通信技术授课讲义课件

通信原理第第3章章 模拟信源数字化与编码模拟信源数字化与编码 (3.5-3.6)1通信原理第3章 模拟信源数字化与编码(3.5-3.6)1复习复习-自适应差分脉码调制自适应差分脉码调制预测自适预测自适应控制应控制ai(n)Sr(k)量量 化化 器器预预 测测 器器编编 码码解解 码码+预预 测测 器器+SP(k)S(k)Sr(k)d(k)SP(k)d(k)+I(k)I(k)d(k)-DPCM 码流码流信道信道预测自适预测自适应控制应控制ai(n)量化自适量化自适应控制应控制(n)(n)量化自适量化自适应控制应控制(n)前向前向后向后向2复习-自适应差分脉码调制预测自适应控制ai(n)Sr(复习复习-简单增量调制原理简单增量调制原理rkmk+-ttm0m1m2mkmk-1m1m2-+-ck 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 n 编码过程编码过程二电平二电平量化量化延迟延迟+抽样抽样+-数码数码形成形成+-ck=1ck=0ekrk03复习-简单增量调制原理rkmk+复习复习-简单增量调制原理简单增量调制原理trk+-tmk*ck 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0n 译码过程译码过程延迟延迟+解码解码4复习-简单增量调制原理trk+问题的提出：问题的提出：1、增量调制与脉冲编码调制、增量调制与脉冲编码调制 （PCM）的性能有何区别？）的性能有何区别？2、能否与、能否与ADPCM一样引入自适一样引入自适 应增量调制？应增量调制？5问题的提出：1、增量调制与脉冲编码调制 53.5 增量调制增量调制(M)n 不过载情况下量化噪声功率的计算不过载情况下量化噪声功率的计算 假设量化误差假设量化误差e(t)在区间在区间(-,+)内均匀分内均匀分布，则布，则e(t)的概率分布密度的概率分布密度n e(t)的平均功率为的平均功率为63.5 增量调制(M)不过载情况下量化噪声功率的计算3.5 增量调制增量调制(M)n 功率谱密度功率谱密度n 通过截止频率为通过截止频率为fm的低通滤波器后的的低通滤波器后的 功率功率73.5 增量调制(M)功率谱密度 通过截止频率为fm3.5 增量调制增量调制(M)n 信号量噪比信号量噪比n 信号功率：设输入信号为信号功率：设输入信号为n 其斜率最大值为其斜率最大值为A k，要求不发生过载，要求不发生过载，则则n 保证不过载的保证不过载的临界振幅临界振幅Amax应该等于应该等于83.5 增量调制(M)信号量噪比 其斜率最大值为A3.5 增量调制增量调制(M)n 最大信号功率最大信号功率n 最大信号量噪比最大信号量噪比93.5 增量调制(M)最大信号功率 最大信号量噪比93.5 增量调制增量调制(M)结论：结论：最大信号量噪比和最大信号量噪比和抽样频率抽样频率fs的三次方的三次方 成正比，而和信号频率成正比，而和信号频率fk的平方成反的平方成反 比，即抽样频率每提高一倍，量化信比，即抽样频率每提高一倍，量化信 噪比提高噪比提高9dB，信号每提高一倍频率，信号每提高一倍频率，量化信噪比量化信噪比下降下降6dB。n 最大信号量噪比最大信号量噪比103.5 增量调制(M)结论：最大信号量噪比和抽样频率fn M与与PCM的比较：的比较：相同：相同：均用二进制数字信号表示模拟信号传输均用二进制数字信号表示模拟信号传输 不同：不同：PCM以一组二进制代表一位抽样值以一组二进制代表一位抽样值大大 小小；M用一位二进制码代表相邻两样值间的用一位二进制码代表相邻两样值间的 相对大小相对大小。