电子科技大学通信原理李晓峰版课件第6章模拟信号数字化与PCM.ppt

2023/5/20,1/80,通信原理,第6章 模拟信号 数字化与PCM,2/80,2023/5/20,模拟信号的数字化是通信与信息处理的基础技术。电话通信系统主要采用PCM（脉冲编码调制）技术实施语音信号的数字化。数字化过程由抽样、量化与编码三个基本环节组成：,3/80,2023/5/20,本章目录：6.1 模拟信号的抽样6.2 均匀量化与最佳量化6.3 量化信噪比与对数量化6.4 脉冲编码调制6.5*差分脉冲编码调制与增量调制6.6 时分复用,4/80,2023/5/20,6.1 模拟信号的抽样,5/80,2023/5/20,把时间连续信号转换为时间离散序列通过抽样来完成。抽样或采样（Sampling）就是在某些时刻上抽取信号值，形成反映原信号的样值序列。,带限信号的抽样定理 实际抽样中的自然与平顶抽样 模拟信号的脉冲调制 带通信号的抽样定理,本节包括：,6/80,2023/5/20,6.1.1 带限（或低通）抽样定理,7/80,2023/5/20,采样,8/80,2023/5/20,9/80,2023/5/20,Ms(f)的谱块呈周期性结构，每个谱块的形状都与原始信号的谱块形状相同。因此从任何谱块都可以恢复原始信号。,10/80,2023/5/20,重建,11/80,2023/5/20,频谱混叠,若(欠采样),的频谱将混叠,12/80,2023/5/20,预滤波:防止频谱混叠,使用预滤波器，错误能量 减小一半.,13/80,2023/5/20,6.1.2 实际抽样,实际抽样中采用某种物理可实现的窄脉冲，常用的为矩形脉冲。,(a)模拟信号,(b)矩形脉冲串,(c)自然抽样,(d)平顶抽样,图 6.1.3 自然抽样与平顶抽样,占空比：,14/80,2023/5/20,15/80,2023/5/20,可以证明：自然抽样 信号的频谱为：,其中：,-fs,-3fs,-2fs,-fH,fH,fs,2fs,3fs,f,16/80,2023/5/20,t,17/80,2023/5/20,平顶抽样信号的谱为:,其中,18/80,2023/5/20,孔径失真:,19/80,2023/5/20,由平顶抽样信号重建原始模拟信号,均衡滤波器,1/H(f),LPF,20/80,2023/5/20,6.1.3*模拟脉冲调制,21/80,2023/5/20,22/80,2023/5/20,带通信号 只在频率间隔 内有非零频谱，且,则，若采样频率为,该带通波形可由采样值复制。,6.1.4*带通信号的抽样（自学）,带通抽样定理:,其中：,抽样过程使原始信号谱块周期性重复，而无失真抽样的条件是重复过程中谱块不能相互重叠。,23/80,2023/5/20,窄带带通信号,24/80,2023/5/20,作业：1 2 6,25/80,2023/5/20,6.2 均匀量化与最佳量化,26/80,2023/5/20,6.2.1 量化原理,量化（Quantization）是一个近似过程，以适度的误差为代价，使无限精度（或较高精度）的数值可以用较少的数位来表示。,量化:一个无限数的模拟抽样值集合被一个有限数的量化电平集合近似。,输出电平,27/80,2023/5/20,保留一位小数的四舍五入量化器：,28/80,2023/5/20,抽样、量化、编码:,平顶抽样PAM,量化的PAM,模拟信号,编码,M-量化电平数,n-编码位数,29/80,2023/5/20,量化特性曲线：,-0.5,1.5,0.5,3.5,2.5,-1.5,-2.5,-3.5,-2,-1,-3,3,2,1,量化范围Or 设计峰峰值 2V,过载区,过载区,n-码字的位数,30/80,2023/5/20,31/80,2023/5/20,量化误差（量化噪声）：,均方误差（即噪声功率）：,一个随机信号,32/80,2023/5/20,6.2.2 均匀量化器,过载噪声:来源于信号的峰值电平超过了量化器的设计电平,量化误差分类:,非过载噪声:在正常量化范围内的量化噪声,量化精度：,满值,33/80,2023/5/20,注意到各区间上的积分形式完全相同，即,其实，即使输入不是均匀分布的，。