平）, 重建信号失真，量阶越大越严重!,mi-第i量化级终点电平 qi -第i量化级的量化电平,均匀量化的问题 弱信号相对误差强信号相对误差 若弱信号出现可能性较大,须用非均匀量化!,2. 非均匀量化,思考： 具体如何实现？,定义-量阶不固定 x量阶v x量阶v,实现原理-样值压缩后再均匀量化,A律压缩特性（对数压缩特性之二）,压缩规律,A=87.6压缩特性的折线逼近（13折

7、线数字压扩特性),我国和欧洲使用,A为压缩率,a) X轴(0,1)域非均匀地成8段,每段再均分成16等份 (每份为一量阶) b) Y轴(0,1)区间均匀地分成8层,13折线逼近时，x的8个段落量化分界点近似按2的幂次递减分割，利于数字电路实现,正负极性共13个折线段,A律13折线各段特性参数,为避免分数，令x,y的归一化值为2048(211)量化单位,思考：假设PAM信号幅度在（0 +5）V范围内取值，问其对应的13折线X轴每段落的起始电平 =？（V）；每大段的量阶 =？（V）,1. 线性编码（与均匀量化相对应）,概念 量化级数：M=2N 线性编码：用N位二元码的M种码型表各量化样值,NBC码

8、（自然二元码） 特点：相邻码组“1”个数差1。优点：码型简单、直观！ 缺点：码组有一位错码，可能引起“满幅度误差”！ 信道误码对NBC码影响严重（举例）,FBC码（折叠二元码） 特点：NBC码折叠而得 优点：小信号时误码引起的“满幅度误差” 小，但大信号时误差大！（举例）,PCM数字电话使用折叠码,P276表9-5,五. PCM编码,0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1,1024 512 256 128 64 32 16 8 4 2 0,例：已知M = 2048单位(N = 11),而某样值脉冲 = 635单位，求线性PCM编码器输出的11位码！,线性PCM信号带宽的计算,传码率 ms（

9、t）：最小速率 = fsmin= 2fH mq（t）：最小速率仍 = 2fH P0（t）：最小速率N fsmin= 2NfH -即：PCM信号数码率RB=2NfH 最小带宽 Bmin=（1/2）RB = NfH,2. 非线性编码 (对数编码),码位安排(N=8),C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8,13折线由来(X轴输入部分) 按“二分法”分8大段 每大段再均分成16个量阶,注: 设第1大段量阶=1单位,以A=87.6的13折线编/译码器为例,各部件主要作用? 逐次比较获后7位码的原理?,逐次比较型编码器(非线性编码器；有专用芯片),比较规则: IsIW C为“1” IsIW C为

10、“0”-共比较7次!,例1：已知某样值脉冲位-1150（单位），求逐次比较 型编码器输出的8位码！,编码器输出波形示意,提问：该数字信号传输速率和带宽为多少?, I s 0 C1 = 1 (极性码) I s I W1 =128 C2 = 1 I s I W2 = 512 C3 = 1 I s I W3= 1024 C4 = 1 I s I W6 = 1024 + 264 =1152 C7 = 1 I s I W7= 1024 + 264 + 64 = 1216 C8 = 1 编码结果: 11110011 eq = 54 32(量化误差),例2：已知某样值脉冲为1270（单位），求逐次比较型 编

11、码器输出的8位码！,电阻网络型译码器(有专用芯片),(A律PCM译码),例： 设收到的表量化样值的一组8位代码的码型为： 01010011,且段落码使用NCB码,段内码使用折叠码,求相应的样值脉冲!,性能的含义,六. PCM系统抗噪声性能分析,2. PCM系统平均信噪功率比,- N：码组码位数(编码长度)Pe：数字信道误码率,加性信噪比,模拟信号数字化第3节-,模拟信号数字化的其它基础方式,DM可视作PCM的特例 相同点-以二元数据(代码)表m(t) 不同点 PCM以一组N位二元码表一位样值的大小 DM以一位二元码表相邻两样值的相对大小,一. 增量调制系统, m（t）-时间、幅度均离散! m（

12、t）与m（t）应有良好近似关系！,一位二元码的两状态,描述相邻样值的相对大小!,设想-若用阶梯波m（t）（预测信号）去近似m（t）（见下图），并在抽样时刻比较两者，误差用eq（ti）表，则：,(一) 概述,M译码器实际波形,（收端译码器电路？发端编码器方框图？）,(二) 具体实现,2.M编码器各点波形,fs=? (不按抽样定理选! ),3.M系统原理框图,有哪些失真?,(三) M系统的失真问题,由来: 若m(t)与m(t)有良好近似关系,则量化误差信号e(t)经LPF的响应为基本量化噪声（取值域为0/2） 平均功率 Nq= Ee2(t) = (1/3)2, Nq S/Nq,1. 基本量化噪声,

13、影响-m0(t)严重 失真! 解决办法： 合理选、t， 使:,2. 过载噪声,来源 m(t)造成,3. 空载噪声,抗噪声性能含义,(四) M系统抗噪声性能分析,2.量噪比,fs -抽样频率fk -m(t)的频率之一fm-m(t)的上限频率,结论: fk和fm给定下: fs 系统此性能越好!(优点) fs B 系统有效性越差!(缺点),(一) 问题的提出, N4 时：（S0/Nq）DM （S0/Nq）PCM 即DM系统此性能较PCM的差! 原因: 误差样值 ek0 DM编码器输出“1” ek0 DM编码器输出“0” -无论ek值的大小,均按上述规则编码DM系 统量化信噪比较小! 设想: 将ek的

14、取值域(- +)象PCM那样分层，再 用一组N位码表ek的大小, 可减小量化误差! -由此产生的集DM和PCM为一体的调制方式称 DPCM（增量脉冲编码调制）,二. 差分脉冲编码调制(DPCM),(二) 增量脉码调制系统框图,模拟信号数字化第4节-,TDM和复接,复用意义？何谓TDM?特点？ 复用或复接后码流数码率如何计算？ 什么叫复接？ 准同步数字体系？ 同步数字体系？,TDM和多路数字电话系统,-时间分割!分若干个时隙传输各路数字信号,一、TDM 概念,特点-各路信号时间上严格错开，频谱却相互混叠 主要问题: 同步-收发双方时间节拍的一致！ (便收端从数据流中正确地识别（区分）各路信号)

15、解决-在数据帧中加入标志信号帧同步、位同步、字同步、句同步信号如:ATM信元格式:,TDM 概念（续）,-PCM 30/32帧结构为例,基本帧(30/32路PCM数字电话)-分32个时隙（每时隙容纳8位二元码），用以插入： 帧同步脉冲组-帧标志（ 0011011 ） 信令脉冲组-电话信令（占用、拨号、挂机等） 30路数字电话的一组PCM代码 复帧-16个基本帧的合群帧,二、多路数字电话的帧结构,基本帧： Ts = 话音信号抽样间隔 = 1/8KHz=125s 每路信号占用时隙Tsi（ 125 /32） = 3.9s 每路PCM码占用时间间隔 = Tsi/8 = 0.488s PCM30/32路数字电话基本帧数码率 = 1/ 0.48810-6 = 2.048Mb/s 复帧：数码率 = 162.048 Mb/s = 32.768 Mb/s,注: 数字基带信号的码元传输速率= 码元时间间隔的倒数,数码率的计算,“群”的概念,n路数字信号可 合成1基群 若干个基群可合 成1二次群 4次以上的