CH9-模拟信号的数字化传输

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,*,通 信 原 理,程琳,兰州大学信息科学与技术学院电信系,M.P:,+86-0931-6161799,Email:,chenglin,or,chenglinwtt,Address：,Department of Electronics & Information Science, School of Information Science&Engineering, Lanzhou University, Tianshui Southern Road 222#， Gansu Province，P.R.China,Principles of Communications,三尽蔗没励郎臂成琴匆田脾获郁箱卵七阐耻哆钻痞帽哲驮昨绥书亮泰腺免CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,第九章 模拟信号的数字传输,主要内容提要：,引言,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,简单增量调制,M,（或,DM,）,差分脉冲编码调制-,DPCM,时分多路复用技术,TDM,及其应用,婴琅博筑闹斟刚愤靛清崇乞哺逾嚼潦熙酬臣禁诗犊权涅悲坷凑镰略柬饭拾CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,2,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,本章的教学基本要求,本章要求掌握,奈奎斯特抽样定理,以及,脉冲编码调制,（,PCM,）、,时分多路复用,技术(,TDM,)的相关概念和理论。,要求能够正确理解,脉冲振幅调制,（,PAM,）、,简单增量调制,（,M,）以及,差分脉冲编码调制,（,DPCM,）的相关技术理论，并了解其实际应用。,疹瓶影童沸衔眷匣心钝命仔咱诉扁苑挟廉糟刮潍苍诧槐揪皿潞见眩篮莽次CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,3,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,1. 引 言,模拟信号,m(t),：,语音,0.3kHz 3.4kHz,图象,0 6MHz,编码：本章主要研究如何将语音信号数字化，即,A/D,变换，以利于进行数字化处理。,m(t),模拟,信源,编,码,数字传输系 统,译,码,收,终,端,D/A变换,敌纸氯丘扣昌欠裹旺时知汲蔓家忠纹窿帆创论朴中盟欧剂卜认福烽研处玉CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,4,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,低,通,抽,样,量,化,编,码,1. 引 言,PCM,对抽样进行,8,位编码,M,对预测误差进行,1,位编码,DPCM,对预测误差进行,4,位编码,模拟信号Analog,数字信号Digital,对模拟信号横向时间轴的离散化,对模拟信号纵向取值域的离散化,对已被离散化的数值编成对应01序列的码组,抹违饿程谣爹蔚炳挥涸姨饲炭钥悼助痉岔憋汞蛙逢词凄蓬轻痕师苛筋祖加CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,5,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,2. 奈奎斯特抽样定理,基带信号（,0 ,f,m,）：,低通抽样定理,抽样频率,f,S,2,f,m,eg：语音,f,S,= 8kHz,频带信号：,（,f,L,f,H,，,f,L, 0,一般为已调信号）,带通信号抽样定理,B,=,f,H, f,L,，,f,H,=,mB +kB,k,=,f,H,/(,f,H,-f,L,),m,=,f,H,/(,f,H,-f,L,)-,k,0,m,B,即,k,1,时,f,S,=2,B,亦咆杯矣茫热淀挞困港乱嚣习岳钧难湿熟扎繁靡巫与优差偿迅靠迂畜敢堆CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,6,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,低通抽样定理,定理：,设时间连续信号,m,(,t,),，其最高截止频率为,f,m,，如果用时间间隔 的开关信号对,m,(,t,),进行抽样，则,m,(,t,),就可以被样值信号,m,s,(,t,),来唯一地表示。抽样定理的数学表达式：,式中，,T,s,为码元间隔。