模拟信号的数字传输课件

第七章模拟信号的数字传输7.1引言7.2抽样定理7.3脉冲振幅调制7.4模拟信号的量化7.5脉冲编码调制7.6增量调制1第七章模拟信号的数字传输7.1引言17.1引言模拟信号的数字传输,从通信中的调制概念来看,可以认为是模拟信号调制脉冲序列,载波是脉冲序列PAMPulseAmplitudeModulationPDMPulseDurationModulationPPMPulsePositionModulationPCMPulseCodeModulation27.1引言模拟信号的数字传输,从通信中的调制概念来看,可7.2抽样定理一个频带限制在（0，fH）内，时间连续信号m（t），如果以不大于1/2fH秒的间隔对它进行等间隔抽样，则m（t）将被所得到的抽样值完全确定。带通抽样定理信号频谱范围fL~fH抽样频率fS应满足fS=2B（1+k/n）B=fH–fLn<

fH/B的最大整数k=

fH/B–n0≤k<137.2抽样定理一个频带限制在（0，fH）内，时间连续信号mfS=2B（1+k/n）fL0→BfHB→2Bn=1fLB→2BfH2B→3Bn=2…带通信号的抽样频率在2B至4B间变动4fS=2B（1+k/n）4例若fH=3B按低通抽样定理,则要求fS≥6B若fS=2B,怎样?带通抽样定理在频域上的理解以fs=2B抽样,抽样后,各段频谱之间不会发生混叠,采用带通滤波器,仍可无失真地恢复原始信号5例若fH=3B按低通抽样定理,则要求带通抽样定理在频若fH=nB+kB0<k<1即fH不再是B的整数倍.fS=2B,n=5,k≠0情形:若要使频谱无混叠，则必须使6若fH=nB+kB0<k<1即fH不再是B推广到一般情况于是得7推广到一般情况77.3脉冲振幅调制（PAM）

PulseAmplitudeModulation脉冲振幅调制，即脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式。已抽样信号的脉冲顶部随m（t）变化—曲顶脉冲调幅（自然抽样）平顶脉冲调幅87.3脉冲振幅调制（PAM）

PulseAm×脉冲形成电路平顶抽样信号的产生9×脉冲形成电路平顶抽样信号的产生9平顶抽样的PAM频谱是由加权后的周期性重复的组成。

是的函数，不是常数，所以采用低通滤波器不能直接从中滤出所需基带信号。

1/H(ω)低通平顶抽样时PAM信号的解调方框图10平顶抽样的PAM频谱是由加权7.4模拟信号的量化

量化是将取值连续的抽样变成取值离散的抽样量化区间端点量化电平117.4模拟信号的量化

量化是将取值连续的抽样变成取

量化信号与m(原信号)的近似程度用信号,量化噪声功率比衡量12

量化信号与m(原信号)的近似程度用信号,量化噪声7.4.1均匀量化

把输入信号的取值域按等距离分割的量化在均匀量化中,每个量化区间的量化电平取在各区间的中点.输入信号的最小值a,最大值b,量化电平数M量化间隔(量化台阶)量化器输出第i个量化区间的终点第i个量化区间的量化电平137.4.1均匀量化

把输入信号的取值域按等距离分割的量化噪声功率均匀量化时,量化噪声的均方根值固定不变,当m(t)较小时,则信号量化噪声功率比就很小.满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围.均匀量化时的信号动态范围将受到较大限制14量化噪声功率均匀量化时,量化噪声的均方根值固定不变,当m(t7.4.2非均匀量化根据信号的不同区间来确定量化间隔，对信号取值小的区间，量化间隔Δv也小，反之，量化间隔就大，因此，量化噪声功率的均方根值基本上与信号抽样值成比例，改善了小信号时量化信噪比。实现方法：抽样值先压缩，再均匀量化y=f（x）f—非线性变换接收端x=f-1（y）采用扩张器恢复x157.4.2非均匀量化根据信号的不同区间来确定量化间隔，对信1.μ压缩律x，y归一化压缩器输入、输出电压μ压扩参数当量化级划分较多时，每一量化级中的压缩特性曲线均可看成直线。量化误差161.μ压缩律x，y归一化压缩器输入、输出电压量1717当μ>1时,是压缩后量化级精度提高的倍数,也就是非均匀量化对均匀的信噪比改善程度当μ=100小信号x→0[Q]dB=26.7dB大信号x=1[Q]dB=-13.3dB18当μ>1时,是压缩后量化级精度提高10203040-10-20-30-40-50x(dB)S/N(dB)采用压扩提高了小信号的信噪比,从而相当于扩大了输入信号的动态范围有无压扩的比较曲线1910203040-10-20-30-40-50x(dB)S/2A压缩律202A压缩律207.5脉冲编码调制

