[信息与通信]模拟信号数字传输.ppt

第五章 模拟信号的数字传输,5.1 抽样定理5.2 脉冲振幅调制（PAM）5.3 脉冲编码调制（PCM）5.4 增量调制（M 或 DM）5.5 改进型增量调制（DPCM）5.6 增量脉码调制（DPCM）5.7 自适应插值脉码调制（DPCM）5.8 语音压缩编码5.9 图像压缩编码,本章要点,抽样定理均匀量化与非均匀量化脉冲振幅制（PAM）原理脉冲编码调制（PCM）原理及抗噪声性能增量调制（M）原理及抗噪声性能时分复用和多路数字电话系统原理,模拟信号的数字传输,模拟信号数字化后，用数字通信方式传输。发送端先将模拟消息的信号抽样，使其成为一离散的抽样值；然后将抽样值量化为相应的量化值；经编码变换成数字信号，用数字通信方式传输；在接收端则相应地将接收到的数字信号恢复成模拟消息。模拟信号的数字传输方框图如图所示。,通信系统,模拟通信系统,数字通信系统,模拟信号,数字化,数字传输,模拟传输,模拟信息源,f(t)Sk Sk f(t),模拟随机信号 数字随机序列 数字随机序列 模拟随机信号,模拟信号的数字传输,抽样、量化和编码,数字通信系统,译码和低通滤波,模拟信号数字化的方法：,脉冲编码调制 PCM增量调制 DM,5.1 抽样定理,抽样定理（均匀抽样定律）一个频带限制在 的时间连续信号，可由其在时间上间隔 弧度秒的等间隔点上进行抽样，则 将被得到的抽样值唯一确定（完全确定）。抽样瞬间等间隔 均匀抽样定律 最大抽样间隔 奈奎斯特间隔；最小抽样速率 奈奎斯特速率。最高频率分量的每个周期内起码应抽样两次。物理意义：一个连续信号所具有的无限个点的信号值，可减少为可数个点的信号值序列。（数字化、离散化）,5.1.1 低通信号的抽样定理,假设采用周期性冲激函数，按抽样定理描述的抽样间隔对 内的模拟信号 进行抽样，则已抽样信号为 的频谱为,抽样定理证明,单位脉冲序列：,频谱为：,特点：抽样后频谱搬迁,连续信号,频谱上限,频谱,恢复：LPF截止频率为Wm 恢复f(t),理想LPF：,信号恢复,任何一个有限频带的信号 可以展开成以抽样函数 为基本信号的无穷级数，级数中个分量的相应系数就是原信号在相应抽样时刻 上的抽样值。,结论,考虑到实际情况：,不严格受限 不理想,通常采样频率取：(2.55)fm,5.1.2 与抽样有关的误差,抽样三个前提,信号严格带限抽样用理想冲击序列理想低通滤波器恢复,不满足则产生误差,折叠误差 消除方法：事前滤波、提高抽样频率孔径误差 消除方法：均衡电路补偿内插噪声,这时，能恢复出带通信号 的最小抽样频率为,当模拟信号 是最高频率为,带宽为 的带通型信号时，可表示为,5.1.3 带通信号的抽样,式中,一般情况下，抽样速率应满足：,如果原时信号频带与相邻频带间等间隔，选择抽样速率应满足：,当模拟信号 是窄带信号，即 时，能恢复出窄带信号 的最小抽样频率。,5.2 脉冲振幅调制（PAM）,脉冲调制 采用时间上离散的脉冲串作为载波的调制方式 三种调制方式：脉冲振幅调制(PAM)脉冲宽度调制（PDM)脉冲相位调制（PPM)基带信号连续，脉冲离散，脉冲模拟调制脉冲振幅调制脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式。脉冲振幅调制的原理:(抽样定律)若脉冲载波是冲激脉冲序列.,改变幅度改变宽度改变时间位置,调制过程：利用f(t)去改变脉冲的参数,5.2.1 自然抽样,实际应用中，通常采用窄脉冲串作为载波，实现脉冲振幅调制，包括自然抽样脉冲调幅（曲顶抽样脉冲调幅）和瞬时抽样脉冲调幅（平顶抽样脉冲调幅）。设基带信号为f(t)，脉冲载波为p(t)，则自然抽样脉冲调幅信号fS 为ft)与p(t)的乘积，即 其频谱可表示为 矩形窄脉冲抽样信号 通过低通滤波器可以从 中滤出原频谱，从而恢复出基带信号为f(t),讨论：选择任意波形脉冲,瞬时抽样脉冲调幅信号和其产生原理框图如图所示。设基带信号为f(t），冲激载波为，脉冲形成电路的传输函数为c,则输出信号频谱 为 为了从已抽样信号中恢复原基带信号f(t),在接收端低通滤波器之前增加传输特性为1/Q()的修正网络，则通过低通滤波器便能无失真地恢复原基带信号f(t).,5.2.2 平顶抽样（瞬时抽样）,瞬时抽样脉冲调幅信号,脉冲形成电路,f(t),fs(t),Q(),原理框图,平顶抽样中抽样信号的所有脉冲形状相同理想抽样既可视为自然抽样，也可视为平顶抽样,平顶抽样取值的多种方法,中间最大最小,与自然抽样的差别,5.3 脉冲编码调制（PCM）,优点：抗干扰性强失真小传输特性稳定远距离再生中继无噪声积累有效编码、纠错编码、保密编码提高通信系统的有效性、可靠性、保密性实现多媒体综合信息处理,5.3.1 脉冲调制的基本原理,模拟信息源输出的模拟信号经抽样和量化后得到的输出电平序列可以利用M进制PAM直接进行传输，也可以将每一种量化电平用编码方式传输。