通信原理第6章-模擬信號的數(shù)字傳輸

1、數(shù)字通信有許多優(yōu)點:抗干擾能力強，遠距離傳輸時可消除噪聲積累差錯可控，利用信道編碼可使誤碼率降低。易于和各種數(shù)字終端接口中；易于集成化，使通信設備小型化和微型化易于加密處理等。2、實際中有待傳輸?shù)脑S多信號是模擬信號語音信號；圖像信號；溫度、壓力等傳感器的輸出信號。第６章模擬信號的數(shù)字傳輸2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸1將模擬信號轉化為數(shù)字信號才能在數(shù)字系統(tǒng)上傳輸。模擬信號數(shù)字傳輸系統(tǒng)框圖。模擬信號的數(shù)字傳輸需經過：（1）發(fā)送端模數(shù)轉換（Ａ／Ｄ轉換）；（2）經數(shù)字系統(tǒng)傳輸（數(shù)字基帶或數(shù)字頻帶傳輸）；（3）接收端數(shù)模轉換（Ｄ／Ａ轉換）。第６章模擬信號的數(shù)字傳輸2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸2波形編碼：直接把時域波形變換為數(shù)字代碼序列，數(shù)據(jù)速率通常在范圍內，接收端重建信號的質量好。參量編碼：利用信號處理技術，提取語音信號的特征參量，將它們變換為數(shù)字代碼，在接收端用這些特征參數(shù)去控制語音信號的合成電路，合成出發(fā)送端發(fā)送的語音信號。其數(shù)據(jù)速率在以下，最低可到左右，但接收端重建信號的質量不夠好。

本章重點介紹語音信號的波形編碼原理。第６章模擬信號的數(shù)字傳輸2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸3主要內容及要求：1、掌握脈沖編碼調制（PCM）原理，了解其改進形式；2、掌握增量調制（ΔM）原理，了解其改進形式；3、掌握時分多路復用原理。第６章模擬信號的數(shù)字傳輸2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸46.1脈沖編碼調制（PCM）

脈沖編碼調制（PCM）是一種具體的語音信號數(shù)字化方法。廣泛應用于光纖、數(shù)字微波通信和衛(wèi)星通信中。

采用PCM數(shù)字化方法的模擬信號數(shù)字傳輸系統(tǒng)稱為PCM系統(tǒng)。PCM數(shù)字化方法包括取樣、量化和編碼三個步驟。

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸56.1.1取樣及取樣定理

取樣將時間上連續(xù)的模擬信號變換為時間上離散的樣值序列的過程稱為取樣。取樣得到的樣值序列仍為模擬信號。2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸66.1.1取樣及取樣定理

2.取樣定理取樣定理是模擬信號數(shù)字化的理論基礎。取樣定理描述：一個頻帶限制在內的連續(xù)信號，如果取樣速率，則可以由離散樣值序列無失真地重建原模擬信號。取樣定理證明：

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸76.1.1取樣及取樣定理

當時，頻譜會出現(xiàn)混疊。實際取樣時，通常取，例如：對語音信號的取樣速率為8000次／秒（赫茲）。2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸8用預先規(guī)定的有限個電平來表示取樣值，使取樣值的幅度離散化。量化后的信號為數(shù)字信號。實現(xiàn)量化的部件稱為量化器。量化會帶來量化誤差，減小量化臺階可降低量化誤差噪聲（噪聲）。用量化信噪比衡量量化誤差對系統(tǒng)性能的影響。

6.1.2量化

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸91．均勻量化時的量化信噪比

前提：在均勻分布信號的取值范圍內等間隔地設置Ｑ個量化電平，且。6.1.2量化

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸10量化信號功率為量化噪聲功率為量化信噪聲比為可見：量化電平增加一倍，即編碼位數(shù)每增加一位，量化信噪比提高6分貝。6.1.2量化

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸11對于正弦信號，大信號出現(xiàn)概率大，故量化信噪比近似為對于語音信號，小信號出現(xiàn)概率大，故量化信噪比近似為6.1.2量化

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸122．非均勻量化及其實現(xiàn)不等間隔地設置量化電平的量化稱為非均勻量化。通過非均勻量化，可在保持量化電平數(shù)不變的情況下，提高小信號時的量化信噪比，從而擴大了量化器的動態(tài)范圍（達到一定輸出信噪比要求時所允許輸入信號的變化范圍稱為量化器的動態(tài)范圍）。

