《模拟信号的数字化精选PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟信号的数字化精选PPT.ppt（80页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、关于模拟信号的数字化第1页，讲稿共80张，创作于星期二2第四章第四章 模拟信号的数字化模拟信号的数字化l引言引言l模拟信号的抽样模拟信号的抽样l抽样信号的量化抽样信号的量化l脉冲编码调制脉冲编码调制(PCM)l差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制(DPCM)l增量调制增量调制(M）第2页，讲稿共80张，创作于星期二P 33基本要求n掌握低通及基带信号和带通信号的抽样n掌握均匀量化、最佳量化的原理及分析方法n掌握对数压扩的原理、A律十三折线编码n掌握TDM的原理n了解DPCM及增量调制的原理第3页，讲稿共80张，创作于星期二P 44引言第4页，讲稿共80张，创作于星期二P 55n 信源编码的主要目的
2、：模信源编码的主要目的：模/数变换；数变换；提高信息传输的有效性；提高信息传输的有效性；n 信源编码的基本思想：通过某种数据压缩算法减少码元数目，降低码元速率和信息速率，从信源编码的基本思想：通过某种数据压缩算法减少码元数目，降低码元速率和信息速率，从而减少消息冗余度，提高系统的传输速率；而减少消息冗余度，提高系统的传输速率；n 信源编码的主要类别：信源编码的主要类别：(1)(1)无失真的信源编码：编码和译码是可逆的，译码后可无失真地恢复原来的信息；无失真的信源编码：编码和译码是可逆的，译码后可无失真地恢复原来的信息；(2)(2)限失真的信源编码：研究如何在满足失真不大于某一值的条件下，任何获
3、得最有效的传输效率；限失真的信源编码：研究如何在满足失真不大于某一值的条件下，任何获得最有效的传输效率；应用限失真信源编码的物理基础：人的视觉、听觉的分辨率均有极限，超过某一应用限失真信源编码的物理基础：人的视觉、听觉的分辨率均有极限，超过某一门限人无法分辨其差异：门限人无法分辨其差异：语音编码技术：波形编码（语音编码技术：波形编码（1664kbit/s1664kbit/s）、参量编码（）、参量编码（16kbit/s16kbit/s以下）以下）引言第5页，讲稿共80张，创作于星期二6l模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输n把模拟信号数字化后，用数字通信方式传输l 三个基本步骤：三个基本步骤：n
4、抽样：时间离散化n量化：取值离散化n编码：将离散化的数值编为0,1码组引言第6页，讲稿共80张，创作于星期二7引言l例：对连续语音信号数字化，取例：对连续语音信号数字化，取238电平量化：电平量化：0,1,7第7页，讲稿共80张，创作于星期二8模拟信号的抽样模拟信号的抽样l低通模拟信号的抽样低通模拟信号的抽样l带通模拟信号的抽样带通模拟信号的抽样l模拟脉冲调制模拟脉冲调制第8页，讲稿共80张，创作于星期二9 n通常是在等间隔通常是在等间隔T上抽样上抽样n理论上，抽样过程理论上，抽样过程 周期性单位冲激脉冲周期性单位冲激脉冲 模模拟信号信号n实际上，上，抽样过程抽样过程 周期性单位窄脉冲周期性单
5、位窄脉冲 模模拟信号信号低通模拟信号的抽样第9页，讲稿共80张，创作于星期二10l均匀抽样定理均匀抽样定理n一个频带限制在(0,fH)内的时间连续信号m(t)，如果以 T 1/2fH 秒的间隔对它进行等间隔抽样(即在信号最高频率分量的每一个周期内至少抽样两次)，则m(t)将被所得到的抽样值完全确定。T低通模拟信号的抽样第10页，讲稿共80张，创作于星期二11n抽抽样定理的定理的证明：明：设：m(t)最高最高频率小于率小于fH的信号，的信号，T(t)周期性周期性单位冲激脉冲，其重复周期位冲激脉冲，其重复周期为T，重复重复频率率为fs=1/T 则抽抽样信号信号为：低通模拟信号的抽样第11页，讲稿共