脉冲编码调制 将模拟信号的抽样量化值变换成代码。PCM通信系统的组成方框如图所示。图中，输入的模拟信号f(t)经抽样、量化、编码后变成数字信号（PAM信号)，经信道传输到达接收端，现由译码器恢复出抽样值，再经低通滤波器滤出模拟基带信号.将量化与编码的组合称为模/数变换器（A/D变换器）；译码与低通滤波的组合称为数/模变换器（D/A变换器）,编码,编码：经量化后的抽样值进一步变换为表示量化电平大小的二进制或多进制代码的操作。,码字（码组）：在一个码中，表示一组离散值之一的所有比特的具体组合。,如果一个信号被量化成N个电平，则必须使用一个n比特的编码，使得,PCM系统的组成框图,抽样,量化,编码,信道,A/D转换,f(t）,干扰,低通滤波,译码,5.3.2 模拟信号的量化,量化利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值的过程。抽样是把一个时间连续信号变化成时离散信号，量化则是将取值连续的抽样变成取值离散的抽样。量化误差对模拟抽样值的量化过程所产生误差，用均匀误差来 度量。这种误差的影响相当于干扰或噪声，又称其为量化噪声。量化后的信号 与原信号ft)近似程度的好坏，通常用信号 量化噪声功率比来衡量，它被定义为 式中 为量化器输出的信号功率，为量化噪声功率。,1.均匀量化,把输出信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化在均匀量化中，每个量化区间的量化电平均取在各区间的中点，其原理如图所示。均匀量化时量化噪声功率,均匀量化过程示意图,当输出信号f(t)在区间-Am,Am具有均匀概率密度函数，对其进行 N 个电平均匀量化时，平均信号量化噪声功率比为当N1时用分贝表示为,无论抽样值大小如何，量化噪声的均都固定不变。当信号f(t)较小时，则信号量化噪声功率比也就很小，这样，对于弱信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。把满足信噪比要求的传输信号取值范围定义为动态范围。可见，均匀量化时的信号动态范围将受到较大的限制。为了克服这缺点，实际中往往采用非均匀量化,均匀量化的主要缺点,2.非均匀量化,非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔。对于信号取值小的区间，其量化间隔也小；反之，量化时间隔就大。它与均匀量化相比，有两种突出的优点。(1)当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度（实际中常常是这样）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抽样值成比例。因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号时的量化信噪比。,3.律13折线数字压扩及其特性,非均匀量化的实现方法是将抽样值通过压缩器压缩后再进行均匀量化，广泛采用的两种对压缩律是 压缩律和 A 压缩律。美国采用压缩律我国和欧洲各国均采用A压缩律。,压缩律压缩特性如下：A压缩律压缩特性如下：式中，x为归一化的压缩器输入电压；y为归一化的压缩器输出电压；、A为压扩参数，表示压缩的程度。A87.6的13折线压扩特性曲线如图所示,13折线压扩特性曲线,A律13折线特性用8位PCM编码表示,在A律13折线编码方法中，无论输入信号是正还是负，均按8段折线进行编码，用8为二进制码 来表示。其中第一位码 表示量化的极性，称为极性码；第二至第四位3位码 的8种可能状态来分别代表8个段落的起点电平，称为段落码；第五至第八位4位码 的16种可能状态用来分别代表每一段落的16个均匀划分的量化级，称为段内码。这样处理的结果，8个段落被划分成128个量化级。该编码方法是把压缩、量化和编码合为一体的方法。