通信系统原理第5章.pptx

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1、基于微机的数据采集系统基于微机的数据采集系统5.1引言引言第1页/共158页在数字通信系统中信道传输的是数字信号。但自然在数字通信系统中信道传输的是数字信号。但自然界中，有些信源是以模拟形式出现的，如话音、图界中，有些信源是以模拟形式出现的，如话音、图像等。因此在进行数字通信时往往需先对信号（模像等。因此在进行数字通信时往往需先对信号（模拟的）数字化。拟的）数字化。n本章重点讨论模拟信号数字化的基本方法。主要本章重点讨论模拟信号数字化的基本方法。主要有有PCM、M和和ADPCM。第2页/共158页模拟信号的数字传输系统模拟信号的数字传输系统模拟信号源信宿数字通信系统m(t)模拟随机信号sk数字

2、随机序列mk(t)skA/DD/A第3页/共158页模拟信号数字化的过程一般分三步模拟信号数字化的过程一般分三步 抽样抽样：指抽取样值，抽样的：指抽取样值，抽样的多少以及快慢多少以及快慢对通信的对通信的性能指标性能指标有决定性的影响。在通信中抽样点太少容易失真，太多时数据有决定性的影响。在通信中抽样点太少容易失真，太多时数据量大，传输时间长，效率低。（带宽大，因量大，传输时间长，效率低。（带宽大，因Rb大）。大）。抽样类似物理实验中实验曲线的描绘。抽样类似物理实验中实验曲线的描绘。量化：量化：抽样值可以取无穷个，但量化电平值有限。抽样值可以取无穷个，但量化电平值有限。编码：编码：将抽样值利用将

3、抽样值利用N个二进制信号个二进制信号表示表示第4页/共158页第5页/共158页第第5章章模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输5.1 引言5.2 5.2 模拟信号的抽样模拟信号的抽样5.3 实际抽样5.4 脉冲调制5.5 模拟信号的量化5.6 脉冲编码调制5.7 差分脉冲编码调制（DPCM）与自适应差分脉冲 调制（ADPCM）5.8 增量调制（DM）5.9 时分多路复用和多路数字电话系统 第6页/共158页5.2模拟信号的抽样模拟信号的抽样5.2.1 5.2.1 低通抽样定理低通抽样定理1、定理描述、定理描述频率受限于（0，）的时间连续信号m(t),若抽样频率 不小于2 ，则m(t)可被其抽样

4、值完全确定。第7页/共158页2.2.证明证明（包含两个问题）（包含两个问题）模型模型1)第8页/共158页频率卷积第9页/共158页问题：如何确定抽样频率的选择？问题：如何确定抽样频率的选择？利用图解法解释 已抽样信号已抽样信号m ms s(t)(t)的频谱的频谱 是是无穷多个间隔为无穷多个间隔为 的的 相叠加而成。意味着相叠加而成。意味着 包含包含 的全部信息。的全部信息。已抽样信号的频谱已抽样信号的频谱第10页/共158页抽样定理的全过程：第11页/共158页得到结论：奈奎斯特间隔：奈奎斯特间隔：抽样的最大时间间隔：抽样的最大时间间隔：注意：注意：当抽样间隔大于奈奎斯特间隔时，抽样函数的

5、频谱会重叠。当抽样间隔大于奈奎斯特间隔时，抽样函数的频谱会重叠。第12页/共158页抽样频率不同时，抽样频率不同时，的变化如图的变化如图第13页/共158页2)2)如何利用抽样值恢复原始信号如何利用抽样值恢复原始信号第14页/共158页从时域上分析：滤波器滤波器的传递的传递函数函数第15页/共158页m(t)在时间域的表达式可以由抽样值构成，即将每个抽样值和一个抽样函数相乘后和一个抽样函数相乘后得到的波形加起来就得到原信号m(t)。第16页/共158页基于Systemvue仿真第17页/共158页500Hz抽样恢复的波形抽样恢复的波形已抽样序列已抽样序列原始波形原始波形第18页/共158页10

6、0Hz抽样恢复抽样恢复的波形的波形200Hz抽样恢抽样恢复的波复的波形形第19页/共158页问题：带通信号的抽样 当连续信号的频带不是限于0与fH之间，而是限制在 之间，其抽样速率如何确定？第20页/共158页5.2.2带通抽样定理带通抽样定理1.描述：频率受限于（，）的模拟信号m(t),其最小抽样频率满足：当当第21页/共158页证明第（证明第（1 1）种情况）种情况特点：该带通信号的最高频率和最低频率是带宽特点：该带通信号的最高频率和最低频率是带宽的整数倍。的整数倍。关于当则：抽样频率为则：抽样频率为带通信号带宽带通信号带宽的两倍。的两倍。第22页/共158页示意图第23页/共158页证明