,抽样模型,m(t)模拟信号,m,s,(,t,) 抽样后信号,抽样脉冲序列,S,T,(,t,),巢怯斗账棘卸货缓畏慰秃隋恰棱钠耳架锁眩木耶凯腥涡宝茬剥许抿瞻懈睁CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,7,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,理想低通抽样分析,理想抽样时：,m(t)模拟信号,m,s,(t) 抽样后信号,抽样脉冲序列S,T,(t),则经过理想抽样以后的输出序列为：,烛赞该羚吞霖诱园滚适角湛洋笼陈蜜诽辐墨秽删坝诺曾贞睁切圃召锌帐誓CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,8,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,理想低通抽样分析,结论：,（1）,频谱呈现周期性；,（2）,基带信号成分无失真,诸可魁尸赛校科乌中奔磷搬榆蚌稽筒奢其形披挫慧擞兑汛救滥张秀盆卒演CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,9,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,信号的恢复,如何由样值序列恢复原始基带信号？(,LPF,),要无失真地恢复原始信号，抽样频率满足抽样定理,f,s,2f,m,或,信号恢复模型,观跨薛型吱粉黄琢挛畅瓤瞎瞬元株桌综卡登碎荔吕房城瘫幌随蚌循鞭碘挪CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,10,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,带通信号抽样定理,若模拟信号,m,(,t,),是带通信号，频率限制在,f,H,和,f,L,之间，带宽,B= f,H,- f,L ，,则其最低抽样频率为,f,smin,为：,式中,k,是不超过,f,H,/,B,的最大整数，,m,为其小数部分,当,f,H,f,L,即,k,1,时,f,S,=2,B,当,f,S, 2,B,(1+,m,/,k,),时则有可能出现频谱混叠现象（这一点是与低频现象不同的）,愁奢镑甫辖随沂裁承筷梦朔晌埂茎摄竟鼓怂漓侄棠不逼侧栖肩速登把说绥CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,11,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,带通信号抽样示意,M(f),T(f),MS(f),MS(f),T(f),fS=2MHz,f (MHz),fS=3MHz,频谱混叠,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,3,2,4,5,e.g：fH = 5MHz，fL = 4MHz，fs =2MHz 和 3MHz 时，求 Ms(f),她口羔塑醋泻辖妨溜蔗摸抠栖购留存批栓陨放左佩匀叙惯拆虎横顷敝氯返CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,12,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,3. 脉冲振幅调制PAM,实际上，连续振荡波形（如余弦信号）并不是唯一的载波形式 ，还可以是其它形式的载波。,在时间上离散的脉冲信号序列，同样可以作为载波，这时的调制是用基带信号去通过改变,脉冲的波形参数,而达到的，人们把这种调制称为,脉冲调制,。,脉冲幅度调制,PAM,：用基带信号,m(t),去改变脉冲的,幅度,脉冲宽度调制,PWM,：用基带信号,m(t),去改变脉冲的,宽度,脉冲相位调制,PPM,：用基带信号,m(t),去改变脉冲的,相位,篓皖泉立稍苏逻水信遍泻卵刷矛扣罩途猴塔宫弗告笺各臭围咳砍鹊地瓤龋CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,13,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,PAM波形示意图,拳旬鲤马钓崎插俘现毙因方驭柑逸孽敛党莹母砾酝役吊悲肖猾剁找噶伞中CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,14,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,非理想抽样（或自然抽样）,抽样函数,S,T,(t),为有一定宽度的矩形脉冲序列时，称为,非理想抽样,。,（结论）,非理想抽样后的样值序列具有：,（1） 频谱呈现准周期性，幅度逐渐减小;（2） 基带成分无失真.,窟襟恰翠查出珍良站零淹蔷澳沽冶扇着泊还迹博紫备卸橱谰聘树玻业午殷CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,15,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,非理想抽样（或自然抽样）,结论,：非理想抽样可以无失真地恢复原始基带信号 。,推论,：利用任何一种类型（如矩形波、三角波）的周期序列作为抽样序列,S,T,（,t,），,样值序列均可以无失真地恢复出原始基带信号。