通信原理-第9章课件.ppt
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1、通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院通 信 原 理第9章 模拟信号的数字传输 通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院一、模拟信号的数字传输概述一、模拟信号的数字传输概述 抽样信号抽样信号抽样信号抽样信号量化信号量化信号t011011011100100100100编码信号编码信号A/DD/AA/DD/A通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院二、抽样定理二、抽样定理-低通模拟信号的抽样定理低通模拟信号的抽样定理 抽样定理:设一个连续模拟信号抽样定理:设一个连续模拟信号m(t)中的最高频率中的最高频率 fH,则以间隔时间为,则以间隔时间为T 1/2fH的周期性冲激脉冲
2、对它抽样时,的周期性冲激脉冲对它抽样时,m(t)将被这些抽样值所完全确定将被这些抽样值所完全确定(a)m(t)(e)ms(t)(c)T(t)0-3T-2T-TT2T3Tfs1/T2/T0-1/T-2/T(f)f-fHfH0fs|Ms(f)|-fHfHf|M(f)|通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院二、抽样定理二、抽样定理-低通模拟信号的抽样定理低通模拟信号的抽样定理1()()()SMfD fM fT)()()(ttmtmTs)()()(ffMfMsnsnffTf)(1)(Tfs/1nssnfffMTfM)()(1)(t从时域中看,当用抽样脉冲序列冲激截止频从时域中看,当用抽样脉冲
3、序列冲激截止频率为率为 fH的理想低通滤波器时,滤波器的输出的理想低通滤波器时,滤波器的输出就是一系列冲激响应之和,如图所示。这些就是一系列冲激响应之和,如图所示。这些冲激响应之和就构成了原信号。冲激响应之和就构成了原信号。恢复信号时恢复信号时()()()sM fT MfD f()()*2nHnm tmtnTSaf t2()nHnm SaftnT1()snM fnfT通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院二、抽样定理二、抽样定理 带通模拟信号的抽样定理带通模拟信号的抽样定理OB2B3B4B-4B-3B-2B-B2B nH2 f 222HsfB nfBnOf (KHz)12-2-1Of
4、 (KHz)12-2-1如图所示的带通信号的采样频率为其带宽的如图所示的带通信号的采样频率为其带宽的2倍而不是上限频率的倍而不是上限频率的2倍倍就可恢复原始信号就可恢复原始信号2(1)kBn特例特例2()22nBkBB nBn通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院二、抽样定理二、抽样定理 带通模拟信号的抽样定理带通模拟信号的抽样定理设带通模拟信号的频带限制在设带通模拟信号的频带限制在fL和和fH之间,如图所示。之间,如图所示。即其频谱最低频率大于即其频谱最低频率大于fL,最高频率小于,最高频率小于fH,信号带宽,信号带宽B=fH fL。可以证明,此带通模拟信号所需最小抽样频率。可以证
5、明,此带通模拟信号所需最小抽样频率fs等于等于式中,式中,B 信号带宽;信号带宽;n 商商(fH/B)的整数部分,的整数部分,n=1,2,;k 商商(fH/B)的小数部分,的小数部分,0 k 1。按照上式画出的按照上式画出的fs和和fL关系曲线示于下图:关系曲线示于下图:fHf0fL-fL-fH)1(2nkBfsB2B3B4B3BB2B4B5B6BfL0fs通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院二、抽样定理二、抽样定理 带通模拟信号的抽样定理带通模拟信号的抽样定理由上图可见,当由上图可见,当fL=0时,时,fs 2B,就是低通模拟信号的抽样情况;,就是低通模拟信号的抽样情况;当当fL
6、很大时,很大时,fs 趋近于趋近于2B。fL很大意味着这个信号是一个窄带信号。很大意味着这个信号是一个窄带信号。许多无线电信号,例如在无线电接收机的高频和中频系统中的信号,许多无线电信号,例如在无线电接收机的高频和中频系统中的信号,都是这种窄带信号。所以对于这种信号抽样,无论都是这种窄带信号。所以对于这种信号抽样,无论fH是否为是否为B的整数的整数倍,在理论上,都可以近似地将倍,在理论上,都可以近似地将fs取为略大于取为略大于2B。图中的曲线表示要求的最小抽样频率图中的曲线表示要求的最小抽样频率fs,但是这并不意味着用任,但是这并不意味着用任何大于该值的频率抽样都能保证频谱不混叠。何大于该值的
7、频率抽样都能保证频谱不混叠。通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院三、模拟脉冲调制三、模拟脉冲调制模拟脉冲调制的种类模拟脉冲调制的种类 周期性脉冲序列有周期性脉冲序列有4个参量:脉冲重复周期、脉冲振个参量:脉冲重复周期、脉冲振幅、脉冲宽度和脉冲相位(位置)。幅、脉冲宽度和脉冲相位(位置)。其中脉冲重复周期(抽样周期)一般由抽样定理决其中脉冲重复周期(抽样周期)一般由抽样定理决定,故只有其他定,故只有其他3个参量可以受调制。个参量可以受调制。3种脉冲调制:种脉冲调制:脉冲振幅调制脉冲振幅调制(PAM)脉冲宽度调制脉冲宽度调制(PDM)脉冲位置调制脉冲位置调制(PPM)仍然是模拟调制,因
