通信系统原理第5章

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,*,第5章,模拟信号的数字传输,通信系统原理,第5章 模拟信号的数字传输,5.1 引言,5.2 模拟信号的抽样,5.3 实际抽样,5.4 脉冲调制,5.5 模拟信号的量化,5.6 脉冲编码调制,5.7 差分脉冲编码调制（DPCM）与自适应差分脉冲,调制（ADPCM）,5.8 增量调制（DM）,5.9 时分多路复用和多路数字电话系统,基于微机的数据采集系统,5.1 引言,在数字通信系统中信道传输的是数字信号。但自然界中，有些信源是以模拟形式出现的，如话音、图像等。因此在进行数字通信时往往需先对信号（模拟的）数字化。,本章重点讨论模拟信号数字化的基本方法。主要有,PCM,、,M,和,ADPCM,。,模拟信号的数字传输系统,模拟信号源,信宿,数字通信系统,m(t),模拟随机信号,s,k,数字随机序列,m,k,(t),s,k,A/D,D/A,模拟信号数字化的过程一般分三步,抽样,：指抽取样值，抽样的,多少以及快慢,对通信的,性能指标有决定性的影响。在通信中抽样点太少容易失真，太多时数据量大，传输时间长，效率低。（带宽大，因,R,b,大）。,抽样类似物理实验中实验曲线的描绘。,量化：,抽样值可以取无穷个，但量化电平值有限。,编码：,将抽样值利用,N,个二进制信号,表示,第5章 模拟信号的数字传输,5.1 引言,5.2 模拟信号的抽样,5.3 实际抽样,5.4 脉冲调制,5.5 模拟信号的量化,5.6 脉冲编码调制,5.7 差分脉冲编码调制（DPCM）与自适应差分脉冲,调制（ADPCM）,5.8 增量调制（DM）,5.9 时分多路复用和多路数字电话系统,5.2 模拟信号的抽样,5.2.1 低通抽样定理,1、定理描述,频率受限于（0， ）的时间连续信号m(t) ,若抽样频率 不小于2 ，则m(t)可被其抽样值,完全确定。,。,2.证明,（包含两个问题）,模型,1),频率卷积,问题：如何确定抽样频率的选择？,利用图解法解释,已抽样信号m,s,(t)的频谱 是,无穷多个间隔为,的 相叠加而成。意味着 包含 的全部信息。,已抽样信号的频谱,抽样定理的全过程：,得到结论：,奈奎斯特间隔：,抽样的最大时间间隔：,注意：,当抽样间隔大于奈奎斯特间隔时，抽样函数的频谱会重叠。,抽样频率不同时， 的变化如图,2) 如何利用抽样值恢复原始信号,从时域上分析：,滤波器的传递函数,m(t)在时间域的表达式可以由抽样值构成，即将每个抽样值,和一个抽样函数相乘后,得到的波形加起来就得到原信号m(t)。,基于Systemvue仿真,500Hz抽样恢复的波形,已抽样序列,原始波形,100Hz抽样恢复的波形,200Hz抽样恢复的波形,问题：带通信号的抽样,当连续信号的频带不是限于0与f,H,之间，而是限制在 之间，其抽样速率如何确定？,5.2.2 带通抽样定理,1 .描述：,频率受限于（,，,）的模拟信号m(t),其最小抽样频率,满足：,当,当,证明第（1）种情况,特点：该带通信号的最高频率和最低频率是带宽的整数倍。,关于,当,则：抽样频率为,带通信号带宽,的两倍。,示意图,证明第（2）种情况,带通信号的最高频率f,H,不是带宽B的整数倍。,时，证明如下，这里n=5,抽样频率的选取原则：,已抽样信号的频谱不发生重叠。,按照,频率卷积定理,T,(,),d,f,H,=nB+kB(n=5)时带通信号的抽样,2f,H,2nB,2f,H,- 2nB,每次需多移,，这样原来只隔2B，再加上多移的,其中：,抽样频率与信号最低频率,f,L,之间的关系,结论：,实际中的窄带高频信号，其抽样频率近似等于2B。