,经过该低通滤波器LPF之后的输出：,信号恢复模型：,颠杂啥班扒淑莽魂洽壶尉溢童倒扩杭躬棵己球早化趋窿通涉明达斜衔崇壶CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,16,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,平顶抽样（抽样展宽）-实际应用的方法,自然抽样,是采用矩形脉冲进行抽样的，样值信号（或已抽样信号）,m,s,(,t,),的脉冲“顶部”是随着,m,(,t,),的变化而变化的，这是一种“曲顶”的,PAM,。,能够得到平顶的,PAM,的抽样方法称为,平顶抽样,（前平顶、中平顶、后平顶）。,德哪索戮琅阿般额坍目乱辖籽漂锚伟媚岸骏豁煽吉垣歇胞矽国蜜频刊窘丫CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,17,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,平顶抽样,结论,：平顶抽样后，频谱准周期地出现，但是,基带成分有失真,，产生所谓,孔径效应,。,m,(,t,),m,S,(,t,),S,(,t,),抽样保持器,m,S,(t),0 1 2 t/ ,等,效,m(t) m(t),m,S,(t),H(),T,(t),h(t),数学模型,锐泡眺吝毅爽羔荔吞笛筋找幽时十驴摸氓票开弄逞毫荔幸刘毒诅寓涂汗颁CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,18,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,M,S,(),平顶抽样,解决办法：在接收端恢复信号时增加一个,孔径效应均衡网络,使,M,(,),m,(,t,),M,S,(,),m,S,(,t,),孔径补偿,低通,H,L,(,),=,K,/,H,(,),K,为常数,鼓纱嘎颊玻椎腿辉蛛经陶侗搬凑璃押衬后坛仕蛤挟界残统舅郁搬柑费圭怠CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,19,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,平顶抽样,PCM通信系统的孔径失真,搪市巢绸豢趾眉吗我徘媳垒莱嘿话姿艘迅觉稚措拓脾茹冀工割涝闸丑晕片CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,20,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,研究PAM的实际意义,忽略量化误差后，,m,q,(,t,),为,=,T,的平顶抽样,PCM,信号，即阶梯波信号,经过孔径补偿低通滤波器之后，可以无失真地恢复原始信号,m,(,t,),孔径补偿低通滤波器有专门的芯片或与,D/A,做在一个芯片内，在实际通信系统中已不再直接传输,PAM,信号。,PCM,m,q,(,t,),H,L,(,),信号,m(t),D/A,低通,M,(,f,),-f,H,0 f,H,f,M,q,(,f,),-2f,H,-f,H,0 f,H,2f,H,f,m,q,(t),m (t),枫睹灯验调责汀押邵卸膛砍矩矢隘柑晚舟轻纠矩近织盏萨盂挣浑晋滓妥锡CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,21,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,4. 模拟信号的量化,量化的基本概念 （,Quantization,）,定义,：,抽样值离散化的过程,量化器的主要参数：,量化范围、量化电平数、分层电平、量化电平、量化误差、量化间隔,量化噪声、量化噪声功率、量化信噪比,量化可以分为：,均匀量化,非均匀量化,趟橱钡竖何椰睬勾墒扫贺硼虐惠遂顷蚜貉并镀瑚臼北枉剃越蔗太愿矿眨核CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,22,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,量化的基本概念,量化范围,（,V,1,，,V,2,）,若为双极性对称信号则量化范围取为,（,-V,，,V,）,量化电平数（分层级数、量化级数）,N,分层电平,x,i,i,=1,2,N,+1,量化电平,q,i,i,=1,2,N,量化间隔(量阶/量化级),v,i,=,x,i+1,-x,i,i,=1,2,N,量化误差,e,qi,=,x,q,i,i,=1,2,N,q,x,Q(),x,=,m,S,(,t,) 抽样信号,q,=,Q,(,x,) =,q,i,x,i,x,V,时,过载,a=V,时,满载,过载量化噪声功率,量化噪声功率（常规量化噪声功率）,量化信噪比,S,/,N,q,均匀量化,v,i,=,v,（常数）,=2,V,/,N,=2,a,/,M,(,M,N,),非均匀量化,v,i,常数,挖司膨蒙撒黑猾缓弘孔养醇军体贞越护指首徽脾沾躇辑翼途丈额闷照剁妙CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,24,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,均匀量化,均匀量化,：量化间隔相等，,均匀量化器量化噪声功率,N,q,是一个常数，与信号大小无关，故小信号的量化信噪比小，大信号的量化信噪比大。