通信原理第6章课件

双极性基带信号双极性基带信号当当P(1)=P(0)等概时等概时 V*d=0复习复习单极性基带信号单极性基带信号当当01等概时等概时v最佳抽样时刻最佳抽样时刻应选择眼图中应选择眼图中“眼睛眼睛”张开张开最大的时刻最大的时刻；v对定时误差的灵敏度对定时误差的灵敏度，由斜边斜率决定，由斜边斜率决定，斜率斜率越大，对定时误差就越灵越大，对定时误差就越灵敏；敏；v图中阴影区的垂直高度表示图中阴影区的垂直高度表示信号幅度畸变范围信号幅度畸变范围；v噪声容限噪声容限，抽样时刻上，上，抽样时刻上，上下两阴影区的间隔距离的一半下两阴影区的间隔距离的一半。噪声瞬时值。噪声瞬时值超过了它就可能发生错误判决；超过了它就可能发生错误判决；v判决门限电平判决门限电平对应图中央的对应图中央的横轴横轴位置。位置。v过零点失真过零点失真：图中：图中倾斜阴影带与横轴相交的区间倾斜阴影带与横轴相交的区间表示了接收波形零点位表示了接收波形零点位置的变化范围，置的变化范围，即过零点畸变，它对于利用信号零交点的平均位置来提即过零点畸变，它对于利用信号零交点的平均位置来提取定时信息的接收系统有很大影响。取定时信息的接收系统有很大影响。眼图的模型眼图的模型复习复习d(t)s(t)gT(t)H()T()hT(t)hT(t)=Cn(tnTs)H()=GT()C()GR()Cn随随H()变化变化T()H()=H()则无码间串扰则无码间串扰复习复习Tsx(t)输入输入输出输出y(t)TsTsTsTs延迟单元抽头系数C-iC-1图图 5 20 横向滤波器网络结构横向滤波器网络结构误差形成误差形成C0C1Cit=0C-iC-1C0C1Ci复习复习作用：在抽样时刻上有码间串扰的波形变换成没有码作用：在抽样时刻上有码间串扰的波形变换成没有码 间串扰的响应波形。间串扰的响应波形。结论：结论：1.Ci确定滤波器性能，且确定滤波器性能，且Ci可调。可调。2.无无限限长长的的横横向向滤滤波波器器在在理理论论上上可可以以完完全全消消除除抽抽样样时时刻刻上上的的码间串扰。码间串扰。3.有限长横向滤波器降低码间串扰可行，消除不可能。有限长横向滤波器降低码间串扰可行，消除不可能。横横向向滤滤波波器器的的均均衡衡原原理理是是建建立立在在响响应应波波形形上上的的，故故把把这这种均衡称为种均衡称为时域均衡时域均衡。经济经济Ci调整准确度调整准确度复习复习 6.1 抽样定理抽样定理 6.2 脉冲幅度调制脉冲幅度调制(PAM)6.3 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM）6.4 自适应差分脉冲编码调制（自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）6.5 增量调制（增量调制（M）第第 6 章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输返回主目录第第6 章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 若若要要利利用用数数字字通通信信系系统统传传输输模模拟拟信信号号，一一般般需需三三个个步步骤骤：（1）模拟信号数字化，模拟信号数字化，即模数转换（即模数转换（A/D）；）；（2）数字方式传输；数字方式传输；（3）数字信号还原为模拟信号，数字信号还原为模拟信号，即数模转换（即数模转换（D/A）。）。说说明明：由由于于A/D或或D/A变变换换的的过过程程通通常常由由信信源源编编（译译）码码器器实实现现，所所以以我我们们把把发发端端的的A/D变变换换称称为为信信源源编编码码，而而收收端端的的D/A变变换换称称为为信信源源译译码码，如如语语音音信信号号的的数数字字化化叫叫做做语语音音编编码码。由由于于电电话话业业务务在在通通信信中中占占有有最最大大的的业业务务量量，所所以以本本章章以以语语音音编编码码为为例，介绍模拟信号数字化的有关理论和技术。例，介绍模拟信号数字化的有关理论和技术。模模拟拟信信号号数数字字化化的的方方法法大大致致可可划划分分为为波波形形编编码码和和参参量量编编码码两两类。类。波波形形编编码码是是直直接接把把时时域域波波形形变变换换为为数数字字代代码码序序列列，比比特特率率通通常常在在16 kb/s64 kb/s范围内，接收端重建信号的范围内，接收端重建信号的质量好质量好。参参量量编编码码是是利利用用信信号号处处理理技技术术，提提取取语语音音信信号号的的特特征征参参量量，再再变变换换成成数数字字代代码码，其其比比特特率率在在16 kb/s以以下下，但但接接收收端端重重建建(恢恢复复)信号的质量不够好。这里只介绍波形编码。信号的质量不够好。这里只介绍波形编码。目前用的最普遍的波形编码方法目前用的最普遍的波形编码方法 采用脉码调制的模拟信号的数字传输系统如图采用脉码调制的模拟信号的数字传输系统如图 6 1 所示所示图图 6-1模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 脉冲编码调制脉冲编码调制(PCM)增量调制（增量调制（M）。）