7、第（证明第（2 2）种情况）种情况带通信号的最高频率fH不是带宽B的整数倍。时，证明如下，这里n=5 抽样频率的选取原则：已抽样信号的频谱不发生重叠。按照频率卷积定理第24页/共158页T()dfH=nB+kB(n=5)时带通信号的抽样2fH2nB2fH-2nB第25页/共158页每次需多移，这样原来只隔2B，再加上多移的 其中：第26页/共158页抽样频率与信号最低频率抽样频率与信号最低频率fL之间的关系之间的关系结论：结论：实际中的窄带高频信号，其抽样频率近似等于2B。因为这时n很大。应用：FDM数字化，数字化，SBC子带编码子带编码第27页/共158页例题例题5-11.某音频信号频率范围

8、是20-15000Hz，对其进行抽样，问题：抽样频率为多少？为了降低抽样频率，让信号先经过一个低通滤波器，截止频率为6000Hz，问抽样频率为13000Hz时，能否从样值中无失真的恢复出来？如果抽样频率为11000Hz时，情况如何？2.某带通信号，频率范围是2100Hz-2400Hz，那么，抽样频率最小为多少？第28页/共158页思考：抽样定理的意义是什么？对于同一信号，抽样频率的高低有什么影响？举例说出抽样定理的应用实例第29页/共158页第第5章章模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输5.1 引言5.2 模拟信号的抽样5.3 5.3 实际抽样实际抽样5.4 脉冲调制5.5 模拟信号的量化5.

9、6 脉冲编码调制5.7 差分脉冲编码调制（DPCM）与自适应差分脉冲 调制（ADPCM）5.8 增量调制（DM）5.9 时分多路复用和多路数字电话系统 第30页/共158页5.3 5.3 实际抽样实际抽样 前面抽样定理用的前面抽样定理用的周期性冲激序列周期性冲激序列实际上不易产生，实际上不易产生，通常用通常用窄脉冲串窄脉冲串来完成抽样。具体试验方法又分为下面两种：来完成抽样。具体试验方法又分为下面两种：自然抽样（曲顶）自然抽样（曲顶）瞬时抽样（平顶）瞬时抽样（平顶）第31页/共158页5.3.1自然抽样（曲顶）模型：模型：图解法观察过程如下：图解法观察过程如下：脉冲载波脉冲载波S Sp p(t

10、)(t)由脉宽为由脉宽为 秒，重复周期为秒，重复周期为TsTs秒的矩形脉冲串秒的矩形脉冲串组成。组成。定义：已抽样信号的脉冲定义：已抽样信号的脉冲“顶部顶部”随随m(t)变化的，即在顶部变化的，即在顶部保持了保持了m(t)的变化规律的变化规律。第32页/共158页例5-2*周期性矩形脉冲信号的频谱复习矩形周期脉冲矩形周期脉冲的频谱第33页/共158页从数学表达式数学表达式考虑：因为已知：因为已知：第34页/共158页已抽样信号的频谱为：采用矩形窄采用矩形窄脉冲抽样的脉冲抽样的频谱与冲激频谱与冲激脉冲抽样的脉冲抽样的频谱很类似，频谱很类似，区别仅在于区别仅在于包络按抽样包络按抽样函数逐渐衰函数逐

11、渐衰减减理想抽样理想抽样自然抽样自然抽样第35页/共158页5.3.2 5.3.2 瞬时抽样瞬时抽样1.提出原因：提出原因：2.实现方法：实现方法：第36页/共158页3、瞬时抽样（平顶）模型第37页/共158页 平顶抽样信号的频谱是由H()加权后加权后的周期性重复周期性重复的频谱频谱所组成，不能在接收端直接利用低通滤波器来滤出所需的基带信号。这种现象称为孔径失真孔径失真.得到的 使原频谱 产生频率失真产生频率失真依赖LPFLPF无法恢复无法恢复。第38页/共158页所以，恢复模型变为：所以，恢复模型变为：抽样化的信号为平顶，高度为抽样时刻的瞬时值。下面比较三种抽样，及恢复方法。已知：第39页

12、/共158页 内 容类型抽样模型 恢复模型 ms(t)Ms()说明 理想理想抽样抽样用低通滤波器可无失真恢复原模拟信号m(t)自然自然抽样抽样用低通滤波器可无失真恢复原模拟信号m(t)瞬时瞬时抽样抽样 样值信号产生了孔径失真，收端需要采用型频率补偿网络才能无失真恢复原模拟信号m(t)备注 用到的付里叶变换对：m(t)ms(t)T(t)m(t)ms(t)s p(t)LPFms(t)m(t)LPFms(t)m(t)m(t)ms(t)T(t)脉冲形成ms(t)第40页/共158页第第5章章模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输5.1 引言5.2 模拟信号的抽样5.3 实际抽样5.4 5.4 脉冲调制脉

