《通信原理-第5章.ppt

1、模拟信号数字化传输框图模拟信号数字化传输框图由图由图5-1可见，模拟信号数字化传输一般需三个步骤：可见，模拟信号数字化传输一般需三个步骤：(1)编码编码：模数转换（：模数转换（A/D），把模拟信号数字化，），把模拟信号数字化，将原始的模拟信号转换为时间离散和值离散的数将原始的模拟信号转换为时间离散和值离散的数字信号；字信号；(2)传输传输：进入数字传输系统进行数字方式传输；：进入数字传输系统进行数字方式传输；(3)译码译码：数模转换（：数模转换（D/A），把数字信号还原为模），把数字信号还原为模拟信号。拟信号。图图5-1 模拟信号数字化传输系统框图模拟信号数字化传输系统框图信源编码信源编码u信

2、源编码的作用：信源编码的作用：（1）设法减少码元数目和降低码元速率，即通）设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩：常所说的数据压缩：（2）将信源的模拟信号转化成数字信号，以实）将信源的模拟信号转化成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。现模拟信号的数字化传输。u信源编码方法：信源编码方法：波形编码、参数编码和混合编码波形编码、参数编码和混合编码u脉冲编码调制脉冲编码调制PCM属于波形编码。属于波形编码。脉冲编码调制脉冲编码调制PCM脉冲编码调制就是用窄脉冲把一个时间连续、脉冲编码调制就是用窄脉冲把一个时间连续、取值连续的模拟信号变换成时间离散、取值离取值连续的模拟信号变换成时间离

3、散、取值离散的数字信号后在信道中传输。脉冲编码调制散的数字信号后在信道中传输。脉冲编码调制PCM，包括，包括抽样、量化、编码抽样、量化、编码三个过程。三个过程。A/D转换转换u一般把发送端的抽样、量化、编码过程称为一般把发送端的抽样、量化、编码过程称为A/D（模（模/数）转换，完成模拟信源发出的模数）转换，完成模拟信源发出的模拟信号转换成数字信号的功能。拟信号转换成数字信号的功能。u抽样负责把时间连续的模拟信号转换为时间抽样负责把时间连续的模拟信号转换为时间离散幅度连续的抽样信号离散幅度连续的抽样信号u量化负责把时间离散和幅度连续的抽样信号量化负责把时间离散和幅度连续的抽样信号转换为时间和幅度

4、离散的数字信号转换为时间和幅度离散的数字信号u编码负责将量化后的信号编码形成一个二进编码负责将量化后的信号编码形成一个二进制码组，即形成数字信号制码组，即形成数字信号 A/D转换三个过程转换三个过程u抽样实现了模拟信号的抽样实现了模拟信号的时间时间离散离散,u量化实现了信号的量化实现了信号的幅度幅度离散离散,u编码实现了数字信号的编码实现了数字信号的二进制二进制序列表示。序列表示。脉冲编码调制分类脉冲编码调制分类脉冲编码调制举例脉冲编码调制举例脉冲编码调制脉冲编码调制PCMPCM5.13.1.2 量化量化5.1.1 抽样抽样3.1.3 编码编码抽样抽样5.1.1u抽样是把时间上连续的模拟信号变

5、成一系抽样是把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值的过程。列时间上离散的抽样值的过程。u信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。号。u抽样速率的下限是由奈奎斯特抽样定理确抽样速率的下限是由奈奎斯特抽样定理确定的。定的。奈奎斯特抽样定理奈奎斯特抽样定理u一个频带限制在一个频带限制在0fm内的低通信号内的低通信号m(t)，如，如果抽样频率果抽样频率fs2fm，则可以由抽样序列无失，则可以由抽样序列无失真地重建恢复原始信号真地重建恢复原始信号m(t)。u也就是说，若要传输模拟信号，

6、不一定要传也就是说，若要传输模拟信号，不一定要传输模拟信号本身，只需传输满足抽样定理要输模拟信号本身，只需传输满足抽样定理要求的抽样值即可。求的抽样值即可。u无失真所需最小抽样速率无失真所需最小抽样速率fs=2fm为奈奎斯特为奈奎斯特速率，对应的最大抽样间隔速率，对应的最大抽样间隔Ts称为奈奎斯特称为奈奎斯特间隔。间隔。抽样抽样u实际系统中，采取实际系统中，采取fs=(2.5 5.0)fm以避免失以避免失真。真。u在话音通信中，人类话音频率的范围是在话音通信中，人类话音频率的范围是3003400Hz。u实际上，考虑预留，为了标准化和方便计算，实际上，考虑预留，为了标准化和方便计算，话音信道一般