因为这时n很大。,应用,：,FDM数字化，SBC子带编码,例题5-1,1.,某音频信号频率范围是20-15000Hz，对其进行抽样，问题：抽样频率为多少？为了降低抽样频率，让信号先经过一个低通滤波器，截止频率为6000Hz，问抽样频率为13000Hz时，能否从样值中无失真的恢复出来？如果抽样频率为11000Hz时，情况如何？,2.某带通信号，频率范围是2100Hz-2400Hz，那么，抽样频率最小为多少？,思考：,抽样定理的意义是什么？,对于同一信号，抽样频率的高低有什么影响？,举例说出抽样定理的应用实例,第5章 模拟信号的数字传输,5.1 引言,5.2 模拟信号的抽样,5.3 实际抽样,5.4 脉冲调制,5.5 模拟信号的量化,5.6 脉冲编码调制,5.7 差分脉冲编码调制（DPCM）与自适应差分脉冲,调制（ADPCM）,5.8 增量调制（DM）,5.9 时分多路复用和多路数字电话系统,5.3 实际抽样,前面抽样定理用的,周期性冲激序列,实际上不易产生，通常用,窄脉冲串,来完成抽样。具体试验方法又分为下面两种：,自然抽样（曲顶）,瞬时抽样（平顶）,5.3.1 自然抽样（曲顶）,模型：,图解法观察过程如下：,脉冲载波S,p,(t),由脉宽为 秒，重复周期为Ts秒的矩形脉冲串组成。,定义：已抽样信号的脉冲“顶部”随m(t)变化的，即在顶部保持了m(t)的变化规律,。,例5-2*,周期性矩形脉冲信号的频谱,复习,矩形周期脉冲,的频谱,从,数学表达式,考虑：,因为已知：,已抽样信号的频谱为：,采用矩形窄脉冲抽样的频谱与冲激脉冲抽样的频谱很类似，区别仅在于包络按抽样函数逐渐衰减,理想抽样,自然抽样,5.3.2 瞬时抽样,1.提出原因：,2.实现方法：,3、瞬时抽样（平顶）模型,平顶抽样信号的频谱是由,H(,)加权后,的,周期性重复,的,频谱,所组成，不能在接收端直接利用低通滤波器来滤出所需的基带信号。这种现象称为,孔径失真,.,得到的,使原频谱,产生频率失真,依赖,LPF无法恢复,。,所以，恢复模型变为：,抽样化的信号为平顶，高度为抽样时刻的瞬时值。,下面比较三种抽样,，,及恢复方法。,已知：,内,容,类型,抽样模型,恢复模型,m,s,(t),M,s,(),说明,理想抽样,用低通滤波器可无失真恢复原模拟信号m(t),自然抽样,用低通滤波器可无失真恢复原模拟信号m(t),瞬时抽样,样值信号产生了孔径失真，收端需要采用型频率补偿网络才能无失真恢复原模拟信号m(t),备注,用到的付里叶变换对：,m(t),m,s,(t),T,(t),m(t),m,s,(t),s,p,(t),LPF,m,s,(t),m(t),LPF,m,s,(t),m(t),m(t),m,s,(t),T,(t),脉冲,形成,m,s,(t),第5章 模拟信号的数字传输,5.1 引言,5.2 模拟信号的抽样,5.3 实际抽样,5.4 脉冲调制,5.5 模拟信号的量化,5.6 脉冲编码调制,5.7 差分脉冲编码调制（DPCM）与自适应差分脉冲,调制（ADPCM）,5.8 增量调制（DM）,5.9 时分多路复用和多路数字电话系统,5.4 脉冲调制,1,、定义：,用基带信号（调制信号）去改变,脉冲的某些参数,，称为脉冲调制。,2、分类：,相应有PAM（脉幅调制）、PDM（脉宽调制）和PPM（脉位调制）。,第5章 模拟信号的数字传输,5.1 引言,5.2 模拟信号的抽样,5.3 实际抽样,5.4 脉冲调制,5.5 模拟信号的量化,5.6 脉冲编码调制,5.7 差分脉冲编码调制（DPCM）与自适应差分脉冲,调制（ADPCM）,5.8 增量调制（DM）,5.9 时分多路复用和多路数字电话系统,5.5 模拟信号的量化,提出原因：,模拟信号抽样以后，抽样值可以有无穷多个，如果用,N个二进制数字信号,表示该样值的大小，只有有限个电平与之对应，因此，抽样值必须必须被划分为M个离散电平，即量化电平。