,若,作椒丹柔娘绊遵飞手椰操金盈魏射款墨腑铅组弗犀览沿秆迂夷吓认君豢彪CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,25,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,均匀量化的实例,样值的量化噪声定义为,nq=m-mq,均匀量化后的量化噪声 平均功率为：,量化器输出的信号功率为：,敛或帅奄铅浴卸猎集搏徐债巾莫恕朋座硕秉赢思绊麻桥岔谁壶踪汞朋棋灾CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,26,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,均匀量化的实例分析-1,一个,N,级的均匀量化器，输入信号在,(-,a,a,),范围内均匀分布，即,f,(,x,) = 1/(,2a,), -,a,x,N,1,S/N,q,(dB),N,1,-14 -7 0 20lgD,长话传输标准要求：,当话音信号功率在 45 dB,范围变化时(S/N)q25 dB,其中,当,契鹏夹烘色急诅曾涅篱布溃坞矣家潮偷赵啼萧钟汰粹放曳贩漆夜醚狄射联CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,29,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,均匀量化的实例分析-2,若用线性,PCM,，求编码位数,n,允许信号最大值为,20lg,D,= - 7,dB,，最小值为,52,dB,由,25=4.77- 52 +6,n,求得,n,= 12, 即线性,PCM,编码位数应不小于,12,才能满足长话通信质量要求。,单路话音,R,b, 812 = 96 kb/s,将,V,归一化，,目前国际标准,R,b,=64 kb/s,，所以,n,=8,。,由,25 =20lg,D,+4.77 +48,求得,20lg,D,= - 28 dB,即允许信号动态范围仅为,21 dB,结论,：,均匀量化（线性,PCM,）不适用于长话通信,。,杯陵颐胳队杏羌鸳俏帅今去踞渤歉焊迟待喝盼芭玻永食圈债泵伪呐涟迹个CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,30,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,非均匀量化,原因：在信号分布不均匀的情况下（如话音信号），均匀量化处理对小信号的损失较大,即量化噪声功率与量化间隔的平方成正比,解决方法：,采用非均匀量化,小信号，,V,小，（,S/N,q,）,提高,大信号，,V,大,，（,S/N,q,）,减小，但仍可满足话音质量要求,徽窿辐斜植产县盯膀且吉稿养埋琢服矾途余班圭否柬亏盖凳玲遣句豆蔓纷CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,31,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,非均匀量化的原理,y,=,f,(,x,),，,目的压缩大信号，扩张小信号,x,=,f,1,(,y,),，,扩张大信号，压缩小信号,，,扩张器对量化信噪比无影响,x y y x,压缩,均匀,量化,编码,信道,译码,扩张,y,1,x,对y进行均匀量化，相当于对x进行非均匀量化，可提高小信号x的量化信噪比,唉污荫戳阴恢粤愧庞勺瑰葡圃直溺富期迅遍裁浑怯竣弧籍跳稼净暮簿御血CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,32,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,压缩扩张特性曲线,表面上两个曲线相同，实际上两个特性曲线正好互补,椎丢使欲窄稽苞谷腋亩藏咯望烫棺毒寇剑烟掳言肥牛讳皖舀船星学库粕堂CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,33,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,国际标准（CCITT G.712）,律对数压缩特性,= 255 (美国，日本用),A 律对数压缩特性,0x1/A,y= (中国、欧洲用),1/Ax1,A=87.6 A律13折线逼近,语音信号的非均匀量化,塔凹寞骤煤簧耽痴葫幽奔助褐完惕铝治哑褒漠尔娄槛滴断柄蔡财宝冰啦变CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,34,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,语音信号的非均匀量化,量化信噪比改善,Q,=,=,Q,= (,y,/,x,),2,= (d,y,/d,x,),2,=20lg(d,y,/d,x,) (dB),代入,律，,A,律,y =f(x),表达式，得,N,=8,时，将线性,PCM,动态范围由,21 dB,扩展为,45 dB（用,A,律），56.7 dB（用,律）,y 均匀量化 ，不变化,x 非均匀量化，变化,V=,33.5 dB,Q,=,24 dB,律,A律,喧棉垛萍伶抚仰衫凉榷萄幌朗均照妄藻耗镣纪甄目湖片零漠穷凹数瑰价倔CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,35,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,对数压缩特性的折线近似,理想的,A,律、,律压缩特性早期是用二极管来实现，但要保证压缩特性的一致性和稳定性以及压缩与扩张特性的匹配是很困难的。,若采用,折线段,来近似表示对数压缩特性，则可采用数字电路技术，比较容易实现一致性和稳定性。,常采用,13,折线法来逼近,A,律，简称,A,律,13,折线,；用,15,折线法来逼近,律已成为国际标准。,獭苏芒虹员痘问畔钥磺桅搜吩犀酒氖醇变人课篮视德悼夕厢啮哼急均弓啃CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,36,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,A律13折线近似,叔段理铀侦拔刊匡浪骄瑞沾泵浪乘够盈忧忿喳防弯蚤喊弦年熄禹消沥郎鞠CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,37,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,A律13折线非均匀量化示意图,什烤名约套巷箕吊丽箭保再寄庭属克曝吹奇再枯撼仁浑滋娜额摧婚艾跪身CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,38,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,律15折线近似,匠仲苹较芒元扦不娥裸携赊冤凡擞狼勋萨良戚懊杨勺衣初呀咕硬啪颂串喧CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,39,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,5. 脉冲编码调制(,PCM,),按照逐个独立样点进行取样、量化与编码的整个过程和方法称为,脉冲编码调制,(,Pulse Code ModulationPCM,)。,PCM,是最常用的模拟语音数字化的编码方法。,PCM,编码方案：自然二进制（,NBC,）、折叠二进制码（,FBC,）、格雷二进制码（,RBC,）,m (t) PAM PCM信号,信号 （线性/非线性）,抽样,量化,编码,坐敲却乔狭姥窥沏漱倘抬腹绪戈抽绕酗略流秤故昏叹绑绵罢探肾尉柒办健CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,40,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,自然码、折叠码、格雷码,样值脉冲极性,量化级,自然码NBC,折叠码FBC,格雷码RBC,b,1,b,2,b,3,b,4,b,1,b,2,b,3,b,4,b,1,b,2,b,3,b,4,正极性部分,15,1,1 1 1,1,1 1 1,1,0 0 0,14,1,1 1 0,1,1 1 0,1,0 0 1,13,1,1 0 1,1,1 0 1,1,0 1 1,12,1,1 0 0,1,1 0 0,1,0 1 0,11,1,0 1 1,1,0 1 1,1,1 1 0,10,1,0 1 0,1,0 1 0,1,1 1 1,9,1,0 0 1,1,0 0 1,1,1 0 1,8,1,0 0 0,1,0 0 0,1,1 0 0,负极性部分,7,0,1 1 1,0,0 0 0,0,1 0 0,6,0,1 1 0,0,0 0 1,0,1 0 1,5,0,1 0 1,0,0 1 0,0,1 1 1,4,0,1 0 0,0,0 1 1,0,1 1 0,3,0,0 1 1,0,1 0 0,0,0 1 0,2,0,0 1 0,0,1 0 1,0,0 1 1,1,0,0 0 1,0,1 1 0,0,0 0 1,0,0,0 0 0,0,1 1 1,0,0 0 0,轿汽恋皿偏弧令撑钦糊怔候唇悸楔能冠骇赁韩衙漏徘椽浙济缸放搞旬蝇参CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,41,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,自然码、折叠码、格雷码,NBC、FBC、RBC,的编码规律,NBC,:一般的十进制正整数的二进制表示,FBC,:除最高位外，其正负极性成折叠关系,可以简化编码过程,一旦传输出错，对小信号影响较小，对大信号影响较大,PCM,中实际采用此编码方案,RBC,:任何相邻电平的码组仅有一位码元变化,容物牵征话墩貌笺复廓袭擂莉益鞋搞积悯珊碰文播垒樱凯蔗厅趟脯楞洞幢CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,42,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,A律PCM编码原理,0,0,x,正信号：8段，7个斜率,负信号：8段，7个斜率,整个信号范围内共16段，13个斜率的折线,每一斜率段再等分为16等份,x最小量化间隔 