7、取话音信道一般取4000Hz，因此，抽样频率是，因此，抽样频率是8000Hz，即每秒钟抽样，即每秒钟抽样8000次，每次抽样的时次，每次抽样的时间间隔是间间隔是125us。抽样过程的时间函数及对应频谱抽样过程的时间函数及对应频谱频谱混叠频谱混叠量化量化5.1.2u量化，就是利用预先规定的有限个电平来表量化，就是利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值，即用一组规定的电平，示模拟信号抽样值，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。u如果用如果用 n 位二进制码组来表示该样值的大小，位二进制码组来表示该样值的大小，那么那么n 位二进制码组只能

8、同位二进制码组只能同 N=2n 个电平样个电平样值相对应。值相对应。u将抽样值的范围划分成将抽样值的范围划分成N个区间，每个区间个区间，每个区间用用n个二进制数表示。这样，共有个二进制数表示。这样，共有N个离散电个离散电平，它们称为量化电平。平，它们称为量化电平。量化分类量化分类根据量化过程中模拟信号的采样值和量化后根据量化过程中模拟信号的采样值和量化后的离散电平值的对应规则，量化可以分为的离散电平值的对应规则，量化可以分为均匀量化均匀量化和和非均匀量化非均匀量化两种。两种。均匀量化均匀量化均匀量化就是将模拟信号的取值均匀分段，然后取每段的中间值为量化电平。抽样信号和量化信号的比较抽样信号和量

9、化信号的比较量化的物理过程量化的物理过程量化主要参数量化主要参数 u量化范围：语音信号为双极性对称信号，量化范围：语音信号为双极性对称信号，量化范围一般是量化范围一般是-V，+V；u量化级数：在量化级数：在-V，+V内分内分N份；份；u量化台阶：量化台阶：=2V/N；u量化值：通常用量化值：通常用q1、q2、qN表示；表示；u量化误差：量化误差：qi-f(iTs)。均匀量化及其量化误差均匀量化及其量化误差均匀量化与量化误差均匀量化与量化误差u均匀量化对于大信号和小信号引起的量化误均匀量化对于大信号和小信号引起的量化误差是均匀分布的差是均匀分布的u均匀量化对小信号是不利的，有可能会导致均匀量化对

10、小信号是不利的，有可能会导致信号强度低于噪声的情况而把信号淹没。信号强度低于噪声的情况而把信号淹没。u均匀量化的量化台阶是常数，所以对大信号均匀量化的量化台阶是常数，所以对大信号影响较小，对小输入信号非常不利，即量化影响较小，对小输入信号非常不利，即量化噪声对信号的影响程度不同，而通信系统中噪声对信号的影响程度不同，而通信系统中的语音信号多为小信号，为了克服这个缺点，的语音信号多为小信号，为了克服这个缺点，改善小信号时的信噪比，在实际应用中常采改善小信号时的信噪比，在实际应用中常采用非均匀量化。用非均匀量化。非均匀量化非均匀量化u基本思想基本思想：非均匀量化是根据信号的不同：非均匀量化是根据信

11、号的不同区间来确定量化间隔的，量化间隔随信号区间来确定量化间隔的，量化间隔随信号抽样值的不同而变化。信号抽样值小时，抽样值的不同而变化。信号抽样值小时，量化间隔量化间隔 v也小；信号抽样值大时，量化也小；信号抽样值大时，量化间隔间隔 v也大。也大。u实现实现：实际中，非均匀量化的实现方法通：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。缩，再进行均匀量化。压扩特性压扩特性u压缩压缩：对大信号进行压缩而对小信号进行较大的：对大信号进行压缩而对小信号进行较大的放大的过程。信号经过这种非线性压缩电路处理放大的过程。信号经过这

