通信技术与系统-第四章模拟信号编码传输

1、第四章第四章 模拟信号编码传输模拟信号编码传输主要内容主要内容n模拟信号数字化传输模拟信号数字化传输n抽样抽样n量化与编码量化与编码n数字语音数字语音PCMn差分脉码调制差分脉码调制n增量调制增量调制模拟信号数字化传输模拟信号数字化传输nA/D转换：把模拟信号变成数字信号的过程；转换：把模拟信号变成数字信号的过程；nD/A转换：把数字信号变成模拟信号的过程。转换：把数字信号变成模拟信号的过程。模拟信号数字化传输模拟信号数字化传输n模拟信号离散化：对模拟信号按一定的时间间模拟信号离散化：对模拟信号按一定的时间间隔进行抽样；隔进行抽样；n量化：将无限个可能的抽样值（不是指抽样点量化：将无限个可能的

2、抽样值（不是指抽样点的个数，而是每个抽样点的可能取值）变成有的个数，而是每个抽样点的可能取值）变成有限个可能取值；限个可能取值；n量化后的抽样值用二进制（或多进制）码元进量化后的抽样值用二进制（或多进制）码元进行编码，就可得到所需要的数字信号。行编码，就可得到所需要的数字信号。n编码：用一组符号（码组）取代或表示另外一组符编码：用一组符号（码组）取代或表示另外一组符号（码组或数字）的过程。号（码组或数字）的过程。 模拟信号数字化传输模拟信号数字化传输n脉冲编码调制脉冲编码调制(PCM)：模拟信号经过抽模拟信号经过抽样、量化、编码三个处理步骤变成数字样、量化、编码三个处理步骤变成数字信号的信号的

3、A/D转换方式。转换方式。模拟信号数字化传输模拟信号数字化传输量化器编码器d(t)m(t)k(t)v(t)p(t)模拟信号数字化传输模拟信号数字化传输0123456tt0t000 010 011 100 101 110 110 100 010 001Ts2Ts3Ts4Ts5Ts6Ts7Ts8Ts9Ts10TsTs2Ts3Ts4Ts5Ts6Ts7Ts8Ts9Ts10TsTs2Ts3Ts4Ts5Ts6Ts7Ts8Ts9Ts10Ts(a) 抽样脉冲(c) PCM量化(b) PCM抽样(d) PCM编码p(t)v(t) k(t)m(t)d(t)6543210t抽样抽样n抽样：不断地以固定的时间间隔采集

4、模抽样：不断地以固定的时间间隔采集模拟信号当时的瞬时值。拟信号当时的瞬时值。 t00tt0f (t)y (t)k (t)抽样抽样n信号信号n抽样脉冲序列抽样脉冲序列n抽样序列抽样序列 )()(FtfnTkTnkTtt)()()()(000nnTskkTsnFfnFFFkTtkTfkTttfttftf)()()(2)()(21)()()()()()()()(0000000抽样定理抽样定理n低通抽样定理低通抽样定理n带通抽样定理带通抽样定理 抽样定理抽样定理n低通抽样定理低通抽样定理对于一个带限模拟信号对于一个带限模拟信号f(t)，假设其频带，假设其频带为（为（0，fH），若以抽样频率），若以抽样

5、频率fs2fH对其对其进行抽样的话（抽样间隔进行抽样的话（抽样间隔Ts1/fs），），则则f(t)将被其样值信号将被其样值信号ys(t)=f(nTs)完全完全确定。或者说，可从样值确定。或者说，可从样值ys(t)=f(nTs)中无失真地恢复出原信号中无失真地恢复出原信号f(t)。 抽样定理抽样定理n奈奎斯特间隔：能够惟一确定信号奈奎斯特间隔：能够惟一确定信号f(t)的的最大抽样间隔，奈奎斯特间隔为最大抽样间隔，奈奎斯特间隔为1/2fH。n奈奎斯特速率：能够惟一确定信号奈奎斯特速率：能够惟一确定信号f(t)的的最小抽样频率，奈奎斯特速率为最小抽样频率，奈奎斯特速率为2fH。 抽样定理抽样定理00