,一组二进制码：(a,n-1, a,n-2, , a,1, a,0,),则 D=a,n-1,2,n-1,+a,n-2,2,n-2,+a,1,2,1,+a,0,2,0,便是其对应的十进数（表示量化电平值）。 这种“,可加性,”可简化译码器的结构。,5.5.1 量化及其量化特性,1. 量化定义：,2 .量化信号,用,预先规定的有限个电平,来表示模拟抽样值的过 程，如后图。,量化器的输出样值,实际抽样值,量化过程示意图,m,1,等：量化区间的端点,3. 量化电平,.,指量化器可能的输出电平，M为量化电平数。,4. 量化间隔,5 .量化误差,只能减小（量化电平个数多一点），无法消除，也称,量化噪声,，大小由个数及方法决定。,6 .量化噪声,量化信噪比,是量化器的主要性能指标之一 。,它要求,两个方面,满足要求：,取值大小 25dB以上,动态范围 -545 或050dB,以（a,b）或（-a，a）表示,都满足要求,PCM系统抗噪声性能也主要由,量化信噪比,决定。,7.,过载量化噪声,当实际信号幅度超过量化范围时，称发生了过载，此时失真严重。,量化器的工作要求：,5.5.2 均匀量化,把输入信号的取值域等距离分割的量化为均匀量化。,特点：,(1) 每个量化区间的,量化电平,取,各个量化区间,的中点。,(2),量化间隔,取决于输入信号的变化范围和量化电平数。,1.定义,例如：当信号的变化范围和量化电平数确定后，量化间隔也确定。,当信号范围a，b, M个量化电平。,2、量化信噪比,信号功率和量化噪声功率之比是量化器的主要指标,定义又分别求：,按,例5-3,设一个M个量化电平的均匀量化器，其输入信号在区间-a,a具有均匀概率密度函数，求该量化器的信号量噪比。,N,增加,1,位，提高,6dB,。,信号功率,要想提高 ，均匀量化只好提高M，而M大了，相应编码位数N大，数据速率高，有效性低。,根据已得到的结论：,由上例可知，量化信噪比随,量化电平数M,的增加而提高， 信号的失真度越小。通常量化电平数应根据对量化信噪比的要求来确定。 ,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，N为A/D变换器的位数，常用的有 8位、12位、 16位等不同精度。另外，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。 ,结论和应用,小，信号,均匀量化有一个致命的缺点，就是不管信号幅度大小如何,大时,大。,始终不变，这导致信号小时,变化，其,所以实际中常采用非均匀量化，大信号量化间隔大，小信号时量化间隔隔小，使得,趋于定值。,缺点,：,但在语音信号数字化通信（或叫数字电话通信）中，均匀量化则有一个明显的不足：量化噪比随,信号电平,的,减小而下降,。,5.5.3 非均匀量化,出发点：,是根据信号的不同区间来确定量化间隔，目的是改善小信号时的量化信噪比。,与均匀量化相比，优点：,（1）当输入信号具有非均匀分布的概率密度时，非均匀量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化噪声功率比。,（2）非均匀量化时，量化噪声功率的均方根值基本上与信号的抽样值成比例。,实现方法：,实际中，非均匀量化的实现方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。所谓压缩实际上是用一个非线性变换电路将输入变量变换成另一变量，即,非均匀量化就是对压缩后的变量进行均匀量化。