如表所示,段落序号,段 落 码,段落起点电平（）,段内码对应电平,段落长度（）,12345678,0 0 00 0 10 1 00 1 10 01 0 11 01 1 1,0 16 32 64 128 256 5121024,8 4 2 18 4 2 116 8 4 232 16 8 464 32 16 8128 64 32 16256 128 64 32512 256 128 64,16 16 32641282565121024,段落电平关系表,在13折线编码方法中，第一、二段最短，每一小段归化长度为1/2048，即一个最小量化间隔；第八段最长，每一小段归一化长度为1/32，包括64个最小量化间隔。采用13折线编码方法，在保证小信号区间量化间隔相同的条件下，7位非线性编码与11位线性编码等效。由于非线性编码的码位数减少，因此设备简化，所需传输系统带宽减小。,5.3.3 编码,信号经过抽样、量化后成为可以编码的量化信号。量化信号经过模/数变换后可以变换成各种编码信号，经过信道传输，即PCM基带信号。多进制代码 编 码二进制代码常用二进制码：自然二进码、反射二进码（格雷码、循环码）、折叠二进码,几种编码关系,量化电平,自然二进码,格雷码,折叠二进码,0123,0 0 00 0 10 1 00 1 1,0 0 00 0 10 1 10 1 0,0 1 10 1 00 0 10 0 0,4 567,0 01 0 11 01 1 1,1 1 01 1 11 0 11 0 0,1 0 01 0 11 1 01 1 1,5.3.4 逐次比较型编译码原理,编码原理逐次比较型编码器的原理方框如图所示，它由整流器、保持电路、比较起器及本地译码电路等组成。编码器的任务就是要根据输入的样值脉冲编出相应的8位二进制代码，除第一位极性码外，其他七位二进制代码是通过逐次比较确定的。预先规定好一些作为标准的电路（或电压），称为权值电流，用符号 表示。的个数与编码位数有关。当样值脉冲 到来后，用逐次逼近的方法由规律地用各标准电流 去和样值脉冲比较，每比较一次出一位码，直到 和抽样值 逼近为止。,逐次比较型编码器的原理方框,整流器,保持电路,比较器,后7位码,PAM,输入,极性码,恒电流,7/11变换电路,记忆电路,本地译码器,整流器用来判别输入样值脉冲地极性，编出的一位码（极性码）。样值位正时，出“1”码；样值位负时，出“0”码。同时将双极性脉冲变换成单极性脉冲。比较器通过样值电流 和标准电流 进行比较，从而对输入信号抽样值实现非线性量化和编码。每比较一次输出一位二进制代码，且当 时，出“1”码；反之出“0”码。由于在13折线法中用了7位二进制代码来表示段落和段内码，所以对一个输入信号地抽样值需要进行7次比较。每次所需地标准电流 均由本地译码电路提供。,本地译码电路包括记忆电路、7/11变换电路和恒流源。记忆电路用来寄存二进制代码，因除第一次比较外，其余各次比较都要依据前几次比较地结果来确定标准电流值，因此，7位码组中地前6位状态均应由记忆电路寄存下来。7/11变换电路就是前面非均匀量化中谈到地数字压缩器。因此采用非均匀量化地7位非线性编码等效于11位线性码，而比较器只能编7位码，因此反馈到本地译码电路地全部码也有7位。因此恒流源有11个基本权值电流支路，需要11个控制脉冲来控制，所以必须经过变换，把7位码变成11位码，其实质就是完成非线性和线性之间地变换。,恒流源用来产生各种标准电流值。为了获得各种标准电流，在恒流源中有数个基本权值电流支路。基本的权值电流个数与量化级数有关。保持电路的作用是保持输入信号地抽样值在整个比较过程中具有一定的幅度。由于逐次比较型编码器编7位码（极性码除外）需要将 与 比较7次，在整个比较过程中都应保持输入信号地幅度不变，故需要采用保持电路。,译码原理,串并变换记忆电路,7/12变换,恒流源加权网络,极性翻转,PCM码,PAM信号,5.3.5 二进制PCM系统的抗噪声性能,PCM系统接收端低通滤波器的输入为式中，为输出信号成份；为由量化噪声引起的输出噪声；为由信道加性噪声引起的输出噪声。通常用系统输出端总的信噪比衡量PCM系统的抗噪声性能，其定义为,则仅考虑量化噪声时，PCM系统输出端平均信号量化噪声功率比为 对于二进制编码，又可表示为 若信道加性噪声为高斯白噪声，每一码组中出现的错误码彼此独立，且误码率为，采用n位长自然二进制编码，则仅考虑信道加性噪声时，PCM系统的输出信噪比为 同时考虑量化噪声和信道加性噪声时，PCM系统输出的平均信噪功率比为,5.4.1 预测编码的概念,抽样,量化,预测,滤波,预测,输入,编码传输解码,输出,预测编码:信号样值 i 预测 信号样值 i+1=信号样值i+1-信号样值i 为量化编码依据,特点：等精度时（量化比特数少）比特数相等时，传输质量高,5.4 增量调制（M或DM）,1.