12、种非线性压缩电路处理后，改变了大信号和小信号之间的比例关系，使后，改变了大信号和小信号之间的比例关系，使大信号的比例基本不变或变得较小，而小信号相大信号的比例基本不变或变得较小，而小信号相应地按比例增大，即应地按比例增大，即“压大补小压大补小”，压缩了大小，压缩了大小信号的范围。信号的范围。u扩张扩张：在接收端将收到的相应信号进行扩张，以：在接收端将收到的相应信号进行扩张，以恢复原始信号对应关系。扩张特性与压缩特性相恢复原始信号对应关系。扩张特性与压缩特性相反。反。非均匀量化与量化误差非均匀量化与量化误差压扩特性原理图压扩特性原理图压缩、扩张特性曲线对比压缩、扩张特性曲线对比两种压缩特性两种压

13、缩特性uA律：律：A律编码主要用于律编码主要用于30/32路一次群系路一次群系统统u律：律：律编码主要用于律编码主要用于24路一次群系统。路一次群系统。u我国和欧洲采用我国和欧洲采用A律编码，律编码，北美和日本采北美和日本采用用律编码。律编码。A律函数表达式律函数表达式律函数表达式律函数表达式A律十三折线第律十三折线第1象限象限A律十三折线各段及斜率律十三折线各段及斜率折线段折线段号号12345678斜斜 率率 161684211/21/4A律十三折线律十三折线A律十三折线及量化误差律十三折线及量化误差非均匀量化与均匀量化比较非均匀量化与均匀量化比较u非均匀量化与均匀量化相比，有两个突出非均匀

14、量化与均匀量化相比，有两个突出的优点：的优点：u（1）当输入量化器的信号具有非均匀分布的）当输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度概率密度(例如语音例如语音)时，非均匀量化器的输出时，非均匀量化器的输出端可以得到较高的平均信号量化信噪比；端可以得到较高的平均信号量化信噪比；u（2）非均匀量化时，量化噪声功率的均方根）非均匀量化时，量化噪声功率的均方根值基本上与信号抽样值成比例。因此量化噪声值基本上与信号抽样值成比例。因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号时的量化信噪比。号时的量化信噪比。编码编码5.1.3u编码，就是用一组二进制码组来表

15、示每一个编码，就是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。有固定电平的量化值。u二进制码具有很好的抗噪声性能，并易于再二进制码具有很好的抗噪声性能，并易于再生，因此生，因此PCM中一般采用二进制码。中一般采用二进制码。u常用的二进制编码码型有自然二进制码、折常用的二进制编码码型有自然二进制码、折叠二进制码和反射二进制码。叠二进制码和反射二进制码。4位二进制码码型量化级编号量化级编号自然二进制码自然二进制码折叠二进制折叠二进制码码反射二进制码反射二进制码00000011100001000101100001200100101001130011010000104010000110110501

16、01001001116011000010101701110000010081000100011009100110011101101010101011111110111011111012110011001010131101110110111411101110100115111111111000PCM编码码位安排表极性极性码码幅度码幅度码极性码极性码幅度码幅度码段落码段落码段内码段内码断码码断码码段内码段内码c1c2 c3 c4c5 c6c7 c8c1c2 c3 c4c5 c6c7 c800000000110010000001100100100101011010001110110100100110

17、11000101110101101101111110011111118位编码分段情况位编码分段情况u极性码极性码：c1，共，共1bit。对于正信号，。对于正信号，c1=1，对于，对于负信号，负信号，c1=0。u段落码段落码：c2 c3 c4，共，共3 bit，可以表示，可以表示8种斜率的种斜率的段落。段落码表示该样值位于段落。段落码表示该样值位于8个大段的哪个大个大段的哪个大段中。如果位于第一段，段落码是段中。如果位于第一段，段落码是000，第二段，第二段段落码是段落码是001，依次类推。，依次类推。u段内码段内码：每一段均匀划分为：每一段均匀划分为16份，段内码表示该份，段内码表示该样值位于

18、所在的大段落中的样值位于所在的大段落中的16小段中的哪一段。小段中的哪一段。如果位于第一段，段落码是如果位于第一段，段落码是0000，第二段段落码，第二段段落码是是0001，依次类推。，依次类推。A律律13折线有关参数表折线有关参数表 PCM例题例题1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样值的归一化动态范围在-1至至+1之间，将此动态范围划分为之间，将此动态范围划分为4096个个量化单位，即将量化单位，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时，试按照时，试按照13折线折线A律特性编码，并求量化误差。律特性编码，并求量化误差。P

