通信原理 第9章课件.ppt
通 信 原 理,第9章 模拟信号的数字传输,一、模拟信号的数字传输概述,A / D,D / A,二、抽样定理 - 低通模拟信号的抽样定理,抽样定理：设一个连续模拟信号m(t)中的最高频率 fH，则以间隔时间为T 1/2fH的周期性冲激脉冲对它抽样时，m(t)将被这些抽样值所完全确定,二、抽样定理 - 低通模拟信号的抽样定理,t,从时域中看，当用抽样脉冲序列冲激截止频率为 fH的理想低通滤波器时，滤波器的输出就是一系列冲激响应之和，如图所示。这些冲激响应之和就构成了原信号。,恢复信号时,二、抽样定理 带通模拟信号的抽样定理,如图所示的带通信号的采样频率为其带宽的2倍而不是上限频率的2倍就可恢复原始信号,特例,二、抽样定理 带通模拟信号的抽样定理,设带通模拟信号的频带限制在fL和fH之间，如图所示。即其频谱最低频率大于fL，最高频率小于fH，信号带宽B = fH fL。可以证明，此带通模拟信号所需最小抽样频率fs等于式中， B 信号带宽； n 商(fH / B)的整数部分，n =1，2，； k 商(fH / B)的小数部分，0 k 1。按照上式画出的fs和fL关系曲线示于下图：,二、抽样定理 带通模拟信号的抽样定理,由上图可见，当fL = 0时，fs 2B，就是低通模拟信号的抽样情况；当fL很大时，fs 趋近于2B。fL很大意味着这个信号是一个窄带信号。许多无线电信号，例如在无线电接收机的高频和中频系统中的信号，都是这种窄带信号。所以对于这种信号抽样，无论fH是否为B的整数倍，在理论上，都可以近似地将fs取为略大于2B。 图中的曲线表示要求的最小抽样频率fs，但是这并不意味着用任何大于该值的频率抽样都能保证频谱不混叠。,三、模拟脉冲调制,模拟脉冲调制的种类周期性脉冲序列有4个参量：脉冲重复周期、脉冲振幅、脉冲宽度和脉冲相位（位置）。 其中脉冲重复周期（抽样周期）一般由抽样定理决定，故只有其他3个参量可以受调制。3种脉冲调制：脉冲振幅调制(PAM)脉冲宽度调制(PDM)脉冲位置调制(PPM)仍然是模拟调制，因为其代表信息的参量仍然是可以连续变化的。,三、模拟脉冲调制,模拟脉冲调制波形,(a)模拟基带信号 (b) PAM信号 (c) PDM信号 (d) PPM信号,三、模拟脉冲调制-自然抽样,PAM调制过程的波形和频谱图,由上图看出，若s(t)的周期T (1/2fH)，或其重复频率fs 2fH，则采用一个截止频率为fH的低通滤波器仍可以分离出原模拟信号。,三、模拟脉冲调制-平顶抽样,保持电路的单位冲击响应为脉冲，其频谱为Sa（x)。,四、量化编码 - 均匀量化,q1, q2,qi, 为量化电平,m2, ,mi, , m为量化区间的端点,均匀量化过程示意图,四、量化编码 - 均匀量化,【例9.1】设一个均匀量化器的量化电平数为M，其输入信号抽样值在区间 -a, a内具有均匀的概率密度。试求该量化器的平均信号量噪比。【解】 因为 所以有,四、量化编码 - PCM均匀量化编码,均匀量化编码,A/D变换,四、量化编码 非均匀量化编码,非均匀量化原理在非均匀量化时，量化间隔随信号抽样值的不同而变化。信号抽样值小时，量化间隔v也小；信号抽样值大时，量化间隔v也变大。实际中，非均匀量化的实现方法通常是在进行量化之前，先将信号抽样值压缩，再进行均匀量化。这里的压缩是用一个非线性电路将输入电压x变换成输出电压y：y = f(x)如右图所示：图中纵坐标y 是均匀刻度的，横坐标x 是非均匀刻度的。所以输入电压x越小，量化间隔也就越小。也就是说，小信号的量化误差也小。,四、量化编码 非均匀量化编码,设此压缩器的输入和输出电压范围都限制在0和1之间，即作归一化，且纵坐标y 在0和1之间均匀划分成N个量化区间,x x,当输入x 0时，输出y - 。