《通信原理教程 第5章 数字基带信号及其传输.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《通信原理教程 第5章 数字基带信号及其传输.ppt（87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、第第5章章数字基带信号及其传输数字基带信号及其传输v随随着着数数字字技技术术的的发发展展，数数字字基基带带信信号号应应用用越越来来越越广广泛泛，数数字字基基带带信信号号的的传输也越来越普遍。传输也越来越普遍。v很很多多信信源源都都是是模模拟拟的的，要要使使模模拟拟信信号号在在数数字字信信道道中中传传输输，必必须须先先把把模模拟拟信信号号转转换换为为数数字字信信号号，这这个个过过程程称称为为模模/数数（A/D）转转换换。通通常常人人的的感感官官所所能能感感觉觉到到的的信信息息往往往往是是连连续续变变化化的的，因因此此，在在接接收收端端就就需需要要把把数数字字信信号再转换为模拟信号，这个过程称为数
2、号再转换为模拟信号，这个过程称为数/模（模（D/A）转换。转换。v把把一一个个模模拟拟信信号号转转换换为为数数字字信信号号，首首先先，需需要要将将连连续续变变化化的的模模拟拟信信号号进进行离散化处理，包括时间上的离散化和幅度上的离散化。行离散化处理，包括时间上的离散化和幅度上的离散化。v离散化就是把连续变化的模拟量用有限的数值表示的过程。离散化就是把连续变化的模拟量用有限的数值表示的过程。v本章介绍内容：模拟信号的数字化和数字基带信号传输。本章介绍内容：模拟信号的数字化和数字基带信号传输。第第5章章数字基带信号及其传输数字基带信号及其传输v5.1低通信号的采样低通信号的采样v采采样样定定理理是
3、是模模拟拟信信号号数数字字化化的的理理论论基基础础。它它研研究究的的是是一一个个时时间间连连续续的的模模拟拟信信号号，经经过过采采样样变变成成时时间间离离散散的的序序列列后后，可可由由时时间间离离散散样样值值不不失失真真地地恢恢复复原原来来的的模模拟拟信信号号的的问问题题。传传输输具具有有无无限限信信号号点点值值的的模模拟拟信信号号，可可变变为只传输有限信号点值的离散信号，原来的信号仍能被正确恢复。为只传输有限信号点值的离散信号，原来的信号仍能被正确恢复。v低低通通信信号号的的采采样样定定理理:一一个个最最高高频频率率为为的的低低通通带带限限信信号号，以以采采样样频频率率对其采样，所得的采样信
4、号对其采样，所得的采样信号包含有包含有的全部信息。的全部信息。v均匀采样定理均匀采样定理:采样瞬间是等间隔的。采样瞬间是等间隔的。v-采样频率。采样频率。v-采样间隔或周期。采样间隔或周期。v关系：关系：v最大采样间隔最大采样间隔(奈奎斯特间隔奈奎斯特间隔)：确定低通带限信号的最大时间间隔。确定低通带限信号的最大时间间隔。v最小采样速率最小采样速率(奈奎斯特速率）奈奎斯特速率）：确定低通带限信号的最小采样频率。：确定低通带限信号的最小采样频率。第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输v由低通带限信号的采样定理可知，当被采样信号的最高频率为由低通带限信号的采样定理可知，当被采样信号的最
5、高频率为，则全，则全部信息都包含在采样间隔不大于部信息都包含在采样间隔不大于的均匀采样值里，即在信号最高频的均匀采样值里，即在信号最高频率分量的每一周期内，起码要采样两次。意味着一个连续信号所具有的率分量的每一周期内，起码要采样两次。意味着一个连续信号所具有的无限个点的信号值，可减少为有限个点的信号值序列。无限个点的信号值，可减少为有限个点的信号值序列。v若低通带限信号的最高角频率为若低通带限信号的最高角频率为，则采样频率，则采样频率时才能够保证时才能够保证从采样信号中无失真地恢复出原信号。从采样信号中无失真地恢复出原信号。v如果采样频率如果采样频率，无法保证由采样信号无失真地恢复原信号；如果
6、，无法保证由采样信号无失真地恢复原信号；如果采样频率远大于采样频率远大于，所得到的采样信号将包含大量冗余信息。在实际，所得到的采样信号将包含大量冗余信息。在实际应用中，通常采样频率取为应用中，通常采样频率取为。例，话音信号带宽通常限制在。例，话音信号带宽通常限制在3.3kHz左右，采样频率通常选择为左右，采样频率通常选择为8kHz。第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输v假定假定 ，最高角频率限制到最高角频率限制到 v利用卷积定理利用卷积定理v采样后信号的频谱采样后信号的频谱 把原信号的频谱把原信号的频谱 搬移到搬移到v等等处处，如
