第18講 模擬信號(hào)的抽樣、模擬脈沖調(diào)制

1、通信原理電子教案通信原理電子教案廣東海洋大學(xué)信息學(xué)院廣東海洋大學(xué)信息學(xué)院2012年年11月月通信原理通信原理電子教案電子教案 授課班級(jí)：通信授課班級(jí)：通信1103班、通信班、通信1104班班 授課教師：廣東海洋大學(xué)信息學(xué)院授課教師：廣東海洋大學(xué)信息學(xué)院 梁能梁能第第7 7章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸通信原理第第7 7章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸 研究?jī)?nèi)容：研究?jī)?nèi)容： 7.1 7.1 引言引言 7.2 7.2 抽樣定理抽樣定理 7.3 7.3 脈沖振幅調(diào)制（脈沖振幅調(diào)制（PAMPAM） 7.4 7.4 模擬信號(hào)的量化模擬信號(hào)的量化 7.5 7.5 脈沖編碼調(diào)制（脈沖編

2、碼調(diào)制（PCMPCM） 7.6 7.6 增量調(diào)制（增量調(diào)制（M M） 7.7 PCM7.7 PCM和和M M的性能比較的性能比較 7.8 7.8 差分脈沖編碼調(diào)制（差分脈沖編碼調(diào)制（DPCMDPCM） 7.9 7.9 時(shí)分復(fù)用和多路數(shù)字電話系統(tǒng)時(shí)分復(fù)用和多路數(shù)字電話系統(tǒng) 7.10 7.10 語(yǔ)音和圖像的壓縮編碼語(yǔ)音和圖像的壓縮編碼第第7 7章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸通信原理第第7 7章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸7.1 7.1 引言引言通信系統(tǒng)：通信系統(tǒng)：模擬通信系統(tǒng)；數(shù)字通信系統(tǒng)。模擬通信系統(tǒng)；數(shù)字通信系統(tǒng)。模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸-模擬信號(hào)數(shù)字化后，

3、用數(shù)字通信方式模擬信號(hào)數(shù)字化后，用數(shù)字通信方式傳輸。傳輸。系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖: :研究重點(diǎn)：研究重點(diǎn)：模擬信號(hào)數(shù)字化（模擬信號(hào)數(shù)字化（A/D）及反過(guò)程（）及反過(guò)程（D/A）。）。抽樣抽樣量化量化編碼編碼第第7 7章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸通信原理模擬信號(hào)數(shù)字化的模擬信號(hào)數(shù)字化的3步驟：抽樣、量化和編碼。步驟：抽樣、量化和編碼。抽樣信號(hào)抽樣信號(hào)量化信號(hào)t011011011100100100100編碼信號(hào)第第7 7章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸通信原理7.2 7.2 抽樣定理抽樣定理 模擬信號(hào)數(shù)字化的理論基礎(chǔ)。模擬信號(hào)數(shù)字化的理論基礎(chǔ)。7.2.1 7.2.1 低通型連續(xù)信

4、號(hào)的抽樣低通型連續(xù)信號(hào)的抽樣1. 1. 抽樣定理抽樣定理 一頻帶限制在一頻帶限制在(0, fH)赫內(nèi)的時(shí)間連續(xù)信號(hào)赫內(nèi)的時(shí)間連續(xù)信號(hào)m(t)，若以，若以fs2fH速率對(duì)速率對(duì)m(t)等間隔（等間隔（Ts1/fs1/2fH）抽樣，則）抽樣，則m(t)將被所得抽將被所得抽樣函數(shù)樣函數(shù)ms(t)完全確定。完全確定。2.2.原理原理 實(shí)現(xiàn)抽樣和恢復(fù)的原理框圖如圖實(shí)現(xiàn)抽樣和恢復(fù)的原理框圖如圖7-2所示。所示。信道信道理想抽樣理想抽樣理想理想LPFLPF)( tm)(tms)(tms)(th)(tm)(tTd圖圖7-2 抽樣與恢復(fù)抽樣與恢復(fù)第第7 7章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸通信原理(a)

