第5章 脉冲编码调制.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,5,章 模拟信号的数字传输,第,5,章 脉冲编码调制,5.1,抽样定理,5.2,脉冲振幅调制,5.3,模拟信号的量化,5.4,脉冲,编码的基本原理,正如第,1,章绪论所述，因数字通信系统具有许多优点而成为当今通信的发展方向。然而自然界的许多信息经各种传感器感知后都是模拟量，例如电话、电视等通信业务，其信源输出的消息都是模拟信号。若要利用数字通信系统传输模拟信号，一般需三个步骤：,（,1,）把模拟信号数字化，即模数转换（,A/D,）；,（,2,）,进行数字方式传输；,（,3,）把数字信号还原为模拟信号，即数模转换（,D/A,）。,5.1,抽样定理,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。能否由此样值序列重建原信号，是抽样定理要回答的问题。,抽样定理的大意是，如果对一个频带有限的时间连续的模拟信号抽样，当抽样速率达到一定数值时，那么根据它的抽样值就能重建原信号。也就是说，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。,根据信号是低通型的还是带通型的，抽样定理分低通抽样定理和带通抽样定理；根据用来抽样的脉冲序列是等间隔的还是非等间隔的，又分均匀抽样定理和非均匀抽样；根据抽样的,脉冲序列是冲击序列还是非冲击序列，又可分理想抽样和实际抽样。,5.1.1,低通抽样定理,一个频带限制在,(0,f,H,),赫内的时间连续信号,m(t),，,如果以,T,s,1/(2f,H,),秒的间隔对它进行等间隔（均匀）抽样，则,m(t),将被所得到的抽样值完全确定。,此定理告诉我们：若,m(t),的频谱在某一角频率,H,以上为零，则,m(t),中的全部信息完全包含在其间隔不大于,1/(2f,H,),秒的均匀抽样序列里。换句话说，在信号最高频率分量的每一个周期内起码应抽样两次。或者说，抽样速率,f,s,（,每秒内的抽样点数）应不小于,2,f,H,，,若抽样速率,f,s,2f,H,，,则会产生失真，这种失真叫混叠失真。,混叠现象,5.1.2,带通抽样定理,上面讨论和证明了频带限制在,(0,f,H,),的低通型信号的均匀抽样定理。实际中遇到的许多信号是带通型信号。如果采用低通抽样定理的抽样速率,fs2f,H,，,对频率限制在,f,L,与,f,H,之间的带通型信号抽样，肯定能满足频谱不混叠的要求，如图所示。,这样选择,fs,太高了，它会使,0fL,一大段频谱空隙得不到利用，降低了信道的利用率。为了提高信道利用率，同时又使抽样后的信号频谱不混叠，那,么,fs,到底怎样选择呢？,下面分两种情况加以说明。,（,1,）若最高频率,f,H,为带宽的整数倍，即,f,H,=,nB,。,此时,f,H,/B=n,是整数抽样速率,f,s,=2,B,。,图画出了,f,H,=5B,时的频谱图。,由此可知：当,fH,=,nB,时，能重建原信号,m(t),的最小抽样频率为,f,s,=2B,图中，抽样后信号的频谱,Ms(),既没有混叠也没有留空隙，而且包含有,m(t),的频谱,M(),图中虚线所框的部分。这样，采用带通滤波器就能无失真恢复原信号，且此时抽样速率（,2,B,）,远低于按低通抽样定理时,fs,=10B,的要求。显然，若,fs,再减小，即,f,s,2,B,时必然会出现混叠失真。,（,2,）,若最高频率,f,H,不为带宽的整数倍，即,这样就得出带通信号的最小抽样频率为,实际中应用广泛的高频窄带信号就符合这种情况，这是因为,f,H,大而,B,小，,f,L,当然也大,。,由于带通信号一般为窄带信号,，,因此带通信号通常可按,2B,速率抽样。,5.2,实际抽样,第,3,、,4,章中讨论的连续波调制是以连续振荡的正弦信号作为载波。