7、如果果，各各个个频频谱谱就就不不重重叠叠，可可用用截截止止角角频频率率为为的的理理想想LPF由由的的频频谱谱滤滤出出原原信信号号的的频频谱谱，不不失失真真地地恢恢复复(t)。该该过过程程相相当当于于把把与与LPF 的传输函数相乘。滤波器输出的传输函数相乘。滤波器输出v所以所以第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输vLPF的传输函数的传输函数v由卷积定理由卷积定理v将将代入上式代入上式v表表明明：任任何何一一个个频频带带有有限限的的信信号号，可可以以展展成成以以采采样样函函数数为为基基本本信信号号的的无无穷穷级级数数，级级数数中中各各分分量量的的系系数数就就是是原原信信号号在在相相应
8、应采采样样时时刻刻上上的的采采样样值值。即即任任何一个带限的连续信号可以用其采样值表示。何一个带限的连续信号可以用其采样值表示。第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输v5.2脉冲振幅调制脉冲振幅调制v载波也可以是时间离散的脉冲序列，用载波也可以是时间离散的脉冲序列，用v消息信号改变脉冲的参数实现调制，称消息信号改变脉冲的参数实现调制，称v为为脉冲调制脉冲调制。按调制信号改变脉冲参数。按调制信号改变脉冲参数v（幅度、宽度、时间位置等）的不同，（幅度、宽度、时间位置等）的不同，v分为分为脉冲振幅调制（脉冲振幅调制（PAM）、）、脉冲宽度脉冲宽度v调制（调制（PDM或或PWM）和脉冲和脉
9、冲位置调制位置调制v（PPM）等。等。v特点特点：已已调调信号在信号在时间时间上是离散的，脉上是离散的，脉v冲参数的冲参数的变变化是化是连续连续（模（模拟拟）的，称）的，称为为v脉冲模脉冲模拟调拟调制。制。第第5章章数字基带信号及其传输数字基带信号及其传输vPAM是是其其他他脉脉冲冲调调制制的的基基础础。脉脉冲冲载载波波的的幅幅度度随随消消息息信信号号变变化化。如如果果脉脉冲冲序序列列由由冲冲激激组组成成，是是一一种种理理想想情情况况。通通常常用用有有限限宽宽度度的的窄窄脉脉冲冲完完成成采采样。样。vPAM可由可由 和矩形脉冲序列直接相乘完成，称为和矩形脉冲序列直接相乘完成，称为自然采样自然采
10、样PAM。v已采样信号已采样信号 的频谱的频谱 v-脉冲宽度，脉冲宽度，A-A-幅度，幅度，-脉冲周期，脉冲周期，P P()-)-脉冲频谱。脉冲频谱。v上上式式右右端端表表示示 每每经经 重重复复一一次次，幅幅度度随随 变变化化。只只要要 ，就不会出现频谱重叠。其中，就不会出现频谱重叠。其中 的频谱与的频谱与 相同，幅度为相同，幅度为 。v通过带宽为通过带宽为 的的LPF第第5章章数字基带信号及其传输数字基带信号及其传输v任任意意形形状状脉脉冲冲进进行行采采样样，不不会会影影响响消消息息的的传传输输。PAM信信号号的的频频谱谱是是随随频频率率衰衰减减的的，在在较较高高频频率率上上能能量量可可以
11、以忽忽略略，其其带带宽宽是是有有限限的的。脉脉冲冲愈愈宽宽，频谱衰减愈快，传输带宽也愈小。频谱衰减愈快，传输带宽也愈小。vPAM与连续波调制的调幅调制系统类似。与连续波调制的调幅调制系统类似。v在实用中它是其他脉冲与数字调制采用在实用中它是其他脉冲与数字调制采用v的中间步骤。的中间步骤。vPAM的另一种形式：平顶采样的另一种形式：平顶采样PAM。v平顶采样平顶采样PAM信号的所有脉冲形状都相信号的所有脉冲形状都相v同，其幅度取决于的采样值。同，其幅度取决于的采样值。v5.3脉冲编码调制脉冲编码调制v优优点点：抗抗干干扰扰性性强强，失失真真小小，传传输输性性能能稳稳定定，远远距距离离再再生生中中
12、继继时时可可消消除除噪噪声声累累积积。采采用用有有效效编编码码、纠纠错错编编码码和和保保密密编编码码可可提提高高系系统统的的有有效效性性、可可靠靠性性和和保保密密性性。数数字字信信号号易易于于存存储储，并并能能进进行行时时间间标标度度的的变变换换，所所以以还还可可以以实实现现时时间间与与信信号号功功率率的的互互换换。PCM能能把把各各种种消消息息信信号号（声声音音、图图像像、数数据据等等）都都变变换换成成数数字字信信号号进进行行传传输输，可可以以实实现现传传输输和和交交换换一一体体化化的的综综合合通通信信，还还可可以以实实现现传传输输与与处处理理一一体体化化的的综综合合处处理理，能能较较好好地
