第3章 模拟信号的数字传输-第2讲.ppt

1、第2章模拟信号的数字传输、3.1概要3.2脉冲编码调制系统(PCM) 3.3增量调制(M) 3.4自适应差分脉冲编码调制(ADPCM) 3.5 PCM与m系统的性能比较、本章目标，掌握第1次采样定理的脉冲振幅调制其次，我们熟悉脉冲代码调制(PCM )的原理，它熟悉模拟信号的均匀量化和不均匀量化的方法，其次，我们熟悉差分脉冲编码调制(DPCM )和自适应差分脉冲编码调制(ADPCM )系统的操作原理，它熟悉简单的增量调制(m )的原理3.3增量调制(M) 3.3.1简单增量调制(m或DM) 3.3.2改进型增量调制系统、3.3.1增量调制(DM或M) 1、增量编码的基本原理、增量编码的基本原理如

2、果t足够小，即，采样频率fs=1/t足够高并且u足够小，则x(t )可以近似为x(t )。 u称为步长，t=Ts称为采样间隔。 假定图3.15中的增量调制过程之间的波形001111000。模拟信号m(t )得到了时间间隔t，幅度差u的阶梯波形m(t )得以近似，如图所示。 如果t足够小，即，采样频率fs=1/t足够高并且u足够小，则m(t )可以近似为m(t )。 u称为步长，t=TS称为采样间隔。 2、当m信号解码的基本思想接收方接收到每次接收“1”码时将量化步长提高一个“0”码并将量化步长降低一个“1”码(或“0”码)时，输出一直上升(或下降)，并将步长波m信号的解码可以由积分器来完成。

3、解码器输出、平滑低通滤波器输出、接收二进制码、图3.16单路m系统简化框图，量化信号瞬时值与前一个采样时刻的量化值之差，仅对该差的代码进行编码。 3、简单增量调制系统的框图，4、增量调制的量化噪声、过载量化噪声-1)过载量化噪声在模拟信号的斜率急剧变化时发生，因为步长恒定，并且由于单位时间内的步长数也确定，步长电压波形就发生在信号的斜率上。 2 )如果将最大跟踪斜率采样间隔设置为t (采样率fs=1/t )，则在一个阶段上的最大斜率k被称为、以及解码器的最大跟踪斜率，并且可以使图3.17 M中的量化噪声、t 2)fs减小或增大3 )为了避免出现过载现象，fs和的乘积必须是恒定的值、以使得信号的

4、实际斜率不超过该值，通常可增大或增大fs。 典型的量化误差：如果解码器的最大跟踪斜率大于等于模拟信号m(t )的最大变化斜率，即，解码器输出m(t )可以跟随输入信号m(t )的变化，因为没有发生过载现象，所以不形成大的失真。 当然，此时，在m(t )和m(t )之间仍存在固定误差eq(t )，但限于-，在时段内改变，并且因此将误差称为普通量化误差。 从上式可知，为了不发生过载，或者需要增大fs。 1 )因为它们增加并且典型的量化误差也增加，并且简单的增量调制的级别恒定，所以难以同时满足两种要求。 另外，增加图3中的17a的量化噪声(a )、一般量化误差(b )、过载量化误差(2)fs有利于减

5、少常见量化误差和过载噪声。 因此，m系统中的采样率远高于PCM系统中的采样率。 m系统采样率的典型值为16kHz或32kHz，对应的单通道编码比特率为16kb/或32kb/s。在正常通信中，不期望过载现象的发生，这实际上是对输入信号的限制。 以正弦信号为例进行说明。 假设输入模拟信号是m(t)=Asinkt，并且斜率的最大值可以看作=Ak coskt，并且斜率的最大值是Ak。 临界过载振幅(允许信号宽度)请定义为、式中fK信号的频率，以免发生过载。 当信号的斜率固定时，可接受的信号幅度随着信号频率的增加而减小，并且音频高带中的量化信噪比降低。 这是单纯的增量调制不能实用的理由之一。 根据以上分

