模拟信号的数字传输ppt课件

1、第第4 4章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 4.1 4.1 引言引言4.2 4.2 抽样抽样4.3 4.3 量化量化4.4 4.4 编码编码4.5 4.5 脉冲编码调制系统脉冲编码调制系统4.6 4.6 自顺应差分脉冲编码调制系自顺应差分脉冲编码调制系统统4.7 4.7 增量调制增量调制 数字通讯系统具有许多优点而成为当今通讯的开数字通讯系统具有许多优点而成为当今通讯的开展方向。展方向。 然而自然界的许多信息经各种传感器感知后都是然而自然界的许多信息经各种传感器感知后都是模拟量，例如、电视等通讯业务，其信源输出的模拟量，例如、电视等通讯业务，其信源输出的音讯都是模拟信号。音讯都是模拟

2、信号。 假设要利用数字通讯系统传输模拟信号，普通需假设要利用数字通讯系统传输模拟信号，普通需三个步骤：三个步骤： 1 1把模拟信号数字化，即模把模拟信号数字化，即模/ /数转换数转换A/DA/D； 2 2进展数字方式传输；进展数字方式传输； 3 3把数字信号复原为模拟信号，即数把数字信号复原为模拟信号，即数/ /模转换模转换D/AD/A。 4.1 4.1 引言引言 由于由于A/DA/D或或D/AD/A变换的过程通常由信源编变换的过程通常由信源编译码器实现，所以我们把发端的译码器实现，所以我们把发端的A/DA/D变换称为信源编码，而收端的变换称为信源编码，而收端的D/AD/A变换称变换称为信源译

3、码。为信源译码。 如语音信号的数字化叫做语音编码。如语音信号的数字化叫做语音编码。 信源信源 信源编码信源编码 信道编码信道编码 调制器调制器 信道信道 解调器解调器 信道译码信道译码 信源译码信源译码 信宿信宿噪声噪声模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 模拟信息源抽样、量化和编码数字通信系统译码和低通滤波m (t)skskm (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 模拟信号数字化的方法大致可划分为波形模拟信号数字化的方法大致可划分为波形编码和参量编码两类。编码和参量编码两类。 波形编码是直接把时域波形变换为数字代波形编码是直接把时域波形变换为数字代码序列，比特率通常在码

4、序列，比特率通常在16kb/s-64kb/s16kb/s-64kb/s范围内，范围内，接纳端重建信号的质量好。接纳端重建信号的质量好。 参量编码是利用信号处置技术，提取语音参量编码是利用信号处置技术，提取语音信号的特征参量，再变换成数字代码，其比特信号的特征参量，再变换成数字代码，其比特率在率在1.2-4.8kb/s1.2-4.8kb/s，但接纳端重建，但接纳端重建( (恢复恢复) )信号信号的质量不够好。这里只引见波形编码。的质量不够好。这里只引见波形编码。 PCM通讯系统原理图 PCM信号构成过程表示图 PCM PCM信号的构成是模拟信号经过信号的构成是模拟信号经过“抽样、量抽样、量化、编

5、码三个步骤实现的。化、编码三个步骤实现的。 抽样是指把模拟信号在时间上离散化，变抽样是指把模拟信号在时间上离散化，变成抽样信号；成抽样信号； 量化是指把抽样信号在幅度上离散化，变量化是指把抽样信号在幅度上离散化，变成有限个量化电平；成有限个量化电平； 编码是指用二进制码元来表示有限个量化编码是指用二进制码元来表示有限个量化电平。电平。 接纳端的数接纳端的数/ /模变换包含了解码和低通滤波模变换包含了解码和低通滤波器两部分。器两部分。 解码是编码的反过程，它将接纳到的解码是编码的反过程，它将接纳到的PCMPCM信信号复原为抽样信号；号复原为抽样信号； 低通滤波是抽样的反变换，其作用是恢复低通滤波

