现代通信原理5第五章脉冲编码调制

1、2021-10-301现代通信原理第五章 脉冲编码调制2021-10-302单元概述单元概述 抽样是将模拟信号在时间上进行量化。低通信号的最低抽样频率是其最高频率分量的两倍，而带通信号则并不一定需要遵循这一规则。 脉冲编码调制是将时间上已量化的抽样序列，在幅度上再进行一次量化，然后用二元数字码组表示幅度量化后的离散值。幅度量化过程中产生的误差，称为量化误差。对于非均匀分布的信号，为减少量化误差，必须采用非均匀量化。语音信号近似为负指数分布，因而对数量化是最佳选择。对数量化特性可以看成是对数压缩特性与均匀量化的级联。作为国际标准，采用13折线A律对数压缩特性和15折线律对数压缩特性，并用折叠二进

2、制码组来表示量化幅度。2021-10-303单元学习提纲单元学习提纲 （1）低通抽样定理及其时域、频域表示； （2）带通抽样定理及其定性解释； （3）理想抽样、自然抽样和平顶抽样在时域和频域上的区别； （4）孔径失真及其解决办法； （5）标量量化基本概念：量化电平、分层电平、量化间隔、量化特性、量化误差；2021-10-304 （6）均匀量化时量化信噪比的推导和计算公式，量化信噪比与编码位数的关系； （7）最佳量化、非均匀量化、对数量化； （8）A律对数压缩特性及其13折线近似； （9）折叠二进制组码原理及其抗误码能力； （10）A律脉冲编码调制的编码规律，要求在已知输入电平时，计算出码组。2

3、021-10-305第五章 脉冲编码调制 脉冲调制时间上离散的脉冲序列作为载波. 主要参数幅度、宽度和位置。 脉冲模拟调制：用模拟基带信号控制脉冲序列的参数变化传送信号样本值。 脉冲数字调制：用脉冲码组表示调制信号采样值。2021-10-3062021-10-3075.1 PCM 5.1 PCM 的基本原理 脉码调制将模拟调制信号的采样值变换为脉冲码组。PCM编码包括如下三个过程。将模拟信号转换为时间离散的样本脉冲序列。将离散时间连续幅度的抽样信号转换成为离散时间离散幅度的数字信号。用一定位数的脉冲码组表示量化采样值。2021-10-3082021-10-309 2021-10-3010接收机

4、中恢复信源信息的过程。脉冲码组的每个脉冲。：码组中包含的码元个数。信号与量化噪声的功率 比,误码率其中Tb为码元间隔。2021-10-3011 在一定条件下，一个连续时间信号完全可以用该信号在等时间间隔点上的样本值来表示，并且可以用这些样本值把该信号全部恢复出来。5.2.1 低通抽样定理 一个带限在（0，fH）内的连续信号x(t)，若抽样频率fs 大于等于2fH，则可用抽样序列x(nTs)无失真地重建恢复原始信号x(t).若抽样频率fs2fH，则会产生失真，称为。2021-10-3012 证明:抽样脉冲序列为一个周期性冲激函数T(t)。 设x(t)为低通信号，抽样脉冲序列是一个周期性冲激函数(

5、t)。抽样过程是x(t)与(t)相乘的过程。2021-10-30132021-10-30142021-10-3015混叠现象：2021-10-30165.2.2.内插公式: 接收机将采样信号恢复成模拟信号的过程，是通过如下低通滤波来实现的：抽样信号经LPF后， Xso()=Xs()H()2021-10-30172021-10-30182021-10-3019用核函数表示重建信号2021-10-3020三.带通抽样定理 实际信号许多是带通信号,其中心频率很高，用定理来选择抽样,得到的抽样频率太高,传输所需的频带太宽,没有必要,应选择。2021-10-3021：设带通信号的上截止频率为fH，下截止

6、频率为fL，则带宽B=fH-fL，此时fs应满足：2021-10-3022计算带通抽样频率:1.计算信号带宽(fH-fL)2.计算fH/(fH-fL)，求出小于它的最大整数N。3.计算M= fH/(fH-fL)-N.4.计算fS=2 (fH-fL)(1+M/N).2021-10-3023由上面的公式，如图所示，根据带通抽样定理，抽样频率在2B到4B之间变动。2021-10-3024 怎样来理解带通抽样定理的正确性？可以用以下来理解：1、当fH=NB(其中N为正整数,B为f(t)的带宽） 根据低通抽样定理，必须用2NB来来抽样，但根据带通抽样定理，用2B抽样也能保证抽样不混叠。 如图，当N=3时

