通信原理 第9章 模拟信号的数字传输.ppt

1、1.通信原理，第9章，模拟信号的数字传输，2。数字化，3个步骤：采样、量化和编码，9.1简介，3，9.2.1低通模拟信号的采样定理：如果设置了连续模拟信号m(t)中的最高频率fH，当它以间隔时间为T 1/2fH的周期脉冲进行采样时，模拟信号的采样4，5。恢复原始信号的方法：原始信号可以通过截止频率为fH的理想低通滤波器从采样信号中分离出来。例如，典型电话信号的最高频率通常限制在3400赫兹，而采样频率通常为8000赫兹。t，6，带通模拟信号的频带被限制在F1和fH之间。信号带宽B=fH fL可以证明该带通模拟信号所需的最小采样频率fs等于公式中的信号带宽B；n商的整数部分(fH/B)，n=1，

2、2，k商(fH/B)的小数部分，0 k 1，9.2.2带通模拟信号的采样定理，7，最小采样频率fs与最低信号频率fL的关系，当最低信号频率fL较大时，fs略大于2B。8、作为载波的周期脉冲序列有四个参数：脉冲重复周期、脉冲幅度、脉冲宽度和脉冲相位(位置)。脉冲重复周期(采样周期)通常由采样定理决定，因此只能调制其他三个参数。三种类型的脉冲调制：脉冲幅度调制、脉冲宽度调制和脉冲位置调制仍然是模拟调制，因为表示信息的参数仍然可以连续变化。9.3模拟脉冲调制，9，模拟脉冲调制波形，(a)模拟基带信号，(b) PAM信号，(c) PDM信号，(d) PPM信号，10，PAM调制，11，自然采样和平面采

3、样自然采样：调制信号ms(t)的脉冲顶部与原始模拟信号波形相同。平顶采样：在实际应用中，“采样保持电路”经常被用来产生PAM信号。12，9.4.1量化原理采样：时间连续时间离散量化：采样连续采样离散量化：使用M个量化级别表示连续采样值的量化级别：采样值的范围分为M个区间，每个区间由一个级别表示。有m个离散级别。M=2N，n个二进制符号用于表示该采样值的大小。量化误差：连续采样值和量化值之间的误差，9.4采样信号的量化，13，量化过程图，14，Q1，Q7是量化信号的七个可能的量化级别，m1，m2，m1，m7是第I个量化间隔的端点。均匀量化：量化间隔均匀；不均匀量化：量化间隔不均匀。它克服了均匀量

4、化的缺点，是语音信号实际应用的一种量化方法。15、假设模拟采样信号的取值范围在A和B之间，量化级数为m，量化间隔为量化间隔的终点。如果量化输出电平qi作为量化间隔的中点，则量化噪声：mq(kT) m(kT)由信号功率与量化噪声之比来测量。i=0，1，M，9.4.2均匀量化，16，量化噪声功率的平均值Nq公式，f(mk)是采样值mk的概率密度；信号的平均功率mk:均匀量化的平均信噪比So/Nq，17，例9.1，假设一个均匀量化器的量化级数为m，其输入信号样本在区间-a，a，a内具有均匀的概率密度。信号功率的平均信噪比或量化器的平均输出信噪比随着量化级数m的增加而增加，18。不均匀量化的目的：在实

5、际应用中，对于给定的量化器，量化级数m和量化间隔v被确定，并且量化噪声Nq也被确定。当信号很小时，信噪比也很小。因此，这种均匀量化器对于小输入信号是不利的。为了提高小信号的信噪比，在实际应用中经常使用非均匀量化。9.4.3不均匀量化，19，当信号采样值小时，量化间隔v也小；当信号采样值较大时，量化间隔v增加。20，当有许多量化间隔时，每个量化间隔的曲线I直线斜率：通过归一化获得的非均匀量化的数学分析，21。为了在不同的信号强度下保持恒定的信噪比，需要x x或一个线性微分方程，其解是：要求压缩特性具有对数特性，这在实际中应该适当地修正，以便当x0，y0。22，电话信号的压缩特性，国际电信联盟(I

