第4章 模拟信号数字化技术

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,*,*,*,化学工业出版社,第,4,章 模拟信号数字化技术,4.1,抽样定理,4.2,量化,4.3,编码,模拟信号数字传输基本原理,模拟信源编码,模拟信源解码,数字传输,交换系统,模拟信号,模拟,信源,模拟,信宿,模拟信号,模,/,数,(A/D),变换,数,/,模,(D/A),变换,数字随机序列,10110100101101011,数字随机序列,10110100101101011,第一个例子：数字蜂窝移动通信系统,第一代,(1G),（模拟）,第二代,(2G),（数字）,第三代,(3G),（数字）,第二个例子：模拟电话接入数字公用网,数字传输,交换系统,模拟话机,2,模拟话机,1,交,换,网,络,用户,模块,交换机,模拟,信源,编解,码,脉冲编码调制（,PCM,：,Pulse Code Modulation,）技术,抽样,数字,通信系统,模拟信源,量化,编码,01101010011111110101000,重建时,间信号,解码,模拟信宿,4.1,抽样定理,低通抽样定理,带通抽样定理,低通抽样定理,问题的引出,对截止频率为,f,H,赫兹的低通信号,如何进行抽样,(,多长间隔取一个样值,),才能保证接收端可以无失真地恢复出原始信号？,定理,一个频带限制在,(0,f,H,),赫兹内的时间连续信号,x(,t,),，如果抽样频率,f,s,大于或等于,2,f,H,，则可以由样值序列,x,(,nT,s,),无失真地重建原始信号,x,(,t,),。,低通抽样定理的证明与理想抽样,x(,t,),x,s,(,t,),发送端,理想抽样,LPF,h(t,),H(,),接收端,信号重建,Ts,t,T,(,t,),t,f,s,(t,),f,F,s,(,f,),0,f,F,(,f,),1,0,-,f,H,t,f,(,t,),f,H,f,-2,f,s,-,f,s,2,f,s,0,f,s,T,(,f,),（,a,）低通模拟信号波形及其频谱,（,b,）抽样序列及其频谱结构,（,c,）抽样信号及其频谱结构,t,Ts,T,(,t,),t,f,s,(,t,),F,s,(,f,),f,0,f,F,(,f,),1,0,-,f,H,t,f,(,t,),f,H,f,-2,f,s,-,f,s,2,f,s,0,f,s,T,(,f,),（,a,）低通模拟信号波形及其频谱,（,b,）抽样序列及其频谱结构,（,c,）抽样信号及其频谱结构,信号重建波形示意图,带通抽样定理,问题的引出,对下截止频率为,f,L,，上截止频率为,f,H,的信号，如果信号带宽,B,=,f,H,-,f,L,远远小于中心频率,f,0,=(,f,H,+,f,L,)/2,，所需要的抽样频率,f,s,是否必须大于,2,f,H,?,例如对于,f,0,=100MHz,的信号，如果,B=20kHz,，所需要的取样速率为多少？,低通抽样定理：,f,s,200.04MHz,带通抽样定理：,f,s,=40kHz,0,f,H,f,L,f,f,s,2f,s,-,f,H,-,f,L,-2f,s,-,f,s,3f,s,-3f,s,B,0,f,f,s,2f,s,-2f,s,-,f,s,3f,s,-3f,s,B,3B,5B,-3B,-5B,-B,0,f,f,s,2f,s,-2f,s,-,f,s,3f,s,-3f,s,（,a,）带通型信号频谱结构,（,b,）抽样脉冲序列频谱结构,（,c,）抽样信号频谱结构,0,f,H,f,L,f,f,s,2f,s,-,f,H,-,f,L,-2f,s,-,f,s,3f,s,-3f,s,B,0,f,f,s,2f,s,-2f,s,-,f,s,3f,s,-3f,s,B,3B,5B,-3B,-B,-5B,0,f,f,s,2f,s,-2f,s,-,f,s,3f,s,-3f,s,（,a,）带通型信号频谱结构,（,b,）抽样脉冲序列频谱结构,（,c,）抽样信号频谱混叠示意图,0,f,H,f,L,f,f,s,2f,s,-,f,H,-,f,L,-2f,s,-,f,s,3f,s,-3f,s,B,0,f,f,s,2f,s,-2f,s,-,f,s,3f,s,-3f,s,B,3B,5B,-3B,-B,-5B,0,f,f,s,2f,s,-2f,s,-,f,s,3f,s,-3f,s,第,5,个,频谱分量,第,5,个,频