7、，用2B抽样。2021-10-30252021-10-3026 上图中,采样造成的频谱不会发生混叠,可以在接收端通过低通滤波器恢复信源频谱。2021-10-30272. 若fH=NB+MB，其中0M1，则fH不再是B的整数倍,如果仍以2B采样,图中明显可以看到混叠现象。2021-10-30282021-10-30292021-10-3030 因为FH/B=M+N，（见公式定义）FH= (NB+MB)若要使频谱分量无混叠，则必须使 Nfs=2(NB+MB)所以 fs=2B (1+M/N)2021-10-30315.3 5.3 实际抽样xs(t)=x(t)T(t)用有限持续时间的脉冲（脉宽为）。时

8、间内脉冲幅度不变。内脉冲幅度随信号幅度而变化。2021-10-3032 抽样定理中要求抽样脉冲序列是理想冲激序列T(t)，称为。但实际上， 1、理想抽样具有无限频宽，无法传送。 2、抽样脉冲不可能无限窄。 电路抽样脉冲一般具有一定的抽样时间，在脉宽期间幅度不变的称为；随信号幅度变化的称为。2021-10-3033 用周期为Ts，脉宽为的周期性脉冲p(t)代替T(t)，抽样过程是一个相乘过程。C(t)为抽样脉冲序列。2021-10-3034傅氏级数2021-10-30352021-10-3036 (1)Xs()分别在ks 处有分布，幅度按规律变化，随k增大而衰减。自然抽样xs(t)的频谱为有限，

9、实际集中在主瓣中。可以用一个带通信道来传送。 (2) xs(t)的频谱包含有x(t)的全部信息。 (3)若满足s2H，同样可用LPF 不失真地从Xs()恢复出X()。 (4)Xs()主要能量集中在抽样函数的第一个零点之内=2/。若取第一个零点作为其近似传输带宽，则B=1/。2021-10-3037二.平顶抽样1、平顶抽样脉冲顶部不随信号幅度变化。2、平顶抽样采用抽样保持电路实现。3、平顶抽样的过程可以等效成以下两步：2021-10-3038信号与冲激相乘，输出为 通过冲激响应为h(t)（矩形）的网络，输出为：2021-10-3039抽样信号的频谱为2021-10-3040 加权项Sa(/2)与

10、频率有关，使Xsf()频谱出现畸变，接收端使用频率响应为的滤波器进行频谱补偿。2021-10-30415.4 5.4 标量量化和矢量量化*1、标量量化 量化：将一个连续幅度值（无限个数）转变成离散幅度值（有限个值）如图所示：Q（x)量化器采样值X量化值Y2021-10-3042 量化器Q输出L个电平YK ( K=1,2,L), YK称为当输入信号幅度在XK与XK+1之间时，量化器输出电平为YK，XK，XK+1称为。K=XK+1-XK称为。2021-10-3043如图所量化方式分为均匀型和非均匀型两种。一.：量化间隔是一个常数。 x(t)量化取值范围(-V ，+V)，量化间隔数为L，则量化间隔为

11、：2021-10-3044左图为中平型，右图为中升型。2021-10-3045二、：量化间隔随输入信号的幅度变化，一般对大信号选用较大的量化间隔，小信号选用较小的量化间隔。 下图为中平型，上图为中升型。2021-10-3046三、与之差，反映 了信号的损失情况。：量化误差的均方值。2021-10-3047若把积分区域分隔成L个量化间隔，则上式写成： 上式中，信源的分布是已知的，Px(x)是已知的。量化误差与量化间隔的非隔有关。 量化理论的目的就是研究如何使量化误差最小，使量化信噪比最大。2021-10-30485.55.5最佳量化器 最佳量化器就是在给定输入信号概率密度函数和量化电平数L的情况

12、下,求出一组分层电平值XK和量化电平值YK.2021-10-3049设2021-10-30502021-10-3051设2021-10-30522021-10-3053分两层时。 x1=- x2=0 x3= 2021-10-3054由前面的公式，可推得最佳量化电平：2021-10-3055量化噪声功率 分层为2的量化噪声功率等于信号功率减去量化电平的平方。2021-10-3056 当量化电平分层L1时，可以认为在一个分层之间信号的概率密度函数近似为一个常数。 最佳量化电平为： 2021-10-3057 以下计算分层电平很多时的量化噪声功率。设输入电平落入第K层量化间隔的概率PK2021-10-

