通信原理第8章模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸課件

1、解碼LPF抽樣量化編碼D/A解調(diào)A/D調(diào)制緒論典型數(shù)字通信系統(tǒng)信源發(fā)送設(shè)備信道接收設(shè)備信宿1第8章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸 8-1 抽樣定理 8-2 脈沖編碼調(diào)制(PCM) 8-3 自適應(yīng)脈沖編碼調(diào)制(ADPCM) 8-4 增量調(diào)制系統(tǒng)(M) 8-5 時(shí)分復(fù)用和多路數(shù)字電話系統(tǒng)2低通信號(hào)的均勻抽樣定理8-1 抽樣定理 一個(gè)頻帶限制在0到fH以?xún)?nèi)的低通信號(hào)x(t) ，如果以 fs 2fH 的抽樣速率進(jìn)行均勻抽樣，則x(t)可以有抽樣后的信號(hào)完全確定。 最小抽樣速率 fs=2fH 稱(chēng)為奈奎斯特速率， 最大抽樣時(shí)間間隔 1/2fH 稱(chēng)為奈奎斯特間隔。3理想抽樣與信號(hào)的恢復(fù)4理想低通抽樣的頻譜函數(shù)圖5理想

2、低通抽樣的證明6混疊現(xiàn)象7信號(hào)的重建8用低通抽樣定理對(duì)帶通信號(hào)進(jìn)行抽樣（fs=2fH） 01234567-1-2-3-4-5-6-7假設(shè)fH為1MHz，帶寬為100KHzMHz9帶通信號(hào)抽樣定理一個(gè)帶通信號(hào)m(t)，其頻率限制在fL與fH之間，帶寬為 B=fHfL，如果抽樣速率 fs=2fH/m，m是一個(gè)不超過(guò) fH/B 的最大整數(shù)，那么m(t)可完全由其抽樣值確定。 10帶通采樣定理的兩種情況1、若最高頻率fH為帶寬的整數(shù)倍，即 fH =nB ，則 fS = 2B2、若最高頻率fH(n +k)B不為B的整數(shù)倍 如對(duì)高頻信號(hào)，nk，則直接取兩倍帶寬11實(shí)際中應(yīng)用廣泛的高頻窄帶信號(hào)，如南京音樂(lè)臺(tái)

3、的105.8MHz信號(hào)，帶寬為180KHz，那么采樣速率為？n 587， k = 7/9, n k, 所以可以簡(jiǎn)單取兩倍帶寬為采樣速率，即采樣速率為360KHz。12帶通信號(hào)的抽樣頻譜（fs 2B ） 01234567-1-2-3-4-5-6-7138-2 脈沖編碼調(diào)制（PCM） 信源發(fā)送設(shè)備信道接收設(shè)備信宿A/D調(diào)制D/A解調(diào)抽樣量化編碼解碼LPF14PCM信號(hào)形成示意圖15分層電平量化電平量化間隔恒定量化區(qū)(動(dòng)態(tài)范圍)量化臺(tái)階都相同的量化稱(chēng)為均勻量化。161、均勻量化的量化電平數(shù)M例：設(shè)信號(hào)為 ，對(duì)其均勻量化，量化間隔為0.1。量化電平數(shù)M=?172、均勻量化的量化信噪比量化噪聲：量化輸出

4、電平和量化前信號(hào)的抽樣值之差量化信噪比：信號(hào)功率與量化噪聲功率之比18不難看出：1) M增大，量化信噪比上升，可靠性提高。2) M增大，則每個(gè)量化值需更多的bit來(lái)表示，有效性下降！量化信噪比量化電平數(shù)3) 必須合理選擇M，以同時(shí)滿(mǎn)足對(duì)可靠性及有效性的要求。矛盾！折中！19量化信噪比的推導(dǎo)20課堂練習(xí) 設(shè)語(yǔ)音信號(hào)的頻譜范圍是(0,4000)Hz，幅度在(-2V,2V)中均勻分布。問(wèn)：最低抽樣頻率為多少？若對(duì)其均勻量化，且每個(gè)量化值可編碼為8比特，則信號(hào)的碼率為多少？量化間隔為多少？量化信噪比為多少？21量化方式及量化誤差量化的影響：引入量化噪聲衡量方法：量化噪聲功率，量化信噪功率比量化的方式：

5、均勻量化，非均勻量化22均勻量化和量化信噪功率比mmqmq過(guò)載區(qū)過(guò)載區(qū)量化區(qū)(動(dòng)態(tài)范圍)23均勻量化的量化信噪功率比均勻量化、信號(hào)均勻分布：量化信噪功率比證明：作業(yè)：1, 2, 3, 4, 524均勻量化的問(wèn)題及解決辦法問(wèn)題：1. 量化臺(tái)階與信號(hào)大小無(wú)關(guān)，對(duì)小信號(hào)不利2. 量化臺(tái)階與信號(hào)分布無(wú)關(guān)，對(duì)語(yǔ)音等不利解決辦法：1. 量化臺(tái)階隨信號(hào)大小而變2. 量化臺(tái)階隨信號(hào)分布而變非均勻量化25非均勻量化過(guò)程26律壓縮壓縮特性為：A律壓縮壓縮特性為：常用壓縮特性27A=87.6的13折線壓擴(kuò)特性曲線28編碼碼型自然碼折疊碼格雷碼自然碼折疊碼格雷碼0000011100001000100011000001

