通信原理_第五章讲解
南京理工大学电光学院通信工程系NanjingUniversityofScienceandTechnologyDepartmentofCommunicationEngineering通信原理第五章模拟信号的数字传输CommunicationPrinciplesChapter5DigitalComm.forAnalogueSignal2本章的主要内容t5.1模拟信号的抽样t5.2脉冲振幅调制（PAM）t5.3模拟信号的量化t5.4脉冲编码调制（PCM）t5.5差分脉冲编码调制（DPCM）系统t5.6增量调制（M）t5.7时分复用CommunicationPrinciplesChapter5DigitalComm.forAnalogueSignal35.5差分脉冲编码调制（DPCM）系统t64kbs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（3.4kHz）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。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。通常，把话路速率低于64kbs的语音编码方法，称为语音压缩编码技术。t语音压缩编码方法很多，其中，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32kbs的比特率上达到64kbs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。CommunicationPrinciplesChapter5DigitalComm.forAnalogueSignal45.5差分脉冲编码调制（DPCM）系统DPCM系统的原理：在PCM中，每个波形样值都独立编码，与其它样值无关，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。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，信号带宽大大压缩。这种利用差值的PCM编码称为差分PCM（DPCM）t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。CommunicationPrinciplesChapter5DigitalComm.forAnalogueSignal55.5差分脉冲编码调制（DPCM）系统tDPCM系统的框图量化器编码预测器解码预测器编码器解码器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。CommunicationPrinciplesChapter5DigitalComm.forAnalogueSignal65.5差分脉冲编码调制（DPCM）系统tDPCM系统总量化误差：输入信号样值与解码器输出样值之差量化器编码预测器解码预测器编码器解码器l由上式可知，DPCM的总量化误差qk仅与差值信号eqk的量化误差有关。tDPCM系统总的量化信噪比CommunicationPrinciplesChapter5DigitalComm.forAnalogueSignal75.5差分脉冲编码调制（DPCM）系统tDPCM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Eeqk2就能远小于信号功率Emk2，Gp就会大于1，该系统就能获得增益。对DPCM系统的研究就是围绕着如何使Gp和(SN)q这两个参数取最大值而逐步完善起来的。通常Gp约为611dB。(SN)q是把差值序列作为信号时量化器的量化信噪比，与PCM系统考虑量化误差时所计算的信噪比相当。Gp可理解为DPCM系统相对于PCM系统而言的信噪比增益，称为预测增益。lDPCM系统总的量化信噪比远大于量化器的信噪比。因此要求DPCM系统达到与PCM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。CommunicationPrinciplesChapter5DigitalComm.forAnalogueSignal85.5差分脉冲编码调制（DPCM）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。t若DPCM的预测增益为611dB，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47dB，则ADPCM比PCM可改善1621dB，相当于编码位数可以减小3位到4位。因此，在维持相同的语音质量下，ADPCM允许用32kbs编码，这是标准64kbsPCM的一半。CCITT已形成了关于ADPCM系统的规范建议G.721、G.726等，用于长途传输系统。CommunicationPrinciplesChapter5DigitalComm.forAnalogueSignal9本章的主要内容t5.1模拟信号的抽样t5.2脉冲振幅调制（PAM）t5.3模拟信号的量化t5.4脉冲编码调制（PCM）t5.5差分脉冲编码调制（DPCM）系统t5.6增量调制（M）t5.7时分复用CommunicationPrinciplesChapter5DigitalComm.forAnalogueSignal105.6增量调制（M）增量调制(简称M或DM)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PCM的一个特例。lM与PCM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；而在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。