13、地适适应应现代通信的要求。现代通信的要求。v缺点：缺点：是传输带宽宽、系统较复杂。是传输带宽宽、系统较复杂。vPCM已成为一种非常重要的通信方式。已成为一种非常重要的通信方式。第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输v1.基本原理基本原理 v是把模拟信号变换为数字信号的一种编码方式。是把模拟信号变换为数字信号的一种编码方式。v首首先先对对连连续续信信号号进进行行采采样样形形成成PAM信信号号。PAM信信号号只只在在时时间间上上是是离离散散的的，它它的的每每个个采采样样还还是是模模拟拟值值。为为了了用用代代码码表表示示，需需要要将将模模
14、拟拟值值变变为为离离散散值值。这种将模拟值变为离散值的过程叫做这种将模拟值变为离散值的过程叫做量化量化。v通通常常采采用用二二进进制制编编码码。单单极极性性编编码码：有有脉脉冲冲代代表表“1”，无无脉脉冲冲代代表表“0”双双极极性性PCM：正正脉脉冲冲代代表表“1”，负负脉脉冲冲代代表表“0”。二二进进制制码码是是一一组组有有限限的的“0”“1”脉脉冲冲组组合合。表表示示一一个个离离散散值值的的所所有有比比特特的的组组合合叫叫做做码码组组。码码组组中中每每一一位位脉脉冲冲叫叫做做1比比特特。一一个个n个个比比特特的的码码组组，所所能能表表示的量化电平数示的量化电平数 v8个量化电平需个量化电平
15、需3位（位（n=3）二进制编码。二进制编码。M个电平，需用个电平，需用n比特编码，使比特编码，使v得得 。二进制。二进制PCM便于处理，抗噪声性能好，是一种常用便于处理，抗噪声性能好，是一种常用PCM形式。形式。第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输v步骤：采样、量化、编码。步骤：采样、量化、编码。v功能：功能：完成模完成模/数转换，实现连续信号数字化。数转换，实现连续信号数字化。v接接收收端端，首首先先从从受受噪噪声声干干扰扰的的波波形形中中检检测测和和再再生生，恢恢复复原原PCM信信号号。然然后后译译码码还还原原为为量量化化采采
16、样样值值。最最后后经经低低通通滤滤波波器器恢恢复复连连续续变变化化的的信信号号，即实现数即实现数/模转换。模转换。v2.量化的概念量化的概念 v量量化化：就就是是把把一一个个在在时时间间上上离离散散、幅幅度度上上连连续续的的样样值值信信号号变变换换成成在在时时间间上上离离散散、幅幅度度上上也也离离散散且且取取值值有有限限的的数数字字信信号号的的过过程程。幅幅度度离离散散化化就是将幅度连续变化的样值转换为幅度不连续的有限取值的样值。就是将幅度连续变化的样值转换为幅度不连续的有限取值的样值。第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输v量量化化（分分层层）过过程程：将将消消息息信信号号样样值
17、值的的变变化化范范围围划划分分成成若若干干“层层”（量量化化电电平平），每每个个样样值值都都采采用用四四舍舍五五入入或或者者舍舍去去的的方方法法归归并并到到某某一一最最接接近近的的数数值值上上去去。例例如如信信号号落落在在07V范范围围内内，若若取取量量化化电电平平间间隔隔为为1V，可可划划分分为为0、1、2、7共共8个个量量化化电电平平，即即M=8。按按照照四四舍舍五五入入的的原原则则，小小于于0.5V量量化化为为0V，0.5V到到1.5V量量化化为为1V，大大于于6.5V量量化化为为7V。前前图图采采样样值值2.2V、4.0V、5.0V、2.8V和和1.8V分分别别转转换换为为量量化化采采
18、样样值值2V、4V、5V、3V和和2V。量量化化电电平平数数目目是是有有限限的的，每每一一个个量量化化电电平平能能够够用用一一定定位位数数的的代代码码表表示示。这这种种把把量量化化后后的的样样值值进进一一步步变变换换为为表表示示量量化化电电平平大大小的代码的操作叫做小的代码的操作叫做编码编码。v几个概念：几个概念：v量量化化范范围围：信信号号采采样样值值的的变变化化范范围围，一一般般用用信信号号幅幅度度的的最最大大值值与与最最小小值的差值来定义。值的差值来定义。v量化值：量化值：模拟信号采样值量化后的数值，为有限个离散电平值。模拟信号采样值量化后的数值，为有限个离散电平值。v量化级：量化级：量
19、化值（量化值（“层层”）的个数，可用）的个数，可用M来表示。来表示。第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输v量化间隔量化间隔(量化阶距量化阶距)：两个相邻量化电平之差，例如用两个相邻量化电平之差，例如用 表示表示。v量化取值方法：量化取值方法：舍去法和四舍五入法。舍去法和四舍五入法。v舍去法舍去法：舍零取整，例如：舍零取整，例如2.8V，舍去舍去0.8，取，取2，误差为，误差为0.8V。v四舍五入法四舍五入法：2.8V取为取为3，误差为，误差为0.2V。v舍舍去去法法的的最最大大量量化化误误差差是是1个个量量化化阶阶距距（1）；四四舍舍五五入入法法的的最最大大量量化化误误差差是是0