常用的二进制码有自然二进码和折叠二进码两种样值脉冲极性

自然二进码折叠二进码量化级1111111115正1110111014……100010008011100007负011000016……000001110217.5脉冲编码调制

常用的二进制码有自然二进码和折从话音信号的可懂度来说,3~4位非线性编码即可,7~8位通信质量比较好.码位的安排:在逐次比较型编码中极性码段落码段内码C1C2C3C4C5C6C7C8非均匀量化16×8=128个量化级相当于均匀量化的11位16×[1+1+2+4+8+16+32+64]=2048

22从话音信号的可懂度来说,3~4位非线性编码即可,7~8位通信P209图7-21

三个权值电流与样值进行三次比较,可以确定段落码C2C3C423P209图7-21

三个权值电流与样值进行三次比较,可以确为了进一步决定段内码,必须了解段落的起始电平和非均匀量化的量化台阶大段号12345678量化单位数Δ′11248163264起始电平0163264128256512102424为了进一步决定段内码,必须了解段落的起始电平和非均匀量化的量例：设输入信号抽样值为+1270个量化单位，采用逐次比较型编码将它按照13折线A律特性编码8位码。确定极性码C1抽样值为正，C1=1确定段落码C2C3C4

Is>IW1=128C2=1Is>IW2=512C3=1Is>IW3=1024C4=1确定段内码IW4=1024+8Δ′=1536>ISC5=025例：设输入信号抽样值为+1270个量化单位，采用逐次比较型编IW5=1024+4Δ′=1280>ISC6=0

IW6=1024+2Δ′=1152<ISC7=1

IW7=1152+Δ′=1216<ISC8=1量化误差1270-1216=54个量化单位7位非线性码为1110011对应11位线性码为1216个量化单位对应的二进制码1001100000026IW5=1024+4Δ′=1280>ISC6=思考一模拟信号被抽样,量化编码为PCM信号,量化电平级数为128,且另加1bit作为码字的同步码.该PCM信号在滚降系数α=1,带宽B=24KHz的信道中传输.试求:通过信道码元传输速率.模拟信号的最高频率是多少?解1.2.27思考一模拟信号被抽样,量化编码为PCM信号,量化电平级数PCM系统的抗噪声抽样量化编码信道译码低通干扰输出信号量化噪声加性噪声28PCM系统的抗噪声抽样量化编码信道译码低通干扰输出信号量化噪系统输出端总信噪比定义为

29系统输出端总信噪比定义为

29

接收端大信噪比即

接收端小信噪比即

30

接收端大信噪比即

接收端小信噪比即

7.6增量调制（ΔM或DM）原理△M可视为PCM的特例，它只用一位编码，表示抽样时刻波形的变化趋向△M获得应用的主要原因在比特率较低时，△M量化信噪比高于PCM△M的抗误码性能好△M的编译码器比PCM简单317.6增量调制（ΔM或DM）原理31相减器判决器+检测器积分器低通本地译码器脉冲源给定抽样时刻反之32相减器判决器+检测器积分器低通本地脉冲源给定抽样时刻32本地译码器信号应十分接近于前一时刻的抽样值这一位码反映了相邻二抽样值的近似差值，即增量。×××33本地译码器信号应十分接近于前一时刻的当信号频率过高，或者说信号斜率陡变时，会出现本地译码器信号跟不上信号变化的现象，称为“过载”在给定量化间隔（也称量阶）σ的情况下，能跟踪最大斜率为34当信号频率过高，或者说信号斜率陡变时，会出现本地译码器信号△M系统中的量化噪声

在不过载的情况下，△M的量化噪声为在（-σ，+σ）上均匀分布假定量化噪声功率谱在（0，fs）频带内均匀分布35△M系统中的量化噪声

在不过载的情况下，△M的量化噪在收端经低通（截止频率为fm）输出的量化噪声为设输入信号为了不发生过载临界的过载振幅36在收端经低通（截止频率为fm）输出的量化噪声为设输入信号36在临界条件下，系统将有最大的信号功率输出用dB表示9dB/倍频程-6dB/倍频程37在临界条件下，系统将有最大的信号功率输出9dB/倍频程-6dPCM和△M的性能比较无误码（或误码率极低）PCM△M38PCM和△M的性能比较无误码（或误码率极低）38相同的信道带宽（相同的信道传输速率）fb对于△M