接收端采用一个传输特性为,的扩张器来恢复,通常采用,对数压扩特性,1.,对数压缩特性,实际广泛采用A律和律,（,线性,）,（对数）,(1),A律压缩,：,中国和欧洲采用,其中A=87.6,（2,）律压缩：日本和北美采用,常见压扩特性曲线， 对数压缩特性,(a) 律； (b)A律,实际中 A律压缩实现不容易，因为器件的非线性不易产生，且压缩与扩张又不好完全一致。故实际上采用另一种折线法。,2、折线近似法,（1）13折线近似（A律）,方法：先把x轴信号幅度作归一化处理（最大幅度值为1），然后把y轴信号幅度作归一化处理。,X轴：,01范围 一分为二，中间点为1/2，取1/21之间为第八段,01/2范围 一分为二，中间点为1/4,取1/41/2为第七段,01/4范围 一分为二，中间点为1/8，取1/81/4为第六段,01/8范围 一分为二，中间点为1/16，取1/161/8为第五段,01/16范围 一分为二，中间点为1/32，取1/321/16为第四段,01/32范围 一分为二，中间点为1/64，取1/641/32为第三段,01/64范围 一分为二，中间点为1/128，取1/1281/64为第二段,01/128范围 ，取01/128为第一段,而y轴01均匀分为八段，一到八段为01/8，1/82/8,13折线A律压缩特性,计算各段的斜率,正方向八段，但一、二段斜率相同，实际是七段，,负方向也有八段（在第三象限），共14段，负一、二段与正一、二段斜率相同，故称13折线，实际上有16个线段。,将每个线段再,均匀,分为16个量化间隔（015），这样共有16*16=256个量化级（话音）。,分析13折线与A律的逼近程度：,比较：两种小信号时斜率,A,律：,13折线：,其他段也基本相同很逼近。,（,线性,）,（对数）,给出13折线和A律分段时的x比较值,第5章 模拟信号的数字传输,5.1 引言,5.2 模拟信号的抽样,5.3 实际抽样,5.4 脉冲调制,5.5 模拟信号的量化,5.6 脉冲编码调制,5.7 差分脉冲编码调制（DPCM）与自适应差分脉冲,调制（ADPCM）,5.8 增量调制（DM）,5.9 时分多路复用和多路数字电话系统,5.6 脉冲编码调制,量化完成了幅度的离散，但直接传时，电平数多，并且判别困难， 故需要变化代码。,5.6.1 概念,1.,编码,：把量化后的信号变换成代码的过程称为编码。,2.,译码,：由代码重建量化信号的过程,3.,脉冲编码调制,：将模拟信号抽样量化，然后使已量化值变换成代码。,实际应用,5.6.2 编码实现,1.码型选择：,自然二进制码,折叠二进制码,需解决的问题,码型问题,码位数的选择,负极性,正极性,自然码的特点,自然码的码型没有相似之处，每个码组对应一个量化电平。,当传输过程遇到误码：,（1）小信号时，自然码误差大。,（2）当大信号时，自然码误差小。,大信号1111变为0111时，自然二进制码解码后的误差为8个量化间隔，折叠码误差为15个量化间隔。,当小信号1000变为0000时,折叠码的特点,第一位码表示极性，双极性信号可以采用单极性编码的方法，采用折叠码可以简化编码的过程。,当传输过程遇到误码：,（1）小信号时，折叠码误差小,（2）当大信号时，折叠码误差大，但通常语音信号都是小幅度。,2.码位数的选择,关系到通信质量的好坏,涉及设备的复杂程度,3 .码位安排,极性码 段内码 段落码,C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8,0“1”,0 C1 =1,(2) 段落码,段落码中的C2用来表示输入信号抽样值处于（前四、后四）段，取,第五段起点电平,为基准 Iw=128,C2：I,S,=1270128，则C21,C3用来确定它属于56段，还是78段。