13、3058q22021-10-30592021-10-3060当K很小时， V表示量化器的，当信号幅度超过最大量化电平，其噪声称为。2021-10-30612021-10-30625.6 5.6 均匀量化均匀量化:在整个量化范围(-V,V)内,量化间隔都相等. x(t)量化取值范围(-V ，+V)，量化间隔数为L，则量化间隔为：2021-10-3063量化不过载噪声功率:信号不过载时:2021-10-3064信号不过载时的噪声功率为: .2021-10-3065量化信号功率2021-10-3066量化信噪比对于二进制编码2021-10-30673. 实际信号的量化信噪比正弦信号u(t)=Amsi

14、nmt2021-10-3068令归一化有效值为： 表示了和量化范围的比，一般是小于1的值。 用分贝数表示时，是一个负数，称为。2021-10-3069其中L分层数可以用n位二进值数表示 2021-10-3070 采样 图像的A/D采样语言平均功率的变化范围达到30dB。每户电话和采样口距离造成的功率差2530dB。电话语音信号的总动态范围可达4050dB。假设信号动态范围为50dB，满足要25dB的量化信噪比，25=4.77-50+6.02n，n=11.672021-10-3071话音的每个样值需要12位二进值编码按采样频率为8K算数据率为96K（12*8k）。传输带宽要48K（96k/2）.

15、2021-10-30725.7 非均匀量化1、采用非均匀量化的理由均匀量化中 量化噪声功率与信号幅度无关，只与量阶有关。 信号电平低，量化信噪比小。 如量化间距为0.1v，最大量化误差为0.05 当信号幅度为5v，误差为1% 当信号幅度为0.5v，误差就为10%.2021-10-30735.7 非均匀量化 如要满足小信号时的信噪比要求，必须增加分层数，增加每个样值的编码位数。（如语音需要12位编码） 这就增加了每路信号传输率（96K），占用较宽的带宽（48K）资源。 为克服上述缺点，就需要设计一种量化方式，量阶随信号幅度的增加而增加。 使量化信噪比在任何输入信号幅度的情况下都是一个常数。202

16、1-10-3074有以下可以实现这一目的： A、发送端，将欲量化的信号进行预处理，信号的高电平部分进行压缩，信号的低电平部分进行扩张。 B、处理后的信号进行量化编码，由于信号的动态范围小了，可以用较少的编码来满足信噪比要求。 C、接收端恢复模拟信号后，对高电平进行扩张，低电平进行压缩，恢复原始信号。 2021-10-30752021-10-30762、直接法 用不同的量阶对信号进行非均匀量化。非均匀量化-量阶V 随信号幅度的大小变化而变化。2021-10-30772021-10-3078现在设计一个量化器，压缩曲线 Z=f(x)如图5-18所示X轴是输入信号，取K(x)，当X值大的时候，K(x

17、)值也大。Z轴是输出信号，取Z Z= =2V/L2021-10-3079当L1时，有量化噪声dxXkPxXVVQ)(121)(22式中K（X）是量化间隔， PX（X）是信号的概率密度函数2021-10-3080dxXzPxfXVVQ)(121222)(2021-10-30815.8对数量化及其折线近似 对数曲线能够满足非均匀量化中对大信号压缩、小信号扩张的要求。5.8.1理想对数量化设压缩曲线xBxfln1)(2021-10-3082则：Bxxf1)(则噪声功率：2021-10-3083信号功率dxxpXSxV)(220可得量化信噪比：222222312VBLSBQ2021-10-308420

18、21-10-30855.8.2 A律对数压缩特性 归一化信号(x/V)，过载电压为1，A律对数压缩特性定义为：其中A为压缩系数，国际标准A=87.62021-10-3086 1.曲线在小信号时(0 x1/A)，f(x)是一条直线，相当于均匀量化。 2.曲线在大信号时（1/A x1），f(x)是一条对数曲线，相当于对数非均匀量化。2021-10-3087图中直线为均匀量化的量化信噪比,三根折线分别表示A律6位7位8位的量化信噪比.在小信号段，有24dB的好处.2021-10-3088(3)律对数压缩特性2021-10-30892021-10-30905.8.4 对数压缩特性的折线近似 理想的A律