6、00ttt00f (t)ys(t)T(t)f (t)T(t)ys(t)F()T()Ys()TsTsm20m0020200mm020理想低通特性抽样定理抽样定理频谱重叠示意图频谱重叠示意图Ys()20300002030重叠部分抽样定理抽样定理F()HL0LHB(a) 输入信号频谱1 12031230 21323Ys()低通滤波器频率特性3s2ss02s3ss(c) 按带通型信号抽样的样值信号频谱00111221222ssHL0LHs2sYs()低通滤波器频率特性(b) 按低通型信号抽样的样值信号频谱抽样定理抽样定理n带通抽样定理带通抽样定理2()(1)2 (1)sHLMMfffBNN量化量化n量

7、化：把一个连续函数的无限个数值的量化：把一个连续函数的无限个数值的集合映射为一个离散函数的有限个数值集合映射为一个离散函数的有限个数值的集合。的集合。n量化值（量化电平）：确定的量化后的取值；量化值（量化电平）：确定的量化后的取值；n量化级：量化值的个数；量化级：量化值的个数；n量化间隔（量化台阶）量化间隔（量化台阶） ：相邻两个量化值相邻两个量化值之差；之差；n量化误差（量化噪声）量化误差（量化噪声）量化噪声与量化间隔成反比。量化噪声与量化间隔成反比。 量化量化n非均匀量化：对信号的不同部分用不同非均匀量化：对信号的不同部分用不同的量化间隔，具体地说，就是对小信号的量化间隔，具体地说，就是对

8、小信号部分采用较小的量化间隔，而对大信号部分采用较小的量化间隔，而对大信号部分就用较大的量化间隔。部分就用较大的量化间隔。n实现方法：压缩与扩展法。实现方法：压缩与扩展法。 量化量化543210输出压缩曲线线性变换输入ABAB543210输出扩张曲线输入ABAB(a) 压缩器输入输出示意图(b) 扩张器输入输出示意图tttt量化量化nA律特性输出律特性输出y与输入信号与输入信号x之间满足下之间满足下式：式：1,01ln1ln1,11lnAxxxAyAxxAA 量化量化n律特性输出律特性输出y与输入信号与输入信号x之间满足下之间满足下式式ln(1),01ln(1)xyx量化量化00.20.40.

9、60.81.0yxA87.6A10A11.00.80.60.40.200.20.40.60.81.0yx2553001.00.80.60.40.2(a) A律压缩特性(b) 律压缩特性量化量化1.07/86/85/84/83/82/81/801/81/161/41/21.01/641/321/128yx0.2A律律/13折线示意图折线示意图编码编码n涉及的问题主要有两个涉及的问题主要有两个n如何确定二进制码组的位数；如何确定二进制码组的位数；n应该采用怎样的码型。应该采用怎样的码型。 n码型：电脉冲的存在形式。码型：电脉冲的存在形式。n常用的编码码型常用的编码码型n自然二进制码自然二进制码(N

10、BC）；）；n折叠二进制码折叠二进制码(FBC）；）；n格雷二进制码格雷二进制码(RBC）。）。 编码编码时分复用时分复用n信道复用第二种方法信道复用第二种方法时分复用法（时分复用法（TDM）n对欲传输的多路信号分配以固定的传输时隙对欲传输的多路信号分配以固定的传输时隙（时间），以统一的时间间（时间），以统一的时间间隔依次循环进行断隔依次循环进行断续传输。续传输。n时分复用的特点：各路信号在频谱上是互相重时分复用的特点：各路信号在频谱上是互相重叠的，但在传输时彼此独立，任一时刻，信道叠的，但在传输时彼此独立，任一时刻，信道上只有一路信号在传输。上只有一路信号在传输。 时分复用时分复用12312