。6.1 抽样定理抽抽样样：是是把把时时间间上上连连续续的的模模拟拟信信号号变变成成一一系系列列时时间间上上离离散散的的抽样值的过程。抽样值的过程。原理：抽样速率一定时，抽样值可重建原信号。原理：抽样速率一定时，抽样值可重建原信号。低通抽样定理：信号为低通型低通抽样定理：信号为低通型带通抽样定理：信号为带通型带通抽样定理：信号为带通型均匀抽样：脉冲序列是等间隔均匀抽样：脉冲序列是等间隔非均匀抽样：非等间隔的非均匀抽样：非等间隔的理想抽样：脉冲序列是冲击序列理想抽样：脉冲序列是冲击序列实际抽样：脉冲序列是非冲击序列实际抽样：脉冲序列是非冲击序列抽样定理抽样定理抽样抽样抽样抽样 6.1.1 低通抽样定理低通抽样定理 采样器采样器m(t)ms(t)m(t)-/2/2Tss(t)=1、采样过程、采样过程=当当采采样脉脉宽0Ts-Ts/2-/2ms(t)TsT(t)Ts采样周期采样周期模拟信号模拟信号 采样信号采样信号Ts-Tsms(t)问题问题1：采样周期：采样周期Ts为多少时，采样信号为多少时，采样信号完全完全包含包含 原信息。原信息。问题问题2：若采样信号完全包含原信息，接收端如何：若采样信号完全包含原信息，接收端如何 从采样信号中从采样信号中恢复恢复出原信号。出原信号。m(t)s(t)ms(t)2、采样数学模型、采样数学模型图 6 2 抽样过程的时间函数及对应频谱图ssT(t)=(tnTs)(6.1 1)T()=(ns)s=2fs=(6.1 2)ms(t)=m(t)T(t)(6.1 3)=m(nTs)(tnTs)(6.1 4)Ms()=M()*T()=M(ns)(6.1 5)如如图图 6 2(f)所所示示，抽抽样样后后信信号号的的频频谱谱Ms()由由无无限限多多个个间间隔隔为为s的的M()相相叠叠加加而而成成，这这意意味味着着抽抽样样后后的的信信号号ms(t)包包含含了信号了信号m(t)的全部信息。如果的全部信息。如果s2H，即即 fs2fH 也即也即 Ts (6.1 7)频谱无混叠（频谱无混叠（Ms()完全包含完全包含M()）3、抽样定理、抽样定理低低通通抽抽样样定定理理：一一个个频频带带限限制制在在(0,fH)赫赫内内的的时时间间连连续续信信号号m(t)，如如果果以以Ts1/(2fH)秒秒的的间间隔隔对对它它进进行行等等间间隔隔（均均匀匀）抽抽样样，则则m(t)将将被被所所得得到到的的抽抽样样值值完全确定。完全确定。f fs s2f2fHHTs=是最大允许抽样间隔，它被称为是最大允许抽样间隔，它被称为奈奎斯特间隔奈奎斯特间隔相对应的最低抽样速率相对应的最低抽样速率fs=2fH称为称为奈奎斯特速率奈奎斯特速率。此此定定理理告告诉诉我我们们：若若m(t)的的频频谱谱在在某某一一角角频频率率H以以上上为为零零，则则m(t)中中的的全全部部信信息息完完全全包包含含在在其其间间隔隔不不大大于于1/(2fH)秒秒的的均均匀匀抽抽样样序序列列里里。换换句句话话说说，在在信信号号最最高高频频率率分分量量的的每每一一个个周周期期内内起起码码应应抽抽样样两两次次。或或者者说说，抽抽样样速速率率fs（每每秒秒内内的的抽抽样样点点数数）应应不不小小于于2fH，若若抽抽样样速速率率fs2fH，则则会产生失真，这种失真叫会产生失真，这种失真叫混叠失真混叠失真。此时。此时不可能无失真地重建原信号不可能无失真地重建原信号。图 6 3 混叠现象4、信号恢复、信号恢复图图 6 4 理想抽样与信号恢复理想抽样与信号恢复m(t)ms(t)dT(t)理想理想低通滤波器低通滤波器ms(t)m(t)wOMs(w)wHwHT2pss频频域域已已证证明明，将将Ms()通通过过截截止止频频率率为为H的的低低通通滤滤波波器器后后便便可可得到得到M()。等效于用一门函数。等效于用一门函数DH()去乘去乘Ms()。由式（。由式（6.1 5）得到）得到 Ms()DH()=M(ns)DH()所以所以 M()=TsMs()DH()(6.1 8)内插公式内插公式内内插插公公式式说说明明以以奈奈奎奎斯斯特特速速率率抽抽样样的的带带限限信信号号m(t)可可以以由由其其样样值值利利用用内内插插公公式式重重建建。这这等等效效为为将将抽抽样样后后信信号号通通过过一一个个冲冲激响应为激响应为Sa(Ht)的理想低通滤波器来重建的理想低通滤波器来重建m(t)。由由图图可可见见，以以每每个个样样值值为为峰峰值值画画一一个个Sa函函数数的的波波形形，则则 合合成成的的波波形形就就是是m(t)。由由于于Sa函函数数和和抽抽样样后后信信号号的的恢恢复复有有密切的联系，所以密切的联系，所以Sa函数又称为函数又称为抽样函数抽样函数。6.1.2 带通抽样定理带通抽样定理图图 66 带通信号的抽样频谱（带通信号的抽样频谱（fs=2fH）低通信号低通信号fLBfs2 fH可用图可用图66负频谱负频谱-fH-fLM(w w)正频谱正频谱d dT(w w)00正，正，负，负，正，正，负，负，0Ms(w w)正正,零零正，正，负，负，f(a)(b)(c)ff负负,零零fHfL-fSfS-fS-fSfSfS2fS-2fS-fH-fLfHfLfS-fLfS+fL-fS+fL-fS-fL 当当 fs2fH时，无频谱混叠，但时，无频谱混叠，但信道利用率降低信道利用率降低了。