6、80张，创作于星期二12均匀抽样定理T第12页，讲稿共80张，创作于星期二13均匀抽样定理 原始信号的恢复T=1/2fH第13页，讲稿共80张，创作于星期二14 n由抽样信号恢复原信号的方法由抽样信号恢复原信号的方法：u从频域看：当从频域看：当fs 2fH时，用一个截止频率为时，用一个截止频率为fH的理想低通的理想低通滤波器就能够从抽样信号中分离出原信号。滤波器就能够从抽样信号中分离出原信号。u从时域中看，当用抽样脉冲序列冲激此理想低通滤波器时，从时域中看，当用抽样脉冲序列冲激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，如图所示。这些滤波器的输出就是一系列冲激响应之和，如图所示。这
7、些冲激响应之和就构成了原信号。冲激响应之和就构成了原信号。u理想滤波器是不能实现的。实用滤波器的截止边缘不可能理想滤波器是不能实现的。实用滤波器的截止边缘不可能做到如此陡峭。所以，实用的抽样频率做到如此陡峭。所以，实用的抽样频率fs 必须比必须比 2fH 大较多。大较多。u例如，典型电话信号的最高频率限制在例如，典型电话信号的最高频率限制在3400 Hz，而抽样，而抽样频率采用频率采用8000 Hz。第14页，讲稿共80张，创作于星期二15小 结抽抽样理想低通理想低通滤波器：波器：恢复恢复抽样数据信号由无穷多个冲激函数加权组合而成由无穷多个内插函数加权组合而成第15页，讲稿共80张，创作于星期
8、二16带通型连续信号的抽样速率l带通型信号带通型信号(频带受限于频带受限于(fL,fH)，B=fH fL)n fH=nB,n为整数fs=2nBfs=2B第16页，讲稿共80张，创作于星期二17带通型连续信号的抽样速率n fH=nB+kB,0 k 1,n为小于 fH/B 的最大整数 fs=2B+2(fH-nB)/nfs=2B第17页，讲稿共80张，创作于星期二18带通型连续信号的抽样速率 fs=2B+2(fH-nB)/n带宽为带宽为B的高频窄带信号，其抽样频率近似等于的高频窄带信号，其抽样频率近似等于2B。n若 fH=nB+kB,0 k 23*64+20*64 23*64+21*64 c5c6c
9、7c8=1001l输出：输出：011010011024+9*64+64/2=1632l量化电平：量化电平：7 76 65 54 43 32 21 10 0段落段落段落段落起始起始起始起始电电平平平平 段落段落段落段落码码 0 0 1 1 1 1 0 1 00 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 00 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0段内量段内量段内量段内量化化化化间间隔隔隔隔第58页，讲稿共80张，创作于星期二59编码实例编码实例(续续)-1632-(-1638.4)=6.4个量化单位个量化单位l量化误差：量化误差：=0
10、.009375V即即l13位线性码：位线性码：线性码：线性码：0 0110 0110 00001632=1024+512+64+32=210+29+26+25l作业：作业：7.12,7.13第59页，讲稿共80张，创作于星期二60差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制lDPCM的原理的原理lDPCM系统的量化噪声和信号量噪比系统的量化噪声和信号量噪比第60页，讲稿共80张，创作于星期二61 n线性预测基本原理线性预测基本原理u利用前面的几个抽样值的线性组合来预测当前的抽利用前面的几个抽样值的线性组合来预测当前的抽样值，称为线性预测。样值，称为线性预测。u当前抽样值和预测值之差，称为预测误差。当前抽样