6、析，为了正常编码，限制信号的幅度，并且将Amax称为最大容许编码电平。 同样，还需要能够正常开始编码的最小信号幅度。 最小编码电平(开始编码电平) Amin :编码的动态范围定义为最大容许编码电平Amax与最小编码电平Amin的比即DcdB=20 lg (3)是编码器可正常工作的输入信号振幅范围。 当代入式(1)和式(2)时，由于通常以fk=800Hz作为测试基准，因而根据动态范围和采样率的关系可知，m是1比特的编码率，信号的增量为正或负的脉冲编码调制。 增量调制中也存在量化噪声，如果发生过载现象则会发生大的过载量化噪声。 简单增量调制的编码动态范围小，并且在低传输编码率的情况下，不满足语音信

7、号的要求。 通常，语音信号的动态范围要求为40-50dB。 为了防止过载现象，需要采用远高于PCM调制的采样频率，并且存在动态范围小且平均信噪比小的问题。 实用的m常用于增量总和调制(-)、数字压力扩展自适应增量调制、差分脉冲码调制等改进型。MC3518原理功能框图、增量调制解调器芯片随着军用通信和中容量民用通信对增量调制解调器终端机需求的增加，目前制造了单片集成编解码器。 此图显示了MC3518的原理功能框图。 (1)增量总和调制(-)、图3.18 -调制系统的原理框图、增量调制、(1)增量总和调制(-) M调制的符号反映相邻的两个采样值的变化量的正负，该变化量为增量由于m个二进制码具有导数

8、信息，因此接收端可以通过积分代码而得到传输的信号。 调制的代码不同。 由于信号在积分后进行增量调制，所以具有信号积分后的微分信息。 由于微分和积分相互抵消，-的代码实际上表示输入信号的振幅信息。 此时，只要接收侧施加一个用于去除带外噪声的低通滤波器，就可以使得可以重建发送的信号。 (2)随着自适应增量调制(ADM )信号斜率的幅度改变步长，其中自动适应信号斜率变化是减少在合适采样频率处的量化失真(过载失真和一般量化失真)的有效方法对于ADM，由于步骤是不固定的，由此其对应于不均匀量化，因此也称为压缩-扩频自适应增量调制。 正在研究各种方法以适应m级的量化。 所有方法的共同点：检测到倾斜过载时开

9、始增大的阶段的倾斜度降低时降低阶段的方法，可以直接测量输入信号的倾斜度，直接传输阶段信息，或者从传输数字信号中获得阶段信息。 (3)数字扩频自适应增量调制，图3.19信道码中“1”码或“0”码与输入信号斜率的关系，图3.20数字检测音节压力扩频自适应增量调制系统的原理框图，其中，数字扩频自适应增量调制是数字检测3.4自适应差分脉冲编码调制(ADPCM) 3.4.1差分脉冲编码调制(DPCM )、PCM的缺点：数字速率高，DPCM思想： PCM为各采样值xn-1 .xn、xn 1，由于相邻采样值之间具有强相关性，可以在前面的采样值中事先考虑下一个采样值的增量，所以不需要传输该采样值本身，可以仅传

10、输差值。 图3.21 DPCM的原理框图，差分脉冲编码调制DPCM的原理差分脉冲编码调制(DPCM )对先前的振幅样本值进行编码，其中考虑到在模拟信号采样之后仍然存在的振幅样本值的相关性，在先前的振幅样本值中包括后续的振幅样本值的大部分信息一般使用DPCM来压缩数字速率，以大幅度降低模拟信号编码的比特数、传输信息的比特率、图像信号的编码。 DPCM是m和PCM两者的特征，来对信号采样值和信号预测值的差分值进行量化、编码。 另外，DPCM和PCM的差异：在PCM中，利用信号采样值进行量化、编码来传输，与此相对，在DPCM中，利用信号采样值和信号预测值的差进行量化、编码来传输。 DPCM和m的区别

