通信原理第8章模拟信号的数字传输课件.ppt

1、解码LPF抽样量化编码D/A解调A/D调制绪论典型数字通信系统信源发送设备信道接收设备信宿1第8章 模拟信号的数字传输o 8-1 抽样定理o 8-2 脉冲编码调制(PCM)o 8-3 自适应脉冲编码调制(ADPCM)o 8-4 增量调制系统(M)o 8-5 时分复用和多路数字电话系统2低通信号的均匀抽样定理8-1 抽样定理 一个频带限制在0到fH以内的低通信号x(t)，如果以 fs 2fH 的抽样速率进行均匀抽样，则x(t)可以有抽样后的信号完全确定。最小抽样速率 fs=2fH 称为奈奎斯特速率，最大抽样时间间隔 1/2fH 称为奈奎斯特间隔。3理想抽样与信号的恢复4理想低通抽样的频谱函数图5

2、()()TsnttnTnssTnT)(2)(nssTsnTtnTmttmtm)()()()()()(*)(1)(TssMTM理想低通抽样的证明NssnMT)(*)(1NssnMT)(16混叠现象7信号的重建nsHsnTtSanTmtm)()()(8用低通抽样定理对带通信号进行抽样（fs=2fH）01234567-1-2-3-4-5-6-7假设fH为1MHz，带宽为100KHzMHz9带通信号抽样定理一个带通信号m(t)，其频率限制在fL与fH之间，带宽为 B=fHfL，如果抽样速率 fs=2fH/m，m是一个不超过 fH/B 的最大整数，那么m(t)可完全由其抽样值确定。10带通采样定理的两种

3、情况1、若最高频率fH为带宽的整数倍，即 fH=nB，则 fS=2B2、若最高频率fH(n+k)B不为B的整数倍 如对高频信号，nk，则直接取两倍带宽)1(2/)(2)/2(nkBnBknmffHs11实际中应用广泛的高频窄带信号，如南京音乐台的105.8MHz信号，带宽为180KHz，那么采样速率为？n 587，k=7/9,n k,所以可以简单取两倍带宽为采样速率，即采样速率为360KHz。12带通信号的抽样频谱（fs 2B）01234567-1-2-3-4-5-6-7138-2 脉冲编码调制（PCM）信源发送设备信道接收设备信宿A/D调制D/A解调抽样量化编码解码LPF14PCM信号形成示

4、意图15分层电平分层电平量化电平量化电平量化间隔量化间隔恒定恒定量量化化区区(动动态态范范围围)量化台阶都相同的量化称为均匀量化。量化台阶都相同的量化称为均匀量化。161、均匀量化的量化电平数、均匀量化的量化电平数M例：设信号为 ，对其均匀量化，量化间隔为0.1。量化电平数M=?()9 10cosm ttM 动态范围量化间隔172、均匀量化的量化信噪比量化噪声：量化输出电平和量化前信号的抽样值之差量化噪声：量化输出电平和量化前信号的抽样值之差量化信噪比：信号功率与量化噪声功率之比量化信噪比：信号功率与量化噪声功率之比182qSMN不难看出：不难看出：1)M增大，量化信噪比上升，可靠性提高。增大

5、，量化信噪比上升，可靠性提高。2)M增大，则每个量化值需更多的增大，则每个量化值需更多的bit来表示，有效性下降！来表示，有效性下降！量化信噪比量化信噪比量化电平数量化电平数3)必须合理选择必须合理选择M，以同时满足对可靠性及有效性的要求。以同时满足对可靠性及有效性的要求。矛盾！矛盾！折中！折中！19)(22qqmmEmENSMimmibaqqqiidxxfqxdxxfmxmmEN12221)()()()()(量化信噪比的推导210log20log20log26()NqdBSMMN dBN20课堂练习 设语音信号的频谱范围是设语音信号的频谱范围是(0,4000)Hz，幅度在幅度在(-2V,2V

6、)中均匀分布。问：中均匀分布。问：1)最低抽样频率为多少？最低抽样频率为多少？2)若对其均匀量化，且每个量化值可编若对其均匀量化，且每个量化值可编码为码为8比特，则信号的码率为多少？比特，则信号的码率为多少？量化间隔为多少？量化信噪比为多少？量化间隔为多少？量化信噪比为多少？21量化方式及量化误差量化的影响：引入量化噪声衡量方法：量化噪声功率，量化信噪功率比量化的方式：均匀量化，非均匀量化22均匀量化和量化信噪功率比mmqmq过载区过载区量化区(动态范围)232qSMN均匀量化的量化信噪功率比均匀量化、信号均匀分布：量化信噪功率比证明：作业：作业：1,2,3,4,524均匀量化的问题及解决办法

7、问题：1.量化台阶与信号大小无关，对小信号不利2.量化台阶与信号分布无关，对语音等不利解决办法：1.量化台阶随信号大小而变2.量化台阶随信号分布而变非均匀量化25非均匀量化过程26律压缩压缩特性为：A律压缩压缩特性为：10.)1ln(1lnxxy1.01ln1ln1.1ln1AxxAAyAxAAx 常用压缩特性27A=87.6的13折线压扩特性曲线28编码码型自然码折叠码格雷码自然码折叠码格雷码00000111000010001000110000010110000110011001110100100101001110101010111100110100001010111011111001000

