CH9-模拟信号的数字化传输.ppt

1、兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,通 信 原 理,程琳 兰州大学信息科学与技术学院电信系 M.PEmail: or Address：Department of Electronics （2） 基带成分无失真.,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,16,非理想抽样（或自然抽样）,结论：非理想抽样可以无失真地恢复原始基带信号 。 推论：利用任何一种类型（如矩形波、三角波）的周期序列作为抽样序列ST（t），样值序列均可以无失真地恢复出原始基带信号。,经过该低通滤波器LPF之后的输出：,信号恢复模型：,2020年8月10

2、日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,17,平顶抽样（抽样展宽）-实际应用的方法,自然抽样是采用矩形脉冲进行抽样的，样值信号（或已抽样信号）ms(t)的脉冲“顶部”是随着m(t)的变化而变化的，这是一种“曲顶”的PAM。 能够得到平顶的PAM的抽样方法称为平顶抽样（前平顶、中平顶、后平顶）。,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,18,平顶抽样,结论：平顶抽样后，频谱准周期地出现，但是基带成分有失真，产生所谓孔径效应。,等 效,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,19,MS(),平顶抽样,解决办法：在接收端恢

3、复信号时增加一个孔径效应均衡网络使,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,20,平顶抽样,PCM通信系统的孔径失真,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,21,研究PAM的实际意义,忽略量化误差后，mq(t)为=T的平顶抽样PCM信号，即阶梯波信号 经过孔径补偿低通滤波器之后，可以无失真地恢复原始信号m(t) 孔径补偿低通滤波器有专门的芯片或与D/A做在一个芯片内，在实际通信系统中已不再直接传输PAM信号。,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,22,4. 模拟信号的量化,量化的基本概念 （Q

4、uantization） 定义：抽样值离散化的过程 量化器的主要参数：量化范围、量化电平数、分层电平、量化电平、量化误差、量化间隔 量化噪声、量化噪声功率、量化信噪比 量化可以分为： 均匀量化 非均匀量化,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,23,量化的基本概念,量化范围 （V1，V2） 若为双极性对称信号则量化范围取为 （-V，V） 量化电平数（分层级数、量化级数）N 分层电平 xi i =1,2,N+1 量化电平 qi i =1,2,N 量化间隔(量阶/量化级) vi=xi+1-xi i =1,2,N 量化误差 eqi =x qi i =1,2,N,将幅

5、度连续变化的信号变成幅度离散变化的信号的处理过程就叫量化Quantization,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,24,量化的基本概念,x的动态范围 （-a, a） aV 时过载 a=V 时满载 过载量化噪声功率 量化噪声功率（常规量化噪声功率） 量化信噪比 S/Nq 均匀量化 vi =v（常数） =2V/N =2a/M (MN) 非均匀量化 vi常数,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,25,均匀量化,均匀量化：量化间隔相等， 均匀量化器量化噪声功率Nq 是一个常数，与信号大小无关，故小信号的量化信噪比小，大信号的量

6、化信噪比大。 若,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,26,均匀量化的实例,样值的量化噪声定义为 nq=m-mq,均匀量化后的量化噪声 平均功率为：,量化器输出的信号功率为：,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,27,均匀量化的实例分析-1,一个N 级的均匀量化器，输入信号在(-a, a)范围内均匀分布，即f (x) = 1/(2a), -axa 假设量化值取为量化间隔的中间值，即,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,28,均匀量化的实例分析-1,量化输入信号的功率为 量化信噪比为S/N

7、q =N2 假设用n位二进制码对量化后的值编码，N=2n 则( S/Nq )dB= 6n dB 当编码位数增加一位时，S/Nq 增大6 dB 假设用n位M进制码对量化后的值编码，N=Mn 则( S/Nq )dB= 20nlgM dB 结论：均匀量化适用于信号分布范围较小且均匀的场合，如遥控、遥测、仪表等方面。,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,29,均匀量化的实例分析-2,对于语音信号假设 其中x为均方根 当D=x / V0.2 时过载噪声可忽略不计 ，,长话传输标准要求： 当话音信号功率在 45 dB 范围变化时(S/N)q25 dB,其中,当,2020