,。,34/80,2023/5/20,均匀量化器简单常用，但不一定保证误差最小。使 达到最小的量化器称为最佳量化器。,6.2.3*最佳量化器,35/80,2023/5/20,6.3 量化信噪比与对数量化,36/80,2023/5/20,6.3.1 量化信噪比,量化误差的实际影响取决于它与信号的相对大小量化信噪比,信号的幅度尽量大，但必须在量化范围内。,记 归一化有效值,37/80,2023/5/20,下面讨论 的均匀量化器的信噪比：,于是，,分贝形式：6dB规则,38/80,2023/5/20,例6.3 分析输入信号为均匀分布和正弦信号时，量化器不过载时允许的最大信号幅度与相应的均匀量化信噪比。,解：量化器输入为-V,V上均匀分布的信号 时,信号功率为：,于是：,平均信噪比,39/80,2023/5/20,输入信号均匀分布时的量化信噪比曲线：,40/80,2023/5/20,量化器输入正弦信号 时,信号功率为：,于是：,41/80,2023/5/20,42/80,2023/5/20,量化器信噪比特点如下：,(1)6-dB 准则：PCM 码字每增加1比特，SNR就会增加6-dB.对于均匀量化：小信号 小 SNR，大信号 大 SNR,信噪比还受信号类型与幅度影响：不一样。,43/80,2023/5/20,例6.4 为了高保真地保存2020kHz的立体音乐信号，CD数字音响系统采用44.1KHz的采样率与16位的均匀量化器，试求:(1)该系统的峰值信噪比和平均信噪比是多少？(2)立体声CD信号的数据率是多少？,解：（1）易知,44/80,2023/5/20,（2）立体声包括两个声道的信号，因此，总数据率为，,PCM信号速率（模拟信号A/D变换后的数码率）：,比特率:,其中:,B 模拟信号的带宽,n PCM 编码位数,作业：8 11,45/80,2023/5/20,6.3.2 对数量化,语音信号的幅度的概率密度函数Laplace分布,均匀量化时:,其中：,语音信号的量化SNR：,模拟语音信号是一种峰平功率差异很大的信号，语音信号的有效幅度通常只有最大幅度的20%左右。,46/80,2023/5/20,实用电话语音信号的幅度难于控制：（1）不同的发话人音量不同与情绪状态不同；（2）话机与数字化单元间的距离、衰耗差别。,实际电话系统要求：面对约4050dB的动态范围，提供至少25dB的量化信噪比。,语音信号平均功率有4050dB的变动范围（动态范围）,47/80,2023/5/20,希望：采用较少的量化比特（通常为8），在宽的输入动态范围上达到良好的量化信噪比。,例6.5自学,48/80,2023/5/20,可通过对抽样值进行非线性处理，增大小信号的幅度，提升小信号的信噪比；大信号的幅度有所下降（大信号的信噪比总是有富裕的）；因而保证了动态范围的要求。,非均匀量化,实现,压缩器,均匀量化器,编码器,信道,扩张器,译码器,噪声,49/80,2023/5/20,a.压缩:,增加小信号幅度，减小大信号幅度，大小信号的范围被压缩了。,b.扩张器:为了恢复语音的自然度所作的反变换,对数量化,是对数曲线,50/80,2023/5/20,国际电信联盟（ITU）的标准（对数压缩规律）：,样值,其中:A-压缩参数,51/80,2023/5/20,A-law 特性曲线,0,0.2 0.4 0.6 0.8 1.0,0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,A=1,A=2,A=5,A=87.6（典型值）,A=100,52/80,2023/5/20,量化信噪比：,SNR改善量,与均匀量化比较,M=256 线性,十三折线,M=256,M=128,M=64,语音动态范围,长话质量要求,53/80,2023/5/20,国际标准:,54/80,2023/5/20,55/80,2023/5/20,量化信噪比：,两种方案在宽达4050dB的动态范围中性能优良。