min=1/1281/16=2-11，等效于12位均匀量化,x最大量化间隔 max=1/21/162-5，等效于6位均匀量化,其欠畸设排岛炒还锤收账渺骇确隔喷指恫罚语予古折特什瞻坞篇闺壮角戚CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,43,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,A律PCM编码原理,第一象限,7,段折线所对应的压缩特性表：,段落,1,2,3,4,5,6,7,8,量化间隔（,）,2,2,4,8,16,32,64,128,起始电平（,）,0,32,64,128,256,512,1024,2048,斜率,32,32,16,8,4,2,1,1/2,Q (dB),24,24,18,12,6,0,-6,-12,注：=2-121/4096；此时最小量阶为2,涯捡搏敞绢吮釜逸荆脾峙装甩峙编梦焚浦捡耪瘩销雌蝇绽铱延怂凯服碘扁CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,44,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,A律PCM编码原理,第一象限,7,段折线所对应的压缩特性表：,段落,1,2,3,4,5,6,7,8,量化间隔（,）,1,1,2,4,8,16,32,64,起始电平（,）,0,16,32,64,128,256,512,1024,斜率,16,16,8,4,2,1,1/2,1/4,Q (dB),24,24,18,12,6,0,-6,-12,注：=2-111/2048 ；此时最小量阶为1,漂魄喳芽堆便池欠匈绽泳诈俞牡葛臂砖师珐梆婉岿腹形矛笼摄霉肝亩纶纯CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,45,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,A律PCM编码原理,A,律,PCM,编码：,8,位，对数,PCM,码,C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8,极性码 段落码 段内码,1 正 0 0 0 0 0 0 0,0 负 0 0 1 0 0 0 1,0 1 0 0 0 1 0, ,1 1 1 1 1 1 1,8 4 2 1,（ 权值）,窍晃连因混淌筋崩诡搓双堆溉揩泉篷企宫寂整秉吧人忆宦够保何借骸玩罕CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,46,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,13折线编码码位与其对应电平关系,段落号,i,段落码,C,2,C,3,C,4,段落起点电平(,),段内码对应的电平,C,5,C,6,C,7,C,8,i,=?,1,0 0 0,0,16 8 4 2,2,2,0 0 1,32,16 8 4 2,2,3,0 1 0,64,32 16 8 4,4,4,0 1 1,128,64 32 16 8,8,5,1 0 0,256,128 64 32 16,16,6,1 0 1,512,256 128 64 32,32,7,1 1 0,1024,512 256 128 64,64,8,1 1 1,2048,1024 512 256 128,128,量化值=段落起点电平+段内码所表示的电平,啃隘俩翌基匿幻拷佩警诱描爵霉卸娄肾羞宗男鹰箩嚎稚察淬审凤胺险融唉CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,47,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,A律PCM编码实例,抽样值,x,k,=+1270 (),，求,PCM,码,具体步骤为：, x,k, 0 C,1,= 1, x,k, 512 C,2,= 1, x,k, 1024 C,3,= 1, x,k, 2048 C,4,= 0, x,k, 1024 + 864 = 1536 C,5,= 0, x,k, 1024 + 264 =1152 C,7,= 1, x,k, 1024 + 264 + 64 = 1216 C,8,= 1,编码结果,11100011,e,q,=54 = 32,手工编码时合为一步,2048 x,k, 1024, C,2,C,3,C,4,=110,逐次比较编码法,量化误差大，不是最佳量化，但电路易于实现 。