《通信原理项目式教程》课件项目3 模拟信号的数字化传输

项目3

模拟信号的数字化传输

任务3.1

构建PAM系统

通信系统中信源直接产生的语音、图像等信息都是模拟量。要实现这些模拟量在数字系统中的传输，就必须进行模数转换，即信源编码。而模数转换的第一步是要对模拟信号进行抽样（即脉冲幅度调制，简称PAM），使其在时间上实现离散化。本节的任务是了解抽样定理，掌握抽样的方法和构建PAM时分复用系统。子任务1：了解抽样定理和理想抽样子任务2：构建基本PAM系统子任务3：构建PAM时分复用系统任务要求：任务3.1

构建PAM系统

任务3.1

构建PAM系统子任务1：了解抽样定理和理想抽样任务3.1

构建PAM系统

任务3.1

构建PAM系统

任务3.1

构建PAM系统

任务3.1

构建PAM系统子任务2：构建基本PAM系统

经抽样获得的抽样信号都是幅度随模拟基带信号的变化而变化的脉冲序列，因此，抽样也是一种幅度调制，只是调制用的载波为脉冲序列，而不是正余弦波，所以抽样也叫脉冲幅度调制（PAM），简称脉幅调制。

脉幅调制PAM属于脉冲模拟调制，这是因为虽然已调信号（抽样信号）在时间上是离散的，但在幅度上仍然是连续的，因此，仍然属于模拟信号。其它的脉冲模拟调制还有用模拟基带信号去改变脉冲序列宽度的脉冲宽度调制(PDM、PWM)和用模拟基带信号去改变脉冲序列时间位置的脉冲位置调制(PPM)，它们在通信中一般只作为一种中间调制方式，而不构成独立的系统。

按照抽样后脉冲顶部形状的不同，一般将PAM分为自然抽样脉冲幅度调制和平顶抽样脉冲幅度调制两种。任务3.1

构建PAM系统

任务3.1

构建PAM系统

任务3.1

构建PAM系统子任务2：构建基本PAM系统2、平顶抽样脉幅调制

平顶抽样与自然抽样的不同之处在于其抽样信号中脉冲顶部不随被抽样信号变化，而是都保持平坦的形状，即平顶抽样信号是由矩形脉冲序列构成的，矩形脉冲的幅度是瞬时抽样值。因此，平顶抽样也称为瞬时抽样。

平顶抽样是将基带信号m(t)先进行理想抽样，然后再将抽样值通过一个脉冲形成电路，从而形成一系列幅度为抽样瞬时值，同时具有一定宽度的脉冲序列的平顶抽样信号。任务3.1

构建PAM系统

任务3.1

构建PAM系统

任务3.1

构建PAM系统子任务3：构建PAM时分复用系统

时分复用是将物理信道的使用时间划分成若干的时间片断（称为时隙，简称TS），让多路信号逐个轮流地占用这些时间片段，从而实现多路信号共用同一信道。也就是说，时分复用是按照一定的时序依次循环的传输各路消息。

时分复用是建立在抽样定理基础上的。任务3.1

构建PAM系统

任务3.1

构建PAM系统子任务3：构建PAM时分复用系统

设时分复用每路基带信号经过低通限带后的频率范围为0

fm，则根据低通抽样定理，其能够无失真恢复原始信号的抽样频率应该fs≥2fm。n路这样的基带信号进行时分复用，总的抽样频率为nfs，则应有nfs≥2nfm。将此式用低通抽样定理进行反推，其含义等价于：每秒有nfs个脉冲的脉冲序列能够完全确定一个频率范围为0

nfm的模拟信号（带宽为nfm）。也就是说，由每秒nfs个脉冲的脉冲序列构成的时分复用信号所对应的带宽为：任务3.1

构建PAM系统

任务3.2

构建PCM系统子任务1：构建均匀量化PCM系统子任务2：构建非均匀量化PCM系统子任务3：构建PCM时分复用电话系统任务要求：

脉冲幅度调制PAM只是实现了模拟信号在时间上的离散化，还未真正转换成数字信号。要实现模拟信号的数字化传输，必须要在抽样的基础上再进行量化和编码。脉冲编码调制（PCM）是模拟信号数字化的最常用方法，也是其他信源压缩编码的基础。本节的任务是要掌握脉冲编码调制的基本方法并了解我国PCM电话系统的组成和特点。任务3.2

