现代通信原理与技术 chp6.ppt

1、第六章 模拟信号的数字化传输,2、理解自然抽样和平顶抽样的原理，抽样信号的频谱，了解带通取样和时分复用原理。,1、掌握低通信号的理想抽样的原理。,3、理解并掌握模拟信号数字化的抽样量化和编码三个过程和编译码原理。,5、理解PCM24和PCM30/32帧结构、了解ADPCM。,6、理解简单增量调制原理。,7、理解并掌握增量调制一般量化失真和过载量化失真的概念。,4、掌握量化误差的计算，了解非均匀量化，压缩与扩张，数字压扩技术等概念和实现方法，,第1、2节 抽 样,一 、什么是模拟信号的数字传输,D/A（再生）、译码，低通。,A/D抽样，量化，编码。,二、 脉冲编码调制与脉冲振幅调制的区别,将PA

2、M脉冲幅度量化，编为二进制码得PCM信号。,三、抽样的分类,Xs（t）,（1）自然抽样,（2）平顶抽样,（3）理想抽样,一个频带限制在0 Hz内的时间连续信号 ，如果以 2 的抽样频率进行均匀 抽样，则 将被得到的样值完全地确定。,2、定理的证明：（以理想抽样为例）,模拟 信号,抽样 信号,抽样 脉冲,1、抽样定理,(一)、低通信号的理想抽样,设 是低通模拟信号,其频谱 为：,设 为周期冲击函数,其频谱函数为：,设抽样信号 为,其频谱函数由卷积定理得到,(1)带宽无限 (2)频谱图周期性重复,重复周期为 。,即：,奈奎斯特速率,奈奎斯特间隔,发生折叠噪声,3、抽样信号的恢复,滤波器可等效于一个

3、门函数,两边同时进行傅氏变换,(二)、低通信号的窄脉冲抽样 （PAM）,抽样脉冲序列：,为宽是 ，高是1的矩型脉冲,当 可不失真地恢复出原信号,1、带宽无限。,2、频谱图周期性重复，重复周期为,3、幅度按 函数包络的变化而变化,（三）、平顶抽样,1、平顶抽样的实现,实际中：用窄脉冲 代替理想抽样脉冲。 抽样保持电路代替 脉冲形成电路。,2、频谱关系,注：MH（）中不直接含有M（ ） 和M（ -k s）频谱。,3、信号的恢复,理想低通滤波后加修正网路。1/Q（ ）,一、量化和量化噪声,抽样值仍是模拟连续信号，经四舍五入变为有限称为量化。利用预先规定的有限个电平来表示模拟抽样值的过程称为量化。,当

4、抽样速率一定，量化级越多，xq(t)越接近x(t).,第三节 PCM,量化误差,量化级越多编的码位数越多。设量化噪声功率 Nq,则量化信噪比：,二 、均匀量化和量化信噪比的计算,1、均匀量化,量化间隔相等量化,若x(t)的概率密度为fx(x),X(t)瞬时值变化范围x0-x4,按间隔均分4等分, 中点(m1,m2,m3,m4),量化后得Q个电平,选k个二进制码代表不同电平 2k=Q.,2、量化信噪功率比,(1) 的计算方法,(2) 若f(x)在 (-a,a)均匀分布,(3)实际信号Sq/Nq,三、非均匀量化的基本原理,话机设置 D = 40dB 为了满足通信质量的要求： 信号的动态范围不低于

5、40 dB 的条件下，要求信噪比大于 26dB 。,信号的动态范围：,1、定义：量化间隔不相等的量化,（一）非均匀量化的概念,2、特点： （1）信号幅度小时，量化间隔小，量化误差小。 （2）信号幅度大时，量化间隔大，量化误差大。 （3）采用非均匀量化后，可做到在不增大量化 级的条件下，使信号在较宽的动态范围内 （S/N）达到要求。,3、实质：“压大补小”使大小信号在整个动态范 围内的信噪比基本一致。,4、实现：将抽样值通过压缩器后，再进行均匀 量化。,压缩器的作用：对小信号产生放大作用 对大信号产生“压缩”作用,（二）对数压缩律,1、A压缩律：（我国、欧洲选用）,当输入，输出 值归一化,（1）

6、小信号时：,（2）大信号时：,2、律特性 （美、日）,（2）大信号时：,则均匀量化7位码,输入信号(0到-18db) 而=100,7位码，输入(0到-38db)，相当于均匀量化11位码的动态范围.,信号的动态范围不低于 40 dB 的条件下，要求信噪比大于 26dB 。,四、压扩特性的折线近似,数字压扩技术：利用大量的数字电路形成若干 折线，并用这些折线来近似对数的压扩特性的 技术。,CCITT建议： A律用13折线近似 PCM30/32路系统 u律用15折线近似 PCM24路系统 建议国际通信中采用A律,（一）A律13折线的压缩律,1、13折线的形成,y,如上图 归一化坐标，,第1、2段的斜