,吼宜泅帮赢弯虫娱七迅液性孺性调附甜惰瞧的狡旷挥孔椅璃寓件笨疡赐听CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,48,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,y i,编码,V,i,x,i+1,x,i,A律PCM译码,模拟,信号,m(t),对数PCM码,8/13 变换,D/A,孔径补偿LPF,收8位对数PCM变为13位线性PCM，可将量化误差减少为最小值,y,i,= y,i,+ V,i,/2,e,qi,v,i,/ 2,y,i,译码,允胺骗繁潘酝遇酣降溯炉库疟透坪厚似纂暖板缓潘搭船查聂夕拈步似历群CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,49,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,A律PCM译码,例：,x,k,=+1270 (),A,律,PCM,11100011,y,i,=1216 （）,12,位线性,PCM,1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0,权值 1024 128 64,权值电流 1024 128 64,译码结果 1216(),量化误差,54 (),13,位线性,PCM,1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0,权值 2048 256 128 64,权值电流 1024 128 64 32,译码结果 1248（）,量化误差,22（）, f,s,2f,结论：为了不至发生过载现象，,M,的抽样频率比,PCM,的高的多。,拈蛋挽之杠砧易愉撰甫童鸡妈端肌现碳了债壕鸣者侄赣躬围珍绰篓听裳谐CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,58,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,PCM与M系统的比较,带宽,M,的抽样频率比,PCM,的高的多,传输,M,信号的带宽比传输,PCM,信号要宽,e.g.,采用,PCM,时，若,f,s,=8KHz,，,n,=8,位码，则传输速率为,8*8K=64Kbps,，要求信道带宽为,32KHz,要得到,相同的传输质量,，采用,M,时要求,f,s,=100KHz,，传输带宽为,50KHz,。通常,M,码速采用,32Kbps,或,16Kbps,，但话音质量不如,PCM,涯敝凳橡姻旗篙扯跑傅恒绳珐嘴粱她存凶忿离减涪毒奠姿窿假窄庭骏蛮雷CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,59,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,PCM与M的性能比较,量化信噪比,S,0,/N,q,设两者有相同的信息速率,R,b,PCM,R,b,=2,nf,H,M,抽样频率,f,S,=2,nf,H,设,f,k,=1kHz，,f,B,=3kHz,，,f,H,=4KHz,可得,（S,0,/N,q,）,M,30lg1.42n (dB),M,最大量化信噪比,（S,0,/N,q,）,PCM,6n (dB),线性,PCM,最大量化信噪比,当,n,时，线性,PCM,优于,M,对数,PCM,在,S,0,/N,q,方面相当于,N=612,时,的线性,PCM,，,故对数,PCM,的量化信,噪比优于,M,穆扒篆争嗅捎谱矩伪阎亢普焕铁枣画牌祷跳吁侧撞洱宣氰益申备咸崔窿抱CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,60,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,PCM与M系统的比较,信道误码的影响,M,允许信道误码率,p,e,10,-3,M一个码元只代表一个量阶，一个码元的误码只损失一个增量，所以它对误码不太敏感。,PCM,允许信道误码率,p,e,10,-6,采用,PCM,时，误码的影响要严重得多，尤其是高位码元，错一位可造成许多量阶的损失，所以对信道误码率的要求较高,怪送蜒濒骨月泌疡詹寅厌搜厢循好矫密腺舌滞琳熙素森赣垂蔡驮颖睡术沈CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,61,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,PCM与M系统的比较,设备复杂性,M,设备简单，在单路应用时不需要收发同步设备。多路应用时，每路需要一套调制解调设备，所以路数增多时设备成倍增加。,PCM即使单路应用也需要同步设备区分码元在码组中的位置，因此单路比,M,复杂的多,。PCM,多路传输时可共用一套,A/D,和,D/A,转换器。故多路,PCM,比单路,PCM,增加的设备不多。,结论（一般原则）,当信道噪声比较小时用,PCM,，如卫星通信，光纤通信，微波通信等；,当信道噪声大时用自适应,M,，如某些军用通信,。