13、冲调制5.5 模拟信号的量化5.6 脉冲编码调制5.7 差分脉冲编码调制（DPCM）与自适应差分脉冲 调制（ADPCM）5.8 增量调制（DM）5.9 时分多路复用和多路数字电话系统 第41页/共158页5.4脉冲调制脉冲调制1 1、定义：、定义：用基带信号（调制信号）去改变用基带信号（调制信号）去改变脉冲的某些脉冲的某些参数参数，称为脉冲调制。，称为脉冲调制。2 2、分类：、分类：相应有相应有PAMPAM（脉幅调制）、（脉幅调制）、PDMPDM（脉宽调制）（脉宽调制）和和PPMPPM（脉位调制）。（脉位调制）。第42页/共158页第43页/共158页第第5章章模拟信号的数字传输模拟信号的数字

14、传输5.1 引言5.2 模拟信号的抽样5.3 实际抽样5.4 脉冲调制5.5 5.5 模拟信号的量化模拟信号的量化5.6 脉冲编码调制5.7 差分脉冲编码调制（DPCM）与自适应差分脉冲 调制（ADPCM）5.8 增量调制（DM）5.9 时分多路复用和多路数字电话系统 第44页/共158页5.5模拟信号的量化模拟信号的量化提出原因：模拟信号抽样以后，抽样值可以有无穷多个，如果用模拟信号抽样以后，抽样值可以有无穷多个，如果用N N个个二进制数字信号二进制数字信号表示该样值的大小，只有有限个电平与之对表示该样值的大小，只有有限个电平与之对应，因此，抽样值必须必须被划分为应，因此，抽样值必须必须被划

15、分为M M个离散电平，即量化电个离散电平，即量化电平。平。一组二进制码：(an-1,an-2,a1,a0)则 D=an-12n-1+an-22n-2+a121+a020便是其对应的十进数（表示量化电平值）。这种“可加性可加性”可简化译码器的结构。第45页/共158页5.5.1量化及其量化特性量化及其量化特性 1.1.量化定义：量化定义：2.2.量化信号量化信号 用预先规定的有限个电平预先规定的有限个电平来表示模拟抽样值的过 程，如后图。量化器的输出样值 实际抽样值 第46页/共158页量化过程示意图m1等：量化区间的端点第47页/共158页3.量化电平 .指量化器可能的输出电平，M为量化电平数

16、。4.量化间隔第48页/共158页5.5.量化误差量化误差 只能减小（量化电平个数多一点），无法消除，也称量化噪声量化噪声，大小由个数及方法决定。6.6.量化噪声量化噪声量化信噪比量化信噪比是量化器的主要性能指标之一。第49页/共158页它要求它要求两个方面两个方面满足要求：满足要求：取值大小 25dB以上动态范围 -545 或050dB以（a,b）或（-a，a）表示都满足要求都满足要求 PCM系统抗噪声性能也主要由系统抗噪声性能也主要由量化信噪比量化信噪比决定。决定。7.过载量化噪声过载量化噪声 当实际信号幅度超过量化范围时，称发生了过载，当实际信号幅度超过量化范围时，称发生了过载，此时失真

17、严重。此时失真严重。量化器的工作要求：量化器的工作要求：第50页/共158页5.5.2均匀量化均匀量化把输入信号的取值域等距离分割的量化为均匀量化。把输入信号的取值域等距离分割的量化为均匀量化。特点：特点：(1)每个量化区间的每个量化区间的量化电平量化电平取取各个量化区间各个量化区间的中点。的中点。(2)量化间隔量化间隔取决于输入信号的变化范围和量化电平数。取决于输入信号的变化范围和量化电平数。1.1.定义定义 第51页/共158页第52页/共158页例如：当信号的变化范围和量化电平数确定后，量化例如：当信号的变化范围和量化电平数确定后，量化间隔也确定。间隔也确定。当当信号范围信号范围a，b,

18、M个量化电平。个量化电平。第53页/共158页2 2、量化信噪比、量化信噪比信号功率和量化噪声功率之比是量化器的主要指标信号功率和量化噪声功率之比是量化器的主要指标定义又分别求：按第54页/共158页例例5-3 设一个设一个M个量化电平的均匀量化器，其输入信号在区间个量化电平的均匀量化器，其输入信号在区间-a,a具有均匀概率密度函数，求该量化器的信号量噪比。具有均匀概率密度函数，求该量化器的信号量噪比。第55页/共158页N增加1位，提高6dB。信号功率信号功率第56页/共158页要要想想提提高高，均均匀匀量量化化只只好好提提高高M，而而M大大了了，相相应编码位数应编码位数N大，数据速率高，有