8、为其代表信息的参量仍然是可仍然是模拟调制,因为其代表信息的参量仍然是可以连续变化的。以连续变化的。通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院三、模拟脉冲调制三、模拟脉冲调制模拟脉冲调制波形模拟脉冲调制波形 (a)模拟基带信号模拟基带信号(b)PAM信号信号 (c)PDM信号信号(d)PPM信号信号通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院三、模拟脉冲调制三、模拟脉冲调制-自然抽样自然抽样PAM调制过程的波形和频谱图调制过程的波形和频谱图 tAt(e)(c)0T2T3T-T-2T-3T(a)m(t)s(t)ms(t)fH-fHfM(f)(b)01/T0-1/Tfs|S(f)|(d)f
9、(f)fs-fHf1()()()(2)(2)2sHHnAMfM fS fSa nfM fnfT 由上图看出,若由上图看出,若s(t)的周期的周期T (1/2fH),或其重复频率,或其重复频率fs 2fH,则采用一个截止,则采用一个截止频率为频率为fH的低通滤波器仍可以分离出原模拟信号。的低通滤波器仍可以分离出原模拟信号。通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院三、模拟脉冲调制三、模拟脉冲调制-平顶抽样平顶抽样()()()()()snnnm tm ttnTm ttnT()()*()Hsmtm th tt)()()(fHfMfMsHnssnffMTfM)(1)(nsHnffMfHTfM)(
10、)(1)(H(f)m(t)T(t)mH(t)ms(t)Ms(f)MH(f)保持电路保持电路()()nnmt h tnT保持电路的单位冲击响应为脉冲,其频谱为保持电路的单位冲击响应为脉冲,其频谱为Sa(x)。通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院四、量化编码四、量化编码-均匀量化均匀量化m1m2m4m3m5q5q4q3q2q1T2T3T4T5T6T7Tt量化误差量化误差信号实际值信号实际值信号量化值信号量化值m(t)m(6T)mq(6T)q6 信号实际值信号实际值 信号量化值信号量化值iiiqmkTmmqkTm)(,)(1当q1,q2,qi,为量化电平为量化电平m2,mi,m为为量化区
11、间的端点量化区间的端点均匀量化过程示意图均匀量化过程示意图通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院四、量化编码四、量化编码-均匀量化均匀量化【例例9.1】设一个均匀量化器的量化电平数为设一个均匀量化器的量化电平数为M,其输入信号抽样值在区间,其输入信号抽样值在区间 -a,a内具有均匀的概率密度。试求该量化器的平均信号量噪比。内具有均匀的概率密度。试求该量化器的平均信号量噪比。【解解】因为因为 所以有所以有22201212aaMSxdxa 1122112(1)13211()()()21()22121224iiiiMMmmqiimmiiMa i vaiviMiNxqf x dxxqdxax
12、aidxaMaa 2Ma 212qN20MNSq通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院四、量化编码四、量化编码-PCM均匀量化编码均匀量化编码模拟信号抽样值模拟信号抽样值 2.1 3.2 3.6 3.9 1.9 -1.76 量化电平量化电平 2.25 3.25 3.75 3.75 1.75 -1.75 二进制编码二进制编码 1100 1110 1111 1111 1011 0100 均匀量化编码均匀量化编码A/D变换变换通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院四、量化编码四、量化编码 非均匀量化编码非均匀量化编码非均匀量化原理非均匀量化原理 在非均匀量化时,量化间隔随信号抽样
13、值的不同而变化。信号在非均匀量化时,量化间隔随信号抽样值的不同而变化。信号抽样值小时,量化间隔抽样值小时,量化间隔 v也小;信号抽样值大时,量化间隔也小;信号抽样值大时,量化间隔 v也变大。也变大。实际中,非均匀量化的实现方法通常是在进行量化之前,先将实际中,非均匀量化的实现方法通常是在进行量化之前,先将信号抽样值压缩,再进行均匀量化。这里的压缩是用一个非线信号抽样值压缩,再进行均匀量化。这里的压缩是用一个非线性电路将输入电压性电路将输入电压x变换成输出电压变换成输出电压y:y=f(x)如右图所示:如右图所示:图中纵坐标图中纵坐标y 是均匀刻是均匀刻度的,横坐标度的,横坐标x 是非均是非均匀刻