6、是抽样的反变换，其作用是恢复或重建原始的模拟信号。或重建原始的模拟信号。 本章在引见抽样定理和脉冲幅度调制本章在引见抽样定理和脉冲幅度调制PAM)PAM)的根底上，重点讨论模拟信号数字化的两种方的根底上，重点讨论模拟信号数字化的两种方式，即式，即PCMPCM和和MM的原理及性能，并简要引见它的原理及性能，并简要引见它们的改良型：差分脉冲编码调制们的改良型：差分脉冲编码调制(DPCM)(DPCM)、自顺、自顺应差分脉冲编码调制应差分脉冲编码调制(ADPCM)(ADPCM)和增量总和调制、和增量总和调制、数字压扩自顺应增量调制的原理。数字压扩自顺应增量调制的原理。 4.2 4.2 抽样抽样 所谓抽

7、样是把时间上延续的模拟信号变成一系列时间上离散的样值序列的过程。4.2.14.2.1理想抽样理想抽样 当抽样脉冲序列为单位冲激序列时，当抽样脉冲序列为单位冲激序列时，称为理想抽样。称为理想抽样。一、低通讯号的抽样定理一、低通讯号的抽样定理 fLfH-fL-fLfH-fL-低通讯号低通讯号 一个频带限制在一个频带限制在0-fH0-fH内的时间延续的模内的时间延续的模拟信号拟信号m(t)m(t)，假设抽样频率，假设抽样频率fs 2fHfs 2fH，那么，那么可以经过低通滤波器由抽样序列可以经过低通滤波器由抽样序列ms(t)ms(t)无失真无失真地重建原始信号地重建原始信号m(t) m(t) 。 假

8、设抽样速率假设抽样速率fsfs2fH2fH，那么会产生失真，那么会产生失真，这种失真叫混叠失真。这种失真叫混叠失真。数学描画：数学描画：时域：时域：频域：频域： 理想抽样信号波形及其频谱 -wm 0 wmM(w)w MS(w)-2ws -ws 0 ws 2wsw -wm 0 wmM(w)w-2ws -ws -wm 0 wm ws 2ws MS(w)w -wm 0 wmM(w)w-2ws -ws -wm 0 wm ws 2ws MS(w)ww ws2w wmws-wm ws+wmw ws 2fHfs 2fH。例如话音信号的最高频率被限制在。例如话音信号的最高频率被限制在3400Hz3400Hz，

9、抽样频率应大于，抽样频率应大于2 23400=6800Hz3400=6800Hz，为，为了留有一定防卫带，了留有一定防卫带，ITU-TITU-T规定话音信号的抽规定话音信号的抽样频率为样频率为 fs = 8000Hz fs = 8000Hz， Ts=1/8000=125 Ts=1/8000=125s s。 抽样频率越高，对防止频谱混叠越有利，抽样频率越高，对防止频谱混叠越有利，但将使总码速率增高，给传输带来不便。但将使总码速率增高，给传输带来不便。 fs = 2fH fs = 2fH 是频谱不出现重叠的最低抽样是频谱不出现重叠的最低抽样频率，称之为奈奎斯特抽样频率。频率，称之为奈奎斯特抽样频率

10、。理想抽样与信号恢复理想抽样与信号恢复m (t)ms(t)T (t)(a )低 通滤 波 器ms(t)m (t)(b )二、带通讯号的抽样定理二、带通讯号的抽样定理 fL fH-fL- fL fH-fL-带通讯号带通讯号 实践中遇到的许多信号是带通型信号。假设实践中遇到的许多信号是带通型信号。假设采用低通抽样定理的抽样速率采用低通抽样定理的抽样速率fs2fHfs2fH，一定能满，一定能满足频谱不混叠的要求。足频谱不混叠的要求。 但这样选择但这样选择fsfs太高了，它会使太高了，它会使0fL0fL 一大段频谱空隙得不到利用，降低了信道一大段频谱空隙得不到利用，降低了信道 的利用率。的利用率。 S

11、(w)f利用低通讯号抽样定理抽样fm fL fS fs+fm-fm -fL fs+fLfs-fLfs-fm 2fS-fm 2fS-fL 上 下 下 X(w)ffm fL -fm -fL 上 下 下 上 fm fL fS fs+fm 上 下 f下 2fS 3fS 下 下 -fm -fL fs-fLfs-fmfs+fL 2fS-fm 2fS-fL 2fS+fm 2fS+fL 3fS-fm 3fS-fL S(w)利用带通讯号抽样定理抽样B时，就可以无失真地恢复出原信号。时，就可以无失真地恢复出原信号。 带通讯号抽样定理：一个频带限制在fL - fH之间的带通讯号，其抽样频率满足n n是不超越是不超越