20、.5个个量量化化阶阶距距（0.5 ）。舍舍去去法法实实现现容容易易，四四舍舍五五入入法法实实现现复复杂杂。理论分析通常采用四舍五入法，实际实现时采用舍去法。理论分析通常采用四舍五入法，实际实现时采用舍去法。v量化方法量化方法：均匀量化和非均匀量化。：均匀量化和非均匀量化。v 3.均匀均匀量化量化 v量化间隔固定不变，与输入信号的大小无关。量化间隔固定不变，与输入信号的大小无关。v（1）量化误差量化误差第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输v量化阶距：量化阶距：阶梯波形的一个阶梯波形的一个v台阶高度。量化电平对接收台阶高度。量化电平对接收v端是已知的，只要噪声和失端是已知的，只要噪声
21、和失v真不太大，接收端就能够判真不太大，接收端就能够判v别出发送信号的电平，量化别出发送信号的电平，量化v值可以得到恢复，就能消除值可以得到恢复，就能消除v传输中噪声和失真的影响，传输中噪声和失真的影响，v通过再生中继实现远距离传通过再生中继实现远距离传v输，不会使信号进一步恶化。输，不会使信号进一步恶化。v信号量化只能取有限个量化信号量化只能取有限个量化v电平，不可避免要造成误差，电平，不可避免要造成误差，v这种影响在接收端无法消除。这种影响在接收端无法消除。第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输v量量化化造造成成的的误误差差叫叫量量化化误误差差，量量化化误误差差产产生生的的噪噪
22、声声叫叫量量化化噪噪声声。量量化化噪噪声声的的幅幅度度与与量量化化阶阶距距有有关关，量量化化阶阶距距与与量量化化级级成成反反比比关关系系。假假如如信信号号的的动态范围为动态范围为L，量化级数为量化级数为M，量化间隔用量化间隔用表示，它们之间的关系表示，它们之间的关系vv或者或者v均均匀匀量量化化的的量量化化阶阶距距是是一一个个常常数数。量量化化噪噪声声的的最最大大值值是是0.5，减减小小量量化化阶距，可以降低量化噪声阶距，可以降低量化噪声。v例例:信信号号伏伏，采采用用11级级均均匀匀量量化化，求求量量化化阶阶距距和和最最大大量量化误差。化误差。v解：解：信号的动态范围为信号的动态范围为-1，
23、7，得，得 第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输v（2）量化噪声性能）量化噪声性能 v先先量量化化而而后后采采样样与与先先采采样样后后量量化化其其结结果果是是相相同同的的。量量化化信信号号是是信信号号加加误误差之和：差之和：v看作是噪声，最大可能的输出信噪比看作是噪声，最大可能的输出信噪比v假假设设量量化化阶阶距距等等于于，分分布布在在之之间间。如如果果量量化化阶阶距距比比的的动动态态范范围围小小得得多多，可可认认为为量量化化噪噪声声振振幅幅在在（）范范围围内内是是均均匀匀分分布布的的，其概率密度函数其概率密度函数v量化噪声的平均功率量化噪声的平均功率第第5章数字基带信号及其传输
24、章数字基带信号及其传输v例：例：求求 的输出量化信噪比的输出量化信噪比v解：解：若信号峰若信号峰-峰幅值范围（峰幅值范围（）内包含）内包含M个量化级，量化阶距个量化级，量化阶距v若若M 1v于是于是 第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输v信号平均功率信号平均功率v输出量化信噪比输出量化信噪比 v增大增大M可以提高输出量化信噪比。可以提高输出量化信噪比。v对于二进制编码对于二进制编码v用分贝表示用分贝表示v每增加一位码，信噪比可提高每增加一位码，信噪比可提高6dB。第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输v由由时时分分复复用用（TDM）原原理理可可以以证证明明，假假设设信
25、信号号的的最最高高频频谱谱为为 ，脉脉冲冲幅幅度调制度调制传输单路消息所需的最小传输带宽传输单路消息所需的最小传输带宽v脉脉冲冲编编码码调调制制，采采样样信信号号的的一一个个脉脉冲冲转转换换成成n位位脉脉冲冲，这这n位位脉脉冲冲必必须须占占用原来分配给单个脉冲的时间间隔。传输用原来分配给单个脉冲的时间间隔。传输单路单路PCM信号所需带宽信号所需带宽v取等号取等号代入代入v得得第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输v由由上上式式可可见见，信信噪噪比比随随带带宽宽按按指指数数关关系系增增加加。在在角角调调系系统统中中信信噪噪比比的的改改善善与与带带宽宽呈呈平平方方律律关关系系。因因此此
