通信原理与技术 教学课件 ppt 作者 李白萍 吴冬梅 第3章
第三章 模拟信号的数字化传输,3.1 模拟信号数字化的基本原理 3.2 脉冲编码调制（PCM） 3.3 增量调制（M） 3.4 语音压缩编码技术简介 3.5 时分复用原理 3.6 数字复接技术 3.7 小 结,3.1模拟信号数字化的基本原理,1 模拟信号的抽样 （1） 抽样定理 抽样定理告诉我们：一个频带限制在Fm赫以内的时间连续函数f（t），如果以T1/2Fm的等间隔时间抽样，则所得的样值可以完全地确定原信号f（t）。 上述定理因抽样时间间隔相等，故称为均匀抽样定理。,T=1/2Fm是不失真抽样的最大时间间隔，称之为奈奎斯特间隔或奈奎斯特周期。 第一，在抽样之前加截止频率为Fm的低通滤波器，滤除Fm赫以上的频谱成分，从而消除折叠现象和避免由此引起的失真。 第二，由于收端的低通滤波器不可能做成理想的，特别是在截止频率附近，与理想的特性相差甚大。,第三，实际的抽样频率不可能是单位冲激脉冲，只能是高度为A，宽度为t，重复频率为1/T的矩形窄脉冲序列s（t）,其表示式为 式中fs=1/T,（2） 带通信号的抽样 带通信号的带宽限制在fL，fH，fL为最低频率分量，fH为最高频率分量，其频率带宽为B=fH fL。任何带通信号都可以通过混频将其频谱转换成低通型的基带信号。,2. 信号的量化 （1） 量化的基本原理 模拟信号经抽样得到的时间离散，幅度连续的信号，通常叫PAM信号（脉冲调幅信号）。量化便是使PAM信号的幅度离散化，量化通常由量化器完成。,（2） 量化噪声 量化是用量化电平值yk来代替x。显然这种替代是存在误差的，这个误差是由于量化产生的，故叫量化误差，表示为 e（t）=x y 量化噪声的大小常用它的均方值e2（t），即量化噪声功率表示。它对通信质量的影响程度用量化器输出的信号功率与量化噪声功率的比SNR（dB）表示。, 均匀量化 均匀量化的特点是量化级的间距d为常数，落入每个量化级（也叫量化区间）的PAM信号幅值x通常是随机变量，为分析方便设其概率密度函数为p（x），如果量化级数N足够多，在量化器工作范围V，V一定时，d=2V/N就足够的小，可以认为每一层间隔内的信号分布均可用量化电平值处的概率密度函数p（yk）表示，yk一般为量化区间的中间值，所以对于PAM信号幅度在量化器工作范围以内的情况，每个量化级的量化噪声功率为, 非均匀量化 均匀量化因量化阶距d为常数，所以有直观、量化设备简单的优点。 3. 编码理论 模拟信号在抽样量化后，变成了时间离散、幅度离散的数字信号。通常为了减少量化误差，量化级数设置很多，也就是说量化后得到的数字信号的取值仍然很多，用这样的信号传输，收端复制很困难。,已知l个二电平码可以构成2l个组合，所以一般量化级数都取N=2l，这样各个量化值便可由l个二电平码来表示，通常把量化后的多电平信号变成二电平信号的过程叫编码。, 自然二进码，就是人们熟悉的二进码，用（an，an-1，a1）表示，每个码元只有二种状态，取“1”或“0”，一组自然二进码代表的量化电平为 =an2n-1+an-12n-2+a120 式中n为二进码位数。, 反射二进码也称格雷（Grag）码。它的特点是相邻两组代码间的码距为1，因此如果传输中出了一位错产生的误差较小。设反射二进码为（cn，cn-1，c1），且各码元取“1”或“0”，则对应的量化电平值为 =cn（2n-1）±cn-1（2n-11） ±±c1（211）, 折叠二进码，用（bn，bn-1，b1）表示，它可由自然二进码变换而得。,3.2 脉冲编码调制（PCM）,1. PCM调制系统 话音通信中的PCM调制系统的原理方框图如图3-12所示。,图3-12PCM系统原理方框图,2. 信号的压缩与扩张 话音信号通常是小信号出现的概率大，大信号出现的概率小。