6、01100001100110011101001001010011101010101111001101000010101110111110010000110110110011001010010100100111110111011011011000010101111011101001011100000100111111111000012345678910111213141529編碼器(逐次比較型)30余下的問(wèn)題信源發(fā)送設(shè)備信道接收設(shè)備信宿A/D調(diào)制D/A解調(diào)抽樣量化編碼解碼LPF31譯碼器32PCM信號(hào)的碼元速率和帶寬語(yǔ)音信號(hào)頻帶：300Hz 3400Hz抽樣速率：fs = 8000Hz每樣點(diǎn)編碼

7、數(shù)：8PCM碼速：8*8K = 64K bpsPCM帶寬：抽樣函數(shù)波形：32K Hz 升余弦波形： 64K Hz33PCM系統(tǒng)的抗噪聲性能均勻分布，均勻量化：證明：信號(hào)量化噪聲誤碼噪聲PCM系統(tǒng)接收端低通濾波器的輸出:347-3 自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM） 自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制可在32kb/s的比特率上達(dá)到64kb/s的PCM數(shù)字電話質(zhì)量。ADPCM已成為長(zhǎng)途傳輸中一種國(guó)際通用的語(yǔ)音編碼方法。 ADPCM是在差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。35差分PCM（DPCM） 對(duì)相鄰樣值的差值進(jìn)行編碼。根據(jù)前面的k個(gè)樣值預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)刻的樣值。對(duì)當(dāng)前樣值與預(yù)測(cè)值之間的差量化編碼。

8、 36ADPCM 有自適應(yīng)系統(tǒng)的DPCM自適應(yīng)量化自適應(yīng)預(yù)測(cè)ADPCM比PCM可改善1621dB，相當(dāng)于編碼位數(shù)可以減少3位到4位。因此，在維持相同的語(yǔ)音質(zhì)量下，ADPCM允許用32kb/s比特率編碼378-4 增量調(diào)制系統(tǒng)(M)與PCM方式不同，M是將模擬信號(hào)變換成僅有一位二進(jìn)制碼組成的數(shù)字信號(hào)序列，來(lái)表示相鄰信號(hào)的相對(duì)大小，通過(guò)相鄰抽樣值的相對(duì)變化反映模擬信號(hào)的變化規(guī)律。DPCM的特例預(yù)測(cè)值為上次的抽樣值對(duì)差值只編一位碼38M編碼波形示意圖 39M編譯碼器原理框圖4010101011111101010101111110M 編碼過(guò)程原信號(hào)抽樣及量化編碼41101010111111010101

9、01111110M 譯碼過(guò)程脈沖產(chǎn)生積分低通濾波原信號(hào)42M系統(tǒng)框圖之二 43（a）一般量化噪聲；（b）過(guò)載量化噪聲 M系統(tǒng)的抗噪聲性能分析44M極限參數(shù)最大跟蹤斜率：最小振幅：最大振幅：動(dòng)態(tài)范圍：45量化信噪功率比 fs信噪比 。抽樣速率在32kHz時(shí)，量化信噪比約為26dB，只能滿(mǎn)足一般通信質(zhì)量的要求。 fk信噪比 。M語(yǔ)音高頻段的量化信噪比下降。證明：46誤碼信噪比 總信噪比 誤碼信噪功率比 47PCM和M系統(tǒng)性能的比較相同信道帶寬時(shí)量化信噪比M對(duì)信道誤碼不敏感M設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單些M的改進(jìn)型常用于對(duì)話音質(zhì)量要求不高小容量通信中488-5 時(shí)分復(fù)用和多路數(shù)字電話系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容：時(shí)分復(fù)用原理；多路

10、數(shù)字電話系統(tǒng)；要求：理解時(shí)分復(fù)用的概念；掌握時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)帶寬估算方法；了解時(shí)分復(fù)用與頻分復(fù)用的異同點(diǎn)。49把時(shí)間幀劃分為若干時(shí)隙；各路信號(hào)占有各自時(shí)隙；目的：實(shí)現(xiàn)在同一信道上傳輸多路信號(hào)。時(shí)分復(fù)用（TDM）原理50 三路時(shí)分復(fù)用的方框圖51三路時(shí)分復(fù)用的波形52數(shù)字信號(hào)時(shí)分復(fù)用A路B路合路53A路B路合路C路數(shù)字信號(hào)時(shí)分復(fù)用（每時(shí)隙1碼元）54A路B路合路C路數(shù)字信號(hào)時(shí)分復(fù)用（每時(shí)隙2碼元）55數(shù)字信號(hào)時(shí)分復(fù)用（每時(shí)隙8碼元）A路B路合路C路56PCM數(shù)字電話系統(tǒng)方框圖57單路編譯碼器在PCM系統(tǒng)中的使用 58PCM基群幀結(jié)構(gòu) 59TDM制數(shù)字復(fù)接系列國(guó)家單位基群二次群三次群四次群STM-1S

11、TM-4STM-16北美日本kb/s1544631244736或32064274176或97723155.2Mb/s622.08Mb/s2488.32Mb/s路數(shù)2496672或4804032或1440歐洲中國(guó)kb/s2048844834368139264路數(shù)30120480192060關(guān)于多址與復(fù)用技術(shù)目的：多用戶(hù)同時(shí)通信時(shí)，提高信道的利用率方法：頻分：FDM, FDMA時(shí)分：TDM, TDMA碼分：CDM, CDMA61FDM, FDMA從頻率上劃分不同信號(hào)，或區(qū)分不同用戶(hù)。頻段劃分就是一種FDM。F1+kF2+kFn+kF1+iF2+iFm+i終端用戶(hù)端局k(基站)端局i(基站)終端用戶(hù)中心局62TDM, TDMA從時(shí)間上劃分不同信號(hào)，或區(qū)分不同用戶(hù)。排隊(duì)打電話就是一種TDM。終端用戶(hù)端局k端局i終端用戶(hù)中心局63CDM, CDMA從編碼上劃分不