11、值和预测值之差，称为预测误差。u 由于相邻抽样值之间的相关性，预测值和抽样值很由于相邻抽样值之间的相关性，预测值和抽样值很接近，即误差的取值范围较小。接近，即误差的取值范围较小。u对较小的误差值编码，可以降低比特率。对较小的误差值编码，可以降低比特率。DPCM的原理的原理第61页，讲稿共80张，创作于星期二62线性预测编解码器原理方框图：线性预测编解码器原理方框图：n编码器：见右图编码器：见右图s(t)输入信号；输入信号；sk s(kT)s(t)的抽样值；的抽样值；s k 预测值；预测值；ek 预测误差；预测误差；rk 量化预测误差；量化预测误差；s*k 预测器输入预测器输入；s*k 的含义：
12、当无量化误差时的含义：当无量化误差时,ek=rk，则由图可见：则由图可见：故故s*k是带有量化误差的是带有量化误差的sk。预测器的输入输出关系：预测器的输入输出关系：式中，式中，p是预测阶数，是预测阶数，ai是预测系数是预测系数。相加器相加器DPCM的原理的原理第62页，讲稿共80张，创作于星期二63p解码器：解码器：编编码码器器中中预预测测器器和和相相加加器器的的连连接接电电路路和和解解码码器器中中的的完完全全一一样样。故故当当无无传传输输误误码码时时，即即当当编编码码器器的的输输出出就就是是解解码码器器的的输输入入时时，这这两两个个相相加加器器的的输输入入信信号号相相同同，即即rk=r k
13、。所所以以，此此时时解解码码器器的的输输出出信信号号sk*和和编编码码器器中中相相加加器器输输出出信信号号sk*相相同同，即等于带有量化误差的信号抽样值即等于带有量化误差的信号抽样值sk。nDPCM基本原理：基本原理：当当 p=1，a1=1时，时，s k=s*k-1，预测器简化成延迟电路，延迟，预测器简化成延迟电路，延迟时间为时间为T。这时，线性预测就成为。这时，线性预测就成为DPCM。rks*kDPCM的原理的原理第63页，讲稿共80张，创作于星期二 n量化噪声：量化噪声：即量化误差即量化误差qk，其定义为其定义为 式中，式中，sk 编码器输入模拟信号抽样值；编码器输入模拟信号抽样值；sk*
14、量化后带有量化误差的抽样值。量化后带有量化误差的抽样值。设：设：(+,-)预测误差预测误差ek的范围；的范围；M 量化器的量化电平数；量化器的量化电平数；v 量化间隔；量化间隔；则有则有设：量化误差设：量化误差qk在在(-v,+v)间均匀分布间均匀分布 则则qk的概率分布密度的概率分布密度f(qk)可以表示为：可以表示为：DPCM系统的量化噪声和信号量噪比系统的量化噪声和信号量噪比第64页，讲稿共80张，创作于星期二65并且，并且，qk的平均功率可以表示成：的平均功率可以表示成：设：设：fs 抽样频率，抽样频率，N=log2 M 每个抽样值编码的码元数，每个抽样值编码的码元数，Nfs DPCM
15、编码器输出的码元速率，编码器输出的码元速率，E(qk2)在在(0,Nfs)间均匀分布，间均匀分布，则则E(qk2)的功率谱密度为：的功率谱密度为：此量化噪声通过截止频率为此量化噪声通过截止频率为fL的低通滤波器之后，其功率等于：的低通滤波器之后，其功率等于：DPCM系统输出的量化噪声系统输出的量化噪声DPCM系统的量化噪声和信号量噪比系统的量化噪声和信号量噪比第65页，讲稿共80张，创作于星期二66n信号功率：信号功率：u当预测误差当预测误差ek的范围限制在的范围限制在(+,-)时，同时也限制了信号的变化速度。时，同时也限制了信号的变化速度。这就是说，在相邻抽样点之间，信号抽样值的增减不能超过
