通信原理-第5章-第一部分-模拟信号的数字化-40.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,*,第五章 模拟信号的数字化,1,目标要求,一、基本要求,1.,掌握模拟信号的抽样；,2.,掌握抽样信号的量化，包括均匀量化和非均匀,量化；,3.,掌握脉冲编码调制（,PCM,）、差分脉冲编码调,制（,DPCM,）、增量调制（,DM,）系统的原理。,2,目标要求,二、重点、难点,1.,重点,抽样定理的掌握、抽样过程的波形和频谱特性分析；非均匀量化法中,A,律和,律的原理、近似实现和压缩特性的理解和掌握，信号量噪比定义的掌握；几种编码调制方式的掌握。,2.,难点,PCM,、,DPCM,、,DM,系统信号量噪比的分析。,3,数字化三步骤：抽样、量化和编码,抽样信号,抽样信号,量化信号,t,011,011,011,100,100,100,100,编码信号,4,本章目录,5.1,脉冲编码调制,(PCM),5.2,差分脉码调制,(DPCM),5.3,增 量 调 制,(,),5.4,时 分 复 用,(TDM),5,5.1,脉冲编码调制（,PCM,）,量,化,编,码,抽,样,信,道,解,码,低,通,滤,波,x(t),PAM,PCM,PCM,x(t),抽样,：,对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续变化的信号变成时间上离散的样值序列（它应包含原信号的所有信息，能无失真地恢复原模拟信号）。模拟信号的信息被调制到了脉冲序列的幅度上，因此此样值序列又称为,脉冲幅度调制信号,PAM,。,PAM,仍是模拟信号。,5.1.1,脉冲编码调制的基本原理,6,量化,：,抽样后得到的一组离散的样值序列，指定一组规定的电平，把每个离散的样值用最接近的电平表示。量化后的,PAM,信号是数字信号。,编码,：,用二进制码组表示每个固定电平的量化值。,解码,：,将,PCM,信号还原为,PAM,信号。还原的,PAM,信号包络与原始模拟信号的波形相似，因此，只要经过低通滤波器检出,PAM,信号的包络就可以还原模拟信号。,7,5.1.2,抽样,采样的概念,定义,：利用采样脉冲序列,p(t),从,连续信号,f(t)”,抽取”一系列离散采样信号的过程,。,T,s,为采样点之间的间隔，称为,采样周期,，一般为常数。,T,s,的倒数为,采样频率,8,1.,低通抽样定理,抽样定理：,一个频带限制在（,0,，,f,H,）内的连续信号,x,(,t,),，如果抽样频率,f,s,大于或等于,2,f,H,，则可以由样值序列,x,(,nT,s,),无失真地重建原始信号,x,(,n,),。,通常进行等间隔,T,抽样；,理论上，抽样过程 周期单位冲激脉冲,模拟信号；,实际上，,抽样过程 周期性单位窄脉冲,模拟信号；,9,例,：,电话通信中话音的频带取,0.33.4kHz,，,确定其抽样频率,抽样频率大于或等于,6.8kHz,即可，,CCITT,（,国际电报电话咨询委员会）规定的,PCM,的采样频率为,8kHz,。,主要是考虑到滤波器制作的方便。,10,时域中，抽样信号可表示为：,单位冲击函数可表示为：,故有：,频域中，由于,所以，有：,11,抽样信号的时域与频域对照：,时域相乘,频域卷积,12,设,理想低通传递函数为：,则滤波器输出为：,根据时域卷积定理，可获得重建信号：,内插,公式,13,t,恢复原信号的方法：,频域：当,f,s,2,f,H,时，用一个截止频率为,f,H,的理想低通滤波器就能够从抽样信号中分离出原信号。,时域：当用抽样脉冲序列通过此理想低通滤波器时，滤波器的输出就是一系列冲激响应之和。这些冲激响应之和就构成了原信号。,理想滤波器是不能实现的。实用滤波器的截止特性不可能做到如此陡峭。所以，实用的抽样频率,f,s,必须比,2,f,H,大一些。,典型电话信号的最高频率通常限制在,3400 Hz,，而抽样频率通常采用,8000 Hz,。,14,2.,自然抽样,由于理想 无法得到，所以设抽样脉冲序列为 ，则抽样信号为 。,又因为 ，其中,所以，有：,可见，,15,由于频谱只是幅度加权，形状不变，故可用理想低通恢复。,注意：对于确定的,n,，,C,n,是一个常数。