电子科大通信原理第6章 模拟信号数字化与PCM复习

2024/3/271/33通信原理第6章模拟信号数字化与PCM2/332024/3/27本章要求：1.了解两类PAM（自然抽样与瞬时抽样)信号的时域波形的特点，及其频谱的特点。2.掌握对模拟信号实现PCM编码的三个主要步骤，了解PCM系统收端是怎样实现PCM译码和原始模拟信号的重建？3.了解均匀量化（对应线性编码）为什么不能满足语音信号的长途电话质量要求，非均匀量化（对应非线性编码）是怎样满足语音信号的长途电话质量要求的？4.掌握标准PCM系统的抽样、量化、编码的参数的标准值。5.会计算PCM信号的数码率，会估算PCM信号的带宽；6.会计算PCM系统输出端的信噪比。7.掌握TDM的基本原理3/332024/3/27知识点：

抽样：

量化：均匀量化量化电平数：PCM信号的传输记——归一化有效值

均匀量化信噪比：或4/332024/3/27非均匀量化信噪比：输入信号功率足够大时

编码：

---

一个PCM码字的位数

比特率:5/332024/3/275/86PCM系统的噪声效果

均匀量化系统量化噪声在接收PCM信号中的比特差错其中:量化电平数误比特率(无ISI与加性噪声)6/332024/3/27模拟信号的数字化是通信与信息处理的基础技术。电话通信系统主要采用PCM（脉冲编码调制）技术实施语音信号的数字化。数字化过程由抽样、量化与编码三个基本环节组成：7/332024/3/276.1

模拟信号的抽样8/332024/3/278/862024/3/27

通常称为奈奎斯特频率（Nyquistfrequency）。给定最高非零频率为的带限信号，如果取抽样间隔（或抽样率），则唯一地由其样值序列决定。即，6.1.1带限信号的抽样定理

9/332024/3/276.1.2实际抽样

实际抽样中采用某种物理可实现的窄脉冲，常用的为矩形脉冲。(a)模拟信号(b)矩形脉冲串(c)自然抽样(d)平顶抽样图6.1.3自然抽样与平顶抽样占空比：10/332024/3/27带通信号只在频率间隔内有非零频谱，且

则，若采样频率为该带通波形可由采样值复制。6.1.4*带通信号的抽样带通抽样定理:其中：11/332024/3/276.2

均匀量化与最佳量化12/332024/3/276.2.1量化原理

量化（Quantization）是一个近似过程，以适度的误差为代价，使无限精度（或较高精度）的数值可以用较少的数位来表示。量化:一个无限数的模拟抽样值集合被一个有限数的量化电平集合近似。输出电平13/332024/3/27量化特性曲线：-0.51.50.53.52.5-1.5-2.5-3.5-2-1-3321

量化范围Or设计峰峰值2V过载区过载区0.5-0.5n----码字的位数14/332024/3/27量化器（Quantizer）要点：

（1）量化范围[-V,V]（2）区间个数M——量化电平数；常常，——编码位数（3）区间的分界——分层或阈值电平；（4）区间对应的输出——输出电平（量化电平）；15/332024/3/27M

电平均匀量化器（量化范围为）：（1）区间长度相等， （2）输出电平位于区间中心6.2.2均匀量化器

非过载噪声:

在正常量化范围内的量化噪声量化精度（满值）：16/332024/3/276.3

量化信噪比与对数量化17/332024/3/276.3.1量化信噪比

---均匀量化时量化误差的实际影响取决于它与信号的相对大小——量化信噪比

信号的幅度尽量大，但必须在量化范围内。记——归一化有效值

均匀量化信噪比：或18/332024/3/27量化器信噪比特点如下：(1)6-dB准则：PCM码字每增加1比特，SNR就会增加6-dB.对于均匀量化：小信号小SNR，大信号大SNR

信噪比还受信号类型与幅度影响：不一样。峰值信噪比：时（理论上的最大值）：平均信噪比：均匀分布信号的19/332024/3/27PCM信号速率（模拟信号A/D变换后的数码率）：比特率:其中:n—PCM编码位数，fH

—模拟信号的最高非零频率20/332024/3/276.3.2对数量化-----非均匀量化语音信号平均功率有40~50dB的变动范围（动态范围）21/332024/3/27量化信噪比：两种方案在宽达40--50dB的动态范围中性能优良。信噪比改善量：小信号：提升24dB大信号：降低12dB输入信号功率足够大时22/332024/3/271/2(2-1，1)71/4(2-2，2-1)61/8(2-3，2-2)51/16(2-4，2-3)41/32(2-5，2-4)31/64(2-6，2-5)21/128(2-7，2-6)11/128(0，2-7)0

段内电平数

输入段长段号量化间隔3216Δ2Δ4Δ8Δ16Δ32Δ64ΔA律近似——13折线法：第0、1段合并做一条折线。第0段的量化间隔最小，表6.3.113折线（A律）主要参数23/332024/3/27*PCM对数编码（非线性编码）：符号位:段落码:看处于8段中的哪一段，编段落码段内编码:每段又均分为16层，看处于哪一层，编段内码非线性编码样值x13折线均匀量化器编码器|x|0123456789

101112131415

24/332024/3/276.4

脉冲编码调制25/332024/3/27语音信号的PCM数据率：（1）电话信号带宽：Hz，抽样率为8kHz；（2）量化：律或律非线性量化，在语音信号动态范围40~50dB内有良好的量化信噪比；（3）编码（Encoding）：将每个量化输出电平表示为8比特二进制码字。6.4.1PCM

的基本原理脉冲编码调制（PCM，Pulsecodemodulation）——把模拟信号表示成串行二进制码流26/332024/3/27电话系统中的PCM传输框图：

模拟信号出模拟信号信号入防混叠低通滤波器带限模拟信号

抽样8KHz8bit对数量化编码器PCMPCM发射机(ADC)电话线再生中继器电话线电话线信道(传输路径)PCM信号译码器

量化

PAM

低通滤波器

(重建)PCM接收机(DAC)再生中继器再生中继器接收机前端电路

量化

PAM

抽样

PAM27/332024/3/276.4.3*PCM传输系统的信噪比PCM通信系统中，还原的话音信号与原始信号相比，误差主要由量化与传输误码引起。即，PCM的峰值信噪比与平均信噪比（均匀量化时）：若(无ISI，无加性噪声):28/332024/3/27

目的:充分地利用信道资源

复用:在同一信道中独立地传输几路信号

复用方法:FDM(频分复用)TDMCDM(码分复用)6.6

时分复用Time-DivisionMultiplexing(TDM)29/332024/3/276.6.1TDM的基本原理

对于单路信号，数码率不变，是独立传输。对于总群路信号，数码率是单路的n倍，因而可充分地利用信道的传输频带。时分复用（TDM）——多个信源的数据分别占用不同的时隙位置，共用一条信道进行串行数字传输。TsTs同步码同步码s1s2…sks1s2…sk（c）帧与同步码30/332024/3/27合路器1合路器24bit量化与编码填充2kHz4kHz2kHz28kbps32kbps同步码：11100100fs=4kHzfs=4kHz例6.8信号带宽分别为2kHz，4kHz与2kHz，合路器1按4kHz轮流