19、效性低。大，数据速率高，有效性低。根据已得到的结论：第57页/共158页 由由上上例例可可知知，量量化化信信噪噪比比随随量量化化电电平平数数M的的增增加加而而提提高高，信信号号的的失失真真度度越越小小。通通常常量量化化电电平平数数应应根根据据对对量量化化信信噪噪比比的的要求来确定。要求来确定。均均匀匀量量化化器器广广泛泛应应用用于于线线性性A/D变变换换接接口口，例例如如在在计计算算机机的的A/D变变换换中中，N为为A/D变变换换器器的的位位数数，常常用用的的有有8位位、12位位、16位位等等不不同同精精度度。另另外外，在在遥遥测测遥遥控控系系统统、仪仪表表、图图像像信号的数字化接口等中，也都

20、使用均匀量化器。信号的数字化接口等中，也都使用均匀量化器。结论和应用结论和应用第58页/共158页小，信号 均匀量化有一个致命的缺点，就是不管信号幅度大小如何大时 大。始终不变，这导致信号小时 变化，其 所以实际中常采用非均匀量化，大信号量化间隔大，小信号时量化间隔隔小，使得趋于定值。缺点缺点：但在语音信号数字化通信（或叫数字电话通信）中，均匀量化则有一个明显的不足：量化噪比随信号电平信号电平的减小而下降减小而下降。第59页/共158页5.5.3非均匀量化非均匀量化出发点：出发点：是根据信号的不同区间来确定量化间隔，目的是改是根据信号的不同区间来确定量化间隔，目的是改善小信号时的量化信噪比。善

21、小信号时的量化信噪比。与均匀量化相比，优点：与均匀量化相比，优点：（1 1）当输入信号具有非均匀分布的概率密度时，非均匀）当输入信号具有非均匀分布的概率密度时，非均匀量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化噪声功率比。量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化噪声功率比。（2 2）非均匀量化时，量化噪声功率的均方根值基本上与）非均匀量化时，量化噪声功率的均方根值基本上与信号的抽样值成比例。信号的抽样值成比例。第60页/共158页实现方法：实现方法：实际中，非均匀量化的实现方法通常是将抽样值实际中，非均匀量化的实现方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。所谓压缩实际上是用一个通过压缩再进行均匀量

22、化。所谓压缩实际上是用一个非线性变换电路将输入变量变换成另一变量，即非线性变换电路将输入变量变换成另一变量，即 非均匀量化就是对压缩后的变量进行均匀量化。非均匀量化就是对压缩后的变量进行均匀量化。接收端采用一个传输特性为接收端采用一个传输特性为 的扩张器来恢复的扩张器来恢复 第61页/共158页通常采用对数压扩特性对数压扩特性第62页/共158页第63页/共158页1.对数压缩特性对数压缩特性实际广泛采用A律和律（线性）（对数）(1)A A律压缩律压缩：中国和欧洲采用中国和欧洲采用其中A=87.6（2）律压缩：日本和北美采用律压缩：日本和北美采用第64页/共158页常见压扩特性曲线，对数压缩特

23、性 (a)律；(b)A律n实际中 A A律压缩实现不容易，因为器件的非线性不易产生，且压缩与扩张又不好完全一致。故实际上采用另一种折线法。第65页/共158页2 2、折线近似法、折线近似法（1）13折线近似（折线近似（A律）律）方方法法：先先把把x轴轴信信号号幅幅度度作作归归一一化化处处理理（最最大大幅幅度度值值为为1），然后把然后把y轴信号幅度作归一化处理。轴信号幅度作归一化处理。X轴：轴：01范围范围一分为二，中间点为一分为二，中间点为1/2，取，取1/21之间为第八段之间为第八段01/2范围范围一分为二，中间点为一分为二，中间点为1/4,取取1/41/2为第七段为第七段01/4范围范围一

24、分为二，中间点为一分为二，中间点为1/8，取，取1/81/4为第六段为第六段01/8范围范围一分为二，中间点为一分为二，中间点为1/16，取，取1/161/8为第五段为第五段第66页/共158页01/16范围 一分为二，中间点为1/32，取1/321/16为第四段01/32范围 一分为二，中间点为1/64，取1/641/32为第三段01/64范围 一分为二，中间点为1/128，取1/1281/64为第二段01/128范围 ，取01/128为第一段而y轴01均匀分为八段，一到八段为01/8，1/82/8,第67页/共158页1313折线折线A A律压缩特性律压缩特性第68页/共158页计算各段的

25、斜率计算各段的斜率第69页/共158页正方向八段，但一、二段斜率相同，实际是七段，负负方方向向也也有有八八段段（在在第第三三象象限限），共共14段段，负负一一、二二段段与与正正一一、二二段段斜斜率率相相同同，故故称称13折折线线，实实际际上上有有16个线段。个线段。将每个线段再均匀分为16个量化间隔（015），这样共有16*16=256个量化级（话音）。第70页/共158页第71页/共158页分析分析1313折线与折线与A A律的逼近程度：律的逼近程度：比较：两种小信号时斜率比较：两种小信号时斜率A律：13折线：第72页/共158页其他段也基本相同很逼近。（线性）（对数）第73页/共158页给