因此，还可以降低采样速率。了。因此，还可以降低采样速率。带通均匀抽样定理带通均匀抽样定理：一一个个带带通通信信号号m(t)，其其频频率率限限制制在在fL与与fH之之间间，带带宽宽为为B=fHfL，如如果果最最小小抽抽样样速速率率fs=2fH/m，mfH/B的的最最大大整数，那么整数，那么m(t)可完全由其抽样值确定。可完全由其抽样值确定。P139，图，图671.若若 fH=nB fH为为B的整数倍的整数倍 m=n，fs=2fH/m=2B 无混叠，无空隙，恢复时采用相应带通无混叠，无空隙，恢复时采用相应带通2.若若 fH=nB+kB 0k1 m=n，fs=2fH/m=2B(1+k/n)n为不超过为不超过fH/B的最大整数的最大整数 0k1图图68 fL=B时，时，fS=4B，fLB时时，f fS S 2B2B。1、利用数字通信系统传输模拟信号步骤、利用数字通信系统传输模拟信号步骤复习复习（1）模拟信号数字化，模拟信号数字化，即模数转换（即模数转换（A/D）；）；（2）数字方式传输；数字方式传输；（3）数字信号还原为模拟信号，数字信号还原为模拟信号，即数模转换（即数模转换（D/A）2、模拟信号数字化的方法、模拟信号数字化的方法波波形形编编码码：直直接接把把时时域域波波形形变变换换为为数数字字代代码码序序列列，传传输输速率高，信号速率高，信号质量好质量好。参参量量编编码码：利利用用信信号号处处理理技技术术，提提取取语语音音信信号号的的特特征征参参量，量，再变换成数字代码再变换成数字代码，传输速率低，信号，传输速率低，信号质量差质量差。3、目前用的最普遍的波形编码方法、目前用的最普遍的波形编码方法脉冲编码调制脉冲编码调制(PCM)增量调制（增量调制（M）。）。复习复习4、抽样：、抽样：把时间上连续的模拟信号时间上离散化的过程。把时间上连续的模拟信号时间上离散化的过程。5、低通低通抽样定理抽样定理fs2fHTs=最大允许抽样间隔，它被称为最大允许抽样间隔，它被称为奈奎斯特间隔奈奎斯特间隔最低抽样速率最低抽样速率fs=2fH称为称为奈奎斯特速率奈奎斯特速率。复习复习一一个个频频带带限限制制在在(0,fH)赫赫内内的的时时间间连连续续信信号号m(t)，如如果果以以Ts1/(2fH)秒秒的的间间隔隔对对它它进进行行等等间间隔隔（均均匀匀）抽抽样样，则则m(t)将将被所得到的抽样值完全确定。被所得到的抽样值完全确定。6、信号恢复、信号恢复m(t)ms(t)dT(t)理想理想低通滤波器低通滤波器ms(t)m(t)wOMs(w)wHwHT2pss复习复习抽抽样样后后信信号号通通过过一一个个冲冲激激响响应应为为Sa(Ht)的的理理想想低低通通滤滤波波器器来来重建重建m(t)。7、带带 通通 抽抽 样样 定定 理理低通信号低通信号fLB复习复习 当当 fs2fH时，无频谱混叠。时，无频谱混叠。带通均匀抽样定理带通均匀抽样定理：一一个个带带通通信信号号m(t)，其其频频率率限限制制在在fL与与fH之之间间，带带宽宽为为B=fHfL，如如果果最最小小抽抽样样速速率率fs=2fH/m，mfH/B的的最最大大整数，那么整数，那么m(t)可完全由其抽样值确定。可完全由其抽样值确定。P139，图，图676.2 脉冲幅度调制脉冲幅度调制(PAM)定义定义 载波载波连续载波：正余弦信号连续载波：正余弦信号离散载波：离散脉冲离散载波：离散脉冲脉幅调制脉幅调制(PAM)脉宽调制脉宽调制(PDM)脉位调制脉位调制(PPM)这三种信号在时间上都是离散的，这三种信号在时间上都是离散的，但受调参量变化是连续的，但受调参量变化是连续的，因此因此也都属于模拟信号。也都属于模拟信号。分类分类脉脉冲冲模模拟拟调调制制：以以时时时时间间间间上上上上离离离离散散散散的的脉脉冲冲串串作作为为载载波波，用用模模拟拟基基带带信信号号m(t)去去控控制制脉脉冲冲串串的的某某参参数数，使使其其按按m(t)的的规规律律变化的调制方式。变化的调制方式。图 6-9PAM、PDM、PPM信号波形说明：说明：脉脉冲冲振振幅幅调调制制(PAM)是是脉脉冲冲载载波波的的幅幅度度随随基基带带信信号号变变化化的的一一种种调调制制方方式式。若若脉脉冲冲载载波波是是冲冲激激脉脉冲冲序序列列，则则前前面面讨讨论论的的抽抽样样定定理理就就是是脉脉冲冲振振幅幅调调制制的的原原理理。也也就就是是说说，按按抽抽样样定定理理进进行行抽抽样样得得到到的的信信号号ms(t)就就是是一一个个PAM信信号号。用用冲冲激激脉脉冲冲序序列列进进行行抽抽样样是是一一种种理理想想抽抽样样的的情情况况，是是不不可可能能实实现现的的。因因此此，在在实实际际中中通通常常采采用用脉脉冲冲宽宽度度相相对对于于抽抽样样周周期期很很窄窄的的窄窄脉脉冲冲序序列列近近似似代代替替冲冲激激脉脉冲冲序序列列，从从而而实实现现脉脉冲冲振振幅幅调调制制。用用窄窄脉脉冲冲序序列列进进行行实实际际抽抽样样的的两两种种脉脉冲冲振振幅幅调调制制方方式式：自自然然抽抽样样的的脉脉冲冲调调幅幅和和平平顶顶抽抽样样的脉冲调幅。