,第7段起点电平,Iw=512,IsIw C3 =1 在78段,C4确定是第7段还是第8段,第8段起点电平,Iw=1024,IsIw C4 =1 在第8段,C,2,C,3,C,4,=111,确定段内码(,C5 C6 C7 C8),：,i)前8个，后8个量化间隔（实际,计算量化区间,）,权值电流第8段起点电平加上,该段的8个量化间隔,Iw=段落起点+8*（该段量化间隔）,=1024+8*64=1536个量化单位,（该段长1/2，分成16份，每份1/32，折成量化单位）,Is Iw,C5 =0,在18量化间隔,第8段均匀分成16份，每份,是最小量化间隔1/2048的64倍,确定段内码：,ii),14,还是,58,Iw=1024+4*64=1280,Is Iw C7=1,在,34,iv),3,还是,4,Iw=1024+3*64=1216,Is Iw C8=1,在第4量化间隔,码位,1 111 00 11,（非线性码）,结论：,它表示第8段第4量化间隔， 其,量化电平为1216+32=1248个量化单位,（译码也译成此值）,问题：,1）量化噪声与1270的误差为22个量化单位，不可消除（量化噪声），,2）过载噪声，当信号幅度超出正常编码范围，此时过载，实验可观察，严重失真。实验中可看到：每个取样值量化后都存在量化噪声，恢复出的结果与发端类似，但有抖动。,5.6.3 脉冲编码调制（PCM）,1.PCM通信系统构成：,PCM即将模拟信号的抽样量化值变成代码。PCM通信在现代社会中应用广泛，如数字微波、光纤、程控交换，也可用于计算机、遥控、遥测领域。,系统组成如图：,完成已抽样序列信号到数字信号的变换,完成由数字信号到样值序列信号的变换,2.PCM系统的抗噪性能,系统框图：,为输出信号，,为量化噪声，,信道加性噪声,(,也称为误码噪声,),系统,输出端总信噪比,定义：,一般关心最后输出端，而输出端为含信息的已恢复模拟信号，,LPF输出信号为：,考虑,噪声：,量化噪声,信道加性噪声的影响,角度：,两类噪声来源不同,两类噪声互相独立,(1)只考虑量化噪声时的系统性能：,由抽样 恢复知 ，信号功率为：,量化噪声的功率谱密度为：,不考虑信道加性噪声的影响时，,接收端,输出的量化噪声功率谱密度,为：,设信道理想，译码不引入失真，LPF传递函数为：,理想低通滤波器的传输特性：,因为：输出噪声功率谱表达式：,任务：求解（编）译码端的量化均方误差：,为了与均匀量化对比，输入信号在区间-a,a具有均匀分布，并均匀量化，量化电平数为M，则量化噪声功率为：,（编）译码端的量化噪声功率谱为：,低通滤波器的输出量化噪声功率为：,根据抽样定理的证明：,m,s,(t),LPF,m(t),输出信号的频谱与已抽样信号的频谱之间的关系：,接收端输出信号的表达式：,仍假设m(t)是均匀分布-a,a,求解信号功率,结论：,PCM系统输出端平均信号量化噪声功率比为：,（2）只考虑信道加性噪声的影响时：,假设误码率为 （每个码出错概率）,一个码组中,错一位,的概率为（即码组错）为8,计算：,一个码组由于,误码在译码器输出端,造成的平均误差功率。,每个码组代表一个抽样值，当错一个码时，,如：一个自然码组：,一个码组由于误码在译码器输出端造成的平均误差功率：,求错误码组的平均间隔时间,信道加性噪声误码,错码组间的平均间隔为,：,一个周期内，错误码元平均间隔,个码元,.,错误码组之间的平均间隔为：,个码元,译码器输出端的,误差功率谱密度,为：,低通滤波器输出误差功率,信道加性噪声误码,最后：,结论2：由误码引出的PCM系统 信噪比与误码率成反比。