26、出13折线和A律分段时的x比较值第74页/共158页第第5章章模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输5.1 引言5.2 模拟信号的抽样5.3 实际抽样5.4 脉冲调制5.5 模拟信号的量化5.6 5.6 脉冲编码调制脉冲编码调制5.7 差分脉冲编码调制（DPCM）与自适应差分脉冲 调制（ADPCM）5.8 增量调制（DM）5.9 时分多路复用和多路数字电话系统 第75页/共158页5.6 5.6 脉冲编码调制脉冲编码调制 量化完成了幅度的离散，但直接传时，电平数多，并且量化完成了幅度的离散，但直接传时，电平数多，并且判别困难，判别困难，故需要变化代码。故需要变化代码。5.6.1概念概念1.1.编

27、码编码：把量化后的信号变换成代码的过程称为编码。：把量化后的信号变换成代码的过程称为编码。2.2.译码译码：由代码重建量化信号的过程：由代码重建量化信号的过程3.3.脉冲编码调制脉冲编码调制：将模拟信号抽样量化，然后使已量化值：将模拟信号抽样量化，然后使已量化值变换成代码。变换成代码。第76页/共158页实际应用实际应用第77页/共158页5.6.2编码实现编码实现1.码型选择：自然二进制码折叠二进制码需解决的问题需解决的问题 码型问题 码位数的选择第78页/共158页负极性正极正极性性第79页/共158页自然码的特点自然码的特点自然码的码型没有相似之处，每个码组对应一个量化电平。自然码的码型

28、没有相似之处，每个码组对应一个量化电平。当传输过程遇到误码：当传输过程遇到误码：（1 1）小信号时，自然码误差大。）小信号时，自然码误差大。（2 2）当大信号时，自然码误差小。）当大信号时，自然码误差小。大信号大信号1111变为变为0111时，自然二进制码解码后的时，自然二进制码解码后的误差为误差为8个量化间隔，折叠码误差为个量化间隔，折叠码误差为15个量化间隔。个量化间隔。当小信号当小信号1000变为变为0000时时第80页/共158页折叠码的特点折叠码的特点第一位码表示极性，双极性信号可以采用单极性第一位码表示极性，双极性信号可以采用单极性编码的方法，采用折叠码可以简化编码的过程。编码的方

29、法，采用折叠码可以简化编码的过程。当传输过程遇到误码：当传输过程遇到误码：（1）小信号时，折叠码误差小）小信号时，折叠码误差小（2）当大信号时，折叠码误差大，但通常语音）当大信号时，折叠码误差大，但通常语音信号都是小幅度。信号都是小幅度。第81页/共158页2.码位数的选择关系到通信质量的好坏涉及设备的复杂程度第82页/共158页3.码位安排码位安排极性码极性码 段内码段内码 段落码段落码 C1C2C3C4C5C6C7C8 0“1”0 C1=1Is0 C1=1(2)(2)段落码段落码 段段落落码码中中的的C2C2用用来来表表示示输输入入信信号号抽抽样样值值处处于于（前四、后四）段，取（前四、后

30、四）段，取第五段起点电平第五段起点电平为基准为基准 Iw=128Iw=128第89页/共158页 C2：IS=1270128，则，则C21C3用来确定它属于用来确定它属于56段，还是段，还是78段。段。第第7段起点电平段起点电平Iw=512IsIwC3=1在在78段段C4确定是第确定是第7段还是第段还是第8段段第第8段起点电平段起点电平Iw=1024IsIwC4=1在第在第8段段C2C3C4=111第90页/共158页确定段内码确定段内码(C5C6C7C8)：i)前前8个，后个，后8个量化间隔（实际个量化间隔（实际计算量化区间计算量化区间）权权值值电电流流第第8段段起起点点电电平平加加上上该该

31、段段的的8个个量量化化间间隔隔Iw=段落起点段落起点+8*（该段量化间隔）（该段量化间隔）=1024+8*64=1536个量化单位个量化单位（该段长（该段长1/2，分成，分成16份，每份份，每份1/32，折成量化单位），折成量化单位）IsIwC5=0在在18量化间隔量化间隔第8段均匀分成16份，每份是最小量化间隔是最小量化间隔1/2048的的64倍倍第91页/共158页确定段内码：ii)14 还是58 Iw=1024+4*64=1280 Is Iw C7=1 在34iv)3还是4 Iw=1024+3*64=1216 Is Iw C8=1 在第4量化间隔码位1 111 00 11（非线性码）第9