的脉冲调幅。(1)概概念念：指指抽抽样样后后的的脉脉冲冲幅幅度度（顶顶部部）随随被被抽抽样样信信号号m(t)变化，或者说保持了变化，或者说保持了m(t)的变化规律。的变化规律。1.自然抽样（曲顶采样）自然抽样（曲顶采样）(2)原理框图原理框图LPFm(t)s(t)ms(t)m(t)图图 6 11 自然抽样的自然抽样的PAM波形及频谱波形及频谱模拟基带信号模拟基带信号m(t)脉冲载波脉冲载波s(t)Ts=1/(2fH)自然抽样自然抽样PAM信号信号ms(t)宽度为宽度为，周，周期为期为Ts的矩形的矩形窄脉冲序列窄脉冲序列(3)频谱关系频谱关系ms(t)=m(t)s(t)*m(t)tw ww wH H-w-wH H0M(w w)At tTts(t)tms(t)w wMs(w w)|t t2p2pt t2p2p2w2wH H-2w-2wH H0w w|S(w w)|t t2p2pt t2p2p2w2wH H-2w-2wH H0s=2H 采采样样信信号号频频谱谱由由无无限限多多个个间间隔隔为为s=2H的的M()频频谱谱之之和和组组成成。n=0的的成成分分与与原原信信号号谱谱M()只只差差一一个个比比例例常常数数(/Ts)。(5)与理性冲激采样比较与理性冲激采样比较(4)恢复恢复 低通滤波器低通滤波器 Ms()DH()=M()理想抽样理想抽样脉冲为冲激脉冲序列，信号带宽为无穷大；脉冲为冲激脉冲序列，信号带宽为无穷大；自然抽样自然抽样脉冲为周期脉冲信号，带宽有限，脉冲为周期脉冲信号，带宽有限，越大，越大，B越小越小矛矛盾盾：大大带带宽宽降降低低，但但时时分分复复用用的的路路数数减减小小，频频带带利利用用率率下降。下降。(1)概念概念2.平顶抽样（瞬时抽样）平顶抽样（瞬时抽样）基带信号基带信号m(t)冲激响应冲激响应h(t)理想抽样信号理想抽样信号ms(t)ms(t)=m(nTs)(tnTs)(2)原理框图原理框图抽抽样样后后信信号号中中的的脉脉冲冲均均具具有有相相同同的的形形状状顶顶部部平平坦坦的的矩矩形形脉脉冲冲，矩矩形脉冲的幅度即为瞬时抽样值。形脉冲的幅度即为瞬时抽样值。m(t)ms(t)d dT(t)mH(t)H(w w)脉冲形脉冲形成电路成电路TsT(t)ttm(t)tms(t)th(t)tmH(t)*=*=ms(t)=m(nTs)(tnTs)理想采样信号理想采样信号mH(t)=m(nTs)h(tnTs)平顶采样信号平顶采样信号(3)频谱关系频谱关系SM()HMs()HH()MH()一系列被一系列被m(nTS)加权的矩形脉冲序列加权的矩形脉冲序列ms(t)=m(nTs)(tnTs)mH(t)=m(nTs)h(tnTs)理想采样信号理想采样信号平顶采样信号平顶采样信号频谱由频谱由H()加权后的周期性重复的加权后的周期性重复的M()所组成所组成H()是是的函数，直接用低通滤波器恢复，必然存在失真。的函数，直接用低通滤波器恢复，必然存在失真。(4)无失真恢复无失真恢复1/H(w)MH(w)Ms(w)LPFM(w)频谱校正网络频谱校正网络均衡网络均衡网络(5)实际应用中注意的问题实际应用中注意的问题 平顶抽样信号平顶抽样信号s(t)采用抽样保持电路来实现，采用抽样保持电路来实现，IW时，出时，出“1”码码IS0，C1=1（2）确定段落码）确定段落码C2C3C4：应用量化电平应用量化电平qi为区间最小电平为区间最小电平(起始电平起始电平)（1）确定极性码）确定极性码C1：设设输输入入信信号号抽抽样样值值IS=+1260（为为一一个个量量化化单单位位，表表示示输输入入信信号号归归一一化化值值的的1/2048），采采用用逐逐次次比比较较型型编编码码器器，按按A律律13折折线线编编成成8位位码码C1C2C3C4C5C6C7C8。例例63解：解：IS0，C1=1（2）确定段落码）确定段落码C2C3C4：应用量化电平应用量化电平qi为区间最小电平为区间最小电平(起始电平起始电平)C2确定前四段还是后四段确定前四段还是后四段段落段落序号序号电平范围电平范围量化量化间隔间隔段落码段落码C2C3C41016 000216 32 001332 64 2 010464 128 4 0115128 256 8 1006256 512 16 1017512 1024 32 11081024 2048 64 111IWC2=128|IS|=1260 IWC2C2=1IWC4=1024C3=1IWC3=512C4=1|IS|IWC3|IS|IWC478段段第第8段段58段段C2C3C4=111，Is处于第处于第8段，起始电平为段，起始电平为1024。