26、编编码码系系统统带带宽宽与与信信噪噪比比互互换换要要比比非非编编码码系系统统有有效效得得多多。根根据据香香农农理理论论，在在理理想想系系统统中中，接接收收端端输输出出信信噪噪比比随随传传输输带带宽宽也也是是按按指指数数关关系系增增加加。编编码码系系统统接接近近于于理理论论上上可可能能达达到到的的最最高高效效率率。PCM中仍存在门限效应，其性能仍未达到香农定理预示的那种程度。中仍存在门限效应，其性能仍未达到香农定理预示的那种程度。v上上述述计计算算假假设设正正弦弦信信号号满满幅幅运运用用，给给出出的的信信噪噪比比相相当当于于最最大大信信噪噪比比。实实际际中中，信信号号并并非非正正弦弦，幅幅度度变
27、变化化也也是是不不均均匀匀。例例如如语语音音信信号号，大大声声讲讲话话和和低低声声讲讲话话电电压压峰峰值值的的比比为为10001。大大多多数数时时间间出出现现的的是是小小幅幅度度信信号号，实际信噪比不是最大信噪比。实际信噪比不是最大信噪比。v例例：正正弦弦信信号号量量化化幅幅度度范范围围为为-V+V，非非满满幅幅（）运运用用，求求输输出出信噪比。信噪比。v解：解：第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输v用分贝表示用分贝表示v电话传输要求信号动态范围大于电话传输要求信号动态范围大于40dB时，信噪比不低于时，信噪比不低于26dB，即即要求要求v编码位数编码位数 ,这样多的编码位数导致
28、设备复杂，传输带宽增加。这样多的编码位数导致设备复杂，传输带宽增加。v4.非均匀非均匀量化量化v均均匀匀量量化化量量化化阶阶距距固固定定，量量化化噪噪声声对对大大小小信信号号的的影影响响不不一一样样。信信号号电电平平越越低低，信信噪噪比比越越小小。例例如如，量量化化阶阶距距为为0.1V时时，最最大大量量化化误误差差为为0.05V。信信号号幅幅度度为为5V时时，误误差差为为1%；0.5V时时，误误差差就就达达10%。为为使使小小信信号号时时信信噪噪比比满满足足要要求求，分分层层数数目目必必须须增增加加，使使编编码码位位数数增增大大。例例如如语语音音信信号号，量量化化噪声的限制需要噪声的限制需要2
29、048个量化级，编码位数个量化级，编码位数n=11才能满足要求。才能满足要求。v为使大、小信号的信噪比接近，又不增加量化级数，要对大、小信号采为使大、小信号的信噪比接近，又不增加量化级数，要对大、小信号采用不同的量化阶距，即让量化阶距随信号电平的大小改变。在低电平时用不同的量化阶距，即让量化阶距随信号电平的大小改变。在低电平时分层细一些，用小的量化阶去近似；对大信号用大的量化阶去近似。这分层细一些，用小的量化阶去近似；对大信号用大的量化阶去近似。这样就使信噪比在大、小信号的整个范围内基本一致。这种采用非均匀分样就使信噪比在大、小信号的整个范围内基本一致。这种采用非均匀分层的方法称为层的方法称为
30、非均匀量化。非均匀量化。v非均匀量化的基本思想非均匀量化的基本思想：量化阶距随输入信号的幅度不同而改变。在信：量化阶距随输入信号的幅度不同而改变。在信号幅度大时，量化阶距大，在信号幅度小时，量化阶距小。在量化级数号幅度大时，量化阶距大，在信号幅度小时，量化阶距小。在量化级数不变的前提下，使得量化信噪比在大小信号时基本一致。保证了小信号不变的前提下，使得量化信噪比在大小信号时基本一致。保证了小信号时的量化噪声性能。时的量化噪声性能。v实现非均匀量化的方法：实现非均匀量化的方法：压缩与扩张技术。压缩与扩张技术。第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输v5.压缩与扩张技术压缩与扩张技术v简
31、称压扩技术。简称压扩技术。PCM采用的主要压扩技术：模拟压扩和数字压扩。采用的主要压扩技术：模拟压扩和数字压扩。v（1）模模拟压扩拟压扩v在在发发送送端端使使信信号号通通过过一一个个具具有有压压缩缩特特性性的的部部件件，然然后后再再进进行行均均匀匀量量化化和和编编码码；在在接接收收端端利利用用扩扩张张器器完完成成相相反反的的操操作作，使使压压缩缩的的波波形形复复原原。压压缩缩和和扩扩张张特特性性相相反反，压压扩扩处处理理不不会会引引起起信信号号失失真真。压压缩缩器器和和扩扩张张器器合合在在一一起称为起称为压扩器压扩器。v 压缩压缩 扩张扩张 第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输第