32、2页/共158页结论：结论：它它 表表 示示 第第 8段段 第第 4量量 化化 间间 隔隔，其其 量量 化化 电电 平平 为为1216+32=1248个量化单位个量化单位（译码也译成此值）（译码也译成此值）问题：问题：1）量量化化噪噪声声与与1270的的误误差差为为22个个量量化化单单位位，不不可可消消除除（量化噪声），（量化噪声），2）过过载载噪噪声声，当当信信号号幅幅度度超超出出正正常常编编码码范范围围，此此时时过过载载，实实验验可可观观察察，严严重重失失真真。实实验验中中可可看看到到：每每个个取取样样值值量量化化后后都都存存在在量量化化噪噪声声，恢恢复复出出的的结结果果与与发发端端类类似

33、似，但但有有抖动。抖动。第93页/共158页5.6.3脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM）1.PCM1.PCM通信系统构成：通信系统构成：PCMPCM即将模拟信号的抽样量化值变成代码。即将模拟信号的抽样量化值变成代码。PCMPCM通信通信在现代社会中应用广泛，如数字微波、光纤、程控交换，在现代社会中应用广泛，如数字微波、光纤、程控交换，也可用于计算机、遥控、遥测领域。也可用于计算机、遥控、遥测领域。系统组成如图：系统组成如图：第94页/共158页完成已抽样序列信号到数字信号的变换完成由数字信号到样值序列信号的变换第95页/共158页2.PCM系统的抗噪性能系统的抗噪性能系统框图：第96页/共1

34、58页为输出信号，为量化噪声，信道加性噪声(也称为误码噪声)系统输出端总信噪比定义：一般关心最后输出端，而输出端为含信息的已恢复模拟信号，LPF输出信号为：第97页/共158页考虑考虑噪声：噪声：量化噪声量化噪声 信道加性噪声的影信道加性噪声的影响响角度：角度：两类噪声来源不同两类噪声来源不同 两类噪声互相独立两类噪声互相独立第98页/共158页(1)(1)只考虑量化噪声时的系统性能：只考虑量化噪声时的系统性能：由抽样 恢复知，信号功率为：第99页/共158页量化噪声的功率谱密度为：不考虑信道加性噪声的影响时，接收端输出的量化噪声功率谱密度输出的量化噪声功率谱密度为：第100页/共158页设信

35、道理想，译码不引入失真，LPF传递函数为：理想低通滤波器的传输特性：因为：输出噪声功率谱表达式：第101页/共158页任务：求解（编）译码端的量化均方误差：为了与均匀量化对比，输入信号在区间-a,a具有均匀分布，并均匀量化，量化电平数为M，则量化噪声功率为：第102页/共158页（编）译码端的量化噪声功率谱为：（编）译码端的量化噪声功率谱为：低通滤波器的输出量化噪声功率为：低通滤波器的输出量化噪声功率为：第103页/共158页根据抽样定理的证明：ms(t)LPFm(t)输出信号的频谱与已抽样信号的频谱之间的关系：接收端输出信号的表达式：仍假设m(t)是均匀分布-a,a求解信号功率求解信号功率第

36、104页/共158页结论：PCM系统输出端平均信号量化噪声功率比为：系统输出端平均信号量化噪声功率比为：第105页/共158页（2）只考虑信道加性噪声的影响时：）只考虑信道加性噪声的影响时：假设误码率为假设误码率为 （每个码出错概率）（每个码出错概率）一个码组中一个码组中错一位错一位的概率为（即码组错）为的概率为（即码组错）为8 8计算：计算：一个码组由于一个码组由于误码在译码器输出端误码在译码器输出端造成的平均误差功率。造成的平均误差功率。每个码组代表一个抽样值，当错一个码时，每个码组代表一个抽样值，当错一个码时，如：一个自然码组：第106页/共158页一个码组由于误码在译码器输出端造成的平

37、均误差功率：一个码组由于误码在译码器输出端造成的平均误差功率：求错误码组的平均间隔时间求错误码组的平均间隔时间信道信道加性加性噪声噪声误码误码错码组间的平均间隔为错码组间的平均间隔为：一个周期内，错误码元平均间隔一个周期内，错误码元平均间隔 个码元个码元.错误码组之间的平均间隔为：错误码组之间的平均间隔为：个码元个码元第107页/共158页译码器输出端的误差功率谱密度误差功率谱密度为：低通滤波器输出误差功率低通滤波器输出误差功率信道信道加性加性噪声噪声误码误码第108页/共158页最后：结论结论2 2：由误码引出的：由误码引出的PCMPCM系统系统 信噪比与误码率成反比。信噪比与误码率成反比。