19、CM例题例题2设某一电平的设某一电平的A律律13折折PCM编码为编码为11110011，求该电平的实际数值（归一化）。求该电平的实际数值（归一化）。增量调制增量调制5.2增量调制译码增量调制译码增量调制编码增量调制编码M M和和PCMPCM的比较的比较增量调制增量调制u增量调制简称增量调制简称M或或DM，它是继脉冲编码，它是继脉冲编码调制调制PCM后出现的又一种模拟信号数字传后出现的又一种模拟信号数字传输的方法。输的方法。u增量调制最主要的特点就是它所产生的二增量调制最主要的特点就是它所产生的二进制代码表示模拟信号前后两个抽样值的进制代码表示模拟信号前后两个抽样值的差别（增加、还是减少）而不是

20、代表抽样差别（增加、还是减少）而不是代表抽样值本身的大小，因此把它称为增量调制。值本身的大小，因此把它称为增量调制。增量调制编码增量调制编码增量调制波形图增量调制波形图 阶梯波和斜变波阶梯波和斜变波u阶梯波阶梯波f (t)有两个特点：有两个特点：u第一，在每个第一，在每个t 间隔内，间隔内，f (t)的幅值不变。的幅值不变。u第二，相邻间隔的幅值差或者是第二，相邻间隔的幅值差或者是+（上升一个（上升一个台阶）或者是台阶）或者是（下降一个台阶）。（下降一个台阶）。u斜变波有两种变化斜变波有两种变化u一是按斜率一是按斜率 /t上升一个量阶上升一个量阶u二是按斜率二是按斜率 /t下降一个量阶。下降一

21、个量阶。增量调制系统带宽增量调制系统带宽从编码的基本思想中可以知道，每抽样一次，从编码的基本思想中可以知道，每抽样一次，即传输一个二进制码元，因此码元传输速即传输一个二进制码元，因此码元传输速率为，从而调制系统带宽为：率为，从而调制系统带宽为：理想低通传输系统理想低通传输系统 升余弦传输系统升余弦传输系统 增量调制译码增量调制译码u阶梯波译码阶梯波译码：收到收到“1”码时上升跳变一个量阶码时上升跳变一个量阶，收到，收到“0”码码时下降跳变一个量阶时下降跳变一个量阶，这样二进制代码经过，这样二进制代码经过译码后变为译码后变为 f (t)这样的阶梯波。这样的阶梯波。u斜变波译码斜变波译码：收到收到

22、“1”码后产生一个正斜率电压，在码后产生一个正斜率电压，在t 时间时间内上升一个台阶内上升一个台阶，收到，收到“0”码后产生一个负斜码后产生一个负斜率电压，在率电压，在t时间内下降一个台阶时间内下降一个台阶，这样把二进，这样把二进制代码经过译码后变为如图制代码经过译码后变为如图5-15所示所示f1(t)这样的这样的斜变波。斜变波。增量调制译码原理增量调制译码原理增量调制特点增量调制特点u（1）在比特率较低时，增量调制的量化信）在比特率较低时，增量调制的量化信噪比高于噪比高于PCM的量化信噪比；的量化信噪比；u（2）增量调制的抗误码性能好。能工作于）增量调制的抗误码性能好。能工作于误码率为的信道

23、中，而误码率为的信道中，而PCM要求误比特要求误比特率通常为；率通常为；u（3）增量调制的编译码器比）增量调制的编译码器比PCM简单。简单。M M和和PCMPCM的比较的比较u（1）抽样速率）抽样速率 PCM 系统中的抽样速率系统中的抽样速率fs 是根据抽样定理来确定的。若是根据抽样定理来确定的。若信号的最高频率为信号的最高频率为 fm，则，则 fs 2 fm。M 系统的抽样系统的抽样速率不能根据抽样定理来确定。在保证不发生过载，达到速率不能根据抽样定理来确定。在保证不发生过载，达到与与PCM 系统相同的信噪比时，系统相同的信噪比时，M的抽样速率远远高于奈的抽样速率远远高于奈奎斯特速率。奎斯特

24、速率。u（2）带宽）带宽 M系统的每一次抽样，只传送一位代码，因此系统的每一次抽样，只传送一位代码，因此M 系统系统的数码率为的数码率为fb=fs，要求的最小带宽为，要求的最小带宽为 BM=(fs/2)，实际应用时实际应用时 BM=fs。而。而PCM系统的数码率为系统的数码率为fb=n fs。例如，在同样的语音质量要求下，例如，在同样的语音质量要求下，PCM系统的数码率为系统的数码率为64kHz，因而要求最小信道带宽为，因而要求最小信道带宽为32kHz。而采用。而采用M系系统时，抽样速率至少为统时，抽样速率至少为100 kHz，则最小带宽为，则最小带宽为50kHz。M M和和PCMPCM的比较