11、： m以1位的二进制表示增量，DPCM以n位(例如4位)的二进制代码表示增量。 因此，这是m和PCM之间的编码方式。 DPCM编辑、解码过程1和图1 a是DPCM编码器的框图。 在开始时，积分保持电路的输出为零，在产生了第一采样的幅度采样值x1之后，在第一采样加法器处将量化器原样发送给量化器。 量化器的输出是x1的量化值，分成两个，发送到编码器进行编码并输出的另一路径发送到第二加法器。 在第二采样振幅采样值x2到达第一加法器之后，与积分保持电路所输出的保持值进行减法运算，接着进行量化，经量化的输出被分成两个，一个进行编码并输出，另一个到达第二加法器，与保持值进行加法运算，积分保持电路重新开始随

12、后，第三幅度采样值x3又到达第一加法器并且重复x2的处理，使得输出端继续输出x1以外的均衡差分信号的PCM编码。 图(b )所示的DPCM解码器完成与上述编码器相反的动作过程。 从接收信号复原差分值，与积分保持电路保持的值相加得到的量化值和通过低通滤波器复原输出源的模拟信号。 当在DPCM的性能与声音信号的发送处理维持相同的声音质量的同时，DPCM的编码比特率对比特数n-4进行编码时，与PCM相比，从DPCM系统发送的声音的量化信噪比高6dB。 按照采样定理对带宽为1兆赫的黑白可视电话图像信号进行纠正，并且如果采用采样频率必须大于等于2兆赫的DPCM方案，则只需对每个采样值生成3位代码，就可以

13、达到以比特率6Mbps为16Mbps的PCM所可达到的图像质量3.4.2自适应差分脉冲编码调制(ADPCM )、64kb/s的a律或律的对数扩频PCM编码已经广泛应用于大容量光纤通信系统和数字微波系统。 然而，由于PCM信号占用的频带比模拟通信系统中的一个标准线路带宽(3.1 kHz )宽许多倍，因此相比于模拟通信，在大容量长距离传输系统中尤其是在卫星通信中采用PCM的经济性能是困难的。 以较低的速率获得高质量的编码是语音编码追求的目标。 一般，将话路速率小于64kb/s秒的语音编码方法称为语音压缩编码技术。 另外，语音压缩编码方法很多，其中自适应差分脉冲编码调制(ADPCM )是语音压缩中复

14、杂度低的编码方法，能够以32kb/s秒的比特率实现64kb/s秒的PCM数字电话质量。 近年来，ADPCM已成为长距离传输中一种新的国际通用语音编码方法。 ADPCM是基于差分脉冲编码调制(DPCM )而发展起来的。 ADPCM是一种新的脉冲编码技术，是结合了自适应技术和差分编码技术的编解码器技术。 还可将64 kbit/s的脉冲码(PCM )信号压缩成32 kbit/s的脉冲码数据。将传输脉冲编码所需的带宽减少一半，提高信道的利用效率，提高脉冲编码调制系统的通信质量。 ADPCM的基本原理是利用过去的若干采样值来预测当前输入的采样值，使预测电路具有自适应的预测功能，与实际的检测值进行比较，按

15、照使测定出的差分值总是与信号同步变化的方式自动进行量化阶差的处理。 这种ADPCM技术广泛应用于电话通信网。 图3.22 ADPCM编码器简化原理框图、图3.23 ADPCM编码器简化原理框图、3.5 PCM和m系统性能比较1 )采样率PCM系统的采样率由采样率确定。 另一方面，由于m系统传输信号的增量(斜率)，所以采样率不能由采样定理决定。 一般来说，m的采样率远高于奈奎斯特率。 2 )由于带宽m比PCM的采样率要求更高的采样率，所以采用相同带宽时，m的通信质量比PCM差。 3 )在与量化信噪比无错误的代码(或错误率极低)相同的信道传输速度的条件下，PCM与m系统的比较曲线如图3.24所示。 当对具有不同编码位数n的图3.24的PCM系统与m系统的性能进行比较时，它们具有相同的信道传输率，如可以看到的，PCM系统的编码位数n小于4，其性能低于m个系统。 当编码位的数目n 4时，PCM系统相对于m个系统，随着编码位的数目n增加而越来越好的性能。 4 )由于信道差错码的影响量m中每一个码元代表相同的增量，因此，由于每一个码元具有相同的加权值，因此在产生差错码时最多会产生2级的误差。 然而，在PCM中，每一符号表