构建PCM系统子任务1：构建均匀量化PCM系统

脉冲编码调制（PCM）是模拟信号数字化的最常用方法，它可以看成是以脉冲幅度调制（抽样）为基础的先量化后编码的过程。任务3.2

构建PCM系统子任务1：构建均匀量化PCM系统任务3.2

构建PCM系统子任务1：构建均匀量化PCM系统

量化的任务是将抽样后的信号在幅度上也离散化，这样模拟信号就转变成了数字信号。量化的做法是将PAM信号的幅度变化范围划分为若干个小区间，取每一个小区间的中间值作为量化电平，每一个抽样样值都按照“四舍五入”的原则尽量纳入到离其最近的量化电平上。相邻两个量化电平之差叫做量化间隔或量化阶距，用△表示。按照各个量化间隔△是否相同，可以将量化分为均匀量化和非均匀量化两种。

把输入信号的幅度变化范围按等距离分割，因而各个量化间隔△都相等的量化称为均匀量化。均匀量化的量化间隔△为常数，据其性质可得其计算公式为：b和a分别为输入信号幅度最大值和最小值，M为量化电平数。任务3.2

构建PCM系统

任务3.2

构建PCM系统子任务1：构建均匀量化PCM系统量化误差亦称量化噪声。中升型均匀量化器输入/输出关系及对应的量化误差：任务3.2

构建PCM系统子任务1：构建均匀量化PCM系统中平型均匀量化器：

量化信噪比是指模拟输入信号的功率与量化噪声功率之比。据推算，当均匀量化器的输入为单频余弦或语音信号且不过载的情况下，量化信噪比近似为：任务3.2

构建PCM系统子任务1：构建均匀量化PCM系统案例分析：任务3.2

构建PCM系统子任务1：构建均匀量化PCM系统案例分析：2、仿照表3-2，用列表列出图3-19所示中平型量化器的输入/输出关系及对应的量化误差。解：

图3-19所示中平型量化器的输入/输出关系及对应的量化误差如表所示。任务3.2

构建PCM系统子任务1：构建均匀量化PCM系统案例分析：3、将表3-2所示中升型量化器的量化电平和表3-3所示中平型量化器的量化电平分别进行自然二进制编码。解：

题目所述中升型量化器和中平型量化器的量化电平分别为8和7，根据公式3-9，二进制编码的位数应该都是3。由于量化电平有正有负，所以不妨用编码码组的最高位来表示正负，一般规定“1”表示“+”，“0”表示“-”。编码码组的另外两位仍然依据自然二进制编码的规律进行编码。任务3.2

构建PCM系统

任务3.2

构建PCM系统子任务2：构建非均匀量化PCM系统1、非均匀量化PCM原理

压缩器和扩张器的特性曲线都是模拟信号形式，不易于用数字电路实现。为此，可以用多段折线近似平滑曲线的方法。中国采用A律13折线率（用13段折线段来近似模拟A律压缩特性）。任务3.2

构建PCM系统子任务2：构建非均匀量化PCM系统2、A律13折线PCM系统的量化编码方案采用八位折叠二进制码：归一化后的段落起止电平、量化间隔及段落码：任务3.2

构建PCM系统子任务2：构建非均匀量化PCM系统2、A律13折线PCM系统的量化编码方案归一化后的各小段的起止电平及段内码：A律13折线PCM编码步骤如下：任务3.2

构建PCM系统子任务2：构建非均匀量化PCM系统3、A律13折线PCM编/译码器编码器：译码器：任务3.2

构建PCM系统子任务2：构建非均匀量化PCM系统4、A律13折线PCM系统的抗噪声性能PCM系统的噪声来自两个方面：包括量化过程形成的量化噪声和在传输过程中经信道混入的加性高斯白噪声。（1）量化噪声对系统的影响A律13折线PCM系统中的量化信噪比近似为：