8、年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,30,均匀量化的实例分析-2,若用线性PCM，求编码位数n 允许信号最大值为20lgD= - 7dB，最小值为 52dB 由25=4.77- 52 +6n 求得 n= 12, 即线性PCM编码位数应不小于 12才能满足长话通信质量要求。 单路话音 Rb 812 = 96 kb/s 将V归一化， 目前国际标准 Rb =64 kb/s，所以n =8。 由 25 =20lgD +4.77 +48 求得 20lgD = - 28 dB即允许信号动态范围仅为 21 dB 结论： 均匀量化（线性PCM）不适用于长话通信。,2020年8月10日

9、星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,31,非均匀量化,原因：在信号分布不均匀的情况下（如话音信号），均匀量化处理对小信号的损失较大 即量化噪声功率与量化间隔的平方成正比 解决方法：采用非均匀量化 小信号，V小，（S/Nq） 提高 大信号，V大，（S/Nq） 减小，但仍可满足话音质量要求,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,32,非均匀量化的原理,y =f(x) ，目的压缩大信号，扩张小信号 x=f 1 (y)，扩张大信号，压缩小信号，扩张器对量化信噪比无影响,对y进行均匀量化，相当于对x进行非均匀量化，可提高小信号x的量化信噪比,2020年8

10、月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,33,压缩扩张特性曲线,表面上两个曲线相同，实际上两个特性曲线正好互补,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,34,国际标准（CCITT G.712） 律对数压缩特性 = 255 (美国，日本用) A 律对数压缩特性,0 x1/A y= (中国、欧洲用) 1/Ax1 A=87.6 A律13折线逼近,语音信号的非均匀量化,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,35,语音信号的非均匀量化,量化信噪比改善 Q = = Q = (y/x)2 = (dy/dx)2 =20lg(

11、dy/dx) (dB) 代入律，A律 y =f(x) 表达式，得 N =8时，将线性PCM动态范围由21 dB扩展为45 dB（用A律），56.7 dB（用律）,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,36,对数压缩特性的折线近似,理想的A律、律压缩特性早期是用二极管来实现，但要保证压缩特性的一致性和稳定性以及压缩与扩张特性的匹配是很困难的。 若采用折线段来近似表示对数压缩特性，则可采用数字电路技术，比较容易实现一致性和稳定性。 常采用13折线法来逼近A律，简称A律13折线；用15折线法来逼近律已成为国际标准。,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程

12、学院电子与信息科学系,37,A律13折线近似,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,38,A律13折线非均匀量化示意图,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,39,律15折线近似,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,40,5. 脉冲编码调制(PCM),按照逐个独立样点进行取样、量化与编码的整个过程和方法称为脉冲编码调制(Pulse Code ModulationPCM)。 PCM是最常用的模拟语音数字化的编码方法。 PCM编码方案：自然二进制（NBC）、折叠二进制码（FBC）、格雷二进制码（

13、RBC）,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,41,自然码、折叠码、格雷码,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,42,自然码、折叠码、格雷码,NBC、FBC、RBC的编码规律 NBC:一般的十进制正整数的二进制表示 FBC:除最高位外，其正负极性成折叠关系 可以简化编码过程 一旦传输出错，对小信号影响较小，对大信号影响较大 PCM中实际采用此编码方案 RBC:任何相邻电平的码组仅有一位码元变化,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,43,A律PCM编码原理,正信号：8段，7个斜率 负信号：

14、8段，7个斜率 整个信号范围内共16段，13个斜率的折线 每一斜率段再等分为16等份 x最小量化间隔 min=1/1281/16=2-11，等效于12位均匀量化 x最大量化间隔 max=1/21/162-5，等效于6位均匀量化,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,44,A律PCM编码原理,第一象限7段折线所对应的压缩特性表：,注：=2-121/4096；此时最小量阶为2,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,45,A律PCM编码原理,第一象限7段折线所对应的压缩特性表：,注：=2-111/2048 ；此时最小量阶为1,202

15、0年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,46,A律PCM编码原理,A律PCM编码：8位，对数PCM码,C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 极性码 段落码 段内码 1 正 0 0 0 0 0 0 0 0 负 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 8 4 2 1 （ 权值）,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,47,13折线编码码位与其对应电平关系,量化值=段落起点电平+段内码所表示的电平,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,48,A律PCM编

16、码实例,抽样值 xk =+1270 ()，求PCM码 具体步骤为： x k 0 C1 = 1 x k 512 C2 = 1 x k 1024 C3 = 1 x k 1024 + 264 =1152 C7 = 1 x k 1024 + 264 + 64 = 1216 C8 = 1 编码结果 11100011 eq =54 = 32,逐次比较编码法 量化误差大，不是最佳量化，但电路易于实现 。,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,49,y i 编码,A律PCM译码,收8位对数PCM变为13位线性PCM，可将量化误差减少为最小值,2020年8月10日星期一,兰州大