12、fL/BfL/B的最大整数的最大整数nffnfLSH212例例 试求试求6060路载波超群信号路载波超群信号312312552kHz)552kHz)的的抽样频率。抽样频率。解：按带通讯号抽样定理解：按带通讯号抽样定理kHzfkHzkHznfkHznfn;BfkHzffBsLHLLH6245526241312225521155221213 .1240312/240312552假设按低通讯号抽样定理，其抽样频假设按低通讯号抽样定理，其抽样频率为率为 2fH=2 2fH=2552=1104kHz552=1104kHz 留意：假设fL B，即n=0，那么带通讯号抽样定理不再运用，此时应按低通讯号处置。

13、如信号频率为300-3400Hz， fL= 300Hz 0IS 0， c1=1 c1=1 (2) (2) 确定段落码确定段落码第一次比较，第一次比较，IW=128IW=128 ， IS=+1270 IS=+1270 IWIW， c2=1c2=1，在后四大段。，在后四大段。第二次比较，第二次比较，IW=512IW=512 ， IS=+1270 IS=+1270 IWIW， c3=1c3=1，在，在7 7、8 8大段。大段。第三次比较，第三次比较，IW=1024IW=1024 ， IS=+1270 IS=+1270 IWIW，c4=1c4=1，在，在8 8大段。大段。(3) (3) 确定段内码确定

14、段内码段内均匀分段内均匀分1616个小段，个小段， 8=10248=1024 /16=64/16=64 第四次比较，第四次比较，IW=1024IW=1024 +8+8 8=10248=1024 +8+86464 =1536=1536 ， IS=+1270IS=+1270 IWIW，c5=0c5=0，在前，在前8 8小段。小段。第五次比较，第五次比较，IW=1024IW=1024 +4+4 8=10248=1024 +4+46464 =1280=1280 ， IS=+1270IS=+1270 IWIWIW，c7=1c7=1，在，在3 3、4 4小段。小段。第七次比较，第七次比较，IW=1024I

15、W=1024 +2+2 8+ 8+ 8 8 =1024=1024 +3+36464 =1216=1216 ， IS=+1270 IS=+1270 IWIW，c8=1c8=1，在第，在第4 4小段。小段。编出的码组编出的码组c1c1 c8c8是是1111001111110011 B1 B2 . B12PCM 码流码流寄寄存存读读出出串并串并变换变换记忆记忆电路电路7/12变变换换D1 D2 . D8解码电平解码电平M2 M3 . M812位位线性线性解码解码网络网络极性控制极性控制时时钟钟脉脉冲冲M2 M3 . M8二、二、A A律律1313折线解码器折线解码器量化电平量化电平)段段落落非线性码

16、非线性码线型码线型码c2 c3 c4 c5 c6 c7 c8B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10 B11 B121000XYZW0000000XYZW12001XYZW0000001XYZW13010XYZW000001XYZW104011XYZW00001XYZW1005100XYZW0001XYZW10006101XYZW001XYZW100007110XYZW01XYZW1000008111XYZW1XYZW10000007/12变换关系表变换关系表102451225612864321684211/2B1B12代表的数值例例 知一个抽样值知一个抽样值u=2510m

17、v,(1)u=2510mv,(1)假设量化区假设量化区的最大电压为的最大电压为U=4096mv,U=4096mv,采用采用A A律律1313折线编码折线编码编成编成8 8位折叠二进制码，试写出位折叠二进制码，试写出8 8位码；位码；2 2编码电平为多少？编码器中的编码电平为多少？编码器中的7/117/11变换得到的变换得到的1111位线性码为多少？位线性码为多少？3 3接纳接纳端解码器输出电平量化电平多少？解码端解码器输出电平量化电平多少？解码误差量化误差为多少？解码器中的误差量化误差为多少？解码器中的7/127/12变换得到的变换得到的1212位线性码为多少？位线性码为多少？ 4.5 脉冲编