16、此范围。一旦这就是说，在相邻抽样点之间，信号抽样值的增减不能超过此范围。一旦超过此范围，编码器将发生过载。若抽样点间隔为超过此范围，编码器将发生过载。若抽样点间隔为T 1/fs，则将限制信，则将限制信号的斜率不能超过号的斜率不能超过 /T。u设：输入信号是一个正弦波：设：输入信号是一个正弦波：式中，式中，A 振幅；振幅；0 角频率角频率其斜率为其斜率为 最大斜率等于最大斜率等于 A 0 为了不发生过载，信号的最大斜率不应超过为了不发生过载，信号的最大斜率不应超过/T，即要求，即要求 故最大允许信号振幅为：故最大允许信号振幅为：最大允许信号功率为：最大允许信号功率为：DPCM系统的量化噪声和信号
17、量噪比系统的量化噪声和信号量噪比第66页，讲稿共80张，创作于星期二67将将代入代入得到得到n信号量噪比：信号量噪比：上式表明，上式表明，信号量噪比随编码位数信号量噪比随编码位数N和抽样频率和抽样频率fs的增大而增加的增大而增加。DPCM系统的量化噪声和信号量噪比系统的量化噪声和信号量噪比第67页，讲稿共80张，创作于星期二68增量调制增量调制l增量调制原理增量调制原理l增量调制系统中的量化噪声增量调制系统中的量化噪声第68页，讲稿共80张，创作于星期二69 n增量调制：增量调制：当当DPCM系统中量化器的量化电平数取为系统中量化器的量化电平数取为2，且，且预测器仍是一个延迟时间为预测器仍是一
18、个延迟时间为T 的延迟线时，的延迟线时，此此DPCM系统就称作增量调制系统。系统就称作增量调制系统。增量调制原理增量调制原理第69页，讲稿共80张，创作于星期二70原理方框图原理方框图u预测误差预测误差ek=sk sk被量化成两个电平被量化成两个电平+和和 。u 值称为量化台阶。值称为量化台阶。urk只取两个值只取两个值+或或 。u例如，可以用例如，可以用“1”表示表示“+”，及用，及用“0”表示表示“”。u当无传输误码时，当无传输误码时，sk*=sk*。sk*抽抽 样样二电平量化二电平量化s(t)skekrksk延延 迟迟rksk*(a)编码器编码器 (b)解码器解码器延延 迟迟增量调制原理
19、增量调制原理第70页，讲稿共80张，创作于星期二71n在实用中，为了简单起见，通常用一个积分器来代替上述在实用中，为了简单起见，通常用一个积分器来代替上述“延迟延迟相加电路相加电路”，如下图所示。，如下图所示。(a)编码器编码器(b)解码器解码器积分器积分器抽样抽样 判判决决s(t)e(t)d(t)s(t)积积 分分d(t)低通低通 T(t)s(t)增量调制原理增量调制原理第71页，讲稿共80张，创作于星期二72n解码原理：解码原理：在解码器中，积分器只要每收到一个在解码器中，积分器只要每收到一个“1”码元就使其输出升高码元就使其输出升高 V，每收到一个，每收到一个“0”码元码元就使其输出降低
20、就使其输出降低 V，这样就，这样就可以恢复出图中的阶梯形电压可以恢复出图中的阶梯形电压。这个阶梯电压通过低通滤波。这个阶梯电压通过低通滤波器平滑后，就得到十分接近编器平滑后，就得到十分接近编码器原输入的模码器原输入的模拟信号。拟信号。增量调制原理增量调制原理第72页，讲稿共80张，创作于星期二73 n量化噪声的产生量化噪声的产生u两种产生原因：两种产生原因：1.由于编解码时用的阶梯波形本身的电压由于编解码时用的阶梯波形本身的电压突跳产生的，见图突跳产生的，见图(a)。这是基本量化噪声，称为。这是基本量化噪声，称为e1(t)。它。它伴随着信号永远存在，即只要有信号，就有这种噪声。伴随着信号永远存