17、学信息科学与工程学院电子与信息科学系,50,A律PCM译码,例：xk =+1270 () A律PCM 11100011 yi=1216 （） 12位线性PCM 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 权值 1024 128 64 权值电流 1024 128 64 译码结果 1216() 量化误差 54 () 13位线性PCM 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 权值 2048 256 128 64 权值电流 1024 128 64 32 译码结果 1248（） 量化误差 22（）,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,51,6. 简单增

18、量调制M（或DM）,简单增量调制M 它是在PCM方式的基础上发展起来的另一种模拟信号数字化传输方式。 最早由法国工程师De Loraine于1946年提出，其目的在于简化模拟信号的数字化方法。 广泛应用于军事和工业部门的专用通信网以及卫星通信中。在高速大规模集成电路中用作A/D转换器。 是预测编码中最简单的一种。,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,52,预测编码的概念,预测编码方式 根据过去的信号样值预测下一个样值，并仅把预测值与现实的样值之差（预测误差）加以量化、编码后进行传输的方式； 在接收端经过和发送端的预测完全相同的操作可以得到量化的原信号，然后再

19、通过低通滤波便可恢复原信号的近似波形。,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,53,预测编码的概念,预测编码的好处 如果能进行适当的预测，便可期望预测误差的幅度变化范围比信号自身的振幅变化范围小。 若解调后的量化噪声相同，则传输预测误差的方式所需的量化比特数将比传输信号瞬时振幅值得一般PCM方式所需的量化比特数少，或者在比特数与PCM方式相同的情况下，可获得更高的传输质量。,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,54,简单增量调制M（或DM）,M的概念 它是对信号相邻样值的增加量（差值）进行量化编码的方式： 若增加量为正时，输

20、出“1” 若增加量为负时，输出“0” 译码作相反变换，即规定一个增量值，当收到“1”时，在前一瞬间信号值上加上一个值；收到“0”时，在前一瞬间信号值减去一个值。,可将M看作是PCM的特例，只用一位编码，该码不是表示信号抽样值的大小，而是表示抽样时刻波形的变化趋势。M与PCM的本质区别,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,55,简单增量调制M原理,积分器,预测信号 me(t),积分器是一个最简单的预测器， p(t)为“1”时，其输出增加一个量阶 ，p(t)为“0”时，其输出减少一个量阶 。,为减少量化失真必须增加取样率，使它远大于奈奎斯特取样率，即远大于2fm

21、（其中fm为信源信号的上限频率）。,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,56,简单增量调制M量化噪声,输入信号m(t)的斜率大于预测信号斜率导致过载噪声,给定量化间隔的情况，该系统能跟踪最大斜率为fs 的信号，则fs 称为临界过载情况下最大跟踪斜率。,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,57,M的量化噪声,量化误差可分成三类 纯量化误差：M的取样速率信号的变化速率时正常误差 斜率过载噪声： M的取样速率信号的变化速率时，即增量量化跟不上信号的变化M中主要的失真 克服方法：1.增加M的取样速率，这会降低压缩数码率的能力，即降

22、低M的有效性 2.根据信号的速率改变M的量化间隔值. 空载噪声：输入信号变化缓慢，甚至为0时，输出码流为一个0与1交替的序列,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,58,PCM与M系统的比较,抽样频率 PCM 由抽样定理决定：fs2fm M 为了避免斜率过载要求 e.g. f(t)=Acos2ft 2 Affs fsA/2 f for A fs2f 结论：为了不至发生过载现象，M的抽样频率比PCM的高的多。,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,59,PCM与M系统的比较,带宽 M的抽样频率比PCM的高的多 传输M信号的带宽比

23、传输PCM信号要宽 e.g. 采用PCM时，若fs=8KHz，n=8位码，则传输速率为8*8K=64Kbps，要求信道带宽为32KHz 要得到相同的传输质量，采用M时要求fs=100KHz，传输带宽为50KHz。通常M码速采用32Kbps或16Kbps，但话音质量不如PCM,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,60,PCM与M的性能比较,量化信噪比 S0/Nq 设两者有相同的信息速率 Rb PCMRb=2nfH M抽样频率fS=2nfH 设fk=1kHz，fB=3kHz，fH=4KHz可得 （S0/Nq）M30lg1.42n (dB) M 最大量化信噪比 （