18、码调制系统4.5.1 4.5.1 脉冲编码调制脉冲编码调制PCMPCM原理原理 在在PCMPCM系统中，除了上述的几个部分，还系统中，除了上述的几个部分，还必需设有同步设备。必需设有同步设备。4.5.2 PCM4.5.2 PCM信号的码元速率和带宽信号的码元速率和带宽二进制代码的速率为：二进制代码的速率为：当采用矩形脉冲传输时，所需求的带宽与脉冲当采用矩形脉冲传输时，所需求的带宽与脉冲宽度宽度成反比，第一零点带宽为成反比，第一零点带宽为B=1/B=1/P119P119例例4.8 4.8 某信号频谱范围为某信号频谱范围为50-60KHZ,50-60KHZ,采采用最低抽样频率抽样后按照用最低抽样频

19、率抽样后按照256256级量化，采级量化，采用二进制编码。计算用二进制编码。计算PCMPCM系统的码元速率。系统的码元速率。 典型信号的抽样频率是典型信号的抽样频率是8000Hz8000Hz。故在采。故在采用这类非均匀量化编码器时，典型的数字用这类非均匀量化编码器时，典型的数字传输比特率为传输比特率为64kb/s64kb/s。例：例：单路语音信号的最高频率为单路语音信号的最高频率为4000Hz4000Hz，抽样频率，抽样频率为奈奎斯特抽样频率，以为奈奎斯特抽样频率，以PCMPCM方式传输。抽样方式传输。抽样后按照后按照256256级量化。设传输信号的波形为矩形级量化。设传输信号的波形为矩形脉冲

20、，占空比为脉冲，占空比为1 1。计算。计算PCMPCM基带信号第一零点基带信号第一零点带宽。带宽。 4.5.3 PCM 4.5.3 PCM系统的抗噪声性能分析系统的抗噪声性能分析 PCM PCM系统输出的信号是模拟信号，因此系统系统输出的信号是模拟信号，因此系统的可靠性依然可用系统输出信噪比来衡量。的可靠性依然可用系统输出信噪比来衡量。PCMPCM系统的噪声来自两方面，即量化过程中构成的系统的噪声来自两方面，即量化过程中构成的量化噪声，以及在传输过程中经信道混入的加量化噪声，以及在传输过程中经信道混入的加性高斯白噪声。性高斯白噪声。因此通常将因此通常将PCMPCM系统输出端总的信噪比定义为系统

21、输出端总的信噪比定义为 式中，式中，S0S0系统输出端信号的平均功率；系统输出端信号的平均功率； Nq Nq系统输出端量化噪声的平均功率；系统输出端量化噪声的平均功率； Ne Ne系统输出端信道加性噪声的平均功系统输出端信道加性噪声的平均功率。率。eqoPCMooNNSNS)(一一. .量化噪声对系统的影响量化噪声对系统的影响 PCM PCM系统输出端的量化信号与量化噪声的平均系统输出端的量化信号与量化噪声的平均功率比为功率比为对于二进制编码，设其编码位数为对于二进制编码，设其编码位数为l l，那么上，那么上式又可写为式又可写为lqNS2022MNSqo 上式表示，PCM系统的输出信号量噪比仅

22、和编码位数l有关，且随l按指数规律增大。另一方面，对于一个频带限制在fH的低通讯号，按照抽样定理，要求抽样速率不低于每秒2fH次。对于PCM系统，这相当于要求传输速率至少为2lfH b/s。故要求系统带宽B至少等于lfH Hz。用B表示l代入上式，得到 lqoMNS222HfBqoNS/22/ 上式阐明，当低通讯号最高频率fH给定时，PCM系统的输出信号量噪比随系统的带宽B按指数规律增长。HfBqoNS/22/二二. .加性噪声对系统的影响加性噪声对系统的影响 仅思索信道加性噪声时仅思索信道加性噪声时PCMPCM系统的输出信噪比系统的输出信噪比为为eePNS410三三.PCM.PCM系统接纳端

23、输出信号的总信噪比系统接纳端输出信号的总信噪比 同时思索量化噪声和信道加性噪声时，同时思索量化噪声和信道加性噪声时，PCMPCM系统输出端的总信噪功率比为系统输出端的总信噪功率比为lelPCMPNS22002412在接纳端输入大信噪比的条件下在接纳端输入大信噪比的条件下,误码率较低误码率较低时，例如时，例如Pe 10-6，PCM系统的输出信噪比主系统的输出信噪比主要取决于量化信噪比要取决于量化信噪比S0/Nq, So / No 22l当信道中信噪比较低，即误码率当信道中信噪比较低，即误码率Pe较高时，较高时，PCM系统的输出信噪比取决于误码率，且随误系统的输出信噪比取决于误码率，且随误码率码率