,接收端的信号,仅考虑加性噪声时的PCM系统输出信噪比：,（,3）总信噪比:,讨论：,很小，,以量化噪声为主,i) 大信噪比时，,结论3：,PCM系统抗噪性能通常用量化器的量化信噪比决定,考虑,ii）小信噪比时，,很大，,以加性噪声为主。,实际中，,很容易实现,故PCM抗噪声性能按,结论4：PCM系统输出信噪比与系统带宽成指数关系,系统需要的最小总带宽为：,讨论：,已知：,第5章 模拟信号的数字传输,5.1 引言,5.2 模拟信号的抽样,5.3 实际抽样,5.4 脉冲调制,5.5 模拟信号的量化,5.6 脉冲编码调制,5.7 差分脉冲编码调制（DPCM）与自适应差分脉冲,调制（ADPCM）,5.8 增量调制（DM）,5.9 时分多路复用和多路数字电话系统,5.7 差分脉冲编码调制DPCM）,64kb/s的A律或律的对数压扩PCM编码已经在大容量的光纤通信系统和数字微波系统中得到了广泛的应用。 但PCM信号占用频带要比模拟通信系统中的一个标准话路带宽（3.1 kHz）宽很多倍，这样，对于大容量的长途传输系统，尤其是,卫星通信,，采用PCM的经济性能很难与模拟通信相比。卫星的通信资源相对光纤要少得多.,以较低的速率获得高质量编码，一直是语音编码追求的目标。通常，人们把话路速率低于64kb/s的语音编码方法， 称为语音压缩编码技术。,在PCM中，每个波形样值都独立编码，与其他样值无关， 这样，样值的整个幅值编码需要较多位数，比特率较高， 造成数字化的信号带宽大大增加。然而，大多数以奈奎斯特或更高速率抽样的信源信号在相邻抽样间表现出很强的相关性， 利用信源的这种相关性，一种比较简单的解决方法是对相邻样值的差值而不是样值本身进行编码。由于相邻样值的差值比样值本身小，可以用较少的比特数表示差值。这样，用样点之间差值的编码来代替样值本身的编码， 可以在量化台阶不变的情况下（即量化噪声不变），编码位数显著减少，信号带宽大大压缩。这种利用差值的PCM编码称为差分PCM（DPCM）。,如果将样值之差仍用N位编码传送，则DPCM的量化信噪比显然优于PCM系统。,5.7.1DPCM原理,实现差分编码的一个好办法是根据前面的k个样值预测当前时刻的样值。编码信号只是对,当前样值与预测值之间的差,值,的量化编码。,DPCM系统的框图如图所示。图中，x,n,表示当前的信源样值，预测器的输入代表重建语音信号。预测器的输出为,差值,作为量化器输入，e,qn,代表量化器输出，量化后的每个预测误差e,qn,被编码成二进制数字序列，通过信道传送到目的地。 该误差e,qn,同时被加到本地预测值 而得到 。,DPCM系统原理框图,1.,DPCM系统原理,重建语音信号,在接收端装有与发送端相同的预测器， 它的输出是 与e,qn,相加产生。信号既是所要求的,预测器的激励信号,，也是所要求的,解码器输出的重建信号,。在无传输误码的条件下，解码器输出的重建信号 与编码器中的 相同。 , DPCM系统的总量化误差应该定义为输入信号样值x,n,与解码器输出样值x,n,之差，即,由上式可知，这种DPCM的总量化误差n,q,仅与差值信号e,n,的量化误差有关。,2. DPCM量化噪声分析,以一 个四电平量化为例说明,对误差 进行四电平量化,5.7.2 量化与预测改为自适应为ADPCM,16,级量化,4,位码,G.721,其他数字化方法,celp,(码激励线性预测）,G.728,利用,自适应量化器,取代,固定量化,，,自适应预测,取代固定预测，就是ADPCM，它可以大大提高输出信噪比和编码动态范围。