模拟信号的数字传输教学课件PPT.ppt
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1、1,第 4 章模拟信号数字化传输,内容,抽样定理 脉冲振幅调制PAM 模拟信号的量化 脉冲编码调制PCM 差分脉冲编码调制DPCM 增量调制DM 时分复用及多路数字电话系统,2,概述,模拟信号数字化目的:数字通信系统传输可靠、是发展方向;然而自然界的许多信号都是模拟的,将模拟信号转化为数字信号传输可以利用数字传输的的优点。系统组成模拟信号转化为数字信号称为A/D变换接收端再转换为模拟信号称为D/A变换,3,概述,4,模拟信号数字化(A/D)方法波形编码:直接把时域波形变换为数字序列。比特率通常在16 kb/s64 kb/s内。接收端重建信号的质量好。主要方法:PCM、DPCM、DM。参量编码:
2、利用信号处理技术,提取语音信号的特征参量,再变换成数字代码。比特率在16 kb/s以下,但重建(恢复)信号的质量不够好。,5,波形编码数字化步骤:抽样、量化和编码,4.1 抽样定理,低通抽样定理低通抽样信号恢复带通抽样定理,6,一.低通抽样定理,抽样定理是任何模拟信号(语音、图象以及生物医学信号等等)数字化的理论基础。抽样定理实质上是一个连续时间模拟信号经过抽样变成离散序列后,能否由此离散序列样值重建原始模拟信号的问题。分类:根据信号分为:低通抽样定理和带通抽样定理;根据抽样脉冲序列分:均匀抽样定理和非均匀抽样根据抽样的脉冲波形:理想抽样和实际抽样。,7,一.低通抽样定理,8,9,采样定理的含
3、义,一.低通抽样定理,10,设:被抽样的信号是m(t),理想的抽样就是用单位冲击脉冲序列与被抽样的信号相乘。,其中:,一.低通抽样定理,11,一.低通抽样定理,12,一.低通抽样定理,奈奎斯特间隔:Ts=1/(2fH)是最大允许抽样间隔,称为奈奎斯特间隔,相应的最低抽样速率fs=2fH称为奈奎斯特速率。混叠现象:在从s=2 H的条件下,周期性频谱无混叠现象,于是经过截止频率为H的理想低通滤波器后,可无失真地恢复原始信号。如果s 2 H,则频谱间出现混叠现象。,13,二.低通抽样信号恢复,14,频域上的恢复:,低通抽样信号恢复通过低通滤波器,通过低通滤波后:,二.低通抽样信号恢复,15,ms(t
4、),低通抽样信号恢复通过低通滤波器,频域上的恢复:,二.低通抽样信号恢复,16,三.带通抽样定理,17,对于带通型信号,如果按fs2fH 抽样,三.带通抽样定理,提出问题:虽然能满足频谱不混叠的要求。但这样选择fs太高了,它会使0fL一大段频谱空隙得不到利用,降低了信道的利用率。为了提高信道利用率,同时又使抽样后的信号频谱不混叠,那么fs到底怎样选择呢?,18,三.带通抽样定理,带通均匀抽样定理:一个带通信号,其频率限制在fL与fH之间,带宽为B=fH-fL,如果最小抽样速率fs=2fH/m,其中m是一个不超过 fH/B的最大整数,那么m(t)可完全由其抽样值确定。,19,三.带通抽样定理,2
5、0,(1)若最高频率为带宽的整数倍,此时,抽样速率,(2)若最高频率不为带宽的整数倍,抽样速率,此时,当fLB,可简化为fs2B,三.带通抽样定理,21,(1)若最高频率为带宽的整数倍,此时,抽样速率,三.带通抽样定理,22,(2)若最高频率不为带宽的整数倍,抽样速率,此时,4.2脉冲振幅调制PAM,23,一.脉冲调制,PAM,PDM,PPM,二.PAM原理,24,1.自然抽样(曲顶抽样),二.PAM原理,25,1.自然抽样(曲顶抽样),二.PAM原理,26,1.自然抽样(曲顶抽样),二.PAM原理,27,2.平顶抽样(瞬时抽样),二.PAM原理,说明:平顶抽样的脉冲振幅调制信号的频谱是由Q(
6、)加权平均后的周期性重复的频谱M()所组成孔径失真:由平顶保持带来的频率失真。措施:将信号通过一个孔径失真补偿低通滤波器。,28,在实际应用中,恢复信号的低通滤波器也不可能是理想的,因此考虑到实际滤波器可能实现的特性,抽样速率fs要比2fH选的大一些,一般fs=(2.53)fH。例如语音信号频率一般为 3003400 Hz,抽样速率fs一般取8000 Hz。以上按自然抽样和平顶抽样均能构成PAM通信系统,也就是说可以在信道中直接传输抽样后的信号,但由于它们抗干扰能力差,目前很少实用。它已被性能良好的脉冲编码调制(PCM)所取代。,29,30,采样示例,采样点的值序列:2.2 4.0 5.0 2