（3）确定段内码）确定段内码C5C6C7C8：确定量化级（量化间隔）确定量化级（量化间隔）段落段落序号序号电平范围电平范围量化量化间隔间隔段落码段落码C2C3C41016 000216 32 001332 64 2 010464 128 4 0115128 256 8 1006256 512 16 1017512 1024 32 11081024 2048 64 111第第8段量化间隔段量化间隔8=641024 2048 02134657810911 12 13 14 15IWC5（3）确定段内码）确定段内码C5C6C7C8：确定量化级（量化间隔）确定量化级（量化间隔）第第8段量化间隔段量化间隔8=64IWC5=段落起始电平段落起始电平+8(量化间隔量化间隔)=1024+864=1536C5=0|IS|IWC507量化量化间隔间隔1024 2048 02134657810911 12 13 14 15IWC6=1024+464=1280IWC5C6=0|IS|IWC723量化量化间隔间隔IWC8=1024+364=1216C8=1|IS|IWC8第第3量化量化间隔间隔（3）确定段内码）确定段内码C5C6C7C8：确定量化级（量化间隔）确定量化级（量化间隔）第第8段量化间隔段量化间隔8=64IWC5=段落起始电平段落起始电平+8(量化间隔量化间隔)=1024+864=1536C5=0|IS|IWC507量化量化间隔间隔IWC6=1024+464=1280C6=0|IS|IWC723量化量化间隔间隔IWC8=1024+364=1216C8=1|IS|IWC8第第3量化量化间隔间隔C1C2C3C4C5C6C7C8=1 111 0011 抽样值抽样值IS处于第处于第8段序号为段序号为3的量化级，的量化级，量化电平量化电平1216C1C2C3C4C5C6C7C8=1 111 0011 抽样值抽样值IS处于第处于第8段序号为段序号为3的量化级，的量化级，量化电平量化电平1216量化误差量化误差 12601216=44相同量化值下，求解对应的相同量化值下，求解对应的11位线性码位线性码=210+27+261216=1024+128+64=10011000000 段落段落序号序号电平范围电平范围量化量化间隔间隔段落码段落码C2C3C41016 000216 32 001332 64 2 010464 128 4 0115128 256 8 1006256 512 16 1017512 1024 32 11081024 2048 64 111简便编码方式：简便编码方式：确定极性确定极性确定段落区间、段落码、量化间隔确定段落区间、段落码、量化间隔样值电平分解，得量化级、量化误差样值电平分解，得量化级、量化误差确定量化电平确定量化电平确定确定11位线性码位线性码IS0，C1=1IS=+1260|IS|属于第八段属于第八段C2C3C4=111量化间隔量化间隔=64起始电平起始电平1024简便编码方式：简便编码方式：确定极性确定极性确定段落区间、段落码、量化间隔确定段落区间、段落码、量化间隔样值电平分解，得量化级、量化误差样值电平分解，得量化级、量化误差确定量化电平确定量化电平确定确定11位线性码位线性码IS0，C1=1IS=+1260量化级序号量化级序号量化误差量化误差|IS|属于第八段属于第八段C2C3C4=111量化间隔量化间隔8=64起始电平起始电平1024简便编码方式：简便编码方式：确定极性确定极性确定段落区间、段落码、量化间隔确定段落区间、段落码、量化间隔样值电平分解，得量化级、量化误差样值电平分解，得量化级、量化误差确定量化电平确定量化电平确定确定11位线性码位线性码IS0，C1=1IS=+12601260=1024+64+段落起段落起始电平始电平量化级序号量化级序号量化误差量化误差=1024+3 64+44C5C6C7C8=0011|IS|属于第八段属于第八段C2C3C4=111量化间隔量化间隔8=64起始电平起始电平1024量化电平量化电平=1024+3 64=1216 练习：已知抽样值为练习：已知抽样值为+397，求其，求其A律律13折线法折线法 8位编码，并表述其量化误差及相应位编码，并表述其量化误差及相应11位位 线性码。线性码。段落段落序号序号电平范围电平范围量化量化间隔间隔段落码段落码C2C3C41016 000216 32 001332 64 2 010464 128 4 0115128 256 8 1006256 512 16 1017512 1024 32 11081024 2048 64 111397=256+8 16+13C1C2C3C4C5C6C7C8=1 101 1000 量化电平量化电平=256+128=384=256+128=28+27=00110000000量化误差（量化误差（0）为为使使量量化化误误差差Vi/2，在在译译码码器器中中加加Vi/2电电路路。等等效效于于将量化电平移到量化间隔的中间将量化电平移到量化间隔的中间4.