32、第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输v压缩后的采样信号压缩后的采样信号v均匀量化，相当于均匀量化，相当于v对原采样信号的非对原采样信号的非v均匀量化。收端解均匀量化。收端解v码扩张恢复原信号。码扩张恢复原信号。v压缩器特点：压缩器特点：对对v大信号压缩，对大信号压缩，对v小信号扩张。小信号扩张。v采用压扩技术，采用压扩技术，7v位码能把低电平量位码能把低电平量v化噪声控制在化噪声控制在11位位v码水平。码水平。第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输v目目前前，通通用用压压缩缩特特性性：律律和和A律律。北北美美和和日日本本采采用用 律律；欧欧洲洲和和中中国国采采用用A律律
33、。国国际际电电信信联联盟盟ITU-T给给出出了了这这两两种种压压缩缩特特性性的的标标准准，规规定定国国际际间间通信采用通信采用A律特性。律特性。v1)1)律律vx和和y分分别别是是归归一一化化压压缩缩器器输输入入和和输输出出电电压压。假假设设输输入入和和输输出出信信号号的的最最大大取取值值范范围围均均为为-V至至+V，则则归归一一化化后后，它它们们的的最最大大值值为为1。为为压压缩缩参参数数，表表示示压压缩缩程程度度。越越大大，压压缩缩效效果果越越明明显显。时时，压压缩缩特特性性是是一一条条直直线线，对对应应于于均均匀匀量量化化。国国际际上上取取 。小小输输入入电电平平时时，即即 ，的的特特性
34、性近近似似于于线线性性。大大输输入入电电平平时时，即即，的的特性近似为对数关系。特性近似为对数关系。第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输v2）A 律律 vx和和y分分别别是是归归一一化化压压缩缩器器输输入入和和输输出出电电压压。A为为压压缩缩参参数数，表表示示压压缩缩程程度度，A越越大大，压压缩缩程程度度越越高高。A=1压压缩缩特特性性是是一一条条直直线线，对对应应于于均均匀匀量量化化。A律律特特性性曲曲线线由由两两段段组组成成，在在01/A范范围围内内是是一一段段直直线线，在在1/A1范范围围内内是是一一段段曲曲线线。在在x1/A的的小小信信号号区区域域，A愈愈大大，曲曲线线斜
35、斜率率愈愈大大。在在x1/A的的大信号区域，大信号区域，A愈大，曲线斜率愈小。通常取愈大，曲线斜率愈小。通常取 。v(2)数字压扩数字压扩 v压压扩扩特特性性要要求求扩扩张张特特性性与与压压缩缩特特性性严严格格互互逆逆，用用模模拟拟器器件件实实现现压压扩扩特特性性是是困难的，目前很少采用模拟器件实现压扩。困难的，目前很少采用模拟器件实现压扩。第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输v利利用用数数字字电电路路形形成成许许多多折折线线来来近近似似非非线线性性压压缩缩曲曲线线。实实际际中中广广泛泛应应用用的的是是13折折线线A律律（A=87.6）压压缩缩特特性性和和15折折线线 律律(=2
36、55)压压缩缩特特性性。15折折线线 律律主主要要用用于于美美国国、加加拿拿大大和和日日本本等等国国的的PCM24路路基基群群中中。PCM24路路基基群群由由24条条时时分分复复用用信信道道组组成成，信信号号以以8000Hz的的速速率率进进行行采采样样，每每样样值值 量量 化化 后后 用用 8bit编编 码码。另另 外外 每每 帧帧 加加 1bit的的 同同 步步 信信 息息，总总 速速 率率 为为8000（248+1）=1.544Mb/s，称其为称其为T-1信道。信道。v13折折线线律律主主要要用用于于欧欧洲洲的的PCM30/32路路基基群群中中。我我国国的的PCM30/32路路基基群群也也
37、采采用用A律律13折折线线压压缩缩特特性性。PCM30/32路路基基群群由由32条条时时分分复复用用信信道道组组成成，30条条传传输输数数据据另另外外两两条条传传输输控控制制信信号号和和信信令令，每每条条信信道道的的速速率率都都是是64kb/s，总速率为总速率为3264kb/s=2.048Mb/s，称其为称其为E-1信道。信道。vx和和y分别分别表示归一化输入和表示归一化输入和v输出信号幅度。在第一象限，输出信号幅度。在第一象限，vx轴在区间（轴在区间（0，1）不均匀分）不均匀分v为为8段，自右向左每次取段，自右向左每次取1/2。v然后，每段再均匀分为然后，每段再均匀分为16等等v份，每一等份