7、.8 1.8每个采样值在时间上虽然是离散的,但是在幅度上还是模拟量,无法用有限状态的代码表示。,4.3 量化,量化基本概念均匀量化非均匀量化,31,一.量化的基本概念,定义:用预先规定的有限个电平来表示模拟抽样值的过程称为量化。这有限个电平称为量化电平。与抽样的关系:抽样是把一个时间连续信号变换成时间离散的信号,而量化则是将取值连续的抽样变成取值离散的抽样值序列。量化噪声:量化产生的量化误差。,32,33,一.量化的基本概念,34,m(t):模拟信号;抽样速率:fs=1/Ts;抽样值:用“”表示,第k个抽样值为m(kTs);mq(t):量化信号;q1qM:是预先规定好的M个量化电平(这里M=7
8、);Mi:为第i个量化区间的终点电平(分层电平);量化间隔:电平之间的间隔Vi=mi-mi-1。量化:就是将抽样值m(kTs)转换为M个规定电平q1qM之一:mq(kTs)=qi,mi-1m(kTs)mi,量化误差,定义:mq(kTs)与m(kTs)之间的误差称为量化误差。对于语音、图像等随机信号,量化误差也是随机的,它像噪声一样影响通信质量,因此又称为量化噪声,通常用均方误差来度量。假设m(t)是均值为零,概率密度为f(x)的平稳随机过程,则量化噪声的均方误差(即平均功率)为,35,说明:量化误差的平均功率与量化间隔的分割有关,如何使量化误差的平均功率最小,是量化器的理论所要研究的问题。均匀
9、量化:量化间隔是均匀的 vi=v 非均匀量化:量化间隔是非均匀的 vi常数,36,二.均匀量化,定义:把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化。量化电平:在均匀量化中,每个量化区间的量化电平一般取在各区间的中点。量化间隔:其量化间隔i取决于输入信号的变化范围和量化电平数。若设输入信号的最小值和最大值分别用a和b表示,量化电平数为M,则均匀量化时的量化间隔为,37,二.均匀量化,38,均匀量化特性及量化误差曲线,(1)绝对误差:ei=mi-x(由于mi/2xmi/2,所以|ei|/2)(2)相对误差:ei/mi(3)量化噪声:量化的舍入误差是随机的,可视为迭加于“正确”信号上的噪声。设输
10、入模拟信号x 概率密度函数是 fx(x),x 的取值范围为(A,A),则量化噪声功率Nq为:,均匀量化的量化误差,一般来说,量化电平数 M 很大,很小,因而可认为在量化间隔内fx(x)不变,为均匀分布,则fx(x)1/2A,(A x A),且假设各层之间量化噪声相互独立,则Nq表示为,(4)量化信噪比:信号功率为量化信噪比为:如果用分贝表示:(对均匀量化的均匀分布信号),量化信噪比随量化电平数M增加而提高。均匀量化器广泛应用于线性A/D变换接口,例如在计算机的A/D变换中,常用的有 8位、12位、16位等不同精度。在遥测遥控系统、仪表、图像信号的数字化接口等中,也都使用均匀量化器。在语音信号数
11、字化中,均匀量化有一个明显的不足:量化信噪比随信号电平的减小而下降。,42,三.非均匀量化,非均匀量化量化间隔不相等的量化方法。设计思想:信号样值小,V也小;信号样值大,V也大。实现方法:压缩后,再均匀量化。压缩目的:提高小信号的量化信噪比,扩大输入信号的动态范围。压缩特性:通常是对数特性。在接收端,需要采用一个与压缩特性相反的扩张器来恢复信号。关于电话信号的压缩特性,国际电信联盟(ITU)制定了两种建议:A压缩律 13折线法。中国、欧洲各国以及国际间互连时采用。压缩律 15折线法。北美、日韩等少数国家采用。,非均匀量化实现方法,44,非均匀量化实现方法,46,A律压缩,47,律压缩,48,A