lM与PCM编码方式相比具有编译码设备简单，低比特率时的量化信噪比高，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AD转换器。CommunicationPrinciplesChapter5DigitalComm.forAnalogueSignal115.6.1增量调制原理t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”（DeltaModulation），缩写为DM或M。lm(t)为模拟信号，可以用一个时间间隔为t，相邻幅度差为+或的阶梯波形m(t)来逼近它。只要t足够小，即抽样速率fs=1t足够高，且足够小，则阶梯波m(t)可近似代替m(t)。其中，为量化台阶，t=Ts为抽样间隔。CommunicationPrinciplesChapter5DigitalComm.forAnalogueSignal125.6.1增量调制原理t编译码的基本思想l阶梯波m(t)有两个特点：n在每个t间隔内m(t)的幅值不变n相邻间隔的幅值差不是+(上升一个量化阶)，就是(下降一个量化阶)。n利用这两个特点，用“1”码和“0”码分别代表m(t)上升或下降一个量化阶，则m(t)就被一个二进制序列表征（见图横轴下面的序列）。于是，该序列也相当表征了模拟信号m(t)，实现了模数转换。l除了用阶梯波m(t)近似m(t)外，还可用另一种形式图中虚线所示的斜变波m1(t)来近似m(t)。斜变波m1(t)也只有两种变化：按斜率t上升一个量阶和按斜率t下降一个量阶。用“1”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。CommunicationPrinciplesChapter5DigitalComm.forAnalogueSignal135.6.1增量调制原理t增量调制的译码与编码相对应，译码也有两种形式：l一种是收到“1”码上升一个量阶（跳变），收到“0”码下降一个量阶（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。l另一种是收到“1”码后产生一个正斜率电压，在t时间内上升一个量阶，收到“0”码后产生一个负斜率电压，在t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m1(t)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。这种方法可用一个简单的RC积分电路，即可把二进制代码变为m1(t)这样的波形。CommunicationPrinciplesChapter5DigitalComm.forAnalogueSignal145.6.1增量调制原理t系统方框图l发送端编码器是相减器、判决器、积分器及脉冲发生器（极性变换电路）组成的一个闭环反馈电路。n相减器的作用是取出差值e(t)，使e(t)=m(t)-m1(t)。n判决器也称比较器或数码形成器，它的作用是对差值e(t)的极性进行识别和判决，以便在抽样时刻输出编码（增量码）c(t)。CommunicationPrinciplesChapter5DigitalComm.forAnalogueSignal155.6.1增量调制原理t系统方框图l积分器和脉冲产生器组成本地译码器，它的作用是根据c(t)，形成预测信号m1(t)，即c(t)为“1”码时，m1(t)上升一个量阶，c(t)为“0”码时，m1(t)下降一个量阶，并送到相减器与m(t)进行幅度比较。CommunicationPrinciplesChapter5DigitalComm.forAnalogueSignal165.6.1增量调制原理t系统方框图l接收端解码电路由译码器和低通滤波器组成。n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m1(t)。n低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，更加逼近原来的模拟信号m(t)。CommunicationPrinciplesChapter5DigitalComm.forAnalogueSignal175.6.2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而形成量化噪声。误差表现为两种形式：l过载量化误差。l一般量化误差；l当输入模拟信号m(t)斜率陡变时，本地译码器输出信号m(t)跟不上信号m(t)的变化。这时，m(t)与m(t)之间的误差明显增大，引起译码后信号的严重失真，这种现象叫过载现象，产生的失真称为过载失真，或称过载噪声。这是在正常工作时必须而且可以避免的噪声。CommunicationPrinciplesChapter5DigitalComm.forAnalogueSignal185.6.2增量调制的过载特性与动态编码范围t避免过载的条件l设抽样间隔为t(抽样速率为fs=1t)，则一个量阶上的最大斜率K为它被称为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m(t)的最大变化斜率时，即译码器输出m(t)能够跟上输入信号m(t)的变化，不会发生过载现象，因而不会形成很大的失真。l为了不发生过载，必须增大和fs。但增大，一般量化误差也大，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求。提高fs对减小一般量化误差和减小过载噪声都有利。因此，M系统中的抽样速率要比PCM系统中的抽样速率高得多。M系统抽样速率的典型值为16kHz或32kHz，相应单话路编码比特率