6、TU)提出了两个建议：实际的非均匀量化压缩标准，23，其中x压缩器归一化输入电压；y压缩机标准化输出电压；一个常数，它决定了压缩程度。法律实际上是可以实现的。如果常数a不同，压缩曲线的形状也会不同。实际上，选择a等于87.6。压缩的-定律，24，13折线压缩特性的-定律的近似值，25，13折线的=87.6的-定律压缩特性的近似值。当=87.6时，26，13折线法非常接近定律压缩法。13虚线特征和定律特征之间的误差，以及27，将纵坐标y从0到1分成8个相等的部分。横坐标的x值可以根据以下公式计算：压缩规律和15折线压缩特性，28，压缩规律和15折线压缩特性，29。如果使用13折线法中的最小量化间

7、隔作为量化单位，则13折线法中有2048个量化单位。在小信号量化间隔相等的情况下，均匀量化需要11位编码，而非均匀量化只需要7位。非均匀量化与均匀量化的比较，30、9.5.1脉码调制(PCM)的基本原理，采样、量化和编码脉码调制(PCM)，9.5脉码调制，PAM信号，PCM信号，31，PCM系统的原理框图，(b)解码器，(a)编码器，32，连续比较法的编码原理，双极电压可以用单极性编码方法处理，大大简化了编码电路和编码过程。误码对小电压影响很小。例如10，000，000。自然码的误差为8；折叠代码错误为1。1111 0111，自然码错误为8；折叠代码错误为15。折叠码对小信号有好处。由于语音信

8、号中小电压的概率很高，折叠码有利于降低语音信号的平均量化噪声。在语音通信中，通常使用8位脉冲编码调制来确保令人满意的通信质量。35，8位折叠码极性码c1、段码(c2 c3 c4)和段内码(c5 c8)极性码：采样值为正，编码为1；样本值为负，编码为0，A-律13折线编码，36，段落编码编码规则A-律13折线正半轴的8段(非均匀):每段平均分为16个量化区间，则最小量化区间为：(1/128) (1/16)=1/2048。以此为量化单位，正半轴总共有2048个量化单位，37个段落代码编码规则，38个段落内代码编码规则：每个段落平均分成16个量化间隔。39，不同段落的量化间隔是不同的。其中，第1和第

9、2段最短，第8段最长。如果采用均匀量化，并且对于小电压仍需要1/2048的相同动态范围，则需要11位代码块。对于非均匀量化，只需要7位。典型电话信号的采样频率为8000赫兹。因此，当使用这种非均匀量化编码器时，典型的数字电话传输比特率是64 KB/s，13线编码，40，9.5.3电话信号编解码器，41，示例让输入电话信号采样值的归一化动态范围在-1和1之间，并将该动态范围分成4096个量化单元，即1/2048作为一个量化单元。当输入采样值为1270个量化单位时，采用逐次比较法，根据13折线的A律特征进行编码。解决方案如果编译后的8位代码组由c1 c2 c3 c4 c5 c6 c7 c8表示，则

10、：1)确定极性代码c1:采样值1270为正极性，C1=1；2)确认段落代码c2c3c4: 1270位于第8段，c2c3c4=111Iw128，因此c21 Iw512，因此c31 Iw1024，因此c41，42，3)确定段内代码c5 c6 c7 c8:对于第八段，其量化间隔是(2048-1024)/16=64 (qu段内代码的计算方法是：(1270-1024)/64=3，c5 c6 c7 c8是0011 IS=1270: IW=1536，所以c5=0 Iw=1280，c60 Iw=1152，c7=1 Iw=1216，所以C8=C1 C2 C3 C4 C5 C7 C8 11110011，量化值应该

11、在第8段第三个区间的中间，(1280-1216量化误差等于1270 1248=22(量化单位)。除了极性码之外，如果由该折叠二进制码表示的量化值(1248)由自然二进制码表示，则需要11位二进制数(1001110000)。44，练习9-9 13折线-定律特征编码，当采样脉冲值已知为635个量化单位时，找到编码器输出码块并计算量化误差。解决方案如果编译的8位代码组由c1 c2 c3 c4 c5 c6 c7 c8表示，则：1)极性代码c1:采样值635是正极性的，C1=1；2)段码c2c3c4: 1270位于第七段，c2c3c4=1103)段内代码c5 c6 c7 c8:对于段落7，其量化间隔为(