,16,3.,平顶抽样,自然抽样容易实现，但有时不能满足需要。,需要对抽样的样值进行编码时，要求在编码期间样值保持不变。,平顶抽样：在抽样脉冲期间，样值幅度保持不变。,理论分析,先进行理想抽样，在再用一个冲激响应为矩形函数的网络对样值进行保持。,实际实现,窄脉冲自然抽样,+,平顶保持电路,17,时域卷积,频域相乘,18,平顶保持网络的冲激响应为矩形脉冲,其传递函数,则平顶抽样信号为,相应的频谱表达式,孔径失真：,补偿网络：,19,总结：抽 样,1.,抽样的概念,定义：将时间上连续的模拟信号变为时间上离散样值的过程。,过程：时域（与抽样脉冲序列相乘），频域（卷积）,2.,抽样定理,3.,抽样方式,理想抽样,自然抽样,平顶抽样,20,5.1.3,量化,设模拟信号的抽样值为,m,(,kT,),，其中,T,是抽样周期，,k,是整数。,此抽样值仍然是一个取值连续的变量，有无穷多种取值。,编码时只能用有限种码元来代表抽样值。,若仅用,N,个不同的二进制数字码元来代表此抽样值的大小，则,N,个不同的二进制码元只能代表,M,=2,N,个不同的抽样值。,样值无穷多种,-,编码有限,-,限制样值的取值种类,必须将抽样值的范围划分成,M,个区间，每个区间用一个电平表示。,共有,M,个离散电平，它们称为量化电平。,用这,M,个量化电平表示连续抽样值的方法称为量化。,21,用有限位数字表示抽样值的过程即为量化。,量化器的输入输出关系可表示为：,为量化电平，为分层电平，为量化间隔,。,22,量化特性曲线,图,a,为均匀中升型；,图,b,为,非均匀中升型；,图,c,为均匀中平型；,图,d,为非均匀中平型。,23,量化误差（量化噪声）：量化器输入输出间的误差，记为：,设输入信号的概率密度为 ，则量化噪声的平均功率为：,将上式分段计算，则有：,当 时，有,当概率均匀分布时，最佳量化电平取,因为输入电平位于第,k,层的概率为,将上述关系代入量化噪声平均功率表达式，则有：,24,当 很小时，上式又可表示成：,V,表示量化器的最大电平。当输入大于,V,时，出现过载，这时，量化器保持,V,值，此时出现的噪声叫过载噪声。,25,过载噪声的功率为：,当 分布对称时，有：,量化器总的量化噪声为：,26,5.1.4,非均匀量化,为保证信号的,SNR,要求，又不能使编码位数太多。采用先压缩后扩张的非均匀量化方案，以减少编码位数。,非线性变换，对信号幅度范围进行压缩,27,5.1.6,对数量化及其折线近似,CCITT,建议,对数压缩特性：,A,律；,律,1.,A,律对数压缩特性,(,A,law),设量化器满载电压值为,V,，信号幅度的归一化值为,A,律对数压缩特性,A,为压缩系数，,A=1,时无压缩，,A,愈大压缩效果愈明显；,0=x=1/,A,，,是线性函数，特性曲线是一段直线,1/,A,=x=1,，是对数函数，特性曲线是一段对数曲线,28,对数压缩特性,(,a),A,律,(b),律,0.8,0.6,0.4,0.2,0.8,0.6,0.4,0.2,29,2,.,律对数压缩特性,律对数压缩特性定义为：,=255,，,L=256,时，对小信号,SNR,的改善值为,33.5dB,。,律由美国提出，,A,律由欧洲提出，,我国使用,A,律。,A,律和,律性能比较,30,3.,对数压缩特性的折线近似,CCITT,建议,A,律压缩特性采用,13,折线近似,逼近,A,=87.6,的压缩特性。,律压缩特性采用,15,折线近似。,(1),A,律,13,折线的形成,31,A,律,13,折线：,16,段线段,-13,折线,32,1,、增量调制的概念,在,PCM,系统中，编码针对每个瞬时采样值进行，用一个码字表示采样值。码位越多，码字的表征值越接近真实值，通信质量越高。但是编解码设备越复杂，信号占用频带越宽,。,5.2,增量调制,DM,对当前采样值与预测值的,差值,进行编码的方式称为增量调制,。增量调制对差值进行编码，而且,只对差值的符号进行编码，不对差值的大小进行编码,。差值为正，量化编码的结果为,1,，差值为负，量化编码的结果为,0,。,1,、,0,表示相对于前一时刻的增减。,实际的模拟信号，当前时刻的样值与前面相临的样值存在着关联。且抽样频率远大于抽样定理的要求值时，样值之间的关联程度增强。