通信原理韩庆文第三章模拟信号数字化传输(3)剖析模拟信号的数字化

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PCM系统之所以能够供给高的通信质量，在于它采用了大的编码位数，为此在频带方面付出了很大的代价。这将严重地限制了PCM在已经相当拥挤的那些频段中应用。

压缩PCM系统所占用的频带宽度也就成为人们紧密关注的问题。DPCM就是为了达成这一目的而提出的PCM编码,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,预料通信,DPCM是预料通信中最简朴的一种。

预料通信的根本原理：

利用模拟信号在查看点t＝t0之前一个或若干个抽样点上的取值，对这个查看点上的取值举行估计和预料。

虽然预料值与实际值之间必然会存在着确定的误差,但可以将误差量化、编码传输。收端将预料值加上误差便可恢复原信号，由于误差值一般比量化值小，从而达成压缩比特速率的目的。,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,2.4增量调制,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,增量调制的根本原理,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,增量调制简称ΔM或DM，它是继PCM后展现的又一种模拟信号数字传输的方法。

ΔM只用一位编码表示相邻样值的相对大小，从而反映抽样时刻波形的变化趋势，而与样值本身的大小无关。

与PCM编码方式相比,ΔM具有编译码设备简朴，低比特率时的量化信噪比高，抗误码特性好等优点。,预料通信,DPCM是预料通信中最简朴的一种。

预料通信的根本原理：

利用模拟信号在查看点t＝t0之前一个或若干个抽样点上的取值，对这个查看点上的取值举行估计和预料。

虽然预料值与实际值之间必然会存在着确定的误差,但可以将误差量化、编码传输。收端将预料值加上误差便可恢复原信号，由于误差值一般比量化值小，从而达成压缩比特速率的目的。,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,大多数处境下，模拟信号在相邻间隔上的抽样值都对比接近，而且其变化的规律与前几个抽样点上的取值都对比接近，并且多数具有单调变化的趋势。如下图所示：,预料通信,信号相关性愈大、已知的查看点前的抽样值愈多，预料愈切实。

令是信号在查看点t0上的实际抽样值，为其预料值，那么预料误差值为：,接收端根据预料值和收到的预料误差值复制出抽样点上的实际信号,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,预料通信,预料通信,预料通信，是一种理论上和实际上都很有价值的通信方法。

一般说来，预料误差Δf(t0)的取值范围，总是小于实际信号f(t0)的取值范围。假设量化阶距相等的话，传输预料误差信号就可以采用较小的编码位数N，从而达成压缩频率的目的。,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,在一般PCM编码中加一个减法器和一个累加一延时器．就可实现DPCM。

在接收端的译码系统中，只要增加一个“累加一延时器”。,DPCM的特点,DPCM的特点是直接利用前一个抽样点上信号的量化电平作为预料值，无须繁杂的运算，是最简朴的预料通信。当传输话音信号时，码速32kb/s的DPCM系统的通话质量，大致可达成64kb/sPCM的水平。

在远距离时PCM话变成32kb/s的DPCM信号，可在传输信道中扩大一倍电话容量，而其接口仍得志64kb/s。这是编码体制上的一个重要进展。,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,DPCM的实际应用,单纯的DPCM已用得不多，更多的是采用自适应差分脉冲编码调制（AD-PCM）。

自适应是指能自动的变更量化间隔，使预料误差电平大时增大量化阶距，误差电平小时缩短量化阶距，从而进一步降低量化噪声。

DPCM信号的编码位n最低为2，即2比特量化。假设把n降到1，成为1比特量化，就是增量调制（ΔM）。,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,差分脉冲编码调制和增量调制,差分脉冲编码调制增量调制,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,,2.4增量调制,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,简朴增量调制,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,编译码的根本思想简朴增量调制系统框图增量调制的过载特性和动态编码范围,,编码的根本思想,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,语音信号，假设抽样速率很高，那么相邻样点之间的幅度变化不会很大，相邻抽样值的相对大小（差值）同样能反映模拟信号的变化规律。

迫近过程,,迫近过程,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,时间连续编码的模拟信号,用阶梯波形迫近,,时间间隔为T,相邻幅度差＋σ或－σ,,只要T足够小，即抽样速率足够高，σ足够小，阶梯波m’(t)可以代替m(t),阶梯波m(t)的特点,,阶梯波迫近,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,,阶梯波m(t)的特点,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,阶梯波m’(t)有两个特点在每个Δt间隔内，m’(t)的幅值不变。

相邻间隔的幅值差不是+σ（上升一个量化阶）就是-σ（下降一个量化阶）,可见利用这两个特点，用“1”码和“0”码分别代表m’(t)上升或下降一个量化阶σ，m’(t)就被一个二进制序列表征。,斜变波的迫近,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,也可用斜变波m1(t)近似m(t)，斜变波也有两种变化按斜率σ/Δt上升一个量阶；