通常使用的压缩器中，多采用对数式压缩，广泛采用的对数压缩律是律和A律，归一化律特性为 式中 Y归一化压缩器输出电压 X归一化压缩器输入电压 压缩参数，表示压缩程度,3. PCM编码器、译码器 （1） 编码器 实现将样值脉冲变成二进制代码的编码器种类很多，例如有计数型、直读型、逐次比较型、折叠级联型及混合型等。 整流器用来判别输入样值脉冲的极性，编出第一位码D1（极性码），同时将双极性脉冲变换成单极性脉冲。,比较器是编码器的核心，它通过对输入的样值电流I信和标准电流I权进行比较，从而对输入信号的抽样值实现非线性量化编码。 保持电路的作用是保持输入信号的抽样值在整个比较过程中具有一定的幅度。,所以确定D5选标准电流 I权4 = 段落起始电平 + 8 k = 1024+8×64 =1536个量化单位 I信I权4，D5=0，I信处于第八段中18级。 同理确定D6选标准电流 I权5 = 段落起始电平 + 4 k =1024+4×64 =1280个量化单位,I信I权5，D6=0，I信 处于第八段中14级。 确定D7选标准电流I权6 =1024+2k =1024+2×64 =1152个量化单位 I信I权6，D7=1，I信 处于第八段中38级。 确定D8选标准电流I权7 =1024+3k =1024+3×64 =1216个量化单位,I信I权7，D8=1，说明输入信号处在第八段中第三量化级。经上述七次比较，编出的八位码为11110011。它表示输入抽样值处于第八段第三量化级，其量化后的电平值为1216个量化单位，故量化误差等于54个量化单位。,（2） 译码器 电阻网络型译码器的原理框图如图3-19所示，它与逐次比较型编码中的局部译码器类似，从原理上说，两者都是用来译码，但编码器中的译码，只译出信号的幅度，不译出极性。,图3-19电阻网络型译码器原理框图,（3） PCM编码和译码器集成电路随着大规模集成技术的发展，由大规模集成电路制成的PCM编码器已广泛应用。这种集成电路大致可分为两类：一类是把编码器和译码器分别单独制造；另一类是把二者合并在同一块基片上。编译码器合在一起的又分两种实施方案：一种是多路公用编译器，另一种是单路编译码器。,4. PCM系统的抗噪声性能 模拟信号通过数字系统传输时，除了所传输的信号外，还存在着失真和干扰。失真主要来自模数和数模变换过程。,现以D（t）代表接收端输出中由系统本身在信号变换过程中所引入的失真分量，n（t）代表干扰所引起的输出失真分量，g（t）代表输出的有用信号分量，则接收端的输出电压x（t）可用下式表示 x（t）=g（t）+D（t）+n（t）,5. 差分脉冲编码调制（DPCM） PCM系统之所以能够提供高的通信质量，在于它采用了大的编码位数，为此在频带方面付出了很大的代价。 如图3-21所示可看出，在大多数情况下，模拟信号在相邻间隔上的抽样值都比较接近，而其变化的规律与前几个抽样点上的取值有密切关系，并且多数具有单调变化的趋势。,图3-21用阶梯或锯齿波逼近模拟信号,单纯的DPCM已用得不多，更多的是采用自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）。自适应是指能自动地改变量化间隔，使预测误差电平大时增大量化阶距，误差电平小时缩短量化阶距，从而有助于进一步降低量化噪声。,3.3 增量调制（M）,1. 增量调制的基本原理 （1） 编码的基本思想 假设一个模拟信号f（t）（为作图方便起见，令f（t）0），可以用一时间间隔为t、幅度差为±的阶梯波形f（t）去逼近它，如图3-23所示。只要t足够小，即抽样频率fs=1/t足够高，且足够小，则f（t）可以相当近似于f（t）。我们把称作量阶，t=Ts称为抽样间隔。,（2） 译码的基本思想 与编码相对应，译码也有两种情况，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变成f（t）这样的阶梯波。