译码原理译码原理应用量化电平应用量化电平qi为区间最小电平为区间最小电平(起始电平起始电平)译码输出：译码输出：384+16/2=392人为补半个量化间隔人为补半个量化间隔量化误差：量化误差：397-392=5变小变小对应对应12位线性幅度码：位线性幅度码：6256 512 16 101IS=+397397=256+8 16+13C1C2C3C4C5C6C7C8=1 101 1000 量化电平量化电平=256+816=384=256+128=28+27=0011000000016/2=8=2310 0 1 1 0 0 0 0 0 0 00123表表68串串/并变换并变换记忆记忆根据根据C1恢复恢复原信号极性原信号极性非线性非线性线性线性加加Vi/2电路电路并行输出并行输出恒流源恒流源+电阻网络电阻网络输出相应输出相应PAM电流信号电流信号练习：收到练习：收到01010011，判断其接收电平，描述其，判断其接收电平，描述其 12位线性码位线性码段落段落序号序号电平范围电平范围量化量化间隔间隔段落码段落码C2C3C41016 000216 32 001332 64 2 010464 128 4 0115128 256 8 1006256 512 16 1017512 1024 32 11081024 2048 64 111PCM N位二进制代码表示一个抽样值，抽样周期位二进制代码表示一个抽样值，抽样周期Ts 则码元宽度为则码元宽度为Ts/N5.PCM信号的码元速率和带宽信号的码元速率和带宽抽样速率最小值抽样速率最小值fS=2fH，fb=2NfH设低通信号设低通信号m(t)，最高频率，最高频率fH，抽样速率，抽样速率fs2fH，量化电平数，量化电平数M（1）码元速率码元速率PCM码元速率码元速率fb=N/TS=fSlog2M=fsN (6.3 22)N：二进制编码位数：二进制编码位数（2）传输）传输PCM信号所需的最小带宽信号所需的最小带宽 B=NfH B=W1=1/2Tb=fb/2（奈奎斯特带宽（奈奎斯特带宽/无码间串扰最小传输带宽）无码间串扰最小传输带宽）实际采用升余弦传输实际采用升余弦传输B=fb=Nfs例：语音信号常用例：语音信号常用N=8，fS=8kHz 速率速率 fb=fsN=64kbit/s 实际应用的实际应用的 B=Nfs=64 kHz 直接传输语音信号直接传输语音信号m(t)的带宽（的带宽（4kHz）。）。接收端接收端LPF输出输出 =m(t)+nq(t)+ne(t)6.3.3 PCM系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能输出信输出信号成分号成分量化噪声引起的量化噪声引起的输出噪声，功率输出噪声，功率N Nq q信道加性噪信道加性噪声，功率声，功率N Ne e编码位数编码位数N，量化信噪比随量化信噪比随N按指数增加。按指数增加。B=NfH，所以，所以B与与量化信噪比量化信噪比可可互换互换1.仅考虑量化噪声仅考虑量化噪声M=2N，均匀量化，均匀量化，m(t)a,a均匀分布，均匀分布，M量化级，自然权二进制码量化级，自然权二进制码2.仅考虑加性噪声仅考虑加性噪声设：高斯白噪声，每一码组误码独立，每码元误码率设：高斯白噪声，每一码组误码独立，每码元误码率Pe，只考虑，只考虑1位误码。位误码。误差与位权值、码型、量化间隔有关误差与位权值、码型、量化间隔有关 M=2N，均匀量化，均匀量化，m(t)a,a均匀分布，均匀分布，M量化级，自然权二进制码量化级，自然权二进制码输入大信噪比，即输入大信噪比，即4Pe22N1时，忽略误码，只考虑量化噪声时，忽略误码，只考虑量化噪声输入小信噪比，即输入小信噪比，即4Pe22N1时，忽略误码，只考虑量化噪声时，忽略误码，只考虑量化噪声输入小信噪比，即输入小信噪比，即4Pe22N1 时，误码噪声起主要作用。时，误码噪声起主要作用。6.4 自适应差分脉冲编码调制自适应差分脉冲编码调制ADPCMPCM信号速率高，带宽大，不经济。信号速率高，带宽大，不经济。语音压缩编码技术：语音压缩编码技术：话路速率话路速率低于低于64kb/s的语音编码方法的语音编码方法。差分脉冲编码调制（差分脉冲编码调制（DPCM），），32kb/s可达到可达到PCM 64kb/s传输质量，传输质量，适合适合长途传输长途传输。6.4.1DPCM 差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制问题：问题：相邻抽样间很强的相关性。相邻抽样间很强的相关性。DPCM：对对语语音音信信号号相相邻邻样样值值的的差差值值进进行行PCM编编码码称称为为差差分分PCM（DPCM）。）。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差值。示差值。DPCM与与PCM同同信信噪噪比比时时，可可减减少少M，减减少少编编码码位位数数N，降低比特率，减小传输带宽。降低比特率，减小传输带宽。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比比显然显然优优于于PCM系统。系统。实现：实现：图6-27 DPCM系统原理框图根根据据前前面面的的k个个样样值值预预测测当当前前时时刻刻的的样样值值。对对当当前前样样值值与与预测值预测值之间的之间的差值差值量化编码。量化编码。样值样值预测值预测值差值量化电平差值量化电平DPCM的总量化误的总量化误差差nq仅与差值信号仅与差值信号en的量化误差有关。的量化误差有关。差值差值预测值预测值译码值译码值译码值译码值DPCM的总量化误的总量化误差差nq仅与差值信号仅与差值信号en的量化误差有关。