12、律和律对数压缩特性,A律:律:,A=1,无压缩效果,典型值A=87.6,=0,无压缩效果,数字压扩,压扩特性要求扩张和压缩特性严格互逆,使用模拟器件实现压扩特性是非常困难的。上述压扩技术都是模拟的。数字压扩:利用数字电路形成的折线来近似非线性压缩曲线。广泛使用的数字压扩技术13折线A律,主要用于欧洲各国和中国。15折线律,主要用于美国、加拿大和日本。,50,51,13折线A律,1/2,1/4,1/8,1/16,1/32,1/64,1/128,1/8,2/8,3/8,4/8,5/8,6/8,7/8,1,1,基本思想:用折线来拟合模拟曲线首先:x轴(0,1)非均匀分为8段,从右到左每次1/2。y轴
13、:(0,1)均匀分为8段,其次:x轴每段再等分为16等份,每一等份作为一个量化分层。0 1共有8 16=128个量化分层。各段上的阶距是不均匀的。y轴每段也再等分为16份。0 1被分为128个量化层,间隔是均匀的。从0开始,各段端点的坐标如下表。,正极性电平情况,输入信号,输出信号,52,13折线A律,将x轴和y轴相应段的交点连接起来,得到8个折线段。第1、2段折线斜率相等,可连成一条直线。实际7段折线。原点上下各有7段,负方向的1、2段与正方向的1、2段斜率均相同,连在一起作为一段,共得到13段折线。原点折线斜率等于16,A=87.6。,53,A=87.6的A律13折线压缩特性,压缩与扩张技
14、术,54,第1、2段为长1/128;等分16单位后,每一量化单位为1/1281/16=1/2048;第8段为长1/2,每一量化单位为1/2 1/16=1/32;以1/2048作为最小量化级,1 8段的每一小段依次为1、1、2、4、8、16、32、64。每一段落的长度=每小段的长度16。关系如上表。,律压缩15折线逼近,55,15折线逼近=255的律压缩特性,也是把y轴均分8段,图中先把y轴的0,1区间分为8个均匀段。对应于y轴分界点n/8处的x轴分界点的值根据下式计算:,由于第三象限的压缩特性的形状与第一象限的压缩特性的形状相同,且它们以原点为奇对称,所以负方向也有八段直线,总共有16个线段,
15、但由于正向第一段和负向第一段的斜率相同,所以这两段实际上为一条直线,因此,正、负双向的折线总共由15条直线段构成,这就是15折线的由来。,律15折线,律15折线逼近=255对数压缩特性的原理与A律13折线类似。,57,量化示例,由于量化电平数目有限,所以对每一个量化电平能够用一定位数的代码表示,量化值的编码,模拟信号的数字化低通信号采样离散样值量化量化值的编码,58,编码基本思想,59,一个离散值的所有比特的组合叫做码组。码组中每一位脉冲叫做1 比特。一个码组含有n个比特(位),表示的量化电平数目N个量化电平,使用 n 比特的编码,使得 接收端,首先进行检测和再生,恢复PCM信号。译码设备:把
16、代码还原为量化值。LPF恢复信号.,接收端输出信号和输入信号是有差别的,主要是因为量化过程引起的,60,编码示例,以上过程事实上是改变了原始信号的各种特性,起到对信号进行调制的作用,称为编码调制。,4.4脉冲编码调制PCM,PCM通信系统框图 逐次反馈型编码的实现 逐次反馈型译码的实现 PCM编码速率及信号带宽 PCM抗噪声性能,61,一.PCM通信系统框图,62,常用码型,63,13折线A律的编码,A律13折线特性可用8位编码表示。8位码从右向左安排如下:段内码:每一小段的量化值:每一小段被分成16份,因此可以使用4位编码。段落码:8大段各段长度不同。第1、2段归一化长度为1/128;第8段
17、的归一化长度为1/2。用三位码表示信号样值属于哪一段,称为段落码。每一段的起点电平:第1段为0,第2段为16等,三位段落码既表示不同的段,也表示各段不同的起点电平。极性码:最后用一位表示信号极性,正极性用“1”,负极性用“0”,叫做极性码。,64,A律13折线的编码图示,b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0,极性码段落码 段内码,码位的选择与安排,66,极性码 段落码 段内码 C1 C2C3C4 C5C6C7C8,极性码 C1:“1”表示信号是正的“0”表示信号是负的,段落码C2C3C4:,段内码C5C6C7C8:,67,段落码与各段的关系,段内码,68,段落码/段内码量化间隔,69
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