12、1024-512)/16=32(量化单位)。段内编码的计算方法为：(635-512)/32=327，c5 c6 c7 c8编码为0 0 1 1 1量化级：512 332 16624量化误差：635-62411(量化单位)，45。例如，如果输入电话信号采样值的动态范围在-5V和5V之间，则动态范围分为当输入采样值为-3.2V时，根据13倍线的A-律特性进行编码。解决方法首先进行归一化：3.2/5=0.64 0.6420481311(量化单位)，然后进行A律13线脉冲编码调制：极性编码C1=0；段落代码c2c3c4: 1311位于第八段，c2c3c4=111段内代码c5c6c7c8: (1311-

13、1024)/64=4.48，c5 c6 c7 c80100的编码结果：01110100，46，连续比较法的解码原理，47，量化噪声和加性噪声。在加性噪声功率公式中，fs=2fH=1/Ts量化噪声功率输出信号功率，其中m2n，9.5.4，脉码调制系统中噪声的影响，48，信噪比为1/(4Pe)的输出信噪比等于脉码调制系统的大信噪比和信噪比为22N的小信噪比条件下的输出信噪比，它只与编码位数N有关，当N指数增加时，最高频率为fH，49，9.6.1预测编码简介预测编码的目的：降低编码律或律对数压扩脉码调制的比特率。每个语音的传输速率为64 KB/s，语音信道速率低于64Kb/s的语音编码方法称为语音压

14、缩编码技术。线性预测：使用先前采样值的线性组合来预测当前采样值，称为线性预测。DPCM:只使用以前的采样值来预测当前的采样值。利用相邻样本的相关性，相邻样本之间的差异被量化并编码4位。9.6差分脉冲编码调制(DPCM)，50，假设量化器的量化误差为零，即，ek=rk，mk*可以被视为具有量化误差的采样信号mk。预测器：当没有传输错误时，rk=rk。解码器的输出信号mk*与编码器的相同，也就是说，它等于带有量化误差的信号采样值mk。线性预测编码原理框图，51，仅将第一个采样值作为预测值，然后将当前采样值与预测值之差作为编码和传输。P=1，a1=1，因此mk=mk-1*。预测器被简化为延迟电路。9

15、.6.2差分脉冲编码调制(DPCM)的原理和性能，52自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)。为了提高DPCM系统的性能，将自适应技术引入量化和预测过程，得到了自适应差分脉码调制系统。它可以大大提高信噪比和动态范围。自适应量化：量化步长随着信号的变化而变化；自适应预测：根据信号的统计特性自适应调整预测系数，提高预测精度。在保持相同语音质量的同时，ADPCM允许以32Kb/s的速率进行编码，这是标准的64 Kb/s的一半.它是一种低复杂度的语音压缩编码方法，已成为国际上长距离传输中常用的语音编码方法。，53，DPCM系统的量化误差qk:编码器输入的模拟信号的采样值mk和量化后有量化误差的采样值mk

16、*之间的差值：如果预测误差ek的范围是(，-)，量化器的量化级数是m，量化间隔是v，那么存在DPCM系统的量化误差(量化噪声), 54。预测误差量化后，量化误差qk为-v。qk的平均功率：如果DPCM编码器输出的符号率为Nfs，功率谱密度为Pq(f)，量化噪声经过截止频率为fm的低通滤波器后，其功率为：55；如果采样点间隔为T 1/fs，信号的斜率将被限制为不超过t1/fs，否则将会过载。假设输入信号是正弦波：其变化速度取决于斜率：最大斜率等于Ak。为了避免过载，信号的最大斜率不应超过/T，即计算信号功率：56，如果最大允许信号幅度Amax是信号功率，则计算信噪比，计算信号功率和信噪比，57，9.7.1增量调制原理的预测误差ek=mk mk被量化为两个电平和。该值称为量化步长。量化器输出信号rk仅取两个值。因此，rk可以用二进制符号表示。使用“1”表示“”，使用“0”表示“-”。9.7增量调制，58，如果m(ti)-m(ti-)，代码为1如果