,56/80,2023/5/20,匀滑的非线性对数曲线 用折线近似,*A-律 13 折线近似：,7,6,5,4,3,2,1,0,57/80,2023/5/20,归一化,正方向,负方向 与正方向同,斜率,0段:1段:2段:3段:,4段:5段:6段:7段:,58/80,2023/5/20,0段:1段:2段:3段:,每段:16等分,量化电平数:,4段:5段:6段:7段:,59/80,2023/5/20,表6.3.1 13折线（A律）主要参数,60/80,2023/5/20,*PCM 对数编码：,符号位:,段落码:,看 处于8段中的哪一段，编段落码,段内编码:,每段又均分为16层，,看 处于哪一层，编段内码,61/80,2023/5/20,6.4 脉冲编码调制,62/80,2023/5/20,语音信号的PCM数据率：,（1）电话信号带宽：Hz，抽样率为8kHz；（2）量化：律或 律非线性量化，在语音信号动态范围4050dB内有良好的量化信噪比；（3）编码（Encoding）：将每个量化输出电平表示为8比特二进制码字。,63/80,2023/5/20,电话系统中的PCM传输框图：,模拟信号 出,模拟,信号,信号入,防混叠低通滤波器,带限模拟信号,抽样8KHz,8bit对数量化,编码器,PCM,PCM 发射机(ADC),电话线,再生中继器,电话线,电话线,信道(传输路径),PCM信号,译码器,量化 PAM,低通滤波器(重建),PCM 接收机(DAC),再生中继器,再生中继器,接收机前端电路,量化 PAM,抽样 PAM,64/80,2023/5/20,65/80,2023/5/20,解：(1),采用矩形NRZ脉冲时，第一零点带宽为，,（2）12位线性（均匀）量化时，,66/80,2023/5/20,6.4.2 编码规则,8位PCM的编码结合13或15折线法进行，用折叠二进制编码：,67/80,2023/5/20,量化电平序号,量化电平极性,自然码,折叠码,7,6,5,4,3,2,1,0,（最正）,（正）,（负）,（最负）,011,111,110,101,100,010,001,000,111,110,101,100,010,001,000,011,折叠码在绝对值小的电平附近，1位传输错误造成的信号误差比自然码的小。可在平均意义下使传输误码造成的破坏轻一些。,表6.4.2 折叠码与自然码规则,68/80,2023/5/20,例6.7 试求0.72与-0.003 在A律PCM系统中的编码值（采用归一化量化范围）。,69/80,2023/5/20,表6.3.1 13折线（A律）主要参数,70/80,2023/5/20,6.4.3*PCM传输系统的信噪比,PCM通信系统中，还原的话音信号与原始信号相比，误差主要由量化与传输误码引起。即，,相应的噪声功率满足，,总的信噪比：,71/80,2023/5/20,PCM的峰值信噪比与平均信噪比：,PCM的信噪比公式：,（1）如果 很小，量化噪声起主导作用；（2）如果 很大，则误码起主导作用。,时，误码噪声与量化噪声相当,72/80,2023/5/20,（3）若(无 ISI，无加性噪声):,作业：12 13 14 15 16,73/80,2023/5/20,6.6 时分复用,Time-Division Multiplexing(TDM),74/80,2023/5/20,目的:充分地利用信道资源,复用:在同一信道中独立地传输几路信号,复用方法:FDM(频分复用)TDM CDM(码分复用),75/80,2023/5/20,将多路信号在时间轴上互不重叠地穿插排列就可以在同一公共信道上传输，如图。,这种按一定的时间顺序依次循环地传输各路消息，以实现多路通信的方式称为时分多路通信。这种信道复用方式叫时分复用。,T内可安排n路信号,6.6.1 TDM的基本原理,76/80,2023/5/20,对于单路信号，数码率不变，是独立传输。,对于总群路信号，数码率是单路的n倍，因而可充分地利用信道的传输频带。