fS=

fb

对于PCMfb=2Nfm

取fK=1000Hzfm=3000Hz△M△M

PCMN

439相同的信道带宽（相同的信道传输速率）fb对于△M例：

设调制信号f（t）限带为5KHz，拟用图a所示周期为

的三角形序列g（t）与之相乘，然后通过图b所示的中心频率为

的理想带通滤波器，得到输出波形为：

试根据本题条件确定常数A的值。40例：

设调制信号f（t）限带为5KHz，拟用图a所示周H（f）1g(t)1图a图b-10-0.250.2510t(μs)10KHz

-f0f0f41H（f）g(t)图a图b-10解：τ=0.25μsT=10μs

Ω=2π/T=2π×105单个三角形脉冲42解：τ=0.25μsT=10μs当n=±1时,可通过理想带通滤波器Ω=ω0∴∴43当n=±1时,可通过理想带通滤波器Ω=ω043第七章模拟信号的数字传输7.1引言7.2抽样定理7.3脉冲振幅调制7.4模拟信号的量化7.5脉冲编码调制7.6增量调制44第七章模拟信号的数字传输7.1引言17.1引言模拟信号的数字传输,从通信中的调制概念来看,可以认为是模拟信号调制脉冲序列,载波是脉冲序列PAMPulseAmplitudeModulationPDMPulseDurationModulationPPMPulsePositionModulationPCMPulseCodeModulation457.1引言模拟信号的数字传输,从通信中的调制概念来看,可7.2抽样定理一个频带限制在（0，fH）内，时间连续信号m（t），如果以不大于1/2fH秒的间隔对它进行等间隔抽样，则m（t）将被所得到的抽样值完全确定。带通抽样定理信号频谱范围fL~fH抽样频率fS应满足fS=2B（1+k/n）B=fH–fLn<

fH/B的最大整数k=

fH/B–n0≤k<1467.2抽样定理一个频带限制在（0，fH）内，时间连续信号mfS=2B（1+k/n）fL0→BfHB→2Bn=1fLB→2BfH2B→3Bn=2…带通信号的抽样频率在2B至4B间变动47fS=2B（1+k/n）4例若fH=3B按低通抽样定理,则要求fS≥6B若fS=2B,怎样?带通抽样定理在频域上的理解以fs=2B抽样,抽样后,各段频谱之间不会发生混叠,采用带通滤波器,仍可无失真地恢复原始信号48例若fH=3B按低通抽样定理,则要求带通抽样定理在频若fH=nB+kB0<k<1即fH不再是B的整数倍.fS=2B,n=5,k≠0情形:若要使频谱无混叠，则必须使49若fH=nB+kB0<k<1即fH不再是B推广到一般情况于是得50推广到一般情况77.3脉冲振幅调制（PAM）

PulseAmplitudeModulation脉冲振幅调制，即脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式。已抽样信号的脉冲顶部随m（t）变化—曲顶脉冲调幅（自然抽样）平顶脉冲调幅517.3脉冲振幅调制（PAM）

PulseAm×脉冲形成电路平顶抽样信号的产生52×脉冲形成电路平顶抽样信号的产生9平顶抽样的PAM频谱是由加权后的周期性重复的组成。

是的函数，不是常数，所以采用低通滤波器不能直接从中滤出所需基带信号。

1/H(ω)低通平顶抽样时PAM信号的解调方框图53平顶抽样的PAM频谱是由加权7.4模拟信号的量化

量化是将取值连续的抽样变成取值离散的抽样量化区间端点量化电平547.4模拟信号的量化

量化是将取值连续的抽样变成取

量化信号与m(原信号)的近似程度用信号,量化噪声功率比衡量55

量化信号与m(原信号)的近似程度用信号,量化噪声7.4.1均匀量化

把输入信号的取值域按等距离分割的量化在均匀量化中,每个量化区间的量化电平取在各区间的中点.输入信号的最小值a,最大值b,量化电平数M量化间隔(量化台阶)量化器输出第i个量化区间的终点第i个量化区间的量化电平567.4.1均匀量化