3.5 增量调制增量调制(M)11 M与PCM的比较：3.5 增量调制(M)11n 不同编码位数不同编码位数N N 值的值的PCM与与 M的性能比较的性能比较：若若PCM 系统的编码位数系统的编码位数N4（码率较低）时，（码率较低）时，增量调制的量化信噪比高于增量调制的量化信噪比高于PCM 系统。系统。3.5 增量调制增量调制(M)12 不同编码位数N 值的PCM与M的性能比较：3.5 增量n M的优点：的优点：(1)、在在比特率低时，比特率低时，M的量化信噪比优于的量化信噪比优于 PCM ；(2)、实现电路比实现电路比PCM简单，简单，M只编一位码，只编一位码，接收端不需要码字同步。接收端不需要码字同步。3.5 增量调制增量调制(M)13 M的优点：3.5 增量调制(M)13n M的缺点：的缺点：当输入信号变化斜率大时，当输入信号变化斜率大时，M会出现会出现过载过载现现象。象。为了避免过载现象，应取为了避免过载现象，应取 fs Amaxw wmax。采采样频率样频率fs增大时，会使信息速率增大，给传输带增大时，会使信息速率增大，给传输带来不便。来不便。3.5 增量调制增量调制(M)14M的缺点：3.5 增量调制(M)143.5 增量调制增量调制(M)n 3.5.2 3.5.2 自适应增量调制自适应增量调制n 基本原理基本原理 采用自适应方法使量阶的大小跟踪输入信号采用自适应方法使量阶的大小跟踪输入信号的统计特性而变化。的统计特性而变化。n 瞬时压扩增量调制瞬时压扩增量调制ADM(Adaptive Delta Modulation):量阶能随信号瞬时压扩。量阶能随信号瞬时压扩。n 连续可变斜率增量调制连续可变斜率增量调制CVSD(Continuously Variable Slope Delta modulator）量阶随音节时间量阶随音节时间间隔（间隔（5 20ms）中信号）中信号平均功率变化，平均功率变化，又称又称“数字压扩增量调制数字压扩增量调制”。153.5 增量调制(M)3.5.2 自适应增量调制 基3.5 增量调制增量调制(M)脉冲发脉冲发生器生器抽样判抽样判决器决器+-积分器积分器抽样定时抽样定时连码检测连码检测平滑回路平滑回路n CVSD（数字压扩增量调制）原理（数字压扩增量调制）原理码流中出码流中出现现3(3(或或4)4)个连个连“1”“1”或或连连“0”“0”时输出一时输出一个脉冲。个脉冲。163.5 增量调制(M)脉冲发生器抽样判决器+-积分器tm(t)TS 简单简单 Mt(t)C(n)1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 17tm(t)TS 简单Mt(t)C(n)1 Q1Q2Q3Q4码流码流C(n)C(n)逻辑电路逻辑电路连码检测连码检测移位寄存器移位寄存器tm(t)(t)tC(n)TS 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 111数字压扩数字压扩 M18Q1Q2Q3Q4码流C(n)逻辑电路连码检测移位寄存器tm(3.5 增量调制增量调制(M)n 数字压扩数字压扩M与简单与简单M 的性能比较的性能比较193.5 增量调制(M)数字压扩M与简单M 的性能3.5 增量调制增量调制(M)n 3.5.3 3.5.3 CVSD增量调制编译码芯片增量调制编译码芯片n CVSD增量调制可在单个集成电路芯片内实增量调制可在单个集成电路芯片内实 现，其中一种芯片现，其中一种芯片MC34115，是，是Motorola公公 司系列增量调制电路芯片中的一种司系列增量调制电路芯片中的一种。