增量调制原理 增量调制时PCM方式的基础上发展起来的另一种模拟信号数字传输的方法，可看成PCM的一个特例，它们都是用二进制代码来表示模拟信号的。与PCM方式不同，M时将模拟信号变换成仅由一位二进制码组成的数字信号序列来表示相邻抽样值的相对大小，通过相邻抽样值的相对变化反映模拟信号的变化规律。在接收端只需要用一个线性网络便可恢复出原模拟信号。M编码器原理图如图所示。它由相减器、判决器、本地译码器及抽样脉冲产生器（脉冲源）组成。本地译码起与接收端的译码器完全相同。判决器将在抽样脉冲到来时刻对输入信号的变化作出判决，并输出脉冲。,5.4.2 增量调制 M或DM,相减器,判决器,脉冲源,本地译码器,M信号输入,M编码器原理图,编码器的工作过程如下：将模拟信号 与本地译码器输出的斜变波形进行比较，为了获得这个比较结果，先进行相减，然后在抽样脉冲作用下将相减结果进行极性判决。判决规则如下：,过载量化噪声发生在模拟信号 斜率陡变，本地译码器输出信号 跟不上 的变化，形成很大失真的 波形，为保证不发生过载现象，必须使本地译码器的最大跟踪斜率大于 的最大斜率。若抽样频率，电压台阶为，则译码器的最大跟踪斜率为,M系统中的量化噪声的两种形式：一般量化噪声 过载量化噪声,避免斜率过载的条件：的最大斜率,斜率过载噪声分析,设输入信号 为正弦信号 编码器能够正常工作的输入信号 的振幅范围是,均匀频谱分布信号不合适功率谱随频率的平方下降的信号适合语音信号和单色电视视频信号接近这种特性，适用DM,为了不致发生过载，M 的抽样频率要比PCM的抽样频率高许多。,量化信噪比,量化噪声概率分布：,量化噪声平均功率（方差）：,量化噪声功率谱：,接受端经过LPF，基带信号的最高截止频率 fm时输出量化噪声功率谱：,输出正弦信号功率：,系统输出最大信号功率Am时：,最大量化信噪比：,提高信噪比的办法：,若与PCM同样大小的fs,则 太低。,M的动态范围：,5.4.3 M与PCM系统的比较,PCM和M的性能比较,PCM和M的性能比较是在相同的信道带宽条件下进行的，这意味着PCM和M系统具有相同的信道传输速率。M系统的传输速率就等于，即。PCM系统的传输速率。此时可得PCM和M的量化信噪比分别为如图所示给出了不同N值时的PCM和M的性能比较曲线。,不同n值的 PCM和M的性能比较曲线,基本增量调制的两大缺点1。信噪比特与频率有关2。过载特性和动态范围也与频率有关,5.5 改进型增量调制,增量调制的几种类型：总和增量调制（-M）数字压扩增量调制增量脉码调制(DPCM)自适应差值脉码调制(ADPCM),5.5.1 总和增量调制（-M）,积分,调制,积分,低通,微分,积分,+,-,两个积分器可用一个积分器代替,积分,调制,低通,-,+,比较：M 是斜率跟踪系统-M 输入的信号的幅度信息,信息的变化值，脉冲序列表示PCM 输出脉冲幅度随输入信号的瞬时值变化,两者本质不同,5.5.2 数字压扩增量调制,增量调制和总和增量调制的动态范围窄。,5.6.增量脉码调制(DPCM),5.7.自适应差值脉码调制(ADPCM),5.8.语音压缩编码,5.9.图像压缩编码,5.6 时分多路复用（TDM）,1.时分多路复用（TDM）原理 在数字通信中，PCM、M、ADPCM或者其它模拟信号的数字化传输，一般都采用时分复用方式来提高信道的传输效率。时分复用的主要特点是利用不同时隙在同一信道传输各路不同信号。TDM方法有两个突的优点：（1）多路信号的复合与分路都是数字电路，比FDM的模拟滤波器分路简单、可靠；（2）信道的非线性会在FDM系统中产生交调失真与高次谐波，引起路标串话，因此对信道的非线性失真要求很高。而TDM系统的非线性失真要求可降低。,采用TDM制的数字通信系统，在国际上已逐步建立起标准。原则上是先把一定路数的电话语音复合成一个标准数据流（称为基群），然后再把基群数据流采用同步或准同步数字复接技术汇合成更高速率的数据信号。按传输速率不同，分别称为基群、二次群、三次群、四次群等。每一种群路可以用来传送其它相同速率的数字信号。,2.PCM30/32路基群帧结构,国际上通用的PCM有两种标准：PCM30/32路与PCM24路，两者编码规则与帧结构均不相同。在PCM30、32路基群中，一帧共有32个时隙，其帧结构如图所示。每路话音信号抽样速率，则PCM30/32系统的数码率为,PCM30/32路帧结构,