38、接收端的信号仅考虑加性噪声时的仅考虑加性噪声时的PCM系统输出信噪比：系统输出信噪比：第109页/共158页（3 3）总信噪比）总信噪比:讨论：很小，以量化噪声为主 i)大信噪比时，第110页/共158页结论结论3 3：PCMPCM系统抗噪性能通常用量化器的量化信噪比决定系统抗噪性能通常用量化器的量化信噪比决定考虑ii）小信噪比时，很大，以加性噪声为主。实际中，很容易实现故PCM抗噪声性能按第111页/共158页 结论结论4 4：PCMPCM系统输出信噪比与系统带宽成指数关系系统输出信噪比与系统带宽成指数关系 系统需要的最小总带宽为：系统需要的最小总带宽为：讨论：讨论：已知：第112页/共15

39、8页第第5章章模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输5.1 引言5.2 模拟信号的抽样5.3 实际抽样5.4 脉冲调制5.5 模拟信号的量化5.6 脉冲编码调制5.7 5.7 差分脉冲编码调制（差分脉冲编码调制（DPCMDPCM）与自适应差分）与自适应差分脉冲脉冲 调制（调制（ADPCMADPCM）5.8 增量调制（DM）5.9 时分多路复用和多路数字电话系统 第113页/共158页5.7差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制DPCM）64kb/s64kb/s的的A A律律或或律律的的对对数数压压扩扩PCMPCM编编码码已已经经在在大大容容量量的的光光纤纤通通信信系系统统和和数数字字微微波波系系统统中

40、中得得到到了了广广泛泛的的应应用用。但但PCMPCM信信号号占占用用频频带带要要比比模模拟拟通通信信系系统统中中的的一一个个标标准准话话路路带带宽宽（3.1 3.1 kHzkHz）宽宽很很多多倍倍，这这样样，对对于于大大容容量量的的长长途途传传输输系系统统，尤尤其其是是卫卫星星通通信信，采采用用PCMPCM的的经经济济性性能能很很难难与与模模拟拟通通信信相相比比。卫卫星星的的通通信信资资源源相相对对光光纤纤要要少少得多得多.以以较较低低的的速速率率获获得得高高质质量量编编码码，一一直直是是语语音音编编码码追追求求的的目目标标。通通常常，人们把话路速率低于人们把话路速率低于64kb/s64kb/

41、s的语音编码方法，的语音编码方法，称为语音压缩编码技术。称为语音压缩编码技术。第114页/共158页在在PCM中中，每每个个波波形形样样值值都都独独立立编编码码，与与其其他他样样值值无无关关，这这样样，样样值值的的整整个个幅幅值值编编码码需需要要较较多多位位数数，比比特特率率较较高高，造造成成数数字字化化的的信信号号带带宽宽大大大大增增加加。然然而而，大大多多数数以以奈奈奎奎斯斯特特或或更更高高速速率率抽抽样样的的信信源源信信号号在在相相邻邻抽抽样样间间表表现现出出很很强强的的相相关关性性，利利用用信信源源的的这这种种相相关关性性，一一种种比比较较简简单单的的解解决决方方法法是是对对相相邻邻样

42、样值值的的差差值值而而不不是是样样值值本本身身进进行行编编码码。由由于于相相邻邻样样值值的的差差值值比比样样值值本本身身小小，可可以以用用较较少少的的比比特特数数表表示示差差值值。这这样样，用用样样点点之之间间差差值值的的编编码码来来代代替替样样值值本本身身的的编编码码，可可以以在在量量化化台台阶阶不不变变的的情情况况下下（即即量量化化噪噪声声不不变变），编编码码位位数数显显著著减减少少，信信号号带带宽宽大大大大压压缩缩。这这种种利利用用差差值值的的PCM编码称为差分编码称为差分PCM（DPCM）。）。如如果果将将样样值值之之差差仍仍用用N位位编编码码传传送送，则则DPCM的的量量化化信信噪噪

43、比比显然优于显然优于PCM系统。系统。5.7.1DPCM原理第115页/共158页 实现差分编码的一个好办法是根据前面的k个样值预测当前时刻的样值。编码信号只是对当前样值与预测值之间的差值的量化编码。DPCM系统的框图如图所示。图中，xn表示当前的信源样值，预测器的输入代表重建语音信号。预测器的输出为 差值 作为量化器输入，eqn代表量化器输出，量化后的每个预测误差eqn被编码成二进制数字序列，通过信道传送到目的地。该误差eqn同时被加到本地预测值 而得到 。第116页/共158页DPCM系统原理框图1.DPCM系统原理重建语音重建语音信号信号第117页/共158页 在在接接收收端端装装有有与

44、与发发送送端端相相同同的的预预测测器器，它它的的输输出出是是与与eqn相相加加产产生生。信信号号既既是是所所要要求求的的预预测测器器的的激激励励信信号号，也也是是所所要要求求的的解解码码器器输输出出的的重重建建信信号号。在在无无传传输输误误码码的的条条件件下下，解解码码器器输出的重建信号输出的重建信号与编码器中的与编码器中的相同。相同。DPCM系系统统的的总总量量化化误误差差应应该该定定义义为为输输入入信信号号样样值值xn与与解码器输出样值解码器输出样值xn之差，即之差，即 由由上上式式可可知知，这这种种DPCMDPCM的的总总量量化化误误差差n nq q仅仅与与差差值值信信号号e en n的