5、m(t)(d)ms(t)(c)dT(t)0-3T-2T-TT2T3T第第7 7章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸通信原理抽樣脈沖：抽樣脈沖：T(t)周期為周期為Ts的沖激序列。的沖激序列。 理想抽樣。理想抽樣。條件：條件：Ts1/2fH,或或fs2fH時(shí)，沒(méi)必要傳送時(shí)，沒(méi)必要傳送m(t)本身，就可恢復(fù)本身，就可恢復(fù)m(t)。 fs=2fH奈奎斯特頻率奈奎斯特頻率；Ts1/2fH奈奎斯特間隔奈奎斯特間隔。結(jié)合該圖結(jié)合該圖證明證明抽樣定理：驗(yàn)證條件的必要性。抽樣定理：驗(yàn)證條件的必要性。信道信道理想抽樣理想抽樣理想理想LPFLPF)( tm)(tms)(tms)(th)(tm)(tTd圖圖

6、7-2 抽樣與恢復(fù)抽樣與恢復(fù)第第7 7章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸通信原理( )( )( )sTm tm ttd001( )( )*( )21()11( )()11( )(2)sTsnssnssHnssMMMnTMMnTTMMnTTd（7.2.4）2sH TsnTtnTdd ( )2TsnsssnTdd d抽樣：抽樣：第第7 7章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸通信原理（1）Ms()中包含無(wú)窮多個(gè)中包含無(wú)窮多個(gè)M() ，僅需一個(gè)理想，僅需一個(gè)理想LPF即可恢復(fù)即可恢復(fù) M ()：式中理想式中理想LPF：截止頻率：截止頻率H H ，增益為，增益為1。傳輸函數(shù)：。傳輸函數(shù)：（

7、2）若）若fs2fH? ，則產(chǎn)生重疊。，則產(chǎn)生重疊。注：注：ms(t)還屬模擬信號(hào)，其可視作還屬模擬信號(hào)，其可視作m(t)經(jīng)脈沖調(diào)制所得。經(jīng)脈沖調(diào)制所得。（7.2.6）1,()0,HLH其他)(1)()()(MTHMMSLS0111( )()( )()sssnnsssMMnMMnTTT1( )2()2LHHhtSat恢復(fù)：恢復(fù)：頻域恢復(fù)頻域恢復(fù):第第7 7章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸通信原理時(shí)域恢復(fù)時(shí)域恢復(fù)由式由式（7.2.6）sssLMT MT MH根據(jù)時(shí)域卷積定理，得根據(jù)時(shí)域卷積定理，得（7.2.7）1( )( )( )( )sLsMMHMT可見(jiàn)可見(jiàn)( )( )( )()()

8、11()(),2()()HssLsnsHnnsHsnsHnHsnnHnm tT m thtTmtnTSatmtnTSatTffm SatnTm Satndd （7.2.8a）（7.2.8b）式中：式中：mn-m(t)的第的第n個(gè)抽樣值。個(gè)抽樣值。第第7 7章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸通信原理上式表明：上式表明： 任何一個(gè)頻帶有限的信號(hào)任何一個(gè)頻帶有限的信號(hào)m(t)可以展成以抽樣函數(shù)為基本可以展成以抽樣函數(shù)為基本信號(hào)的無(wú)窮級(jí)數(shù)，級(jí)數(shù)中各分量的相應(yīng)系數(shù)就是原信號(hào)在相應(yīng)信號(hào)的無(wú)窮級(jí)數(shù)，級(jí)數(shù)中各分量的相應(yīng)系數(shù)就是原信號(hào)在相應(yīng)抽樣時(shí)刻上的抽樣值。抽樣時(shí)刻上的抽樣值。 這就是說(shuō)，任何一個(gè)帶限