另一种是收到“1”码后产生一个正斜变电压，在t时间内上升一个量阶，收到一个“0”码产生一个负斜变电压，在t时间内均匀下降一个量阶。,2. 简单增量调制 （1） 过载特性 前面已经得知，增量调制实际上是用一个阶梯波f(t)来逼近模拟信号f(t)。在译码器采用RC积分电路时，这个阶梯波实际上是一个斜变波。,图3-29M的量化失真,实验表明，话音信号的能量主要集中在较低的频率范围内，随着频率的升高，功率谱密度很快下降。因而，在传输话音的M系统中，信号频率f一般并不取话音的最高频率，而是取800Hz。 （3） 动态范围 电话信号从用户到长途台时，依其距离远近而衰耗不同，近者小些，远者大些。根据长途台测得的数据看，一般动态范围为3540dB。,但是，由前面已经分析结果可知，用13折线A律的PCM系统在码速率为64kbit/s（一路数字电话）SNR（dB）min=20dB时，动态范围可达40dB以上。可见简单增量调制系统在fs较低时的动态范围是很低的，很难与信源动态范围相适应。,（4） 编码范围 增量调制器不可能对任何幅值的信号都进行编码。当输入信号小于某一幅值Ak时就不能编码了。这个刚能开始编码的正弦信号幅值就叫做最小编码电平。 （5） 加性噪声对系统的影响 当被传输的数字信号由于叠加了加性噪声而出现了误码。对于双极性二进码，误码就是使原来的码改变了极性，如图3-33所示，它可看成是原码与一个极性相反、幅值加倍（2E）的错码迭加的结果。,图3-33M发生误码时的波形,3. 改进型增量调制 常用的有增量总和（-）调制，自适应增量调制等。下面简要介绍它们的工作原理。 （1） 增量总和（-）调制 简单增量调制的过载特性（图3-28）是一条按每倍频程下降6dB的特性。,-调制与简单增量调制明显不同。在简单增量调制器中，输出的信码脉冲p（t）表示的是相邻抽样值变化量的极性，这个变化量也称为增量，增量又有“微分”之意，所以这里的p（t）携带的是波形的微分信息或斜率信息。简单增量调制实际上是斜率跟踪器，而-调制却不同，它输出的信码脉冲是将变化量积分加判决形成的脉冲，,所以p（t）携带的是积分后的微分信息，由于微分和积分作用相互抵消了，故系统输出的信码脉冲p（t）只携带信号的幅度信息。 因为积分即有求和的意思，故把图3-36的增量调制方式称为增量总和-调制。据上述分析，-调制适合于传输具有近似平坦功率谱的信号，例如经预加重的电话信号。,（2） 自适应增量调制 自适应增量调制（ADM）的关键是如何控制，围绕着这个问题提出了很多具体方法，例如有离散控制的ADM，高信息M，连续音节压扩M及数字音节压扩M等。由于目前用于电话通信的主要是音节压扩M，并已制出大量的商品集成电路芯片，故只介绍这一类ADM技术。, 连续音节压扩增量调制 这是一种利用话音信号在一个音节内的平均幅度来控制量化阶距，使随平均幅度作连续变化的技术。 数字音节压扩增量调制 图3-39所示为数字音节压扩M的方框图，它与连续压扩M的框图3-38比较，取消了由微分、整流、平滑三个单元组成的前向控制电路，而仅在反馈电路中，多加了一个连“1”连“0”检测电路，稳定性比前者好。,图3-39数字音节压扩M框图,4. 几种调制性能比较 （1） PCM与M系统性能比较 在误码可以忽略以及信道传输速率相同的条件下，PCM与M系统的性能曲线如图3-40所示。 在考虑误码时，由于每一位误码仅表示造成±的误差，而PCM的每一位误码会造成较大的误差（例如，处于最高位的码元将代表2n-1个量化级的数值），所以误码对PCM系统的影响要比M系统严重些。,（2） 数字压扩M和简单M及-调制性能比较 图3-40画出了数字压扩M和简单M及-调制的信噪比及幅度变化的关系特性，这里纵座标是SNR/SNRmax，横坐标是A/Amax，从曲线可以看出数字压扩比简单M和-调制都在动态范围上有了很大的改进。,3.4 语音