25、的比较u（3）信道误码的影响）信道误码的影响 在在M系统中，每一个误码造成一个量阶的误差，所以它系统中，每一个误码造成一个量阶的误差，所以它对误码不太敏感，对误码率的要求较低。而对误码不太敏感，对误码率的要求较低。而PCM的每一的每一个误码（尤其高位码元的误码）会造成较大的误差，所以个误码（尤其高位码元的误码）会造成较大的误差，所以误码对误码对PCM系统的影响要比系统的影响要比M系统严重些，故对误码率系统严重些，故对误码率的要求较高。的要求较高。u（4）设备复杂度）设备复杂度 PCM系统的特点是多路信号统一编码，一般采用系统的特点是多路信号统一编码，一般采用8位编码，位编码，编码设备复杂，但质

26、量较好。编码设备复杂，但质量较好。M系统的特点是单路信号系统的特点是单路信号独用一个编码器，设备简单，单路应用时，不需要收发同独用一个编码器，设备简单，单路应用时，不需要收发同步设备。但在多路应用时，每路独用一套编译码器，所以步设备。但在多路应用时，每路独用一套编译码器，所以路数增多时设备成倍增加，一般较适于小容量支线通信。路数增多时设备成倍增加，一般较适于小容量支线通信。M M和和PCMPCM抗噪声比较抗噪声比较时分复用时分复用5.3PCM30/32帧结构帧结构时分复用概念时分复用概念时分复用概念时分复用概念u复用技术的主要目的是提高资源利用率复用技术的主要目的是提高资源利用率 u复用，可以

27、理解为多个用户要共同使用同复用，可以理解为多个用户要共同使用同一线路资源。一线路资源。u时分复用时分复用TDM是采用同一物理连接的不同是采用同一物理连接的不同时段来传输不同的信号，也能达到多路传时段来传输不同的信号，也能达到多路传输的目的。输的目的。u常用的复用方法有复用方法频分复用常用的复用方法有复用方法频分复用FDM、时分复用时分复用TDM和码分复用和码分复用CDM。时分复用示意图时分复用示意图在在TDM中，对于单路信号，数码率不变，是中，对于单路信号，数码率不变，是独立传输。对于总群路信号，数码率是单独立传输。对于总群路信号，数码率是单路的路的n倍，因而可充分地利用信道的传输频倍，因而可

28、充分地利用信道的传输频带。带。时分复用举例时分复用举例时分复用相关概念时分复用相关概念u信源：发送模拟信号；信源：发送模拟信号；u发送端：合路器旋转开关旋转速率即抽样频率发送端：合路器旋转开关旋转速率即抽样频率fs，对带宽最大的模拟信源，对带宽最大的模拟信源，fs仍然满足奈奎仍然满足奈奎斯特抽样定理。斯特抽样定理。u同步：收发两端的合路与分路，必须协调一致。同步：收发两端的合路与分路，必须协调一致。u接收端：旋转开关速率接收端：旋转开关速率fs，时分复用，时分复用 PCM信信号由解码器恢复成抽样值的量化值。号由解码器恢复成抽样值的量化值。u帧：服从某种时序规定的一段比特数据流。帧：服从某种时序

29、规定的一段比特数据流。u帧周期：每路信号都至少被传送一次的时间。帧周期：每路信号都至少被传送一次的时间。u帧格式：把一帧时间划分为若干时隙后，如何帧格式：把一帧时间划分为若干时隙后，如何安排各路信息码与附加信息码的一种时序规定。安排各路信息码与附加信息码的一种时序规定。PCM30/32系统系统PCM30/32系统相关参数系统相关参数对于对于PCM30/32系统，相关参数总结如下：系统，相关参数总结如下：（1）帧周期：）帧周期：125us；（2）每帧时隙数：）每帧时隙数：32；（3）每帧数码率：）每帧数码率：2048Kb/s时分复用优点时分复用优点u便于实现数字通信便于实现数字通信u易于制造易于制造u适于采用集成电路实现适于采用集成电路实现u生产成本较低生产成本较低