9、的連續(xù)信號(hào)完全可以用其抽樣值這就是說(shuō)，任何一個(gè)帶限的連續(xù)信號(hào)完全可以用其抽樣值來(lái)表示。來(lái)表示。( )()nHsnm tm SatnT（7.2.8a）式中：式中：mn-m(t)的第的第n個(gè)抽樣值。個(gè)抽樣值。第第7 7章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸通信原理圖圖7-4 抽樣定理全過(guò)程抽樣定理全過(guò)程帶限帶限還屬模擬還屬模擬信號(hào)信號(hào)Sa函數(shù)：函數(shù)：形狀對(duì)應(yīng)形狀對(duì)應(yīng)HL矩形；矩形；幅度正比于幅度正比于mn包含無(wú)窮多個(gè)包含無(wú)窮多個(gè)M(),僅需一個(gè)僅需一個(gè)LPF即可即可恢復(fù)恢復(fù)M()。第第7 7章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸通信原理7.2.2 7.2.2 帶通型連續(xù)信號(hào)的抽樣帶通型連續(xù)

10、信號(hào)的抽樣軟件無(wú)線電技術(shù)的理論基礎(chǔ)軟件無(wú)線電技術(shù)的理論基礎(chǔ)帶通型帶通型：信號(hào)信號(hào)m(t)頻譜限于（頻譜限于（fL, fH） 帶寬帶寬 =fH- -fL1. fH（ fL當(dāng)然）為當(dāng)然）為B的整數(shù)倍時(shí)的整數(shù)倍時(shí)結(jié)論：結(jié)論：最小抽樣頻率最小抽樣頻率 fs2B即可，不必即可，不必fs2fH 。2. fH不為不為B 的整數(shù)倍時(shí)的整數(shù)倍時(shí) ,01HfnBkBk式中式中n是小于是小于fH/B的最大整數(shù)。的最大整數(shù)。結(jié)論：結(jié)論：最小抽樣頻率最小抽樣頻率（7.2.11）)/1(2nkBfs（7.2.9）第第7 7章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸通信原理討論：討論：（1）當(dāng)）當(dāng)fH（亦即（亦即fL）為）

11、為B的整數(shù)倍時(shí)，的整數(shù)倍時(shí)，k=0，fs=2B；（2）隨著）隨著n的增大，的增大，fs趨近于趨近于2B；（3）實(shí)際中廣泛應(yīng)用的窄帶（帶寬為）實(shí)際中廣泛應(yīng)用的窄帶（帶寬為B）高頻信號(hào)，其抽樣頻）高頻信號(hào)，其抽樣頻率近似為率近似為2B因這時(shí)因這時(shí)n很大，不論很大，不論fH是否為是否為B的整數(shù)倍，的整數(shù)倍， fs也也近似等于近似等于2B；（4）從統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)）從統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn) ， 對(duì)頻帶受限的廣義平穩(wěn)的隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行對(duì)頻帶受限的廣義平穩(wěn)的隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行抽樣，也服從抽樣定理。抽樣，也服從抽樣定理。)/1(2nkBfs第第7 7章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸通信原理7.3 7.3 脈沖調(diào)制（脈沖調(diào)制（

12、PAM） 脈沖幅度調(diào)制脈沖幅度調(diào)制7.3.1 7.3.1 引言引言脈沖調(diào)制的概念脈沖調(diào)制的概念調(diào)制：調(diào)制：基帶信號(hào)改變基帶信號(hào)改變高頻載波高頻載波的某一參量。的某一參量。 連續(xù)波調(diào)制：連續(xù)波調(diào)制：此前的正弦載波信號(hào)。此前的正弦載波信號(hào)。 但正弦信號(hào)并非唯一的載波形式。但正弦信號(hào)并非唯一的載波形式。 脈沖調(diào)制：脈沖調(diào)制：在時(shí)間上離散的脈沖串同樣可以作為載波，這時(shí)在時(shí)間上離散的脈沖串同樣可以作為載波，這時(shí)的調(diào)制是用基帶信號(hào)去改變脈沖的某些參數(shù)而達(dá)到的。的調(diào)制是用基帶信號(hào)去改變脈沖的某些參數(shù)而達(dá)到的。分類：分類：按基帶信號(hào)改變脈沖參數(shù)（幅度、寬度、出現(xiàn)時(shí)間位置）按基帶信號(hào)改變脈沖參數(shù)（幅度、寬度、出