,时间交织:,字交织:,比特交织:,多路信号在时间轴上互不重叠地穿插排列的方式称为时间交织。,时分复用（TDM）多个信源的数据分别占用不同的时隙位置，共用一条信道进行串行数字传输。,77/80,2023/5/20,例：,三路模拟信源 在PCM系统中复用,发：旋转开关旋转速率即抽样频率，对带宽最大的模拟信源，仍然满足奈奎斯特抽样定理。对于带宽较大的信源，可接到几个开关位置。,收：TDM PCM信号由解码器恢复成抽样值的量化值。收端的旋转开关保证将 1 路信号的样本点送到通道 1 上，将 2 路信号的样本点送到通道 2 上,。,78/80,2023/5/20,信源n：第n路语音信号,合路器：旋转开关速率fs,分路器：旋转开关速率fs,同步：收发两端的合路与分路，必须协调一致。,（b）复合数据流,Ts,Ts,79/80,2023/5/20,(1)各路信号轮流占用不同时隙，互不影响；(2)各路信号组成一个确定的数据结构，称为帧结构(3)收发同步工作帧同步。借助帧同步码。,时分复用技术的几个基本要点：,（c）帧与同步码,帧：服从某种时序规定的一段比特数据流,帧周期：每路信号都至少被传送一次的时间,帧格式：把一帧时间划分为若干时隙后，如何安排各路信息码与附加信息码的一种时序规定,80/80,2023/5/20,优点：1）它采用全数字电路技术；2）不需要大量的并行设备，3）无非线性引起各路信号之间的串扰缺点：更为严格的同步定时,时分复用技术的优缺点：,81/80,2023/5/20,合路器1,合路器2,4bit量化与编码,填充,2kHz,4kHz,2kHz,28kbps,32kbps,同步码：11100100,fs=4kHz,fs=4kHz,82/80,2023/5/20,解：,（1）,（2）,帧率为4k帧/秒，数据率为,帧率为4k帧/秒，数据率为,作业：20,83/80,2023/5/20,习题3-8 模拟电压波形中的信息通过一个具有 0.1%精度(满值)的PCM系统传输。模拟波形的绝对带宽为 100 Hz，且幅度范围为 10 V到+10V.,(a)确定所需抽样速率的最小值。,(b)确定每个 PCM 码字所需的比特数。,(c)确定 PCM 信号所需比特率的最小值。,(d)确定传输该 PCM 信号所需的绝对信道带宽的最小值。,量化精度：,84/80,2023/5/20,解:,(a),(b),(c),(d),85/80,2023/5/20,例：将模拟信号转换成PCM 信号，采用二进制双极性 NRZ 线路码。信号在绝对带限于 4kHz的信道上传输。假设 PCM 量化器具有 16 个量化电平，且总的等效系统传输函数为具有 r=0.5 的升余弦滚降型特性。(a)找出此系统在不会引入ISI的条件下，所能支持的最大 PCM 比特率。(b)求该模拟信号允许的最大带宽。,解:,86/80,2023/5/20,87/80,2023/5/20,1、两类PAM（自然抽样 与 平顶抽样)信号的时域波形的特点如何？,2、PCM 系统框图与前言中的通信系统框图有什么关系？3、对模拟信号实现PCM编码有哪三个主要步骤？PCM系统收端是怎样实现PCM译码和原始模拟信号重建的？4、PCM 系统中主要有哪些噪声信号？4、为什么均匀量化不能满足语音信号的长途电话质量要求？非线性量化是怎样满足语音信号的长途电话质量要求的？5、A率，律的一个PCM码字是多少位？,思考题：,88/80,2023/5/20,知识点：,抽样：,量化：,均匀量化,量化电平数：,编码：,-一个PCM码字的位数,1、信源编码(A/D)：,B 模拟信号的带宽,89/80,2023/5/20,2、PCM信号的传输,PCM信号速率：,Bit rate:,其中:,B 模拟信号的带宽,n 一个 PCM 码字的比特数,90/80,2023/5/20,PCM 系统的噪声效果,均匀量化系统,量化噪声 在接收PCM信号中的比特差错,其中:量化电平数 误比特率,91/80,2023/5/20,若(无 ISI，无加性噪声):,