,第5章 模拟信号的数字传输,5.1 引言,5.2 模拟信号的抽样,5.3 实际抽样,5.4 脉冲调制,5.5 模拟信号的量化,5.6 脉冲编码调制,5.7 差分脉冲编码调制（DPCM）与自适应差分脉冲,调制（ADPCM）,5.8 增量调制（DM）,5.9 时分多路复用和多路数字电话系统,5.8 增量调制（,M）,与PCM区别,PCM码表示样值大小，用N位码表示。,M代码表示相邻样值的关系，用一位码表示。,5.8.1 M 基本原理,1 .编码：,DM波形示意,模拟信号m(t)阶梯波形m(t)逼近。,讨论接收端如何由二进制码序列恢复出阶梯波形,输入端是0、1序列,积分器输出虽已接近原来模拟信号，但包含,高次谐波,，需,低通滤波器平滑,。,得到数字序列：1111000,重新讨论增量调制的工作原理,接收端,：,发送端：,简单M系统框图,分为：,正常的,量化噪声,过载量化噪声,5.8.2 M存在的问题,1. 过载,（a)过载的概念：,当模拟信号斜率陡变时，由于台阶a是固定的，而且每秒内台阶数也是确定的，此时,阶梯电压,就跟不上,信号的变化,，形成了很大失真的阶梯电压波形，这样的失真称为,过载现象,，相应噪声为过载噪声。,统称量化噪声。,误差e,q,(t)=m(t)-m(t)表现为两种形式： 一种称为过载量化误差， 另一种称为一般量化误差。,当输入模拟信号m(t)斜率陡变时，本地译码器输出信号m(t)跟不上信号m(t)的变化，如图所示。这时， m(t)与m(t)之间的误差明显增大，引起译码后信号的严重失真， 这种现象叫,过载现象,，产生的失真称为过载失真， 或称过载噪声。这是在正常工作时必须而且可以避免的噪声。,(a) 一般量化误差； (b) 过载量化误差,（b)不过载的条件：,信号实际斜率,即,也就是要求,和,到达一定数值。,也称为译码器的最大跟踪斜率,，则 不过载条件为：,若,2 .变化幅度过小（如峰值小于 ）也不能正确编码，只能出1010交替，恢复出直流。,因此，量化噪声的大小和 有关，大 虽然减少,过载噪声,，但是增大了,量化噪声,。,5.8.3 M抗噪性能,临界条件时,输出,但该噪声功率不是系统最终输出的量化噪声功率。,考虑误差 的周期性,误差的,平均功率,被认为均匀地分布在 频率之内,接收端,积分器输出的噪声功率谱密度,为,为LPF滤波器带宽，,为信号频率,为32KHz以上。,M的量化噪声功率,有关，台阶越大，,与,质量越差。,：抽样频率，,PCM与DM的比较,第5章 模拟信号的数字传输,5.1 引言,5.2 模拟信号的抽样,5.3 实际抽样,5.4 脉冲调制,5.5 模拟信号的量化,5.6 脉冲编码调制,5.7 差分脉冲编码调制（DPCM）与自适应差分脉冲,调制（ADPCM）,5.8 增量调制（DM）,5.9 时分多路复用和多路数字电话系统,提出原因,5.9 时分复用（TDM）和多路数字电话系统,5.9.1 TDM 原理,时分复用,：把时间帧划分为,若干时隙,和各路信号占有,各自时隙,。实现在同一信道上传输多路信号。,与,频分复用,的区别：,TDM在时域上各路信号是分离的，在频域上各路信号频谱是重叠。,FDM：在频域上各路信号是分离的，但在时域上各路信号是混叠的。,三路TDM示意图,可以看出，TDM技术包含几个基本要点：,各路信号的数据轮流占用不同时隙，在传输中互不影响。,各信号的时隙组成一个确定的结构，称为帧结构，简称帧(frame)。帧是TDM信号的最小组成单元。帧中各个时隙与信号间的对应关系是固定的。,收发双方必须同步工作。这种同步工作称为帧同步(frame synchronization)，其目的是正确地定位各帧的起始位置，以便正确地放置与取出各路信号的数据。