24、Pe的提高而下降的提高而下降, So / No 1/(4Pe) 4.64.6自顺应差分脉冲编码调制自顺应差分脉冲编码调制(ADPCM(ADPCM 64kb/s的A律或律的对数压扩PCM编码曾经在大容量的光纤通讯系统和数字微波系统中得到了广泛的运用。但PCM信号占用频带要比模拟通讯系统中的一个规范话路带宽大很多倍，这样，对于大容量的长途传输系统，尤其是卫星通讯，采用PCM的经济性能很难与模拟通讯相比。 以较低的速率获得高质量编码，不断是语以较低的速率获得高质量编码，不断是语音编码追求的目的。通常，人们把话路速率低音编码追求的目的。通常，人们把话路速率低于于64kb/s64kb/s的语音编码方法，

25、称为语音紧缩编码的语音编码方法，称为语音紧缩编码技术。技术。 语音紧缩编码方法很多，其中，自顺应差分脉冲编码调制ADPCM)是语音紧缩中复杂度较低的一种编码方法，它可在32kb/s的比特率上到达64kb/s的PCM数字质量。近年来，ADPCM已成为长途传输中一种新型的国际通用的语音编码方法。 PCMPCM的缺陷的缺陷: : 样值编码需求比特数较多。样值编码需求比特数较多。RbRb较高，较高，呵斥数字化的信号带宽添加。呵斥数字化的信号带宽添加。 相邻抽样间表现出很强的相关性，有相邻抽样间表现出很强的相关性，有很大的冗余度。很大的冗余度。改良措施：采用改良措施：采用DPCMDPCM4.6.14.6

26、.1差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制(DPCM)(DPCM)方法：根据前面的方法：根据前面的k k个抽样值预测当前时个抽样值预测当前时辰的抽样值预测值。辰的抽样值预测值。只对当前抽样值与预测值之间的差值进展只对当前抽样值与预测值之间的差值进展量化编码。量化编码。实际根底：利用模拟信号的相关性。抽样实际根底：利用模拟信号的相关性。抽样后的前后两个样值点有冗余。后的前后两个样值点有冗余。DPCMDPCM是对是对“抽样值与预测值的差值进展量抽样值与预测值的差值进展量化编码。化编码。线性预测根本原理：线性预测根本原理：1、利用前面的几个抽样值的线性组合来、利用前面的几个抽样值的线性组合来预测当前的抽样

27、值，称为线性预测。预测当前的抽样值，称为线性预测。2、当前抽样值和预测值之差，称为预测、当前抽样值和预测值之差，称为预测误差。误差。3、由于相邻抽样值之间的相关性，预测、由于相邻抽样值之间的相关性，预测值和抽样值很接近，即误差的取值范围较小。值和抽样值很接近，即误差的取值范围较小。4、对较小的误差值编码，可以降低比特、对较小的误差值编码，可以降低比特率。率。 DPCM系统原理框图系统原理框图 DPCM系统的总量化误差应该定义为输入信号系统的总量化误差应该定义为输入信号xn样值与解码样值与解码器输出样值器输出样值 之差。之差。xn nq=xn- =(en+ )-( +eqn)=en-eqn 由上

28、式可知，DPCM的总量化误差nq等于量化器的量化误差。xnnxnxDPCMDPCM系统总的量化信噪比可表示为系统总的量化信噪比可表示为qqPqnnnqnDPCMqoNSGnEeEeExEnExENS)()(o222222 式中，(So/Nq)q是把差值序列作为信号时量化器的量化信噪比，与PCM系统思索量化误差时所计算的信噪比相当。Gp可了解为DPCM系统相对于PCM系统而言的信噪比增益，称为预测增益。 对DPCM系统的研讨就是围绕着如何使Gp和(S/N)q 这两个参数取最大值而逐渐完善起来的。通常Gp约为611 dB。 可见，DPCM系统总的量化信噪比远大于量化器的信噪比。因此, 要求DPCM