的量化误差有关。(S/N)q是是把把差差值值序序列列作作为为信信号号时时量量化化器器的的量量化化信信噪噪比比，与与PCM系系统统考虑量化误差时所计算的信噪比相当。考虑量化误差时所计算的信噪比相当。Gp ：DPCM系统相对于系统相对于PCM系统的信噪比增益，称预测增益。系统的信噪比增益，称预测增益。如如果果能能够够选选择择合合理理的的预预测测规规律律，Ee2n1，通通常常Gp约为约为611 dB。DPCM与与PCM系系统统相相同同的的信信噪噪比比时时，可可减减小小量量化化级级数数，减少码位数，降低比特率，减小传输带宽。减少码位数，降低比特率，减小传输带宽。6.4.2ADPCM自适应差分脉冲编码调制自适应差分脉冲编码调制主要特点：自适应量化、自适应预测。主要特点：自适应量化、自适应预测。量化间隔量化间隔量化间隔量化间隔 随信号自适应调整随信号自适应调整 预测器系数预测器系数预测器系数预测器系数 随信号的统计特性而自适应调整随信号的统计特性而自适应调整ADPCM：有自适应系统的：有自适应系统的DPCM。6.5 增量调制（增量调制（M）PCM：编译码复杂，编译码复杂，M大，大，N大；收发端要求严格同步。大；收发端要求严格同步。M：编译码设备简单；抗噪声性能好；改进型的：编译码设备简单；抗噪声性能好；改进型的M 单路传输时不需要同步。单路传输时不需要同步。增增量量调调制制简简称称M或或DM：只只用用一一位位编编码码表表示示相相邻邻样样值值的的相相对大小，从而反映出抽样时刻波形的变化趋势。对大小，从而反映出抽样时刻波形的变化趋势。M：编编译译码码设设备备简简单单，低低比比特特率率时时的的量量化化信信噪噪比比高高，抗抗误误码码特特性性好好等等优优点点。在在军军事事和和工工业业部部门门的的专专用用通通信信网网和和卫卫星星通通信信中中得得到到了了广广泛泛应应用用，近年来在高速超大规模集成电路中用作近年来在高速超大规模集成电路中用作A/D转换器。转换器。t=Ts6.5.1 简单简单M 1.编码原理编码原理t越小，即越小，即fs越高，且越高，且足够小，足够小，m(t)m(t)m(t)0tt12t11t10t9t8t7t6t5t4t3t2t1m1(t)D Dt每每t内幅值恒定内幅值恒定相邻两个相邻两个t幅值变化幅值变化 1 特点特点m(t)阶梯波阶梯波m(t)模拟信号模拟信号s s量化台阶量化台阶 特点特点每每t内斜率恒定内斜率恒定相邻两个相邻两个t斜率变化斜率变化 1010101111110代码序列代码序列阶梯波阶梯波m(t)斜变波斜变波m1(t)2.译码原理译码原理得到得到m(t)阶梯波阶梯波1码码上升一个量阶上升一个量阶0码码下降一个量阶下降一个量阶得到得到m1(t)斜变波斜变波1码码正斜率上升一个量阶正斜率上升一个量阶0码码负斜率下降一个量阶负斜率下降一个量阶3.简单简单M系统方框图系统方框图闭环反馈电路闭环反馈电路e(t)=m(t)m1(t)相减器：模拟信号相减器：模拟信号m(t)与本地译码器输出的斜变波求差值。与本地译码器输出的斜变波求差值。本地译码器本地译码器相减器相减器e(ti)0 判决器输出判决器输出“1”码码e(ti)0 输出输出“0”码码判决器：相减结果的极性判决。判决器：相减结果的极性判决。3.简单简单M系统方框图系统方框图本地译码器本地译码器形成预测信号形成预测信号本地译码器：本地译码器：c(t)为为“1”，m1(t)上升一个量阶上升一个量阶c(t)为为“0”，m1(t)下降一个量阶下降一个量阶译码输出阶梯波译码输出阶梯波输出斜变波输出斜变波e(ti)0 判决器输出判决器输出“1”码码e(ti)0 输出输出“0”码码3.简单简单M系统方框图系统方框图e(ti)0 判决器输出判决器输出“1”码码e(ti)0 输出输出“0”码码本地译码器本地译码器滤除高次谐波滤除高次谐波M实实际际上上是是最最简简单单的的一一种种DPCM方方案案，预预测测值值仅仅用用前前一一个个样样值来代替值来代替形成预测信号形成预测信号图 6 31 简单M系统框图之二6.5.2 增量调制的过载特性、增量调制的过载特性、动态编码范围动态编码范围1.量化噪声量化噪声过载量化误差过载量化误差一般量化误差一般量化误差eq(t)=m(t)m(t)m(t)变化太快，斜率太大，变化太快，斜率太大，m(t)跟不上跟不上eq(t)eq(t)奈奎斯特速率奈奎斯特速率 与与PCMPCM系统相同的信噪比时系统相同的信噪比时 因传输的是信号增量，取值范围小因传输的是信号增量，取值范围小PCM是对样值本身编码是对样值本身编码。携带模拟信号的振幅信息。携带模拟信号的振幅信息。M是对相邻样值的差值的极性（符号）编码。是对相邻样值的差值的极性（符号）编码。携携带模拟信号的斜率信息。带模拟信号的斜率信息。1.抽样速率抽样速率2.传输传输带宽带宽M：数码率：数码率 fb=fS 最小带宽最小带宽 BM=fS (6.5 18)实际实际 BM=fS (6.5 19)PCM：数码率数码率 fb=NfS 同同样样的的语语音音质质量量要要求求下下，PCM抽抽样样速速率率64kHz，最最小小带带宽宽为为32kHz。