11、3123123tT信道132通话人甲1通话人乙1通话人丙1k1132通话人甲2通话人乙2通话人丙2k2复用信号时分复用时分复用n传输时间间隔必须满足抽样定理；传输时间间隔必须满足抽样定理；n收信端和发信端的转换开关必须同步动收信端和发信端的转换开关必须同步动作，否则信号传输就会发生混乱。作，否则信号传输就会发生混乱。 n“帧帧”就是传输一段具有固定数据格式数据就是传输一段具有固定数据格式数据所占用的时间。所占用的时间。 时分复用时分复用1 2 3t4 1 2 3 4 1 2 3 41 2 3 4TT125 s复用信号复用信号8位编码位编码8位编码位编码8位编码位编码8位编码位编码时分复用帧结构

12、示意图时分复用帧结构示意图时分复用时分复用ATMA信元格式信头(5B)数据(48B)前导字段7B帧起始符1B目的地址2-6B源地址2-6B长度2B数据0-1500B填充0-46B校验和4B802.3的帧格式时分复用时分复用n统计时分复用统计时分复用n对复用的多路信号不再分配给固定的传输时对复用的多路信号不再分配给固定的传输时间，而是根据信号的统计特性动态分配传输间，而是根据信号的统计特性动态分配传输时间。时间。n统计时分复用的缺点：由于采用了流量控制，统计时分复用的缺点：由于采用了流量控制，而对信号的传输而对信号的传输带来了延迟。带来了延迟。增量调制增量调制t111111111000000tt

13、二进制码序列编码后的数字信号f (t)f (t)增量调制增量调制n增量调制（增量调制（ DM或或M调制）调制）n只用一位二进制编码将模拟信号变为数字序只用一位二进制编码将模拟信号变为数字序列的方法（过程）；列的方法（过程）；n二进制码序列不是代表某一时刻的抽样值，二进制码序列不是代表某一时刻的抽样值，每一位码值反映的是曲线向上或向下的变化每一位码值反映的是曲线向上或向下的变化趋势。趋势。增量调制增量调制nM的调制原理的调制原理n当当f(it)f(it_)时，上升一个时，上升一个，发，发“1”码；码；n当当f(it)f(it_)时，下降一个时，下降一个，发，发“0”码。码。nf(it_)是第是第

14、i个抽样时刻前一瞬间的量化值。个抽样时刻前一瞬间的量化值。增量调制增量调制f (t)抽样 判决积分器f (t)T(t)e(t)Po(t)RC(a) 增量调制器(编码器)框图(b) RC积分器增量调制增量调制tt02t 3t 4t 5t 6t 7t 8t 9t10t11t12t13t14tT(t)(a) 抽样脉冲(b) 样值信号tt02t3t4t5t 6t 7t 8t 9t10t11t12t13t14tf (t)f (t)增量调制增量调制(d) 积分器输出信号t110101111110000t02t 3t 4t 5t 6t 7t 8t 9t10t11t12t13t14tPo(t)t0f (t)增

15、量调制的解调增量调制的解调nM的解调原理：解调过程就是一个积分的解调原理：解调过程就是一个积分过程；过程；n当积分器输入当积分器输入“1”码时，积分器输出产生一码时，积分器输出产生一个正斜变的电压并上升一个量化台阶个正斜变的电压并上升一个量化台阶；n当输入当输入“0”码时，积分器输出电压就下降一码时，积分器输出电压就下降一个量化台阶个量化台阶。增量调制的解调增量调制的解调n对解码器的要求：对解码器的要求：n每次上升或下降的大小要一致，即正负斜率每次上升或下降的大小要一致，即正负斜率大小一样；大小一样；n解码器应具有解码器应具有“记忆记忆”功能，即输入为连续功能，即输入为连续“1”或或“0”码时，输出能连续上升或下降。码时，输出能连续上升或下降。增量调制的解调增量调制的解调积分器低通滤波Po(t)f (t)fo(t)(a) 增量解调器(译码器)框图t0f (t)(b) 各点波形fo(t)增量调