203.5 增量调制(M)3.5.3 CVSD增量调制编2121第第3章章 模拟信源数字化与编码模拟信源数字化与编码n3.1 模拟信号的抽样模拟信号的抽样n3.2 量化量化n3.3 脉冲编码调制脉冲编码调制(PCM)n3.4 差分脉码调制差分脉码调制n3.5 增量调制增量调制n3.6 时分复用时分复用主要内容主要内容22第3章 模拟信源数字化与编码3.1 模拟信号的抽样主要内3.6 时分复用时分复用时间时间频率频率功率功率FDM频分复用频分复用时间时间功率功率频率频率TDM时分复用时分复用时间时间功率功率频率频率CDM码分复用码分复用将多个用户将多个用户的信息用某的信息用某种方式连接种方式连接在一起，用在一起，用同一信道传同一信道传输，这就是输，这就是多路复用多路复用。233.6 时分复用时间频率功率FDM频分复用时间功率频率TD3.6 时分复用时分复用LPFLPF调制器调制器BPFBPFfC1CH1CH1LPFLPF调制器调制器BPFBPFfC2CH2CH2LPFLPF调制器调制器BPFBPFfCnCHnCHnBPFBPF解调器解调器LPFLPFCH1信信道道BPFBPF解调器解调器LPFLPFCH2BPFBPF解调器解调器LPFLPFCHn路路1 1路路2 2路路n n路路1 1路路2 2路路n nfCH1CH2CH3CHnG(f)频谱频谱频分复用（频分复用（回顾回顾）243.6 时分复用LPF调制器BPFfC1CH1LPF调制器3.6 时分复用时分复用n 码分复用码分复用码调制码调制PN1码调制码调制PN2码调制码调制码解调码解调信信 道道码解调码解调码解调码解调路路1路路2路路n路路1路路2路路nPNnPN1PN2PNnLPFLPFLPF253.6 时分复用 码分复用码调制PN1码调制PN2码调制3.6 时分复用时分复用n 码分复用原理码分复用原理fP(f)t信息信息tPN码码码调制码调制PN码码信息信息OUTfPIN(f)tOUT码码fPPN(f)fPOUT(f)fP(f)IN码解调码解调PN码码LPF信息信息fPPN(f)fP(f)其它用户信其它用户信号及干扰号及干扰263.6 时分复用 码分复用原理fP(f)t信息tPN码码调3.6 时分复用时分复用n 时分复用原理时分复用原理 量量化化编编码码解解码码信道信道m1(t)m2(t)mn(t)m1(t)m2(t)mn(t)tm1(t)m2(t)mn(t)s(t)m1(t)m2(t)mn(t)273.6 时分复用 时分复用原理 量化编码解信道3.6 时分复用时分复用n复接和分接复接和分接n 复接复接：将低次群合并成高次群的过程。：将低次群合并成高次群的过程。由若干链路来的多路时分复用信号，再次由若干链路来的多路时分复用信号，再次复用，构成复用，构成高次群高次群。各链路信号来自不同地。各链路信号来自不同地点，其时钟（频率和相位）之间存在误差。所点，其时钟（频率和相位）之间存在误差。所以在低次群合成高次群时，需要将各路输入信以在低次群合成高次群时，需要将各路输入信号的号的时钟时钟调整统一。调整统一。283.6 时分复用复接和分接283.6 时分复用时分复用n分接分接：将高次群分解为低次群的过程称为分接。：将高次群分解为低次群的过程称为分接。n 标准标准：关于复用和复接，：关于复用和复接，ITU对于对于TDM多路电多路电 话通信系统，制定了话通信系统，制定了准同步数字体系准同步数字体系 (PDH)和和同步数字体系同步数字体系(SDH)两套标准两套标准 建议。建议。293.6 时分复用分接：将高次群分解为低次群的过程称为分接。3.6 时分复用时分复用n 准同步数字体系准同步数字体系(PDH)nITU提出的两个建议：提出的两个建议：n E体系体系 我国大陆、欧洲及国际间连我国大陆、欧洲及国际间连 接采用；接采用；n T体系体系 北美、日本和其它少数国家北美、日本和其它少数国家 和地区采用。和地区采用。