13、現(xiàn)時(shí)間位置）的不同的不同，脈沖調(diào)制分為：脈沖調(diào)制分為：脈幅調(diào)制（脈幅調(diào)制（PAM）；脈寬調(diào)制（脈寬調(diào)制（PWM）；）；脈位調(diào)制（脈位調(diào)制（PPM） 。第第7 7章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸通信原理x(t) 0 x(t) 0 x(t) 0 x(t) 0 ( (a a) ) 基帶信號(hào)基帶信號(hào) 波形波形( (b b) ) PAM 波形波形( (c c) ) PDM 波形波形( (d d) ) PPM 波形波形t tt tt tt t第第7 7章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸通信原理PAM：脈沖載波幅度隨基帶信號(hào)變化的一種調(diào)制方式。脈沖載波幅度隨基帶信號(hào)變化的一種調(diào)制方式。特別

14、：特別：若脈沖載波是由沖激序列組成的，則前面所說(shuō)的若脈沖載波是由沖激序列組成的，則前面所說(shuō)的抽樣定抽樣定理，就是脈沖振幅的調(diào)制原理理，就是脈沖振幅的調(diào)制原理。 但，實(shí)際上真正的沖激脈沖串并不能付之實(shí)現(xiàn)，而通常只能但，實(shí)際上真正的沖激脈沖串并不能付之實(shí)現(xiàn)，而通常只能采用窄脈沖串來(lái)實(shí)現(xiàn)。故，研究采用窄脈沖串來(lái)實(shí)現(xiàn)。故，研究窄脈沖作為載波的窄脈沖作為載波的PAM方式方式,具有實(shí)際意義。具有實(shí)際意義。7.3.2 7.3.2 自然抽樣的自然抽樣的PAM方式方式-曲頂抽樣曲頂抽樣特點(diǎn)：特點(diǎn)：抽樣信號(hào)抽樣信號(hào)ms(t)的頂部同于基帶信號(hào)的頂部同于基帶信號(hào)m(t)。亦稱。亦稱曲頂抽樣曲頂抽樣。模型：模型：第第

15、7 7章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸通信原理脈沖載波脈沖載波s(t):由脈寬為由脈寬為、重復(fù)周期為、重復(fù)周期為Ts的矩形脈沖串組成，其中的矩形脈沖串組成，其中Ts=1/2fH（按抽樣定理確定）。（按抽樣定理確定）。其中，其中，g(t)是寬度為是寬度為、高度為、高度為A的門函數(shù)，其頻譜為的門函數(shù)，其頻譜為()(2)GA Sa nsnsTnTtgnTttgttgts)()()()()()(dd第第7 7章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸通信原理而由于而由于 )()(21)(SMMs頻譜：頻譜：nsnsTnTtgnTttgttgts)()()()()()(dd已抽樣信號(hào)：已抽樣信

16、號(hào)：( )( ) ( )sm tm t s t所以所以()()()2()(),222() (2)TssHnsHHnsSGA SanTASa nnT dd d 第第7 7章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸通信原理01()() *()2()(2)()()(2)SHHSHHSSnnMMSASa nMnTAAMSa nMnTT從而從而（7.3.1）經(jīng)經(jīng)LPF可恢復(fù)可恢復(fù)M（） 。頻譜圖頻譜圖: :2()()()() (2)THHnsASGSa nnT dd 第第7 7章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸通信原理頻譜圖：頻譜圖：2sHff條件：第第7 7章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸通信原理7.3.3 瞬時(shí)抽樣的瞬時(shí)抽樣的PAM方式方式平頂抽樣平頂抽樣特點(diǎn)：特點(diǎn)：每一抽樣脈沖的幅度正比于瞬時(shí)抽樣值，但形狀都相同。每一抽樣脈沖的幅度正比于瞬時(shí)抽樣值，但形狀都相同。亦稱平頂抽樣。亦稱平頂抽樣。H（）：）：一個(gè)脈沖形成電路（保持電路）一個(gè)脈沖形成電路（保持電路） 。調(diào)制：調(diào)制：理想抽樣理想抽樣保持保持恢復(fù)：修正恢復(fù)：修正LPF模型：模型：第第7 7章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸通信原理( )(