在实用中这个理想压缩特性的具体形式，按照不同情况，还要作适当修正，使当x0时，y0。,四、量化编码 非均匀量化编码,A 压缩律 x 压缩器归一化输入电压； y 压缩器归一化输出电压； A 常数，它决定压缩程度。 取87.6,在b点处2条线段斜率相等,在切点b处的第2条曲线,令1/x1=A,四、量化编码 非均匀量化编码,13折线压缩特性 A律的近似,A律表示式是一条平滑曲线，用电子线路很难准确地实现,四、量化编码 非均匀量化编码,从表中看出，13折线法和A = 87.6时的A律压缩法十分接近,四、量化编码 语音信号的非均匀量化编码,段落码编码 - 非均匀量化编码,段内码编码 - 均匀量化编码,四、量化编码 语音信号的非均匀量化编码,【例】设输入电话信号抽样值的归一化动态范围在-1至+1之间，将此动态范围划分为4096个量化单位，即将1/2048作为1个量化单位。当输入抽样值为+1270个量化单位时，试用逐次比较法编码将其按照13折线A律特性编码。【解】设编出的8位码组用c1 c2 c3 c4 c5 c6 c7 c8表示，则：1) 确定极性码c1：因为输入抽样值+1270为正极性,所以c1 = 12) 确定段落码c2 c3 c4：由段落码编码规则表可见，c2值决定于信号抽样值大于还是小于128，即此时的权值电流Iw128。现在输入抽样值等于1270，故c21。在确定c21后，c3决定于信号抽样值大于还是小于512，即此时的权值电流Iw512。因此判定c31。同理，在c2 c311的条件下，决定c4的权值电流Iw1024。将其和抽样值1270比较后，得到c41。这样，就求出了c2 c3 c4111，并且得知抽样值位于第8段落内。,四、量化编码 语音信号的非均匀量化编码,3) 确定段内码c5 c6 c7 c8：段内码是按量化间隔均匀编码的，每一段落均被均匀地划分为16个量化间隔。但是，因为各个段落的斜率和长度不等，故不同段落的量化间隔是不同的。对于第8段落，其量化间隔示于下图中。由编码规则表可见，决定c5等于“1”还是等于“0”的权值电流值在量化间隔7和8之间，即有Iw = 1536。现在信号抽样值Is = 1270，所以c5=0。同理，决定c6值的权值电流值在量化间隔3和4之间，故Iw = 1280，因此仍有Is Iw，所以c7=1。最后，决定c8值的权值电流Iw = 1216，仍有Is Iw，所以c8=1。,四、量化编码 语音信号的非均匀量化编码,这样编码得到的8位码组为c1 c2 c3 c4 c5 c6 c7 c8 11110011，它表示的量化值应该在第8段落的第3间隔中间，即等于(1280-1216)/2 = 1248（量化单位）。将此量化值和信号抽样值相比，得知量化误差等于1270 1248 = 22（量化单位）。顺便指出，除极性码外，若用自然二进制码表示此折叠二进制码所代表的量化值（1248），则需要11位二进制数（10011100000）。,均匀量化和非均匀量化比较 若用13折线法中的（第一和第二段）最小量化间隔作为均匀量化时的量化间隔，则13折线法中第一至第八段包含的均匀量化间隔数分别为16、16、32、64、128、256、512、1024，共有2048个均匀量化间隔，而非均匀量化时只有128个量化间隔。因此，在保证小信号的量化间隔相等的条件下，均匀量化需要11比特编码，而非均匀量化只要7比特就够了。,五、PCM系统中噪声的影响,式中 M2N,PCM系统中的噪声有两种：量化噪声 和 加性噪声,输出信号功率,最后得到PCM系统的总输出信噪功率比：,五、PCM系统中噪声的影响,在大信噪比条件下，即当22(N+1)Pe 1时，上式变成S / N 1/(4Pe) 还可以得出输出信号量噪比等于上式表示，PCM系统的输出信号量噪比仅和编码位数N有关，且随N按指数规律增大。