第18讲 模拟信号的抽样、模拟脉冲调制

1、通信原理电子教案通信原理电子教案广东海洋大学信息学院广东海洋大学信息学院2012年年11月月通信原理通信原理电子教案电子教案 授课班级：通信授课班级：通信1103班、通信班、通信1104班班 授课教师：广东海洋大学信息学院授课教师：广东海洋大学信息学院 梁能梁能第第7 7章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输通信原理第第7 7章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 研究内容：研究内容： 7.1 7.1 引言引言 7.2 7.2 抽样定理抽样定理 7.3 7.3 脉冲振幅调制（脉冲振幅调制（PAMPAM） 7.4 7.4 模拟信号的量化模拟信号的量化 7.5 7.5 脉冲编码调制（脉冲编

2、码调制（PCMPCM） 7.6 7.6 增量调制（增量调制（M M） 7.7 PCM7.7 PCM和和M M的性能比较的性能比较 7.8 7.8 差分脉冲编码调制（差分脉冲编码调制（DPCMDPCM） 7.9 7.9 时分复用和多路数字电话系统时分复用和多路数字电话系统 7.10 7.10 语音和图像的压缩编码语音和图像的压缩编码第第7 7章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输通信原理第第7 7章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输7.1 7.1 引言引言通信系统：通信系统：模拟通信系统；数字通信系统。模拟通信系统；数字通信系统。模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输-模拟信号数字化后，

3、用数字通信方式模拟信号数字化后，用数字通信方式传输。传输。系统框图系统框图: :研究重点：研究重点：模拟信号数字化（模拟信号数字化（A/D）及反过程（）及反过程（D/A）。）。抽样抽样量化量化编码编码第第7 7章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输通信原理模拟信号数字化的模拟信号数字化的3步骤：抽样、量化和编码。步骤：抽样、量化和编码。抽样信号抽样信号量化信号t011011011100100100100编码信号第第7 7章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输通信原理7.2 7.2 抽样定理抽样定理 模拟信号数字化的理论基础。模拟信号数字化的理论基础。7.2.1 7.2.1 低通型连续信

4、号的抽样低通型连续信号的抽样1. 1. 抽样定理抽样定理 一频带限制在一频带限制在(0, fH)赫内的时间连续信号赫内的时间连续信号m(t)，若以，若以fs2fH速率对速率对m(t)等间隔（等间隔（Ts1/fs1/2fH）抽样，则）抽样，则m(t)将被所得抽将被所得抽样函数样函数ms(t)完全确定。完全确定。2.2.原理原理 实现抽样和恢复的原理框图如图实现抽样和恢复的原理框图如图7-2所示。所示。信道信道理想抽样理想抽样理想理想LPFLPF)( tm)(tms)(tms)(th)(tm)(tTd图图7-2 抽样与恢复抽样与恢复第第7 7章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输通信原理(a)

5、m(t)(d)ms(t)(c)dT(t)0-3T-2T-TT2T3T第第7 7章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输通信原理抽样脉冲：抽样脉冲：T(t)周期为周期为Ts的冲激序列。的冲激序列。 理想抽样。理想抽样。条件：条件：Ts1/2fH,或或fs2fH时，没必要传送时，没必要传送m(t)本身，就可恢复本身，就可恢复m(t)。 fs=2fH奈奎斯特频率奈奎斯特频率；Ts1/2fH奈奎斯特间隔奈奎斯特间隔。结合该图结合该图证明证明抽样定理：验证条件的必要性。抽样定理：验证条件的必要性。信道信道理想抽样理想抽样理想理想LPFLPF)( tm)(tms)(tms)(th)(tm)(tTd图图

6、7-2 抽样与恢复抽样与恢复第第7 7章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输通信原理( )( )( )sTm tm ttd001( )( )*( )21()11( )()11( )(2)sTsnssnssHnssMMMnTMMnTTMMnTTd（7.2.4）2sH TsnTtnTdd ( )2TsnsssnTdd d抽样：抽样：第第7 7章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输通信原理（1）Ms()中包含无穷多个中包含无穷多个M() ，仅需一个理想，仅需一个理想LPF即可恢复即可恢复 M ()：式中理想式中理想LPF：截止频率：截止频率H H ，增益为，增益为1。传输函数：。传输函数：（