21、在，即只要有信号，就有这种噪声。2.过载量化噪声，见图过载量化噪声，见图(b)。它发生在输入。它发生在输入信号斜率的绝对值过大时。若信号上升的斜率超过阶梯波信号斜率的绝对值过大时。若信号上升的斜率超过阶梯波的最大可能斜率，则阶梯波的上升赶不上信号的上升，就的最大可能斜率，则阶梯波的上升赶不上信号的上升，就发生了过载量化噪声发生了过载量化噪声e2(t)。u图中示出的这两种量化噪声是经过低通滤波器前的波形。图中示出的这两种量化噪声是经过低通滤波器前的波形。(a)基本量化噪声基本量化噪声(b)过载量化噪声过载量化噪声增量调制系统中的量化噪声增量调制系统中的量化噪声第73页，讲稿共80张，创作于星期二
22、74n降低量化噪声的途径降低量化噪声的途径u基本量化噪声：减小量化台阶基本量化噪声：减小量化台阶。u过载量化噪声：过载量化噪声：设抽样周期为设抽样周期为T，抽样频率为，抽样频率为fs=1/T，量化台阶为，量化台阶为，则一个阶梯台阶的斜率，则一个阶梯台阶的斜率k为：为：最大跟踪斜率最大跟踪斜率当输入信号斜率当输入信号斜率 最大跟踪斜率时，将发生过载量化噪声。最大跟踪斜率时，将发生过载量化噪声。u避免发生过载量化噪声的途径：使避免发生过载量化噪声的途径：使 fs的乘积足够大。的乘积足够大。u因因若取若取 值太大，将增大基本量化噪声。所以，只能用增大值太大，将增大基本量化噪声。所以，只能用增大 fs
23、 的办法增大乘积的办法增大乘积 fs，才能保证基本量化噪声和过载量化噪声两者都不超过要求。，才能保证基本量化噪声和过载量化噪声两者都不超过要求。u实际中增量调制采用的抽样频率实际中增量调制采用的抽样频率fs值比值比PCM和和DPCM的抽样频率值都大很多。的抽样频率值都大很多。u当输入电压当输入电压 /2 时，输出出为“1”和和“0”交替序列。交替序列。u起始起始编码电平：平：/2 增量调制系统中的量化噪声增量调制系统中的量化噪声第74页，讲稿共80张，创作于星期二n量化噪声功率量化噪声功率假设：无过载量化噪声，仅考虑基本量化噪声。假设：无过载量化噪声，仅考虑基本量化噪声。低通滤波前，基本量化噪
24、声低通滤波前，基本量化噪声e(t)为均匀分布：为均匀分布：则则e(t)的平均功率为：的平均功率为：假设此功率均匀分布在假设此功率均匀分布在0fs 间，则其功率谱密度为：间，则其功率谱密度为：故通过截止频率为故通过截止频率为fL的低通滤波器之后，量化噪声功率为的低通滤波器之后，量化噪声功率为 由上式看出，它由上式看出，它只和量化台阶只和量化台阶 与与(fL/fs)有关，和输入有关，和输入信号大小无关。信号大小无关。增量调制系统中的量化噪声增量调制系统中的量化噪声第75页，讲稿共80张，创作于星期二76n量化信噪比量化信噪比u求信号功率：设输入信号为：求信号功率：设输入信号为：则其斜率为：则其斜率
25、为：斜率最大值等于斜率最大值等于A 0为了保证不发生过载，要求为了保证不发生过载，要求：保证不过载的临界振幅保证不过载的临界振幅Amax应该等于：应该等于：由上式得最大信号功率由上式得最大信号功率：u求出量化信噪比：求出量化信噪比：u上式表明，最大量化信噪比和上式表明，最大量化信噪比和 fs3成正比，而和成正比，而和f02成反比。成反比。所以，提高抽样频率所以，提高抽样频率 fs 将能显著增大量化信噪比。将能显著增大量化信噪比。增量调制系统中的量化噪声增量调制系统中的量化噪声第76页，讲稿共80张，创作于星期二77 n冲激信号及其取样特性t(1)0定定义：第77页，讲稿共80张，创作于星期二78 n冲激函数序列的傅氏变换.0Tt第78页，讲稿共80张，创作于星期二790返回返回第79页，讲稿共80张，创作于星期二感谢大家观看第80页，讲稿共80张，创作于星期二