19、和律压缩特性不易实现。 用多条折线来近似对数特性。 A律采用13折线。 律采用15折线。2021-10-3091 图中只有正幅度部分，共7折线，负幅度部分也有7折线。但正负部分第一段折线斜率相等，为同一折线，共13折线。2021-10-3092： x轴：输入信号归一化后，范围按1/2递减规律分为8段。 Z轴：输出信号归一化后，均匀地分为8 段。2021-10-30932021-10-3094X 、Z轴上8 段的每一段再均匀分为16 个量化间隔。2021-10-3095 2021-10-3096如图所示： 采用折线近似方式后，加入正弦信号，信噪比的曲线会出现起伏现象，这是因为在每段折线起始部分，

20、量化间隔成倍增加，量化噪声功率增加很快，而信号功率并没有很快增加，造成量化信噪比有所下降。 共有6个起伏，7个峰值。2021-10-30975.9 PCM5.9 PCM编码原理编码:把量化后的信号电平值转换成二进制 编码的过程.常用三种:自然二进制码组NBC; 折叠二进制码组FBC; 格雷二进制码组RBC;PCM通信中采用折叠码.2021-10-30985.9 PCM5.9 PCM编码原理一.常用二进制码型 自然二进制码(Natural Binary Code,NBC):码字与电平值的对应关系简单。一般的十进制正整数的二进制表示。2021-10-30995.9 PCM5.9 PCM编码原理 反

21、射二进制码(Reflected Binary Code,RBC):/格雷码 任何相邻的电平的码组，只有一位码位发生变化。2021-10-30100折叠二进制码(Folded Binary Code,FBC): 除去左边第一位，其余部分从电平序号中部呈上下对称（折叠关系） 左边第一位是符号位。 （1表示正；0表示负）2021-10-30101三种二进制码2021-10-301025.9.1折叠二进制编码 相当于计算机中的符号幅度码，左边第一位是符号位（1表示正，0表示负），第二位以后表示幅度。 其它各位相对于零电平，故称为折叠码。2021-10-30103为何PCM选用折叠码（FBC）（定性分析

22、） 对于语音信号来说，小信号出现的概率最大； 而对于任意编码，左边第一位(高位)误码造成的误差功率最大。 NBC码在小信号情况，如果0111误为1111，则误码功率大。 而FBC码，如果0000误为1000，同样的小信号情况，则误码功率相对较小。2021-10-30104 通信信号数字化过程中中,误差来源于两部分: 1.量化误差eq 2.误码误差et总噪声功率2021-10-30105量化噪声误码噪声iijjLiLjittppyyEe21122)( yi,yj第i,j级量化电平； pij是将yi误为yj的概率； pi是yi的出现概率；L是量化电平总数。2021-10-30106 假设每个电平出

23、现概率相等， pi=1/L n位编码中只有一位误码，则只可能出现n=log2L种量化电平差错,错误概率pij=Pe，有iejLiLjitppyy21log12)(2 2021-10-30107在自然码NBC中，第K位发生误码，产生的误差值为.21k2021-10-30108222222.3112etqnPL总噪声功率：设输入信号服从均匀分布，满载功率为：12)21()(2222LdxvxdxxpxSvvvv2021-10-30109信噪比为：enPLLSSNR) 1(41/222当)1(412Lpe时 误码造成信噪比下降3dB.对于L=256位的线性量化来说,此时的Pe为3.8*10-6202

24、1-10-30110 下图为不同编码规律时SNR与输入电平的关系,在相同误码的情况下,折叠码的信噪比明显高于自然码.2021-10-30111二. 编码器工作原理 用2n-1 个比较器将信号采样值同时与2n-1 个判别电平。V,2V, ,(2n-1)V进行比较，经过逻辑电路并行输出n位码组。信号采样值逐次与一组二进制电压进行比较，串行输出n位码组。 n级比较电路串联构成，每级编一位码，可把量化采样值直接转换为折叠二进制码。2021-10-301121. 线性编码自然二进制码 本地解码器产生供比较用的二进制电压Vj ，保持电路使采样值在一个编码周期内不变Vs 。2021-10-301132021-10-301142. 非线性编码非均匀量化编码，以A87.6/13 折线为例。2021-10-30115 5.9.3 CCITT标准的PCM A律的国际标准PCM编码 极性码M1: 段落码M2M3M4：表示量化采样值所在段落的序号。 电平码(段内码)M5M6M7M8：表示每一段落内的16个均匀量化级。 表5-3列出了最小量化单位为2，段内码为自然码的量化规则。2021-10-30116段落数段落码对应的起始电平段内量化级间隔10 0 00D1