38、为一量化分层，份，每一等份为一量化分层，v共共128个量化分层。个量化分层。y轴在区轴在区v间（间（0，1）也分为）也分为8段，每段段，每段v是均匀的。每段再等分为是均匀的。每段再等分为16v份。份。y轴也是轴也是128个量化层，个量化层，v它们是均匀的。它们是均匀的。第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输v将将x轴轴和和y轴轴相相应应段段的的交交点点连连接接起起来来，得得8个个折折线线段段。第第1、2段段折折线线斜斜率率相相等等，可可连连成成一一条条直直线线。实实际际得得到到7段段不不同同斜斜率率的的折折线线。原原点点上上下下各各有有7段段折折线线，负负方方向向的的1、2段段与与
39、正正方方向向的的1、2段段斜斜率率相相同同，可可连连在在一一起起作作为为一一段，共段，共13段折线。段折线。A=87.6。v6.编码编码v采用二进制。采用二进制。v（1）码位选择与安排码位选择与安排 vA律律13折线可用折线可用8位编码表示，这是一种非线性编码，位编码表示，这是一种非线性编码，8位码安排如下：位码安排如下：v一一位位码码表表示示信信号号极极性性，叫叫做做极极性性码码，“1”表表示示正正极极性性，“0”表表示示负负极性。极性。第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输1序号序号012345678x01/1281/641/321/161/81/41/21y01/82/83/
40、84/85/86/87/81第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输v8大大段段的的长长度度不不等等。第第1段段和和第第2段段归归一一化化长长度度为为1/128；第第8段段归归一一化化长长度度为为1/2。用用3位位码码表表示示信信号号样样值值属属于于哪哪一一段段，叫叫段段落落码码。每每一一段段起起始始电电平不同，这平不同，这3位段落码既表示不同的段，也表示各段起点电平位段落码既表示不同的段，也表示各段起点电平。v每每一一小小段段的的量量化化值值不不同同。第第1段段和和第第2段段每每一一量量化化单单位位为为1/1281/16=1/2048；第第8段段为为1/21/16=1/32；以以1
41、/2048作作为为一一个个最最小小量量化化单单位位，用用表表示示。18段段落落内内的的每每一一小小段段依依次次应应为为1、1、2、4、8、16、32、64。v每条折线段分为每条折线段分为16小段，要用小段，要用4位码表示所在小段，叫位码表示所在小段，叫段内码。段内码。段段落落12345678各段长度各段长度161632641282565121024各段量化级各段量化级248163264斜率斜率161684211/21/4v8位码安排如下位码安排如下：v极性码极性码段落码段落码段内码段内码vb7b6b5b4b3b2b1b0v8位位码码描描述述的的信信号号动动态态范范围围为为-2048+2048，
42、与与12位位线线性性码码的的动动态态范范围相同。围相同。v例例：PCM非线性编码的非线性编码的8位码为位码为11110011，求对应的量化电平。，求对应的量化电平。v解解：b7=1，正正极极性性，段段落落码码：111，在在第第8段段。段段落落起起点点电电平平1024。段内码段内码0011，段内电平，段内电平128+64=192，量化电平为量化电平为1024+192=1216。v例：例：某信号量化电平为某信号量化电平为843，进行，进行PCM非线性编码，求编码码组。非线性编码，求编码码组。v解：解：量化电平量化电平843为正，极性码为正，极性码b7=1，5128431024，v该该量量化化电电平
43、平位位于于第第7段段，段段落落码码b6b5b4=110。843512331，v256331，所以所以b3=1。33125675，6475128，第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输段段号号段段b6落落b5码码b4段落段落起点电起点电平（平（）段内码对应电平段内码对应电平（）段落段落长度长度b3b2b1b0（）10000842116200116842116301032168423240116432168464510012864321681286101256128643216256711051225612864325128111102
44、4512256128641024v所以所以b2=0，b1=1，b0=0。v编码：编码：11101010。v译码量化电平为译码量化电平为512+256+64832。v译码误差译码误差84383211。v（2）常用编码常用编码 v自然二进制码；格雷二进制码自然二进制码；格雷二进制码(反射码或循环码）；折叠二进制码。反射码或循环码）；折叠二进制码。v自然二进制码自然二进制码v优点：优点：编码操作简便，译码可逐比特独立进行。从最低权位到最高权位编码操作简便，译码可逐比特独立进行。从最低权位到最高权位依次以依次以2倍加权，就可变换为十进制数。倍加权，就可变换为十进制数。v缺点：缺点：相邻电平码组间汉明距