14、度的。所以输入电匀刻度的。所以输入电压压x越小,量化间隔也就越小,量化间隔也就越小。也就是说,小信号越小。也就是说,小信号的量化误差也小。的量化误差也小。通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院四、量化编码四、量化编码 非均匀量化编码非均匀量化编码设此压缩器的输入和输出电压范围都限制在设此压缩器的输入和输出电压范围都限制在0和和1之间,即作归一之间,即作归一化,且纵坐标化,且纵坐标y 在在0和和1之间均匀划分成之间均匀划分成N个量化区间个量化区间ydyxdxdydxNydydxx1 x xkxdydxckyxlnxkyln11当输入当输入x 0时,输出时,输出y-。在实用中这个理想压缩
15、特性的具体。在实用中这个理想压缩特性的具体形式,按照不同情况,还要作适当修正,使当形式,按照不同情况,还要作适当修正,使当x0时,时,y0。通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院四、量化编码四、量化编码 非均匀量化编码非均匀量化编码 A 压缩律压缩律 x 压缩器归一化输入电压;压缩器归一化输入电压;y 压缩器归一化输出电压;压缩器归一化输出电压;A 常数,它决定压缩程度。常数,它决定压缩程度。取取87.61111lnyxk xyxk11,ln1ln110,ln1xAAAxAxAAxyy11111ln xkk11 ln1 lnkxA 在在b点处点处2条线条线段斜率相等段斜率相等在切点在
16、切点b处的第处的第2条曲线条曲线令1/x1=A通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院四、量化编码四、量化编码 非均匀量化编码非均匀量化编码13折线压缩特性折线压缩特性 A律的近似律的近似 y1A律表示式是一条平滑律表示式是一条平滑曲线,用电子线路很曲线,用电子线路很难准确地实现难准确地实现通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院四、量化编码四、量化编码 非均匀量化编码非均匀量化编码从表中看出,从表中看出,13折线法和折线法和A=87.6时的时的A律压缩法十分接近律压缩法十分接近y 01/82/83/84/85/86/87/81A律的律的x值值01/1281/60.61/30.
17、61/15.41/7.791/3.931/1.98113折线法的折线法的x=1/2i01/1281/641/321/161/81/41/21折线段号折线段号12345678折线斜率折线斜率161684211/21/4通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院四、量化编码四、量化编码 语音信号的非均匀量化编码语音信号的非均匀量化编码段落码编码段落码编码-非均匀量化编码非均匀量化编码段落段落序号序号段落码段落码c2 c3 c4段落范围段落范围(量化单位)(量化单位)81 1 11024204871 1 0512102461 0 125651251 0 012825640 1 16412830
18、 1 0326420 0 1163210 0 0016量化间隔量化间隔段内码段内码c5 c6 c7 c8151 1 1 1141 1 1 0141 1 0 1121 1 0 0111 0 1 1101 0 1 091 0 0 181 0 0 070 1 1 160 1 1 050 1 0 140 1 0 030 0 1 120 0 1 010 0 0 100 0 0 0段内码编码段内码编码-均匀量化编码均匀量化编码通信原理课件孙 怡大连理工大学信息与通信工程学院四、量化编码四、量化编码 语音信号的非均匀量化编码语音信号的非均匀量化编码【例】设输入电话信号抽样值的归一化动态范围在设输入电话信号抽
19、样值的归一化动态范围在-1至至+1之间,将此之间,将此动态范围划分为动态范围划分为4096个量化单位,即将个量化单位,即将1/2048作为作为1个量化单位。个量化单位。当输入抽样值为当输入抽样值为+1270个量化单位时,试用逐次比较法编码将其按个量化单位时,试用逐次比较法编码将其按照照13折线折线A律特性编码。律特性编码。【解解】设编出的设编出的8位码组用位码组用c1 c2 c3 c4 c5 c6 c7 c8表示,则:表示,则:1)确定极性码确定极性码c1:因为输入抽样值:因为输入抽样值+1270为正极性为正极性,所以所以c1=12)确定段落码确定段落码c2 c3 c4:由段落码编码规则表可见
20、,:由段落码编码规则表可见,c2值决定于信号值决定于信号抽样值大于还是小于抽样值大于还是小于128,即此时的权值电流,即此时的权值电流Iw128。现在输入抽。现在输入抽样值等于样值等于1270,故,故c21。在确定。在确定c21后,后,c3决定于信号抽样值大决定于信号抽样值大于还是小于于还是小于512,即此时的权值电流,即此时的权值电流Iw512。因此判定。因此判定c31。同。同理,在理,在c2 c311的条件下,决定的条件下,决定c4的权值电流的权值电流Iw1024。将其和抽。将其和抽样值样值1270比较后,得到比较后,得到c41。这样,就求出了这样,就求出了c2 c3 c4111,并且得知
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