8、0110110110011001010010100100111110111011011011000010101111011101001011100000100111111111000012345678910111213141529编码器(逐次比较型)30余下的问题信源发送设备信道接收设备信宿A/D调制D/A解调抽样量化编码解码LPF31译码器32PCM信号的码元速率和带宽语音信号频带：300Hz 3400Hz抽样速率：fs=8000Hz每样点编码数：8PCM码速：8*8K=64K bpsPCM带宽：抽样函数波形：32K Hz 升余弦波形：64K Hz33PCM系统的抗噪声性能222()()()

9、qeqeSSE m tNNNE ntE nt均匀分布，均匀量化：222NqSMN14eeSNP222142NNeSNP证明：()()()()oqemtmtntnt信号量化噪声误码噪声PCM系统接收端低通滤波器的输出:347-3 自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）o 自适应差分脉冲编码调制可在32kb/s的比特率上达到64kb/s的PCM数字电话质量。o ADPCM已成为长途传输中一种国际通用的语音编码方法。o ADPCM是在差分脉冲编码调制（DPCM）的基础上发展起来的。35差分PCM（DPCM）q对相邻样值的差值进行编码。q根据前面的k个样值预测当前时刻的样值。对当前样值与预测值之间的差量

10、化编码。36ADPCM o 有自适应系统的DPCMn 自适应量化n 自适应预测o ADPCM比PCM可改善1621dB，相当于编码位数可以减少3位到4位。因此，在维持相同的语音质量下，ADPCM允许用32kb/s比特率编码378-4 增量调制系统(M)o 与PCM方式不同，M是将模拟信号变换成仅有一位二进制码组成的数字信号序列，来表示相邻信号的相对大小，通过相邻抽样值的相对变化反映模拟信号的变化规律。o DPCM的特例n预测值为上次的抽样值n对差值只编一位码38M编码波形示意图 39M编译码器原理框图0:10:0401 01 01 0 11111101010101111110M 编码过程原信号

11、原信号抽样及量化抽样及量化编码编码411 01 01 0 11111101010101111110M 译码过程脉冲产生脉冲产生积分积分低通滤波低通滤波原信号原信号42M系统框图之二 43（a）一般量化噪声；（b）过载量化噪声 M系统的抗噪声性能分析44M极限参数sskTf最大跟踪斜率：最小振幅：min2AksfAmax最大振幅：ksfA2动态范围：maxmaxminmin20lgcc dBAADDAA45量化信噪功率比 1.fs信噪比。抽样速率在32kHz时，量化信噪比约为26dB，只能满足一般通信质量的要求。2.fk信噪比。M语音高频段的量化信噪比下降。14lg10lg20lg3004.0l

12、g10230mksmksqffffffNS证明：46n误码信噪比 n总信噪比 2116KeseofPffNS22212314883sKeKmqeoooffPfffffNNSNSs误码信噪功率比 47PCM和M系统性能的比较相同信道带宽时量化信噪比M对信道误码不敏感M设备相对简单些M的改进型常用于对话音质量要求不高小容量通信中488-5 时分复用和多路数字电话系统n教学内容：n时分复用原理；n多路数字电话系统；n要求：n理解时分复用的概念；n掌握时分复用系统带宽估算方法；n了解时分复用与频分复用的异同点。49o把时间帧划分为若干时隙；o各路信号占有各自时隙；o目的：实现在同一信道上传输多路信号。

13、时分复用（TDM）原理50 三路时分复用的方框图51三路时分复用的波形52数字信号时分复用A路路B路路合路合路53A路路B路路合路合路C路路数字信号时分复用（每时隙1码元）54A路路B路路合路合路C路路数字信号时分复用（每时隙2码元）55数字信号时分复用（每时隙8码元）A路路B路路合路合路C路路56PCM数字电话系统方框图57单路编译码器在PCM系统中的使用 58PCM基群帧结构 59TDM制数字复接系列国家国家单位单位基群基群二次群二次群三次群三次群四次群四次群STM-1STM-4STM-16北美北美日本日本kb/s1544631244736或或32064274176或或97723 155.

14、2Mb/s 622.08Mb/s 2488.32Mb/s路数路数2496672或或4804032或或1440欧洲欧洲中国中国kb/s2048844834368139264路数路数30120480192060关于多址与复用技术目的：多用户同时通信时，提高信道的利用率方法：频分：FDM,FDMA时分：TDM,TDMA码分：CDM,CDMA61FDM,FDMA从频率上划分不同信号，或区分不同用户。频段划分就是一种FDM。F1+kF2+kFn+kF1+iF2+iFm+i终端用户终端用户端局端局k(k(基站基站)端局端局i(i(基站基站)终端用户终端用户中心局中心局62TDM,TDMA从时间上划分不同信号，或区分不同用户。排队打电话就是一种TDM。终端用户终端用户端局端局k k端局端局i i终端用户终端用户中心局中心局63CDM,CDMA从编码上划分不同信号，或区分不同用户。主要用于扩频通信中。C1+kC2+kCn+kC1+iC2+iCm+i终端用户终端用户端局端局k(k(基站基站)端局端局i(i(基站基站)终端用户终端用户中心局中心局64FDM,TDM,CDM比较TimeFrequser1user2user3TDMTimeFrequser1user2user3FDMTimeFreqCodeuser1user2user3user4CDM65