,1.,帧,：设有k路语音输入信号，每路最高频率 ，,若k=3，旋转开关顺序接通3路信号实现,顺序抽样,，该,开关每秒旋转,次，,并且在一个,旋转周期,内对各路信号,都抽一次。这样，在一个周期,内有3个脉冲构成一帧，,，,每路占,长度为,时隙长度，各路数据在一帧的排列,，,称帧结构。,旋转周期,单路,信号抽样周期,涉及到的概念,5.9.2 复用信号的传输带宽与路数,3路推广到N路，N个时隙的总时间在术语上称一帧 。,每一帧的时间是,，,必经符合,抽样定理,要求,。,如对语音信号,，一帧时间为,125,s,。,每时隙,说明：对时隙内容的分配,这里每个时隙可以是一个抽样值，如PAM，时隙时间为：,也可以是已量化编码的PCM或m，ADPCM信号，若一时隙传PCM信号，对语音8位。,每位二进制码占用时间宽度为,对于每个码元，若用,表示,可以用非归零码和归零码表示,归零码：,如果,称占空比为50%，注意这里的空可以理解为传“0”码（即不传码）的时间，将来计算带宽与时间有关，常计算第一谱零点带宽,5.9.3 时分复用速率计算,K,为路数，即时隙数；,为位数;,可理解为帧重复率；,例5-5 对24路最高频率为4KHz的信号进行时分复用，采用PAM方式传输，假定所用脉冲为周期性矩形脉冲，脉宽宽度为每路应占时间的一半，试求此24路系统的第一过零点带宽最小值。,在上例中，若占空比为,100%,，则,5.9.4 PCM时分多路数字电路系统的组成,以A律，30/32,基群,为例，其中：,30路电话，一路同步，一路信令。,1 .帧结构：,一帧中各数据的规定,为帧同步时隙，,信令时隙。,TS,0,：,帧同步时隙，帧同步码组为*0011011，在偶帧中固定出现，在奇帧中为*1A11111，接收端要根据此帧同步码建立正确的路序，实现帧同步。,TS,16,：,信令时隙，分为两种：共路信令和随路信令,同步概念广泛：,位同步,帧同步,复帧同步等,共路信令：将总比特率为64kbit/s的各TS16统一起来使用。,随路信令：将TS16按时间顺序分配给各个话路，直接传送各话路的信令,2. 速率,对于律基群有24路，在每帧又增加1bit用作同步，其速率为：,5.9.5 时分复用标准,目前国际有两大标准,PDH（准同步数字系列）,SDH（同步数字系列）,欧洲与中国,北美与日本,用于：四次群和四次群以下,用于：四次群以上,数字复接技术：把较低次的数字流逐级汇合成更高群次的数字信息流,数字复接系列标准,群路等级,北美、日本,欧洲、中国,信息速率（kbit/s),路数,信息速率（kbit/s),路数,基群,1544,24,2048,30,二次群,6312,96,8448,120,三次群,32048/44736,480/672,34368,480,四次群,97723/274176,1440/4032,139264,1920,STM-1,155.52Mb/s,STM-4,622.08Mb/s,STM-16,2488.32Mb/s,STM-64,9953.28Mb/s,从表中可知,可见：PDH必须有相同制式才能互通，且高次群速率在低次群倍数上还需开销，如A律二次群8.448Mb/s，2.048*4=8.192Mb/s，相差256kb/s（4个路数）用来传同步。,高次群由低次群复接而成，复接时有,码速调整,问题，收端再分接。 64kb/s,称零次群,。,但SDH的,高次群,正好是,低次群整倍,，因为开销已预留，PDH的两种制式都可接入，因为SDH是先有标准，后有设备。,目前，SDH发速迅速，常与光纤连在一起，因为SDH的速率目前光纤才能达到。,数字通信系统高次群复接终端的多样性,二次群复接器,PCM30、32端机,12路载波基群编码器,120路话音直接编码,60路载波超群编码器,三次群复接器,