303.6 时分复用 准同步数字体系(PDH)303.6 时分复用时分复用层次次比特率（比特率（Mb/s）路数路数（每路（每路64kb/s）E体体系系E-12.04830E-28.448120E-334.368480E-4139.2641920E 5565.1487680313.6 时分复用层次比特率（Mb/s）路数EE-12.3.6 时分复用时分复用层次次比特率（比特率（Mb/s）路数路数（每路（每路64kb/s）T体体系系T 11.54424T-26.31296T-332.064（日本）（日本）48044.736（北美）（北美）672T 497.728（日本）（日本）1440274.176（北美）（北美）4032T5397.200（日本）（日本）5760560.160（北美）（北美）8064323.6 时分复用层次比特率（Mb/s）路数TT 11.3.6 时分复用时分复用nE体系的速率：体系的速率：n基本层基本层(E-1)：30路路PCM数字电话信号，数字电话信号，每路每路PCM信号的比特率为信号的比特率为64 kb/s。由于。由于需要加入需要加入群同步码元群同步码元和和信令码元信令码元等额外开等额外开销销(overhead)，所以实际占用，所以实际占用32路路PCM信号的比特率。故其输出总比特率为信号的比特率。故其输出总比特率为2.048 Mb/s，此输出称为一次群信号。，此输出称为一次群信号。nE-2层：层：4个一次群信号进行个一次群信号进行二次复用二次复用，得到二次群信号，其比特率为得到二次群信号，其比特率为8.448 Mb/s。333.6 时分复用E体系的速率：333.6 时分复用时分复用nE-3层：按照同样的方法再次复用，得到层：按照同样的方法再次复用，得到 比特率为比特率为34.368 Mb/s的的三次群信号三次群信号nE-4层：比特率为层：比特率为139.264 Mb/s。n由此可见，相邻层次群之间路数成由此可见，相邻层次群之间路数成4倍关倍关 系，但是比特率之间不是严格的系，但是比特率之间不是严格的4倍关倍关 系。系。343.6 时分复用E-3层：按照同样的方法再次复用，得到34TS16信令信令偶帧偶帧TS0*1A1 1 1 1 1帧同步码帧同步码奇帧奇帧TS0*0 0 1 1 0 1 1话路话路(CH1 CH15)话路话路(CH16 CH30)125 s16帧帧1复帧复帧16帧帧32个时隙个时隙F0F1F2F3F4F5F6F7F8F9F10F11F12F13F14F158 bit CH30(1 bit=488.3ns)8 bit(1 bit=488.3ns)保留保留TS10TS12TS14TS16TS18TS9TS11TS13TS15TS17TS4TS6TS2TS0TS8TS5TS7TS3TS1TS20TS22TS28TS26TS24TS30TS19TS21TS23TS29TS27TS25TS313.6 时分复用时分复用nE体系的一次群结构体系的一次群结构35TS16偶帧TS0*1A11111帧同步码奇帧TS0*0013.6 时分复用时分复用PCM-24PCM-24制式制式每路码速率：每路码速率：64kbit/s64kbit/s基群码速率：基群码速率：1544kbit/s1544kbit/s帧周期帧周期 125 s(193bit)第第1路路第第2路路第第24路路F比比特特第第1路路第第2路路第第24路路F比比特特n T T体系的一次群结构体系的一次群结构363.6 时分复用PCM-24制式帧周期 125s第1路3.6 时分复用时分复用n同步数字体系同步数字体系(SDH)nSDH基本概念基本概念nSDH是针对更高速率的传输系统制定出是针对更高速率的传输系统制定出的全球统一的标准。的全球统一的标准。n整个网络中各设备的时钟来自同一个整个网络中各设备的时钟来自同一个极极精确精确的时间标准（例如铯原子钟），没的时间标准（例如铯原子钟），没有准同步系统中各设备定时存在误差的有准同步系统中各设备定时存在误差的问题。