45、离有大于相邻电平码组间汉明距离有大于1情况。译码可能产生较大误差。情况。译码可能产生较大误差。v格雷二进制码格雷二进制码v优点：优点：相邻量化电平码组间码距始终保持为相邻量化电平码组间码距始终保持为1（称为单位距离码）。译（称为单位距离码）。译第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输电平极性电平极性量化电平量化电平量化级量化级自然二进制码自然二进制码格雷二进制码格雷二进制码折叠二进制码折叠二进制码正极性正极性+7.5+6.5+5.5+4.5+3.5+2.5+1.5+0.515141312111098111111101101110010
46、111010100110001000100110111010111011111101110011111110110111001011101010011000负极性负极性-0.5-1.5-2.5-3.5-4.5-5.5-6.5-7.576543210011101100101010000110010000100000100010101110110001000110001000000000001001000110100010101100111v码时产生一位错误，变成相邻码组，误差较小。码时产生一位错误，变成相邻码组，误差较小。v缺缺点点：格格雷雷二二进进制制码码不不是是“可可加加的的”，译译码码时时
47、不不能能逐逐比比特特独独立立进进行行。需需要转换为自然二进码后再译码。要转换为自然二进码后再译码。v折叠二进制码折叠二进制码v是是从从自自然然二二进进制制码码演演变变而而来来的的，最最高高位位为为符符号号位位，“1”表表示示正正极极性性，“0”表表示示负负极极性性，其其他他位位表表示示量量化化电电平平绝绝对对值值的的大大小小。折折叠叠二二进进制制码码的的上上下下两两部部分分是是对对称称的的，适适合合于于表表示示双双极极性性的的信信号号，传传输输过过程程中中出出现现误误码码对小信号的影响较小。对小信号的影响较小。v（3 3）三种编码比较）三种编码比较 v都用最高位都用最高位 “1 1”表示正极性
48、，表示正极性，“0 0”表示负极性。表示负极性。v折叠二进制码和格雷二进制码，除最高位外，其余码上下对称。折叠二进制码和格雷二进制码，除最高位外，其余码上下对称。v折叠二进制码除最高位，取绝对值后可看作是自然二进制码。折叠二进制码除最高位，取绝对值后可看作是自然二进制码。第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输第第5章数字基带信号及其传输章数字基带信号及其传输v格格雷雷二二进进制制码码与与量量化化电电平平之之间间没没有有直直接接联联系系，不不像像自自然然二二进进制制码码和和折折叠二进制码那样有规律。格雷二进制码误码引起的误差小，但编码复杂。叠二进制码那样有规律。格雷二进制码误码引起的
49、误差小，但编码复杂。v 对对于于双双极极性性信信号号，如如果果正正负负极极性性大大小小相相等等，折折叠叠二二进进制制码码和和格格雷雷码码能能简化编码过程，提高编码效率。简化编码过程，提高编码效率。v折折叠叠二二进进制制码码误误码码，对对小小信信号号影影响响小小，对对大大信信号号影影响响大大。自自然然二二进进制制码码的的误误差差为为7个个量量化化级级，折折叠叠二二进进制制码码的的误误差差为为15个个量量化化级级。如如果果小小信信号号发发生生误误码码，例例如如1000误误码码为为0000，折折叠叠码码误误差差仅仅为为1个个量量化化级级，自自然然二二进进码码误误差差为为7个个量量化化级级。折折叠叠二
50、二进进码码的的这这一一优优点点对对语语音音信信号号是是有有利利的的，语语音音信信号号小小幅幅度度出出现现概概率率比比大大幅幅度度大大。目目前前，A律律13折折线线PCM30/32路路设设备备采采用折叠二进码编码。用折叠二进码编码。v目前自然二进制码和折叠二进制码最常用，格雷二进制码用得相对少。目前自然二进制码和折叠二进制码最常用，格雷二进制码用得相对少。v单单片片PCM编编译译码码器器已已经经商商品品化化，可可在在一一块块芯芯片片上上实实现现采采样样、量量化化、压压扩扩到编码的所有过程。到编码的所有过程。v5.4增量调制增量调制vPCM码组位数取决于量化级数。量化级码组位数取决于量化级数。量化