M系统，抽样速率至少为系统，抽样速率至少为100kHz，则最小带宽为，则最小带宽为50kHz。所以所以，在达到与在达到与PCM相同的信噪比时，相同的信噪比时，BM BPCM3.量化信噪比量化信噪比N5 码率较高时，码率较高时，PCM性能优越。性能优越。相同的信道带宽（即相同的数码率相同的信道带宽（即相同的数码率fb）条件下：）条件下：4.信道误码的影响信道误码的影响M：每每一一个个误误码码代代表表造造成成一一个个量量阶阶的的误误差差，所所以以它它对对误码不太敏感。对误码率的要求较低，一般在误码不太敏感。对误码率的要求较低，一般在103104。PCM：每每一一个个误误码码会会造造成成较较大大的的误误差差，尤尤其其高高位位码码元元。故对误码率的要求较高，故对误码率的要求较高，一般为一般为105106。M 允许用于误码率较高的信道条件。允许用于误码率较高的信道条件。1 话音质量不很高；话音质量不很高；2 单路信号独用编码器单路信号独用编码器，3 设设备备简简单单，单单路路应应用用时时，不不需需要要收收发发同同步步设设备备。多多路路应应用时，话路多设备多；用时，话路多设备多；4 适适用用于于小小容容量量支支线线通通信信，通通信信容容量量小小和和质质量量要要求求不不十十分分高的场合以及军事通信和一些特殊通信中。高的场合以及军事通信和一些特殊通信中。5.设备复杂度设备复杂度PCM系统：系统：1 语音质量好；语音质量好；2 多多路路信信号号统统一一编编码码，一一般般采采用用8位位（对对语语音音信信号号），要要求求信道带宽大；信道带宽大；3 编码设备复杂编码设备复杂；4 PCM一般用于大容量的干线（多路）通信。一般用于大容量的干线（多路）通信。M系统：系统：6.改进型增量调制改进型增量调制1)增量总和调制增量总和调制 分析：分析：高频高频成分比较丰富的信号，波形成分比较丰富的信号，波形急剧急剧变化的时刻多变化的时刻多 低低频成分比较丰富的信号，波形频成分比较丰富的信号，波形缓慢缓慢变化的时刻多变化的时刻多 调制：对调制：对m(t)先积分，再先积分，再M调制，接收端解调后调制，接收端解调后 对解调信号微分。对解调信号微分。2)数字压扩式自适应增量调制数字压扩式自适应增量调制 随随m(t)斜率自适应改变量化阶梯的大小。斜率自适应改变量化阶梯的大小。例例1：已知话音信号的最高频率：已知话音信号的最高频率fm=3400Hz，今用，今用PCM系系统传输，要求量化信噪比不低于统传输，要求量化信噪比不低于30dB，试求此，试求此PCM系统系统所需的最小带宽。（信号幅值双极性均匀分布）所需的最小带宽。（信号幅值双极性均匀分布）例例2：设话音信息频率范围：设话音信息频率范围04kHz，幅度（，幅度（2.048mV,+2.048mV）内均匀分布）内均匀分布(1)若采用量化间隔若采用量化间隔=0.001mV均匀量化，试求抽样速均匀量化，试求抽样速率率fS，最小码元速率，最小码元速率fb(2)若以若以PCM传输，对其传输，对其A律律13折线量化，某时刻信号折线量化，某时刻信号抽样为抽样为+0.247mV，求，求fb，编码器输出量化误差，编码器输出量化误差(3)7位非线性幅度码对应的位非线性幅度码对应的11位线性码是什么？接收机位线性码是什么？接收机译码时的量化误差是多少？译码时的量化误差是多少？例例3：设话音信息频率范围：设话音信息频率范围04kHz，以，以PCM方式传输，若方式传输，若抽样值为抽样值为0.212V，进行，进行PCM脉冲编码调制，幅度（脉冲编码调制，幅度（4.096V,+4.096V），求：），求：(1)PCM方式传输，最小量化间隔多少？方式传输，最小量化间隔多少？(2)均匀量化时，采用最小采样速率是多少，最小传码均匀量化时，采用最小采样速率是多少，最小传码率是多少？率是多少？(3)A律律13折线量化，编码器输出什么？量化误差多少？折线量化，编码器输出什么？量化误差多少？11位线性码是什么？若均匀量化，量化误差是多少？位线性码是什么？若均匀量化，量化误差是多少？(4)接收机译码时接收机译码时12位线性码是什么？接收量化误差是位线性码是什么？接收量化误差是多少？多少？(5)PCM传码率是多少？最小系统带宽是多少？传码率是多少？最小系统带宽是多少？作业作业作业作业课后作业课后作业 61 62 63 68 610 614 6 15 616 618 619大纲要求大纲要求大纲要求大纲要求低通信号和带通信号的抽样定理；低通信号和带通信号的抽样定理；自然抽样的自然抽样的PAM和平顶抽样的和平顶抽样的PAM原理；原理；模拟信号的量化原理，均匀量化、非均匀量化，及各量化信噪模拟信号的量化原理，均匀量化、非均匀量化，及各量化信噪比；比；PCM原理，原理，13折线非均匀量化编码原理；逐次渐进型编码器折线非均匀量化编码原理；逐次渐进型编码器原理；原理；PCM系统抗噪声性能；系统抗噪声性能；增量调制原理及系统最大跟踪斜率，一般量化噪声，过载量化增量调制原理及系统最大跟踪斜率，一般量化噪声，过载量化噪声，系统抗噪声性能；与噪声，系统抗噪声性能；与PCM系统的比较系统的比较