7、2）若）若fs2fH? ，则产生重叠。，则产生重叠。注：注：ms(t)还属模拟信号，其可视作还属模拟信号，其可视作m(t)经脉冲调制所得。经脉冲调制所得。（7.2.6）1,()0,HLH其他)(1)()()(MTHMMSLS0111( )()( )()sssnnsssMMnMMnTTT1( )2()2LHHhtSat恢复：恢复：频域恢复频域恢复:第第7 7章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输通信原理时域恢复时域恢复由式由式（7.2.6）sssLMT MT MH根据时域卷积定理，得根据时域卷积定理，得（7.2.7）1( )( )( )( )sLsMMHMT可见可见( )( )( )()()

8、11()(),2()()HssLsnsHnnsHsnsHnHsnnHnm tT m thtTmtnTSatmtnTSatTffm SatnTm Satndd （7.2.8a）（7.2.8b）式中：式中：mn-m(t)的第的第n个抽样值。个抽样值。第第7 7章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输通信原理上式表明：上式表明： 任何一个频带有限的信号任何一个频带有限的信号m(t)可以展成以抽样函数为基本可以展成以抽样函数为基本信号的无穷级数，级数中各分量的相应系数就是原信号在相应信号的无穷级数，级数中各分量的相应系数就是原信号在相应抽样时刻上的抽样值。抽样时刻上的抽样值。 这就是说，任何一个带限

9、的连续信号完全可以用其抽样值这就是说，任何一个带限的连续信号完全可以用其抽样值来表示。来表示。( )()nHsnm tm SatnT（7.2.8a）式中：式中：mn-m(t)的第的第n个抽样值。个抽样值。第第7 7章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输通信原理图图7-4 抽样定理全过程抽样定理全过程带限带限还属模拟还属模拟信号信号Sa函数：函数：形状对应形状对应HL矩形；矩形；幅度正比于幅度正比于mn包含无穷多个包含无穷多个M(),仅需一个仅需一个LPF即可即可恢复恢复M()。第第7 7章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输通信原理7.2.2 7.2.2 带通型连续信号的抽样带通型连续

10、信号的抽样软件无线电技术的理论基础软件无线电技术的理论基础带通型带通型：信号信号m(t)频谱限于（频谱限于（fL, fH） 带宽带宽 =fH- -fL1. fH（ fL当然）为当然）为B的整数倍时的整数倍时结论：结论：最小抽样频率最小抽样频率 fs2B即可，不必即可，不必fs2fH 。2. fH不为不为B 的整数倍时的整数倍时 ,01HfnBkBk式中式中n是小于是小于fH/B的最大整数。的最大整数。结论：结论：最小抽样频率最小抽样频率（7.2.11）)/1(2nkBfs（7.2.9）第第7 7章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输通信原理讨论：讨论：（1）当）当fH（亦即（亦即fL）为）

11、为B的整数倍时，的整数倍时，k=0，fs=2B；（2）随着）随着n的增大，的增大，fs趋近于趋近于2B；（3）实际中广泛应用的窄带（带宽为）实际中广泛应用的窄带（带宽为B）高频信号，其抽样频）高频信号，其抽样频率近似为率近似为2B因这时因这时n很大，不论很大，不论fH是否为是否为B的整数倍，的整数倍， fs也也近似等于近似等于2B；（4）从统计的观点）从统计的观点 ， 对频带受限的广义平稳的随机信号进行对频带受限的广义平稳的随机信号进行抽样，也服从抽样定理。抽样，也服从抽样定理。)/1(2nkBfs第第7 7章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输通信原理7.3 7.3 脉冲调制（脉冲调制（