然而，正弦信号并非是唯一的载波形式，时间上离散的脉冲串，同样可以作为载波。脉冲调制就是以时间上离散的脉冲串作为载波，用模拟基带信号,m(t),去控制脉冲串的某参数，使其按,m(t),的规律变化的调制方式。通常，按基带信号改变脉冲参量（幅度、宽度和位置）的不同，把脉冲调制又分为脉幅调制,(PAM),、,脉宽调制,(PDM),和脉位调制,(PPM),。,虽然这三种信号在时间上都是离散的，但受调参量变化是连续的，因此也都属于模拟信号。,限于篇幅，这里仅介绍脉冲振幅调制，因为它是脉冲编码调制的基础。,图,6-9PAM,、,PDM,、,PPM,信号波形,脉冲振幅调制,(PAM),是脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式。若脉冲载波是冲激脉冲序列，则前面讨论的抽样定理就是脉冲振幅调制的原理。也就是说，按抽样定理进行抽样得到的信号,ms(t),就是一个,PAM,信号。,但是，用冲激脉冲序列进行抽样是一种理想抽样的情况，是不可能实现的。因为冲击序列在实际中是不能获得的。因此，在实际中通常采用脉冲宽度相对于抽样周期很窄的窄脉冲序列近似代替冲激脉冲序列，从而实现脉冲振幅调制。这里我们介绍用窄脉冲序列进行实际抽样的两种,脉冲振幅调制方式：自然抽样的脉冲调幅和平顶抽样的脉冲调幅。,(1),自然抽样。,自然抽样信号,x,s,(,t,),是,x,(,t,),和抽样脉冲序列,s,(,t,),的乘积：,自然抽样的方框图和各点波形,x,s,(,t,),的频谱,(2),平顶抽样。,平顶抽样产生框图及波形图,平顶抽样的频谱为,加权项,平顶抽样信号解调原理方框图,5.3,模拟信号的量化,量化有什么样的必要性？,（,1,）抽样信号幅度连续，有限位的数字信号不可能精确地表示；,（,2,）噪声会掩盖信号的微弱变化，人的感官灵敏度有限。,因此将,PAM,信号转换成,PCM,信号之前，将幅度连续的,PAM,信号利用预先规定的有限个量化值（量化电平）来表示，这个过程叫“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,。时间连续的模拟信号经抽样后的样值序列，虽然在时间上离散，但在幅度上仍然是连续的，即抽样值,m(kT,),可以取无穷多个可能值，因此仍属模拟信号。如果用,N,位二进制码组来表示该样值的大小，以便利用数字传输系统来传输的话，那么,N,位二进制码组只能同,M=2,N,个电平样值相对应，而不能同无穷多个可能取值相对应。这就需要把取值无限的抽样值划分成有限的,M,个离散电平，此电平被称为量化电平。,量化的输入和输出,5.3.1,均匀量化,把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为,均匀量化,。,将取值域均匀等分为,M,个间隔，则,M,称为,量化级数,或,量化电平数,。,量化间隔,（或,量化阶距,）取决于输入信号的变化范围和量化级数。,在均匀量化中，每个量化区间的,量化电平,通常取在各区间的中点。通过量化，无穷多个幅度的取值变成了有限个量化电平。,图,5-14,量化过程及量化误差,例,5-1,在测量时往往用正弦信号来判断量化信噪比。若设正弦信号为,x,(,t,)=,A,m,cos,t,，,则,，,若量化幅,度范围为,-,V,+,V,，,且信号不过载,(,即,A,m,V),，,则量化信噪比为,例,5-2,实际语音信号的概率密度函数可用拉普拉斯,分布来表示，即,由上式可见，在相同的码位数情况下，语音信号的量化信噪比要比正弦信号最大量化,信噪比减小,11dB,。,图,3-14,语音信号量化信噪比,(4),均匀量化的缺点。如上所述，均匀量化时其量化信噪比随信号电平的减小而下降。产生这一现象的原因就是均匀量化时的量化级间隔,为固定值，而量化误差不管输入信号的大小均在,(-/2,/2),内变化。故大信号时量化信噪比大，小信号时量化信噪比小。