【大学课件】模拟信号的数字化传输

模拟信号的数字化传输本课程将深入探讨模拟信号转换为数字信号的过程，以及数字信号的传输技术。我们将学习采样、量化、编码等关键概念，并探讨实际应用案例。1.概述模拟信号连续变化的电信号，如声音、图像等。数字化将模拟信号转换为离散的数字信息。传输过程包括采样、量化、编码、调制等步骤。模拟信号的特点连续性模拟信号在时间和幅度上都是连续的。无限精度理论上可以无限精确地表示信息。易受干扰容易受到噪声和干扰的影响，导致信号失真。数字化传输的优势抗干扰能力强数字信号对噪声和干扰的抵抗力更强。易于再生数字信号可以多次再生，不会累积失真。便于压缩数字信号可以进行有效压缩，节省带宽。2.采样1定义对连续模拟信号进行时间离散化的过程。2目的将连续信号转换为离散的时间序列。3关键参数采样频率、采样间隔和采样精度。采样定理奈奎斯特定理采样频率应不低于信号最高频率的两倍。香农定理采样频率大于信号带宽的两倍可以无失真重建。意义确保采样后能够完整保留原始信号的信息。采样频率的选择1超采样2标准采样3欠采样超采样：采样频率远高于奈奎斯特频率，可提高信号质量。标准采样：采样频率等于奈奎斯特频率的两倍。欠采样：采样频率低于奈奎斯特频率，会导致频谱混叠。采样误差时间误差采样时刻与理想时刻的偏差。幅度误差采样值与真实信号值的差异。量化误差将连续幅度转换为离散值时产生的误差。3.量化1模拟信号连续变化的原始信号。2量化过程将连续幅度转换为离散值。3数字信号离散化后的数字表示。量化的原理量化间隔相邻量化级之间的幅度差。量化级数将信号幅度范围划分为的离散等级数。舍入规则确定采样值归属于哪个量化级的规则。量化噪声定义量化过程中引入的误差，表现为附加噪声。影响因素量化间隔大小、信号幅度分布。降低方法增加量化级数、使用非均匀量化。量化级数的选择88位量化适用于语音信号，256个量化级。1616位量化CD音质，65536个量化级。2424位量化高保真音频，16777216个量化级。4.编码1信源编码将量化后的数据转换为二进制代码。2信道编码增加冗余信息以提高传输可靠性。3线路编码将数字信号转换为适合传输的波形。脉冲编码调制(PCM)采样对模拟信号进行等间隔采样。量化将采样值转换为离散的幅度级。编码将量化级用二进制码表示。差分脉冲编码调制(DPCM)预测根据前几个样本预测当前样本值。差值计算计算实际值与预测值的差。编码差值对差值进行量化和编码。三角波编码调制(DM)原理用一系列固定幅度的脉冲来逼近模拟信号。优点结构简单，适合低比特率传输。缺点存在斜率过载问题，对快变信号不敏感。5.信道编码1检错码2纠错码3混合编码检错码：能够检测出错误，如奇偶校验码。纠错码：能够检测并纠正错误，如汉明码。混合编码：结合检错和纠错功能，如Reed-Solomon码。线性分组码1信息位待传输的原始数据位。2校验位根据信息位计算得到的冗余位。3码字信息位和校验位组成的完整编码序列。卷积码连续性编码过程具有记忆性，当前输出与之前输入相关。高效性在低信噪比条件下具有良好的纠错能力。复杂度解码过程较为复杂，通常使用维特比算法。循环冗余码原理利用多项式除法生成校验位。应用广泛用于数据存储和通信系统的错误检测。特点易于硬件实现，检错能力强。6.调制与解调1调制将数字信号转换为适合传输的模拟信号。2传输通过信道传输调制后的信号。3解调将接收到的模拟信号还原为数字信号。基带调制归零码每个码元之间都有回到零电平的间隔。不归零码码元之间无回零间隔，占用带宽较小。曼彻斯特码每个码元中间有跳变，便于时钟恢复。带通调制幅移键控(ASK)通过改变载波幅度来表示数字信号。频移键控(FSK)通过改变载波频率来表示数字信号。相移键控(PSK)通过改变载波相位来表示数字信号。解调方式相干解调需要精确的载波同步，抗噪声性能好。非相干解调不需要载波同步，结构简单但性能较差。差分相干解调介于相干和非相干之间，性能和复杂度折中。7.数字信号的传输1发送端信号调制、功率放大。2传输介质电缆、光纤、无线信道。3接收端信号放大、解调、时钟恢复。同轴电缆结构内导体、绝缘层、外导体和保护套。优点抗干扰能力强，带宽大。应用有线电视、局域网、长距离通信。双绞线屏蔽双绞线(STP)具有额外的金属屏蔽层，抗干扰能力更强。非屏蔽双绞线(UTP)结构简单，成本低，广泛用于局域网。应用以太网、电话线、DSL宽带接入。光纤单模光纤芯径小，传输距离远，带宽高。多模光纤芯径大，短距离传输，成本低。优势抗电磁干扰，传输容量大，衰减小。8.实际应用案例电话通信系统语音采样8kHz采样率，8位量化。PCM编码64kbps的基本语音信道。时分复用多路语音信号合并传输。有线电视网络信源编码MPEG-2/H.264视频压缩。信道编码前向纠错码提高传输可靠性。调制QAM调制提高频谱利用率。数字音频/视频传输1音频编码MP3、AAC等压缩技术。2视频编码H.265/HEVC高效视频编码。3流媒体传输RTMP、HLS等协议。9.总结与展望技术进步数字化传输技术不断发展，提高了通信效率和质量。应用广泛从日常通信到高科技领域，数字化传输无处不在。未来趋势更高效的编码算法，更智能的传输系统。发展趋势15G