问题。383.6 时分复用同步数字体系(SDH)383.6 时分复用时分复用n SDH的速率等的速率等级n 目前目前SDH制定了制定了4级标准，其容量（路数）级标准，其容量（路数）每级翻为每级翻为4倍，而且速率也是倍，而且速率也是4倍的关系，在倍的关系，在各级间没有额外开销。各级间没有额外开销。等等级比特率比特率(Mb/s)STM-1 155.52STM-4 622.08STM-162488.32STM-649953.28393.6 时分复用 SDH的速率等级等级比特率(Mb/s)S本章小结本章小结n 主要内容和要点：主要内容和要点：3.1 低通和带通模拟信号均匀抽样定理低通和带通模拟信号均匀抽样定理 3.2 量化（均匀量化和非均匀量化）量化（均匀量化和非均匀量化）3.3 PCM基本原理、基本码型；基本原理、基本码型；编码规编码规 则；编译码；则；编译码；3.4 ADPCM的原理和性能的原理和性能 3.5 增量调制的原理和量化噪声分析；增量调制的原理和量化噪声分析；CVSD调制原理调制原理 3.6 时分复用、复接、时分复用、复接、E体系和体系和T体系速率体系速率40本章小结 主要内容和要点：40低通抽样定理低通抽样定理设一个连续模拟信号设一个连续模拟信号x(t)中的最高频率中的最高频率 fH，则以间隔时间为，则以间隔时间为Ts 1/(2fH)的周期性冲激的周期性冲激脉冲对它抽样时，脉冲对它抽样时，x(t)将被这些抽样值所完将被这些抽样值所完全确定。全确定。41低通抽样定理设一个连续模拟信号x(t)中的最高频率 fH带通抽样定理带通抽样定理 一个频带限制在（一个频带限制在（fL，fH）内的时域连）内的时域连续信号续信号x(t)，信号带宽为，信号带宽为B=fH-fL，令，令N为为不大于不大于fL/B的最大正整数，如果抽样频率的最大正整数，如果抽样频率fs满足满足则可以由抽样序列无失真地重建原始信号则可以由抽样序列无失真地重建原始信号x(t)。42带通抽样定理 一个频带限制在（fL，fH）内量化的概念量化的概念n 量化的分类量化的分类n 均匀量化：均匀量化：量化间隔是均匀的；量化间隔是均匀的；n 非均匀量化：非均匀量化：量化间隔是不均匀的。量化间隔是不均匀的。n 量化分层电平、量化范围、量化间隔、量化分层电平、量化范围、量化间隔、量化级数、量化信噪比等概念量化级数、量化信噪比等概念n 均匀量化的量化噪声功率：均匀量化的量化噪声功率：量化器量化器x(kT)xq(kT)43量化的概念 量化的分类 均匀量化的量化噪声功率：量化器x(k量化噪声和非均匀量化量化噪声和非均匀量化n 减少量化噪声的方法减少量化噪声的方法n 增加量化级数：增加量化级数：增加码位数，要求系统带增加码位数，要求系统带 宽增大；宽增大；n 压缩扩展技术：压缩扩展技术：提高小信号的量化信噪比。提高小信号的量化信噪比。n 非均匀量化：非均匀量化：A A律律1313折线编码原理及其编折线编码原理及其编 码过程；码过程；A A律律1313折线线性码和非线性码间折线线性码和非线性码间 的关系。的关系。n 差分脉冲编码调制和增量调制差分脉冲编码调制和增量调制44量化噪声和非均匀量化 减少量化噪声的方法 差分脉冲编码调制和电话信号的编码器电话信号的编码器将双极将双极性信号性信号变成单变成单极性信极性信号号正时为正时为“1”，负时为，负时为“0”45电话信号的编码器将双极性信号变成单极性信号正时为“1”，负时思考题：思考题：1）信号带宽是怎样确定的？）信号带宽是怎样确定的？2）数字基带信号有哪些常用的形）数字基带信号有哪些常用的形 式？各有什么特点？式？各有什么特点？作业：作业：3-1146思考题：作业：3-1146