对于语音信号来说，小信号出现的概率要大于大信号出现的概率，这就使平均信噪比下降。同时，为了满足一定的信噪比输出要求，输入信号应有一定范围,(,即动态范围,),，由于小信号信噪比明显下降，也使输入信号范围减小。要改善小信号量化信噪比，可以采用,量化间隔非均匀的方法，即非均匀量化。,2.,非均匀量化,非均匀量化根据信号的不同区间来确定量化间隔，即量化间隔与信号的大小有关。当信号幅度小时，量化间隔小，其量化误差也小；当信号幅度大时，量化间隔大，其量化误差也大。,实现非均匀量化的方法有两种：模拟压扩法和直接非均匀编解码法。它们在原理上是等效的，但是从理论分析角度来看，前者简便，而在实际应用中通常采用后者，因此下面先介绍模拟压扩法，再介绍直接非均匀编解码法。,一、模拟压扩法,在发送端,抽样信号首先经过压缩器处理，然后进行均匀量化，最后进行编码；,在接收端，解码后送入扩张器恢复原始信号。,图,4-15,非均匀量化的模拟压扩法,压缩器是对小信号进行放大，对大信号进行压缩。而扩张器是对小信号进行压缩，对大信号进行放大。,图,4-16,压缩器和扩张器的特性,1,、,A,律压扩特性,图,4-17 A,律压缩特性,2,、,律压扩特性,图,4-18,律压缩特性,二、直接非均匀编解码法,实现非均匀量化一般采用直接非均匀编解码法。,所谓直接非均匀编解码法就是：在编解码过程中，并不经过专门的压扩过程，在发送端根据非均匀量化间隔的划分直接对样值进行二进制编码；在接收端进行相应的非均匀解码。,5.4,编码,PCM,系统中的编码是指用,二进制代码,来表示,有限个量化电平,的过程；,实际操作是，用量化级将量化电平排列起来，给每一个量化级分配一个码字；,在语音信号的编码中常用的二进制码型有自然二进码和折叠二进码两种。,一、自然二进码,自然二进码就是将量化级序号看作一般的十进制正整数，然后用二进制表示。,简单、好记；,正负极性部分无相似之处。,二、折叠二进码,除去最高位外，折叠二进码的上半部分与下半部分呈倒影关系，即折叠关系。其幅度码从小到大按自然二进码规则编码。只要正、负极性信号的绝对值相同，就可进行相同的编码。,与自然二进码相比，折叠二进码有哪些优点？,（,1,）对于双极性信号，只要绝对值相同，用最高位码表示极性后，则可以采用单极性编码的方法，使编码过程大大简化。,（,2,）在传输过程中出现误码，对小信号影响较小。,基于以上的原因，在,PCM,系统中广泛采用折叠二进码。,5.4.2 A,律,13,折线编码一、,A,律,13,折线的压缩特性,图,4-21 A,律,13,折线压扩特性,表,3-3,段内码,表,3-4 A,律,13,折线幅度码与其对应电平,二、,A,律,13,折线的码字安排,编码位数的选择要考虑哪些因素？,要兼顾通信质量和传输带宽。,在信号变化范围一定时，码位数越多，量化级数越多，量化误差越小，通信质量当然就更好。但码位数越多，设备越复杂，同时还会使总的传码率增加，传输带宽加大。,一般从语音信号的可懂度来说，采用,34,位非线性编码即可，若增至,78,位时，通信质量就比较理想了。,例,5.4.1,5.4.3.,逐次比较型编解码原理,实现编码的具体方法和电路很多，律,13,折线编码器目前常采用逐次比较型编码器。它由整流器、极性判决、保持电路、比较判决器及本地解码电路等组成，如下图所示。,图,5-23,段落码标准值的确定过程,例,5.6,二、,A,律,13,折线解码器,解码器的作用是把收到的,PCM,信号还原成相应的,PAM,样值信号，即进行,D/A,变换。还原出的样值信号电平为量化电平，它近似等于原始的,PAM,样值信号，但存在一定的误差，即量化误差。,A,律,13,折线解码器与逐次比较型编码器中的本地解码器基本相同，所不同的是增加了极性控制部分，并用带有寄存器读出的,7/12,位码变换电路代替了本地解码器中的,7/11,位码变换电路。,图,5-24,解码器的原理图,例,5.4.5,第五章结束,