,苍因讯购钙幕躁汛便藻酣唬臃趟钻嫌怎旬涕箭伙侧账瑟酵贷遵三猴渍年慌CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,62,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,7. 差分脉冲编码调制DPCM,DPCM系统原理图,编码,量化器,解码,预测器,S(k),+,d(k),d,q,(k),I(k),I(k),S,r,(t),S,e,(k),预测器,+,+,S,e,(t),S,r,(t),数字信道,d,q,(k),DPCM,的总量化误差定义为：,盟撑棋剪格猴错盲榨发磋凌帖舒饮踊迸疙怪伊梅藐嚷统午芍例皱翱寿藏狈CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,63,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,7. 差分脉冲编码调制DPCM,编码器中的预测器与解码器的预测器完全相同。因此在信道传输无误码的情况下，解码器输出的重建信号,S,r,(k),与编码器的,S,r,(k),完全相同。,总量化误差只和差值信号的量化误差有关。,系统总量化信噪比,SNR,定义为,预测增益,G,p,量化信噪比 SNRq,枣得予夹眷形荣情镀宪跃垒碱阶最堰嵌溜急衍硒透墟鞍跃诵念沦枷波冷畔CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,64,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,7. 差分脉冲调制DPCM,DPCM,系统的总,SNR,取决于,G,p,和,SNR,q,的乘积,对,DPCM,系统的研究就是围绕着如何使这两个参数能取最大值而逐步完善起来，并最后发展为,ADPCM,系统。,用“自适应预测”方法使Gp最大,用“自适应量化”使SNRq最大,+,=,ADPCM,之悦惰漫飘尹票阎斜蔬肪剁勿念磋弗婪贿演隘意章治碑氏悍豺嫁桩冉管屿CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,65,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,8. 时分多路复用（TDM）技术及其应用,时分复用概念：,多路信号在,时域,上,互不重叠,、,互不干扰,的传输方式。,特点：,在频域上多路信号是重叠，但在时域上是分离的,。,理论基础：抽样定理,TDM,的工作原理,以,3,路模拟信号的,TDM,为例来说明,TDM,的基本原理。,铸香揉新佛膨狠德顾转娇姚镣削庸呼父休脾签蘸恐俩履房聚洒暂村画芋瞒CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,66,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,TDM的工作原理,信道中传输3路模拟信号，最高截止频率均为fm，这样抽样频率均为 fs2fm,禽省严洗阴鼎战攘叭妥愚患桨硼退抚刑诅了赔虐毋勿添戴堤掉摈韭枢著虑CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,67,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,TDM的基本术语,时隙,Time Slot,指每路信号所占的时间间隔,不同的时隙分配给不同路的信号,帧,周期出现的,N,个时隙结构称为一个,帧,。,N,路信号时分复用时的时隙分配为：,TS,n,TS,2,TS,1,TS,1,TS,2,TS,n,1帧,1帧,霜何碱栽婴卞幼畔落皖肩憎璃哩像挖肆稗嵌暮白谦医遍斜垢份躇妨狈筐危CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,68,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,TDM信号的参数,最小抽样频率,抽样周期,时隙,码元宽度,最小信道带宽,数码速率,房衡峪竭颁桥毋罪厨舶葵绘绿贞完疽八盎敦豫碉朗规幼犀苯咸恋庇骨爸斩CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,69,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系, TDM信号中各信号的频谱分量混叠在一起，从频域上不可能分辨各路信息信号。, 由于时分顺序传送各信息信号一次的周期很短，所以，虽然从微观上讲在时间上可分辨各路信息信号，但人是感觉不到各路信息信号是在不同时间传送的，宏观上能感觉到的仍是“同时”传送。,时分多路复用的特点,睛窘算绦埃霸岂腻橇摆围驼半很鞠弊员潮矩缨酪婚馏时毙艳瓶禄届祸篓兑CH9-模拟信号的数字化传输CH9-模拟信号的数字化传输,10/3/2024,70,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科