把输入信号的取值域按等距离分割的量化噪声功率均匀量化时,量化噪声的均方根值固定不变,当m(t)较小时,则信号量化噪声功率比就很小.满足信噪比要求的输入信号取值范围定义为动态范围.均匀量化时的信号动态范围将受到较大限制57量化噪声功率均匀量化时,量化噪声的均方根值固定不变,当m(t7.4.2非均匀量化根据信号的不同区间来确定量化间隔，对信号取值小的区间，量化间隔Δv也小，反之，量化间隔就大，因此，量化噪声功率的均方根值基本上与信号抽样值成比例，改善了小信号时量化信噪比。实现方法：抽样值先压缩，再均匀量化y=f（x）f—非线性变换接收端x=f-1（y）采用扩张器恢复x587.4.2非均匀量化根据信号的不同区间来确定量化间隔，对信1.μ压缩律x，y归一化压缩器输入、输出电压μ压扩参数当量化级划分较多时，每一量化级中的压缩特性曲线均可看成直线。量化误差591.μ压缩律x，y归一化压缩器输入、输出电压量6017当μ>1时,是压缩后量化级精度提高的倍数,也就是非均匀量化对均匀的信噪比改善程度当μ=100小信号x→0[Q]dB=26.7dB大信号x=1[Q]dB=-13.3dB61当μ>1时,是压缩后量化级精度提高10203040-10-20-30-40-50x(dB)S/N(dB)采用压扩提高了小信号的信噪比,从而相当于扩大了输入信号的动态范围有无压扩的比较曲线6210203040-10-20-30-40-50x(dB)S/2A压缩律632A压缩律207.5脉冲编码调制

常用的二进制码有自然二进码和折叠二进码两种样值脉冲极性

自然二进码折叠二进码量化级1111111115正1110111014……100010008011100007负011000016……000001110647.5脉冲编码调制

常用的二进制码有自然二进码和折从话音信号的可懂度来说,3~4位非线性编码即可,7~8位通信质量比较好.码位的安排:在逐次比较型编码中极性码段落码段内码C1C2C3C4C5C6C7C8非均匀量化16×8=128个量化级相当于均匀量化的11位16×[1+1+2+4+8+16+32+64]=2048

65从话音信号的可懂度来说,3~4位非线性编码即可,7~8位通信P209图7-21

三个权值电流与样值进行三次比较,可以确定段落码C2C3C466P209图7-21

三个权值电流与样值进行三次比较,可以确为了进一步决定段内码,必须了解段落的起始电平和非均匀量化的量化台阶大段号12345678量化单位数Δ′11248163264起始电平0163264128256512102467为了进一步决定段内码,必须了解段落的起始电平和非均匀量化的量例：设输入信号抽样值为+1270个量化单位，采用逐次比较型编码将它按照13折线A律特性编码8位码。确定极性码C1抽样值为正，C1=1确定段落码C2C3C4

Is>IW1=128C2=1Is>IW2=512C3=1Is>IW3=1024C4=1确定段内码IW4=1024+8Δ′=1536>ISC5=068例：设输入信号抽样值为+1270个量化单位，采用逐次比较型编IW5=1024+4Δ′=1280>ISC6=0

IW6=1024+2Δ′=1152<ISC7=1

IW7=1152+Δ′=1216<ISC8=1量化误差1270-1216=54个量化单位7位非线性码为1110011对应11位线性码为1216个量化单位对应的二进制码1001100000069IW5=1024+4Δ′=1280>ISC6=思考一模拟信号被抽样,量化编码为PCM信号,量化电平级数为128,且另加1bit作为码字的同步码.该PCM信号在滚降系数α=1,带宽B=24KHz的信道中传输.试求:通过信道码元传输速率.模拟信号的最高频率是多少?解1.2.70思考一模拟信号被抽样,量化编码为PCM信号,量化电平级数PCM系统的抗噪声抽样量化编码信道译码低通干扰输出信号量化噪声加性噪声71PCM系统的抗噪声抽样量化编码信道译码低通干扰输出信号量化噪系统输出端总信噪比定义为

72系统输出端总信噪比定义为

29

接收端大信噪比即

接收端小信噪比即

73

接收端大信噪比即

接收端小信噪比即

7.6增量调制（ΔM或DM）原理△M可视为PCM的特例，它只用一位编码，表示抽样时刻波形的变化趋向△M获得应用的主要原因在比特率较低时，△M量化信噪比高于PCM△M的抗误码性能好△M的编译码器比PCM简单747.6增量调制（ΔM或DM）原理31相减器判决器+检测器积分器低通本地译码器脉冲源给定抽样时刻反之75相减器判决器+检测器积分器低通本地脉冲源给定抽样时刻32本地译码器信号应十分接近于前一时刻的抽样值这一位码反映了相邻二抽样值的近似差值，即增量。×××76本地译码器信号应十分接近于前一时刻的当信号频率过高，或者