7、率一样，则 -1 +1的折线数为：,2、13折线对A律的近似程度（表7 -3）,3、13折线量化 为了减小量化失真，提高量化精确度将X轴正负方向的各8个段落，每段再均匀分16个量化间隔。,总的量化级数：N = 2816 = 256,以正方向为例：,（二）u律15折线压缩律,1、15折线的形成,2、15折线对u律的近似程度,五、 PCM编码,编码：就是把量化后的信号变换二进制代码； 其相反的过程是译码,1、码字、码位、码型,码字：一个样值所编成的一组码,码位：,码型：自然二进制码、折迭二进制码 反卷码、格雷码等（表7-6）,（2）、折迭二进制码,2）如果出现误码，对小信号影响小,例：大信号 11

8、11 0111误差为15个量化级 小信号 0000 0000误差为1个量化级,2、编码原理,（1）逐次反馈型编码原理,例：天平的测量范围：0 -127克，砝码有 64克、32克、16克、8克、4克、2克、1克。设 物体的质量为41克，用7位码与它对应。测时 砝码用为“1”，不用为“0”。每次取中间值。,则对应的码为：,0、,1、,0、,0、,1、,0、,1、,1）、思路：称物体的质量,2）、逐次反馈型编码器结构,极性判决：判别信号的极性 比较器：判断信号幅值物体 与本地译码电路输出 值砝码的大小,局部译码：根据比较器输出 码情况，来提供下一次比较 所需的基准电压值,判决规则：,先进行极性判决，

9、再逐次比较 样值电压 基准电压 输出“1”码 样值电压 基准电压 输出“0”码,(2)非线性编码(A律13折线编码器),1）、码位的安排,编8位码,极性码 “1”信号为正极性 “0”信号为负极性,段落码：,代表8个不均匀段中某段的起始点电平,段内码：,代表段内16个均匀段中某段的起始电平,2）、A律13折线的编码原理,先编极性码、再编段落码、最后编段内码,编极性码 信号为正 = “1” 信号为负 = “0”,编段落码,经过三次比较，依次编出 ， 将待编电压信号幅度纳到了所处段的起始 电平之上。,编段内码,段内量化级的特点，均分16等份，级 差为 。,段内码所对 应的权值,幅值码所代表的电平值：

10、 = 段落起始电平值,例：设某样值电压 ，试编出 8位PCM码？,解：编极性码, 确定段落码,第一次比较：,第二次比较：,第三次比较：,段落码为 信号在第三段, 确定段内码,第五次比较：,第四次比较：,第六次比较：,第七次比较：,因此编出的8位PCM码为,码字电平,= 段落起始电平值,3、A律13折线逐次编码方框图,4、线性PCM与对数PCM间的对换 查表换算 设X 0时，1；X 0时， 0；“*”表示任意0或1 根据线性PCM与对数PCM间的关系，可列表如下： 信号取值范围 线性PCM 对数PCM 当 0= 1X1 16时， 0000000WXYZ1 000WXYZ 当 16 = 1X1 3

11、2时, 0000001WXYZ1 001WXYZ 当 32 = 1X1 64时, 000001WXYZ1* 010WXYZ 当 64 = 1X1 128时, 00001WXYZ1* 011WXYZ 当 128 = 1X1 256时, 0001WXYZ1* 100WXYZ 当 256 = 1X1 512时, 001WXYZ1* 101WXYZ 当 512 = 1X1 1024时, 01WXYZ1* 110WXYZ 当1024 = 1X1 2048时, 1WXYZ1* 111WXYZ,例：1101101译码,解：1101101,7/12变换 011101100000,三、译码原理,例：设输入信号幅

12、度：X 1250 信号值为正，符号为取：1 因为 1024 X 2048，处于第8段：段落号：111 量化台阶： 64 因为 （12501024）/ 64 = 3.53 取整后得：3，对应段内电平码：0011 编码后输出为：1 111 0011 解码后输出值：Y（1024 364）+ 64/2 =1248 实际量化误差：XY = 1250 1248 2 注：64/2 为第8段内量化阶距的二分之一。,若f(x)在(-a,a)均匀分布,PCM系统接收端输出的平均信噪比,话音信号压缩编码：低于64kbit/s 的语音编码,第4节 差分脉冲编码调制 （DPCM）系统,话音信号的相邻样值之间有很强的相关

13、性， 也就是说，信号的一个样值到另一个样值，不 会发生迅速变化因此样值的差值动态范围要 比样值本身动态范围小的多这样就可在保证 语音质量的要求下降低编码速率。提高频带利 用率。,1、传输样值差值实现通信的可能性,设d(i)为本时刻(iT)样值与前邻样值s(i-1).的 差值,d(i)= S(i)- S(i-1),设信号样值序列为： 、 、 、,假设信道理想 ,发端发送的差值序列 。 收端只要能将前一样( 有过去 的差值累积)记忆一个 周期T,再与本时刻的叠加,就可恢复:,S(0)=d(0) S(1)=d(0)+d(1)=S(0)+d(1) S(2)=d(0)+d(1)+d(2)=S(1)+d(2),结论:样值 是前面所有差值的积累,2、样值差值的检出-预测值的形成,(1) DPCM原理框图 (2) 差值 的检出 对差值编码而言,首先要解决差值的检出,关键问 题就是如何检测出前一邻样值。,(3)预测值形成： 因为DPCM 是差值量化 所以前邻 样值只能由差值 的量化 值 来形成。既：,在nT时刻的估计值 是前面差值量化值 的累积。,3、量化误差与解码重建 （1）量化误差 由差值量化器决定。,一、 简单