,33,2,、,DM,的原理,抽样,编码,预测器,-,f(n),为,f(t),的采样值，采样频率要满足奈奎斯特抽样间隔,34,简单,DM,原理与编码过程,35,f(n),可以通过对,f(t),采样得到，下面的关键问题是怎么得到 ，它不是事先确定的，而是随着编码的过程动态产生的。当然，需要根据一定的原则规定一个初始值 以及量化阶距 ，是二者累加的结果,36,从上图可以看出,DM,的过程就是用一个阶梯波,(,黑色,),逼近一个连续波,(,黄色,),的过程,。,37,在接收端，有一个与发送端完全相同的预测器（初始值和量化阶距相同）。,接收端每收到一个“,1”,码，就使输出上升一个 ；,接收端每收到一个“,0”,码，就使输出下降一个 ，,这样就可以恢复阶梯波，再通过滤波器后，进而可以将,f(t),信号还原。,38,3,、,DM,的过载失真,预测器每次只能变化一个 ，当信号变化太快，即信号斜率很大时，预测信号将跟踪不上实际采样信号的变化，二者的差值变大，这时编码的结果将连续地出现“,1”,或者“,0”,。引起解调信号时的严重失真，这就是过载失真。,为,避免信号过载，应满足：,39,4,、,DM,的量化噪声,DM,系统的量化噪声有两种形式,：,一般量化噪声,过载量化噪声,40,PCM,方式的应用情况：,64kbit/s,的,A,律或,u,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。,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,(3.1 kHz),宽很多倍。,采用,PCM,方式的经济性能很难与模拟通信相比。,大容量的长途传输系统,带宽有限的移动通信网,5.3,差值脉冲编码调制（,DPCM,）,41,需要解决的问题：,如何压缩数字化语音占用频带？,也即研究如何在相同质量指标的条件下降低数字化语音的码速率，以提高数字通信系统的频带利用率。,采用波形编码的解决方案：,差值脉码调制（,DPCM,）,对于有些信号（例如图象信号）变化很快，即瞬间斜率比较大，很容易引起过载，因此不能用简单的增量调制。,42,原理分析,DPCM,的原理基于,模拟信号的相关性,。,语音信号的相邻样值,之间存在很强的相关性。,可预测成分：由过去的一些样值加权得到,不可预测成分：预测误差,DPCM,是根据信号样值间的关联性来进行编码的一种方法。,仅对样值和预测值的差值进行量化编码。,差值幅度小于原信号样值幅度，所需编码位数减少，降低码率，压缩带宽。,对比：,PCM,是对波形的每个样值都独立进行量化编码，编码位数较多，比特率较高，数字化信号带宽较大。,43,DPCM,原理框图,44,总结：技术发展的脉络,技术,特点,PAM,时间离散化，幅度连续,PCM,时间，幅度都离散化,对样值进行量化编码（,64Kbps),DPCM,时间，幅度都离散化,固定预测，对差值进行固定量化、编码,ADPCM,时间，幅度都离散化,自适应预测，对差值进行自适应量化、编码,(32kbps),CELP,（码激励线性预测）,IS-95 CDMA,，参量编码，速率更低（小于,14.4kbps,）,AMR,（自适应多速率）,3G,系统，智能分配最佳编码速率,模拟信号 数字信号（波形编码,-,参量编码）,45,5.4,时分复用,（,TDM,）,模拟信号的波形编码,PCM DPCM,M,单路模拟信号的编码，单路编码信号,编码信号的传输,?,单路编码信号的传输,多路编码信号的传输,时分复用信号,频分复用信号,46,47,48,复习,复用的概念,定义：若干路独立的信号在同一信道中传送称为复用,多路信号；复用信号,复用,multiplex,；复接,multiplexing,去复用,demultiplex,；分接,demultiplexing,复用的方式,频分复用,(FDM),时分复用,(TDM),频分复用和去复用的实现,模拟调制器,滤波器,49,时分复用与频分复用的比较,(1),原理,TDM,：时域分割；频域混叠,FDM,：频域分割；时域混叠,(2),形成方法,TDM,：数字电路,FDM,：调制器和滤波器,时分复用的原则,对每一路信号的抽样频率必须满足抽样定理的要求,各路信号占用时隙不重叠,一帧内的路数越多,时隙越窄,50,