45、的量化误差有关。量化误差有关。2.DPCM量化噪声分析第118页/共158页以一 个四电平量化为例说明对误差 进行四电平量化第119页/共158页5.7.2量化与预测改为自适应为量化与预测改为自适应为ADPCM16级量化 4位码 G.721 其他数字化方法其他数字化方法celp(码激励线性预测）码激励线性预测）G.728 利用利用自适应量化器自适应量化器取代取代固定量化固定量化，自适应预测自适应预测取代取代固定预测，就是固定预测，就是ADPCM，它可以大大提高输出信噪比，它可以大大提高输出信噪比和编码动态范围。和编码动态范围。第120页/共158页第第5章章模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输

46、5.1 引言5.2 模拟信号的抽样5.3 实际抽样5.4 脉冲调制5.5 模拟信号的量化5.6 脉冲编码调制5.7 差分脉冲编码调制（DPCM）与自适应差分脉冲 调制（ADPCM）5.8 5.8 增量调制（增量调制（DMDM）5.9 时分多路复用和多路数字电话系统 第121页/共158页5.8 增量调制（M）与与PCM区别区别PCM码表示样值大小，用码表示样值大小，用N位码表示。位码表示。M代码表示相邻样值的关系，用一位码表示。代码表示相邻样值的关系，用一位码表示。第122页/共158页5.8.1M基本原理1.1.编码：编码：第123页/共158页DM波形示意模拟信号模拟信号m(t)m(t)阶

47、梯波形阶梯波形m m(t)(t)逼近。逼近。第124页/共158页讨论接收端如何由二进制码序列恢复出阶梯波形讨论接收端如何由二进制码序列恢复出阶梯波形输入端是0、1序列 积分器输出虽已接近原来模拟信号，但包含高次谐波高次谐波，需低通滤波器平滑低通滤波器平滑。得到数字序列：得到数字序列：1111000第125页/共158页重新讨论增量调制的工作原理重新讨论增量调制的工作原理接收端接收端：发送端：发送端：第126页/共158页 简单M系统框图第127页/共158页分为：正常的量化噪声量化噪声 过载量化噪声过载量化噪声第128页/共158页5.8.2M存在的问题1.1.过载过载（a)过载的概念：过载

48、的概念：当模拟信号斜率陡变时，由于台阶当模拟信号斜率陡变时，由于台阶a a是固定的，而且每是固定的，而且每秒内台阶数也是确定的，此时秒内台阶数也是确定的，此时阶梯电压阶梯电压就跟不上就跟不上信号的变化信号的变化，形成了很大失真的阶梯电压波形，这样的失真称为形成了很大失真的阶梯电压波形，这样的失真称为过载现象过载现象，相应噪声为过载噪声。相应噪声为过载噪声。统称量化噪声。第129页/共158页误误差差eq(t)=m(t)-m(t)表表现现为为两两种种形形式式：一一种种称称为为过过载载量量化化误误差差，另另一一种种称称为为一般量化误差。一般量化误差。当当输输入入模模拟拟信信号号m(t)斜斜率率陡陡

49、变变时时，本本地地译译码码器器输输出出信信号号m(t)跟跟不不上上信信号号m(t)的的变变化化，如如图图所所示示。这这时时，m(t)与与m(t)之之间间的的误误差差明明显显增增大大，引引起起译译码码后后信信号号的的严严重重失失真真，这这种种现现象象叫叫过过载载现现象象，产产生生的的失失真真称称为为过过载载失失真真，或或称称过过载载噪声。这是在正常工作时必须而且可以避免的噪声。噪声。这是在正常工作时必须而且可以避免的噪声。(a)一般量化误差；(b)过载量化误差第130页/共158页（b)不过载的条件：不过载的条件：信号实际斜率信号实际斜率 即也就是要求和到达一定数值。到达一定数值。也称为译码器的

50、最大跟踪斜率也称为译码器的最大跟踪斜率第131页/共158页，则 不过载条件为：若2.2.变化幅度过小（如峰值小于变化幅度过小（如峰值小于 ）也不能正确编码，只）也不能正确编码，只能出能出10101010交替，恢复出直流。交替，恢复出直流。因此，量化噪声的大小和因此，量化噪声的大小和 有关，大有关，大 虽然减虽然减少少过载噪声过载噪声，但是增大了，但是增大了量化噪声量化噪声。第132页/共158页5.8.3 M5.8.3 M抗噪性能抗噪性能临界条件时 输出 但该噪声功率不是系统最终输出的量化噪声功率。第133页/共158页考虑误差 的周期性误差的平均功率被认为均匀地分布在 频率之内接收端接收端