29、系统到达与PCM系一致样的信噪比，那么可降低对量化器信噪比的要求，即可减小量化级数，从而减少码位数，降低比特率。 4.6.2自顺应差分脉冲编码调制(ADPCM)DPCM系统性能的改善是以最正确的预测和量化为前提的。但对语音信号进展预测和量化是复杂的技术问题，这是由于语音信号在较大的动态范围内变化。为了能在相当宽的变化范围内获得最正确的性能，只需在DPCM根底上引入自顺应系统。有自顺应系统的DPCM称为自顺应差分脉冲编码调制，简称ADPCM。 ADPCM的主要特点是用自顺应量化取代固定量化，用自顺应预测取代固定预测。自顺应量化指量化台阶随信号的变化而变化，使量化误差减小；自顺应预测指预测器系数可

30、以随信号的统计特性而自顺应调整，提高了预测信号的精度，从而得到高预测增益。经过这两点改良，可大大提高输出信噪比和编码动态范围。 假设假设DPCMDPCM的预测增益为的预测增益为6-11dB6-11dB，自顺应，自顺应预测可使信噪比改善预测可使信噪比改善4dB4dB；自顺应量化可使信；自顺应量化可使信噪比改善噪比改善4-7dB4-7dB，那么，那么ADPCMADPCM比比PCMPCM可改善可改善16-16-21dB21dB，相当于编码位数可以减小，相当于编码位数可以减小3 3位到位到4 4位。因位。因此，在维持一样的语音质量下，此，在维持一样的语音质量下，ADPCMADPCM允许用允许用32kb

31、/s32kb/s比特率编码，这是规范比特率编码，这是规范64kb/s PCM64kb/s PCM的一的一半。半。.7.7增量调制增量调制 增量调制获得广泛运用的主要缘由：增量调制获得广泛运用的主要缘由： (1) 在比特率较低时，增量调制的量化信噪在比特率较低时，增量调制的量化信噪比高于比高于PCM的量化信噪比；的量化信噪比； (2) 增量调制的抗误码性能好。能任务于误增量调制的抗误码性能好。能任务于误码率为码率为10-2 - 10-3的信道中，而的信道中，而PCM要求误要求误比特率通常为比特率通常为10-4 -10-6； (3)增量调制的编译码器比增量调制的编译码器比PCM简单。简单。 一、一

32、、 简单增量调制简单增量调制MM M M与与PCMPCM虽然都是用二进制代码去表示模虽然都是用二进制代码去表示模拟信号的编码方式。但是，在拟信号的编码方式。但是，在PCMPCM中，代码表中，代码表示抽样值本身的大小，所需码位数较多，从而示抽样值本身的大小，所需码位数较多，从而导致编译码设备复杂；而在导致编译码设备复杂；而在MM中，它只用一中，它只用一位编码表示相邻抽样值的相对大小，从而反映位编码表示相邻抽样值的相对大小，从而反映出抽样时辰波形的变化趋势，与抽样值本身的出抽样时辰波形的变化趋势，与抽样值本身的大小无关。大小无关。 m(t)0010101111110tt12t11t10t9t8t7

33、t6t5t4t3t2t1m(t)m (t)m1(t)t发送端：发送端：m(t)m(t)是一个频带有限的模拟信号是一个频带有限的模拟信号 时间轴时间轴t t被分成许多相等的时间段被分成许多相等的时间段tt； 把代表把代表m(t)m(t)幅度的纵轴也分成许多相等的小幅度的纵轴也分成许多相等的小区间区间； 模拟信号模拟信号m(t)m(t)可用如下图的阶梯波形可用如下图的阶梯波形m m(t)(t)来逼近。来逼近。 编码：编码：“1 1码表示上升一个台阶码表示上升一个台阶 “0 “0码表示下降一个台阶码表示下降一个台阶 m(t) m(t)可以用一串二进码序列来表示，从而可以用一串二进码序列来表示，从而实

34、现了模实现了模/ /数转换。数转换。 接纳端：接纳端： 每收到一个每收到一个“1 1码就使输出上升一个码就使输出上升一个值，每收到一个值，每收到一个“0 0码就使输出下降一个码就使输出下降一个值，当收到连值，当收到连“1 1码时，表示信号延续增长，码时，表示信号延续增长，当收到连当收到连“0 0码时，表示信号延续下降。这码时，表示信号延续下降。这样就可以恢复出与原模拟信号样就可以恢复出与原模拟信号m(t)m(t)近似的阶近似的阶梯波形梯波形m m(t)(t)，从而实现了数，从而实现了数/ /模转换。模转换。 (t)Sp(t)ttS(t)C(n) 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0