可见，PCM系统的量化信噪比与编码位数成指数关系。要提高量化信噪比，可以增加编码位数。但是编码位数越多，对应的频率成分就越多，占用带宽就越宽。因此，量化信噪比是用扩展带宽为代价来换取的。任务3.2

构建PCM系统子任务2：构建非均匀量化PCM系统4、A律13折线PCM系统的抗噪声性能（2）加性噪声对系统的影响经计算可知，由信道加性噪声所决定的PCM系统接收端输出信噪比近似为：

可见，PCM系统中由信道加性噪声所决定的输出信噪比与单个码元的误码率成反比。（3）PCM系统接收端输出信号的总信噪比

由上分析可知，PCM系统输出端总的信噪比为：

当误码率较低时，例如Pe<10-6，PCM系统的输出信噪比主要取决于量化信噪比S0/Nq。当误码率Pe较高时，PCM系统的输出信噪比主要取决于误码率，且随误码率Pe的增大而减小。一般来说，Pe<10-6是很容易实现的，所以加性噪声对PCM系统的影响往往可以忽略不计，这说明PCM系统抗加性噪声的能力是非常强的。任务3.2

构建PCM系统

任务3.2

构建PCM系统

任务3.2

构建PCM系统

任务3.2

构建PCM系统

任务3.2

构建PCM系统

任务3.2

构建PCM系统子任务3：构建PCM时分复用电话系统1、PCM数字电话系统数字复接系列的组成：任务3.2

构建PCM系统子任务3：构建PCM时分复用电话系统1、PCM数字电话系统我国PCM数字电话基群系统组成原理：任务3.2

构建PCM系统子任务3：构建PCM时分复用电话系统1、PCM数字电话系统我国数字电话准同步系列构成：任务3.2

构建PCM系统子任务3：构建PCM时分复用电话系统1、PCM数字电话系统我国的SDH基本复用映射结构：任务3.2

构建PCM系统子任务3：构建PCM时分复用电话系统1、PCM数字电话系统A律13折线PCM基群帧结构：任务3.2

构建PCM系统子任务3：构建PCM时分复用电话系统1、PCM数字电话系统（1）话路时隙基群中的话路时隙的形成过程：任务3.2

构建PCM系统子任务3：构建PCM时分复用电话系统1、PCM数字电话系统（2）同步时隙

在PCM电话系统的基群帧结构中，固定用TS0来传输帧同步信号。由图3-29可见，TS0在传输奇数帧和偶数帧时其结构组成是不同的。偶数帧时，传输帧同步码组X0011011。接收端识别出该帧同步码组后，即可建立正确的路序。奇数帧时，其第二位固定为1，用以与帧同步码组相区别。其第三位“A1”是帧失步对告码，本地帧同步时A1＝0，失步时A1＝1。奇数帧的其余位“X”保留不用。无论是奇数帧还是偶数帧，其第一位码“X”保留，用于国际电话间通信。任务3.2

构建PCM系统

任务3.2

构建PCM系统子任务3：构建PCM时分复用电话系统2、帧同步

在数字通信中，信息流的基本组成单位是码元。通常还要把若干个码元组成一组，形成一个更大的单位——帧。在接收端，不仅要确知每个码元的起止时刻，即实现位同步，还要确知帧的起止时刻，获得与帧的起止时刻相一致的定时脉冲序列，这就是帧同步，也称群同步。

帧同步的实现方法通常有两种：一种是在数字信息流中插入一些特殊码组作为帧的头尾标记，接收端根据这些特殊码组的位置就可以实现帧同步；另一种方法不需要外加特殊码组，而是采用类似于载波同步和位同步中的自同步法，利用码组本身彼此之间不同的特性来实现帧同步。后一种方法对码组本身要求较高，不易实现，所以这里只介绍前一种插入特殊码组实现帧同步法。该方法又可分为两种：集中插入方式和分散插入方式。任务3.2