12、PAM） 脉冲幅度调制脉冲幅度调制7.3.1 7.3.1 引言引言脉冲调制的概念脉冲调制的概念调制：调制：基带信号改变基带信号改变高频载波高频载波的某一参量。的某一参量。 连续波调制：连续波调制：此前的正弦载波信号。此前的正弦载波信号。 但正弦信号并非唯一的载波形式。但正弦信号并非唯一的载波形式。 脉冲调制：脉冲调制：在时间上离散的脉冲串同样可以作为载波，这时在时间上离散的脉冲串同样可以作为载波，这时的调制是用基带信号去改变脉冲的某些参数而达到的。的调制是用基带信号去改变脉冲的某些参数而达到的。分类：分类：按基带信号改变脉冲参数（幅度、宽度、出现时间位置）按基带信号改变脉冲参数（幅度、宽度、出

13、现时间位置）的不同的不同，脉冲调制分为：脉冲调制分为：脉幅调制（脉幅调制（PAM）；脉宽调制（脉宽调制（PWM）；）；脉位调制（脉位调制（PPM） 。第第7 7章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输通信原理x(t) 0 x(t) 0 x(t) 0 x(t) 0 ( (a a) ) 基带信号基带信号 波形波形( (b b) ) PAM 波形波形( (c c) ) PDM 波形波形( (d d) ) PPM 波形波形t tt tt tt t第第7 7章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输通信原理PAM：脉冲载波幅度随基带信号变化的一种调制方式。脉冲载波幅度随基带信号变化的一种调制方式。特别

14、：特别：若脉冲载波是由冲激序列组成的，则前面所说的若脉冲载波是由冲激序列组成的，则前面所说的抽样定抽样定理，就是脉冲振幅的调制原理理，就是脉冲振幅的调制原理。 但，实际上真正的冲激脉冲串并不能付之实现，而通常只能但，实际上真正的冲激脉冲串并不能付之实现，而通常只能采用窄脉冲串来实现。故，研究采用窄脉冲串来实现。故，研究窄脉冲作为载波的窄脉冲作为载波的PAM方式方式,具有实际意义。具有实际意义。7.3.2 7.3.2 自然抽样的自然抽样的PAM方式方式-曲顶抽样曲顶抽样特点：特点：抽样信号抽样信号ms(t)的顶部同于基带信号的顶部同于基带信号m(t)。亦称。亦称曲顶抽样曲顶抽样。模型：模型：第第

15、7 7章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输通信原理脉冲载波脉冲载波s(t):由脉宽为由脉宽为、重复周期为、重复周期为Ts的矩形脉冲串组成，其中的矩形脉冲串组成，其中Ts=1/2fH（按抽样定理确定）。（按抽样定理确定）。其中，其中，g(t)是宽度为是宽度为、高度为、高度为A的门函数，其频谱为的门函数，其频谱为()(2)GA Sa nsnsTnTtgnTttgttgts)()()()()()(dd第第7 7章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输通信原理而由于而由于 )()(21)(SMMs频谱：频谱：nsnsTnTtgnTttgttgts)()()()()()(dd已抽样信号：已抽样信

16、号：( )( ) ( )sm tm t s t所以所以()()()2()(),222() (2)TssHnsHHnsSGA SanTASa nnT dd d 第第7 7章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输通信原理01()() *()2()(2)()()(2)SHHSHHSSnnMMSASa nMnTAAMSa nMnTT从而从而（7.3.1）经经LPF可恢复可恢复M（） 。频谱图频谱图: :2()()()() (2)THHnsASGSa nnT dd 第第7 7章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输通信原理频谱图：频谱图：2sHff条件：第第7 7章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输通信原理7.3.3 瞬时抽样的瞬时抽样的PAM方式方式平顶抽样平顶抽样特点：特点：每一抽样脉冲的幅度正比于瞬时抽样值，但形状都相同。每一抽样脉冲的幅度正比于瞬时抽样值，但形状都相同。亦称平顶抽样。亦称平顶抽样。H（）：）：一个脉冲形成电路（保持电路）一个脉冲形成电路（保持电路） 。调制：调制：理想抽样理想抽样保持保持恢复：修正恢复：修正LPF模型：模型：第第7 7章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输通信原理( )(