谱分量,（,a,）带通模拟信号频谱结构,（,b,）频谱混叠结构示意图,（,c,）消除频谱混叠结构示意图,f,s,与,f,H,的关系,B,2B,3B,4B,6B,5B,f,H,f,s,2B,B,3B,4B,0,图,5-4,实际抽样过程,自然,抽样,平顶,抽样,T,t,t,f,s,(,t,),内脉冲幅度随信号幅度而变化,f,F,(,f,),1,0,-,f,H,t,f,(,t,),f,H,-,f,s,|,C(,f,)|,-1/,f,s,0,1/,f,f,F,s,(,f,),0,-,f,s,-1,/,f,s,1,/,（,a,）模拟信号及其频谱结构,（,b,）抽样脉冲序列及其频谱结构,（,c,）自然抽样信号及其频谱结构,t,f,s,(,t,),f,F,s,(,f,),0,t,h(t,),f,H,(,f,),-1/,0,1,/,t,T,f,H,(,t,),f,-1/,0,1/,F,H,(f),（,b,）脉冲形成及其频谱结构,（,a,）抽样信号及其频谱结构,（,c,）平顶抽样及其频谱结构,4.2,量化,均匀,量化：量化间隔是均匀设置的,非均匀,量化：量化间隔是不均匀的,量化的输入和输出,均匀量化,量化过程及量化误差,(4.77,6.02,n,1,),(4.77,6.02,n,2,),(4.77,6.02,n,3,),3.01,1.76,6.02,n,1,1.76,6.02,n,2,1.76,6.02,n,3,0,均匀量化时的信噪比特性曲线,例：见书上,非均匀量化的模拟压扩法,非均匀量化,0,30,输入,x,输出,y,10,20,30,40,10,20,40,0,30,10,20,30,40,2,压缩特性,扩张特性,输出,y,20,10,40,压缩器和扩张器的特性,A,律压缩特性,输入,x,输出,y,1,1/8,2/8,4/8,5/8,6/8,7/8,1,13,折线特性曲线,律压缩特性,输入,x,输出,y,1,1/8,2/8,3/8,4/8,5/8,6/8,7/8,1,15,折线特性曲线,4.3,编,码,t,f,(,t,),基带信号,脉冲载波,PAM,PDM,PPM,量化值序号,量化电压极性,自然二进制码,折叠二进制码,15,14,13,12,11,10,9,8,正极性,1111,1110,1101,1100,1011,1010,1001,1000,1111,1110,1101,1100,1011,1010,1001,1000,7,6,5,4,3,2,1,0,负极性,0111,0110,0101,0100,0011,0010,0001,0000,0000,0001,0010,0011,0100,0101,0110,0111,二进制码型选择,抽,样,保,m,(,t,),持,整流器,m,1,(,t,),极性判断,电平,比较器,记忆电路,7/11,变换电路,恒流源,本地译码器,抽样,量化值,b,1,b,2,b,3,b,4,b,5,b,6,b,7,b,8,I,s,I,w,逐次比较编码原理,例：见书上,数字信道,量化器,编码器,解码器,预测器,预测器,DPCM,码流,DPCM,差分脉冲编码调制系统,输出二进制波形,增量调制系统,相减器,判决器,定时脉冲,（积分器）,本地译码器,相减器,m,(,t,),增量调制码流输出,m,1,(,t,),增量调制系统,积分器,m,i,(,t,),m,o,(,t,),t,0,t,1,t,2,t,3,t,4,t,5,t,6,t,7,t,t,m,i,(,t,),m,o,(,t,),积分器译码原理,t,0,m,(,t,),m,o,(,t,),量化电平,过载量化噪声的产生,课堂测验,1.,已知某音频信号,f(t,),的频谱结构如下图所示。,(1),若将,f(t,),采用数字通信系统进行传输，则数字化后不失真的最小抽样频率为多少？,(2),若对,f(t,),采用,PCM,进行传输，其中在,K,时刻的抽样值为,786,1,（其中,2,1,，,1,2048,），求编码器输出的,8,位传输码组,。,2.,已知均匀量化器的量化范围为,(-12,+12V),量化电平数为,32,个,输入正弦信号时,其振幅为,5V.,求该量化器在信噪比指标为,20dB,时的动态范围有多大,?,3.,已知某信号为,抽样频率 。求（,1,）抽样信号的频谱图。（,2,）接收端为了无失真恢复,信号，则选取的滤波器的特性参数为多少？（,3,）无失真恢复 的最低抽样频率为多少？,