构建PCM系统子任务3：构建PCM时分复用电话系统2、帧同步（1）集中插入同步法

所谓集中插入同步法是指将某个特殊的帧同步码集中地插入到发送码组中的某个固定位置上。A律13折线PCM数字电话系统采用的是这种集中插入帧同步法，它固定地在每帧的TS0时隙中传输帧同步码。

具有尖锐的自相关函数的巴克（Barker）码：任务3.2

构建PCM系统子任务3：构建PCM时分复用电话系统2、帧同步（1）集中插入同步法巴克码：任务3.2

构建PCM系统子任务3：构建PCM时分复用电话系统2、帧同步（1）集中插入同步法七位巴克码识别器及其输入、输出波形：任务3.2

构建PCM系统

任务3.2

构建PCM系统

任务3.2

构建PCM系统子任务3：构建PCM时分复用电话系统案例分析：3、若将二进制序列0101000111001010…输入巴克码识别器中，试根据其工作原理，判别同步脉冲输出的位置。将此输入和判别过程列表如下：由表可见，当七位巴克码刚好完全输入到识别器中时，识别器输出同步脉冲。在识别器输出正脉冲后的两位码元应视为待接收的数据码。

任务3.4了解模拟信号的数字化压缩技术子任务1：了解模拟语音信号的数字化压缩技术子任务2：了解图像信号的数字化压缩技术任务要求：

通信系统中的模拟信号主要包括语音信号和图像信号两种。为了提高传输效率，这两种信号除了要采用前述方法进行模数转换外，还要根据自身的特点分别采用不同的技术进行数据压缩。本节的任务就是要了解这两种信号的各种压缩技术。子任务1：了解模拟语音信号的数字化压缩技术

自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）是其中复杂度较低的一种编码方法，它可在32kb/s的传输速率上达到与64kb/s的PCM相同的数字电话质量。ADPCM早已成为长途传输中一种成熟的国际通用的语音编码方法。

ADPCM是在差分脉冲编码调制（DPCM）的基础上发展起来的。利用相邻抽样样值之差值进行的PCM编码称为差分PCM（DPCM）。ADPCM以DPCM为基础，充分利用了线性预测的高效编码方式，是一种自适应的智能化系统。ADPCM的原理框图与DPCM的相似，区别在于用自适应量化取代固定量化，用自适应预测取代固定预测。自适应量化是指量化阶距随信号的变化而变化，使量化误差减小；自适应预测指预测器的系数可以随信号的统计特性而自适应调整，提高了预测信号的精度，从而得到高预测增益。通过这两点改进，可以大大提高输出信噪比和编码的动态范围。任务3.4了解模拟信号的数字化压缩技术子任务2：了解图像信号的数字化压缩技术

图像数据中存在着冗余，主要表现为：图像中相邻像素间的相关性引起的空间冗余；图像序列中不同帧之间存在相关性引起的时间冗余；不同彩色平面或频谱带的相关性引起的频谱冗余。为了提高系统的有效性，必须采取图像压缩编码（简称图像压缩）技术，以减少或消除图像中的冗余，也即减少代表图像的数据比特数。简言之，图像压缩的主要目标就是在给定传输速率或者压缩比的情况下实现最好的图像质量。

按照压缩还原效果是否存在失真，图像压缩分为无损压缩和有损压缩两种。任务3.4了解模拟信号的数字化压缩技术子任务2：了解图像信号的数字化压缩技术

无损压缩指压缩过程中信息没有损失，过程是可逆的，即从压缩后的数据可以完全恢复原来的图像，一般用于文本图像的压缩，其压缩率比较小（一般为2:1至5:1），常用的算法有行程长度编码、熵编码法等。

无损压缩的基本原理是相同的颜色信息只需保存一次。压缩图像的软件首先会确定图像中哪些区域是相同的，哪些是不同的。包括了重复数据的图像就可以被压缩，如蓝天，只有蓝天的起始点和终结点需要被记录下来。但是蓝色可能还会