另一方面，对于一个频带限制在fH的低通信号，按照抽样定理，要求抽样速率不低于每秒2fH次。对于PCM系统，这相当于要求传输速率至少为2NfH b/s。故要求系统带宽B至少等于NfH Hz。用B表示N代入上式，得到 上式表明，当低通信号最高频率fH给定时，PCM系统的输出信号量噪比随系统的带宽B按指数规律增长。,六、差分脉冲编码调制（DPCM）与增量调制,线性预测原理若利用前面的几个抽样值的线性组合来预测当前的抽样值，则称为线性预测。若仅用前面的1个抽样值预测当前的抽样值，则就是将要讨论的DPCM。 线性预测编码原理方框图,使此预测误差的可能取值范围，比抽样值的变化范围小。所以可以少用编码比 特来对预测误差编码，从而降低其比特率。,为了改善DPCM体制的性能，将自适应技术引入量化和预测过程，得出自适应差分脉码调制(ADPCM ) 体制。它能大大提高信号量噪比和动态范围。,六、差分脉冲编码调制（DPCM）与增量调制,增量调制(M)可以看成是一种最简单的DPCM。当DPCM系统中量化器的量化电平数取为2时，DPCM系统就成为增量调制系统。图中编码器输入信号为m(t)，它与预测信号m (t)值相减，得到预测误差e(t)。预测误差e(t)被周期为Ts的抽样冲激序列T(t)抽样。若抽样值为负值，则判决输出电压+（用“1”代表）；若抽样值为正值，则判决输出电压-（用“0”代表）。,六、差分脉冲编码调制（DPCM）与增量调制,增量调制系统中的量化噪声产生的原因由于编译码时用阶梯波形去近似表示模拟信号波形，由阶梯本身的电压突跳产生失真。这是增量调制的基本量化噪声，又称一般量化噪声。它伴随着信号永远存在，即只要有信号，就有这种噪声。信号变化过快引起失真；这种失真称为过载量化噪声。它发生在输入信号斜率的绝对值过大时。,六、差分脉冲编码调制（DPCM）与增量调制,最大跟踪斜率设抽样周期为Ts，抽样频率为fs = 1 / Ts，量化台阶为，则一个阶梯台阶的斜率k 为：它是译码器的最大跟踪斜率。当输入信号斜率超过这个最大值时，将发生过载量化噪声。为了避免发生过载量化噪声，必须使和fs的乘积足够大，使信号的斜率不超过这个值。另一方面，值直接和基本量化噪声的大小有关，若取值太大，势必增大基本量化噪声。所以，用增大fs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。实际中增量调制采用的抽样频率fs值比PCM和DPCM的抽样频率值都大很多；对于语音信号而言，增量调制采用的抽样频率在几十千赫到百余千赫。,七、时分复用和复接,时分多路复用原理,七、时分复用和复接,七、时分复用和复接,E体系的结构图,复接：将低次群合并成高次群的过程,分接：将高次群分解为低次群的过程称为分接,七、时分复用和复接,E体系的一次群结构,七、时分复用和复接-同步数字体系(SDH),SDH基本概念SDH是针对更高速率的传输系统制定出的全球统一的标准。整个网络中各设备的时钟来自同一个极精确的时间标准（例如铯原子钟），没有准同步系统中各设备定时存在误差的问题。在SDH中，信息是以“同步传送模块(STM)”的信息结构传送的。一个同步传送模块主要由信息有效负荷和段开销(SOH)组成块状帧结构，其重复周期为125s。按照模块的大小和传输速率不同，SDH分为若干等级。,七、时分复用和复接-同步数字体系(SDH),PDH和SDH连接关系图,通常将若干路PDH接入STM-1内，即在155.52Mb/s处接口。这时，PDH信号的速率都必须低于155.52Mb/s，并将速率调整到155.52上。例如，可以将63路E-1，或3路E-3，或1路E-4，接入STM-1中。这样，在SDH体系中，各地区的PDH体制就得到了统一。,