35、0 0 1 比较器比较器+Sp(t)S(t)e(t)+-积分器积分器脉冲发脉冲发生器生器抽样定时抽样定时发送端发送端M M 编码器编码器C(n)(t) TS -V -V-V+VC(n) 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0(t)tS(t)脉冲发脉冲发生器生器积分器积分器低通低通滤波滤波C(n)(t)(t)接纳端接纳端M 译码器译码器S(t)t(t)判决器(比较器)消息信号m (t)e(t)积分器脉冲发生器发送端编码器p(t)抽样定时增量调制信号输出c(t)脉 冲发生器c(t)积分器EE低 通滤波器消息信号m (t)接收端译码器m1(t) 由于M是前后两个样值的差值的量化编

36、码, 所以M实践上是最简单的一种DPCM方案，预测值仅用前一个样值来替代，即当DPCM系统的预测器是一个延迟单元，量化电平取为2时，该DPCM系统就是一个简单M系统。二、二、 增量调制的过载特性与编码的动态范围增量调制的过载特性与编码的动态范围 增量调制系统中量化噪声有两种方式，增量调制系统中量化噪声有两种方式，普通量化噪声和过载量化噪声。普通量化噪声和过载量化噪声。 当输入模拟信号当输入模拟信号m(t)m(t)斜率陡变时，本地斜率陡变时，本地译码器输出信号译码器输出信号m(t)m(t)跟不上信号跟不上信号m(t)m(t)的变的变化，这时，化，这时， m(t) m(t)与与m(t)m(t)之间

37、的误差明显增之间的误差明显增大，引起译码后信号的严重失真，大，引起译码后信号的严重失真， 这种景象这种景象叫过载景象，产生的失真称为过载失真，或叫过载景象，产生的失真称为过载失真，或称过载噪声。称过载噪声。 (a) 普通量化误差； (b) 过载量化误差m(t)m (t)eq(t)(a)m(t)m (t)tt(b)eq(t) 设抽样间隔为t抽样速率为fs=1/t，那么一个量阶上的最大斜率K为 K= 它被称为译码器的最大跟踪斜率。显然，当译码器的最大跟踪斜率大于或等于模拟信号m(t)的最大变化斜率时，即sftsfdttdmmax)( 译码器输出m(t)可以跟上输入信号m(t)的变化，不会发生过载景

38、象，因此不会构成很大的失真。当然，这时m(t)与m(t)之间仍存在一定的误差eq(t)，它局限在-，区间内变化，这种误差称为普通量化误差。 为了不发生过载，必需增大和fs。但增大，普通量化误差也大，由于简单增量调制的量阶是固定的，因此很难同时满足两方面的要求。 -不过载失真条件不过载失真条件 不过，提高fs对减小普通量化误差和减小过载噪声都有利。 实践中增量调制采用的抽样频率fs值比PCM和DPCM的抽样频率值都大很多；对于语音信号而言，增量调制采用的抽样频率在几十千赫到百余千赫。设输入模拟信号为设输入模拟信号为m(t)=Asinktm(t)=Asinkt，其斜率为，其斜率为 =Akcoskt

39、 =Akcoskt 可见，斜率的最大值为可见，斜率的最大值为AkAk。为了保证不发生过载，要求信号的最大斜率不为了保证不发生过载，要求信号的最大斜率不超越译码器的最大跟踪斜率。如今信号的最大超越译码器的最大跟踪斜率。如今信号的最大斜率为斜率为A A k, k, 所以要求所以要求AKfAKfS Sdttdm )(不过载且信号幅度又是最大值的条件为：不过载且信号幅度又是最大值的条件为：能正常开场编码的最小信号振幅：能正常开场编码的最小信号振幅：系统编码的动态范围可以定义为：系统编码的动态范围可以定义为：以以 正弦波值为规范，上式就变为：正弦波值为规范，上式就变为： ksksfAAftwwmax2m

