[信息与通信]模拟信号数字传输.ppt
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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f
6、S 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
7、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
8、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
9、,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
10、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
11、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
12、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,
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