按斜率-σ/Δt下降一个量阶。

用“1”码表示正斜率，用“0”码表示负斜率，同样可以获得二进制序列。,斜变波迫近,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,,译码,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,与编码相对应，译码也有两种形式一种是收到“1”码上升一个量阶（跳变），收到“0”码下降一个量阶（跳变），这样把二进制代码经过译码后变为m’(t)这样的阶梯波。

另一种是收到“1”码后产生一个正斜率电压，在Δt时间内上升一个量阶σ，收到“0”码后产生一个负斜率电压，在Δt时间内下降一个量阶σ，二进制代码经译码。变为m1(t)这样的斜变波。

如考虑电路实现的简易程度，一般采用后一种方法。这种方法可用一个简朴的RC积分电路，即可把二进制代码变为m1(t)波形,译码,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,积分器,,,简朴增量调制,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,编译码的根本思想简朴增量调制系统框图增量调制的过载特性和动态编码范围,,简朴增量调制系统框图,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,简朴增量调制系统,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,发送端编码器是相减器、判决器、本地译码器及脉冲产生器（极性变换电路）组成的一个闭环反应电路。

接收端解码电路由译码器和低通滤波器组成,简朴增量调制系统,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,相减器的作用是取出差值e(t)，使e(t)=m(t)-m1(t)判决器也称对比器或数码形成器，它的作用是对差值e(t)极性举行识别和判决，以便在抽样时刻输出数码（增量码）c(t),简朴增量调制系统,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,给定抽样时刻ti,判决器输出1,,给定抽样时刻ti,判决器输出0,,简朴增量调制系统,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,积分器和脉冲产生器组本金地译码器，它的作用是根据c(t)，形成预料信号m1(t)c(t)为“1”，m(t)上升一个量阶σc(t)为“0”，m(t)下降一个量阶σ送到相减器与m(t)举行幅度对比,简朴增量调制系统,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,译码器与发送端的本地译码器一致由c(t)恢复m1(t)低通滤波器的作用是滤除m1(t)中的高次谐波，使得输出平滑波形,简朴增量调制,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,编译码的根本思想简朴增量调制系统框图增量调制的过载特性和动态编码范围,,过载特性和动态编码范围,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,增量调制也会带来误差而形成量化噪声当模拟输入信号斜率陡变时，本地译码器输出信号m’(t)跟不上信号m(t)的变化，m’(t)与m(t)之间的误差明显增大，引起译码后的严重失真，这种现象称为过载现象，产生的失真称为过载失真,阶梯波迫近,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,过载特性和动态编码范围,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,一般量化噪声,过载量化噪声,过载特性,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,用阶梯波m’(t)迫近,抽样间隔,一个量阶σ上最大斜率,译码器的最大跟踪斜率,,设,过载特性,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,量化误差,eq(t)在[-σ,+σ]区间内变化,译码器的输出m’(t)能跟上m(t)的变化,,当,过载特性,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,增量调制系统的抽样速率远大于PCM,有利于裁减量化误差和过载噪声,量化误差增大,,为了不过载,,,过载特性,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,模拟信号,斜率,不过载条件,临界过载振幅（允许信号幅度）,,设,最大允许编码电平,过载特性,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,可见当信号斜率确定时，允许信号的幅度随信号频率的增加而减小，这将导致语音高频段信号量化信噪比下降。,最大允许编码电平,最小允许编码电平,编码的动态范围,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,编码器能够正常工作的输入信号振幅范围,,编码的动态范围定义为：最大允许编码电平与最小允许编码电平之比,设,,说明,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,可见简朴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。

实用中的ΔM常用它的提升型。,2.4增量调制,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,增量调制系统的性能,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,抗噪声性能与PCM系统的对比,,抗噪声性能,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,增量调制系统的两种噪声量化噪声加性噪声,,量化噪声信噪比,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,前提不考虑过载，只研究量化噪声,不过载条件下,在(-σ,+σ)范围内平匀分布,设,ΔM量化噪声平均功率,,量化噪声功率谱在(0,fs)平匀分布,量化噪声信噪比,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,接收端低通滤波器截止频率,输出量化噪声功率,量化噪声单边功率谱密度,量化噪声信噪比,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,信号功率的最大值,临界振幅信号最大量化信噪比,正弦信号临界过载振幅,可知信号越大，信噪比越大,量化噪声信噪比,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,分贝表示,增量调制最重要的公式，说明简朴ΔM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，量化信噪下降6dB,抗噪声性能,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,增量调制系统的两种噪声量化噪声加性噪声,,误码信噪功率比,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,信噪比,总信噪比,由误码造成的误码噪声功率,语音信号的下截止边带,增量调制系统的性能,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,抗噪声性能与PCM系统的对比,,增量调制系统的性能,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,抽样速率带宽量化信噪比信道误码的影响设备繁杂度,,抽样速率,重庆大学通信工程学院,数字通信原理,PCM系统中的抽样速率是根据抽样定理来确定的。若信号的最高频率为fm，那么fs≥2fm。

ΔM系统不能根据抽样定理确定抽样速率。在保证不发生过载，达成与P