40、inA dBfffffAADksksksCwlg2022lg202lg20lg20minmaxHzfk800dBfDsC800lg20抽样速抽样速率为率为fs(kHz)1020324080100编码的编码的动态范动态范围围DC(dB)121822243032 由上表可见，简单增量调制的编码动态范围较小，在低传码率时，不符合话音信号要求。通常，话音信号动态范围要求为 40-50dB。因此，适用中的M常用它的改良型，如增量总和调制、 数字压扩自顺应增量调制等。 三、增量调制系统的量化信噪比三、增量调制系统的量化信噪比 量化误差有两种，即普通量化误差和过量化误差有两种，即普通量化误差和过载量化误差，

41、这里仅思索普通量化噪声。载量化误差，这里仅思索普通量化噪声。系统最大的量化信噪比为系统最大的量化信噪比为mksmksqffffffNS23232004. 083用分贝表示为用分贝表示为)04. 0lg(10)(230mksdBqfffNS14lg10lg20lg30mksfff 上式阐明： 1简单M的信噪比与抽样速率fs成立方关系，即fs每提高一倍，量化信噪比提高9dB。因此，M系统的抽样速率至少要在16kHz以上，才干使量化信噪比到达15dB以上，而抽样速率在32kHz时，量化信噪比约为26dB，只能满足普统统讯质量的要求。 2 量化信噪比与信号频率fk的平方成反比，即fk每提高一倍，量化信

42、噪比下降6dB。因此，简单M时语音高频段的量化信噪比下降。 四、四、PCMPCM和和M M的性能比较的性能比较 PCM PCM和和MM都是模拟信号数字化的根本方都是模拟信号数字化的根本方法。法。1. 1. 抽样频率抽样频率 PCM PCM系统中的抽样频率系统中的抽样频率fsfs是根据抽样定理来确是根据抽样定理来确定的。假设信号的最高频率为定的。假设信号的最高频率为fHfH，那么，那么fs2fHfs2fH。对语音信号，取对语音信号，取fs=8kHzfs=8kHz。 M M系统中其抽样频率系统中其抽样频率fsfs不能根据抽样定理来不能根据抽样定理来确定。确定。MM的抽样频率与最大跟踪斜率和信噪比有

43、的抽样频率与最大跟踪斜率和信噪比有关。在保证不发生过载，到达与关。在保证不发生过载，到达与PCMPCM系一致样的信系一致样的信噪比时，噪比时，MM的抽样频率远远高于奈奎斯特速率。的抽样频率远远高于奈奎斯特速率。 2. 带宽 M系统在每一次抽样时，只传送一位代码，因此,M系统的数码率为RB=fs，要求的最小带宽为BM= fs/2,实践运用时BM=fs 而PCM系统的数码率为RB=lfs。要求的最小带宽为BPCM=lfs/2,在同样的语音质量要求下，PCM系统的数码率为64kB，因此要求最小信道带宽为32kHz。而采用M系统时，抽样速率至少为100kHz，那么最小带宽为50kHz。通常，M速率采用

44、32kHz或16kHz时，语音质量不如PCM。 比较两者曲线可看出，假设比较两者曲线可看出，假设PCMPCM系统的编码位数系统的编码位数N N4 4码率较低时，码率较低时，MM的量化信噪比高于的量化信噪比高于PCMPCM系统。系统。 3. 3. 量化信噪比量化信噪比 4. 信道误码的影响 在M系统中，每一个误码代表呵斥一个量阶的误差，所以它对误码不太敏感。故对误码率的要求较低，普通在10-3-10-4。而PCM的每一个误码会呵斥较大的误差，尤其高位码元，所以误码对PCM系统的影响要比M系统严重些，故对误码率的要求较高,普通为10-5-10-6。由此可见，M允许用于误码率较高的信道条件。 5. 设备复杂度 PCM系统的特点是多路信号一致编码，普通采用8位对语音信号，编码设备复杂，但质量较好。PCM普通用于大容量的干线多路通讯。 M系统的特点是单路信号独用一个编码器，设备简单，单路运用时，不需求收发同步设备。但在多路运用时，每路独用一套编译码器，所以路数增多时设备成倍添加。M普通适于小容量支线通讯。五、五、 改良型增量调制改良型增量调制 1 1、总和增量调制、总和增量调制(M) (M) 根本增量调制有两大缺陷：根本增量调制有两大缺陷：1 1信噪比与信号频率有关，频率高时信噪比信噪比与信号频率有关，频率高时信噪比降低。降低。2 2过载特性和动态范围也与频率有关。频率过载