24、S0/Nq）PCM6n (dB) 线性PCM最大量化信噪比 当n时，线性PCM优于M 对数PCM在S0/Nq方面相当于N=612时 的线性PCM，故对数PCM 的量化信 噪比优于M,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,61,PCM与M系统的比较,信道误码的影响 M允许信道误码率pe10-3 M一个码元只代表一个量阶，一个码元的误码只损失一个增量，所以它对误码不太敏感。 PCM允许信道误码率pe10-6 采用PCM时，误码的影响要严重得多，尤其是高位码元，错一位可造成许多量阶的损失，所以对信道误码率的要求较高,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程

25、学院电子与信息科学系,62,PCM与M系统的比较,设备复杂性 M设备简单，在单路应用时不需要收发同步设备。多路应用时，每路需要一套调制解调设备，所以路数增多时设备成倍增加。 PCM即使单路应用也需要同步设备区分码元在码组中的位置，因此单路比M复杂的多。PCM多路传输时可共用一套A/D和D/A转换器。故多路PCM比单路PCM增加的设备不多。 结论（一般原则） 当信道噪声比较小时用PCM，如卫星通信，光纤通信，微波通信等； 当信道噪声大时用自适应M，如某些军用通信。,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,63,7. 差分脉冲编码调制DPCM,DPCM系统原理图,D

26、PCM的总量化误差定义为：,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,64,7. 差分脉冲编码调制DPCM,编码器中的预测器与解码器的预测器完全相同。因此在信道传输无误码的情况下，解码器输出的重建信号Sr(k)与编码器的Sr(k)完全相同。 总量化误差只和差值信号的量化误差有关。 系统总量化信噪比SNR定义为,量化信噪比 SNRq,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,65,7. 差分脉冲调制DPCM,DPCM系统的总SNR取决于Gp和SNRq的乘积 对DPCM系统的研究就是围绕着如何使这两个参数能取最大值而逐步完善起来，并最后发

27、展为ADPCM系统。,用“自适应预测”方法使Gp最大,用“自适应量化”使SNRq最大,+,=,ADPCM,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,66,8. 时分多路复用（TDM）技术及其应用,时分复用概念： 多路信号在时域上互不重叠、互不干扰的传输方式。 特点：在频域上多路信号是重叠，但在时域上是分离的。 理论基础：抽样定理 TDM的工作原理 以3路模拟信号的TDM 为例来说明TDM的基本原理。,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,67,TDM的工作原理,信道中传输3路模拟信号，最高截止频率均为fm，这样抽样频率均为 fs2

28、fm,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,68,TDM的基本术语,时隙Time Slot 指每路信号所占的时间间隔 不同的时隙分配给不同路的信号 帧 周期出现的N个时隙结构称为一个帧。 N路信号时分复用时的时隙分配为：,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,69,TDM信号的参数,最小抽样频率,抽样周期,时隙,码元宽度,最小信道带宽,数码速率,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,70, TDM信号中各信号的频谱分量混叠在一起，从频域上不可能分辨各路信息信号。 由于时分顺序传送各信息信号一次

29、的周期很短，所以，虽然从微观上讲在时间上可分辨各路信息信号，但人是感觉不到各路信息信号是在不同时间传送的，宏观上能感觉到的仍是“同时”传送。,时分多路复用的特点,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,71,TDM的实际应用举例,信源A,信源B,TP 3057A,TP 3057B,复 接,mA(t),mB(t),PCMA,PCMB,PCM,mB(t),mA(t),SLA SLB,SLA SLB,CLK 2048 kHz,F,帧码,结合PCM实验：,15,15,3,3,12,12,5,5,10 7,10 7,11,11,6,6,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,72,PCM实验数据分析,每帧32个时隙，第0个时隙内为帧同步码F， 每帧都相同，第2个隙为mA(t)的PCM信号，第三个时隙内为mB(t)的PCM信号。 实验时可改变SLB的相位，使PCMB可位于第1，2，5，7时隙中的任何一个。,2020年8月10日星期一,兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系,73,在A律TDM-PCM30/32制式中，一个抽样周期被等分为32个时隙，每时隙为3.91s，并顺序从0到31编号，分别记作TS0，TS1，TS31，其中T