6.1.2量化

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸13非均勻量化的實現(xiàn)方法：壓縮＋均勻量化、直接非均勻量化。壓縮＋均勻量化方法壓縮特性有兩種：Ａ律和u律。6.1.2量化

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸14接收端需要對信號進行擴張，擴張?zhí)匦院蛪嚎s特性互補，是一條向下凹的曲線。6.1.2量化

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸15歐洲、中國等國采用Ａ律壓縮，并用13折線量化來近似實現(xiàn)，即13折線非均勻量化，這是一種直接法實現(xiàn)非均勻量化的方法。13折線非均勻量化（1）8段，每段均勻分為16等分。（2）共設置256個量化臺階，臺階中間為量化電平，故共256個量化電平。每個量化電平需用8位二進制編碼。6.1.2量化

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸16【例6-1】設輸入信號最大值為5，現(xiàn)有樣點值4.0，采用13折線量化，求此樣點值的量化電平及量化誤差（均以為單位）。6.1.2量化

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸17采用13折線非均勻量化的PCM系統(tǒng)框圖實際應用中，13折線量化和編碼往往一次完成。6.1.2量化

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸18編碼：用二進制碼組來表示量化電平；譯碼將二進制碼組還原為量化電平1.常用二進制碼自然二進制碼折疊二進制碼格雷碼6.1.3編碼2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸192．13折線編碼采用８位折疊二進制碼組表示13折線量化電平。（1）第1位表示量化電平極性，“正”用“１”表示；（2）第2、3、4位表示段碼；（3）最后4位表示級碼。6.1.3編碼2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸20例6-2】設某樣值為，若進行13折線編碼，求所編的8位碼組。

6.1.3編碼2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸21PCM系統(tǒng)中有兩類噪聲：量化噪聲和數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼引起的誤碼噪聲。誤碼信噪比自然二進制碼：折疊二進制碼：6.1.4

PCM系統(tǒng)的誤碼噪聲

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸22增量調制簡稱為△Ｍ，它是繼PCM后的又一種語音信號數(shù)字化的方法。與PCM相比，其編碼器和譯碼器簡單，抗誤碼性能好，在比特率較低時有較高的量化信噪比，因而廣泛應用于軍事和其它部門的一些專用網(wǎng)中。6.2增量調制（△Ｍ）

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸23△Ｍ編碼原理

數(shù)字化過程仍然需三個步驟：取樣、量化和編碼。由編碼過程可見：每取樣一次，編碼輸出一位二進制碼6.2.1

△Ｍ編譯碼原理

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸242.△Ｍ譯碼原理譯碼：接收端收到二進制代碼后恢復階梯波形譯碼方法：每收到一個代碼“1”，譯碼器的輸出相對于前一個時刻的值上升一個臺階；每收到一個代碼“0”就下降一個臺階。編碼和譯碼器

6.2.1

△Ｍ編譯碼原理

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸25采用△Ｍ實現(xiàn)模擬信號數(shù)字傳輸?shù)南到y(tǒng)稱為△Ｍ系統(tǒng)△Ｍ系統(tǒng)中引起輸出與輸入不同的主要原因是：量化誤差和數(shù)字通信系統(tǒng)誤碼引起的誤碼噪聲。6.2.2

△Ｍ系統(tǒng)中的噪聲

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸261．量化噪聲△Ｍ系統(tǒng)中的量化噪聲有兩種形式：一般量化噪聲和過載量化噪聲。6.2.2

△Ｍ系統(tǒng)中的噪聲

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸27不過載的條件：增大量化臺階，一般量化噪聲增大；提高取樣頻率，數(shù)字后的碼元速率提高，有效性降低?！纠?-3】若輸入信號為，取樣速率為，量化臺階為。求不發(fā)生過載時所允許的最大信號幅度。

6.2.2

△Ｍ系統(tǒng)中的噪聲

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸28當信號為余弦信號時，不發(fā)生過載時的最大量化信噪比為取樣速率提高一倍，量化信噪比提高9dB；信號頻率提高一倍，量化信噪比下降-6dB。6.2.2

△Ｍ系統(tǒng)中的噪聲

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸292.誤碼噪聲當信號為正弦信號，且不發(fā)生過載時最大誤碼信噪比為誤碼信噪比與數(shù)字通信系統(tǒng)誤碼率成反比；誤碼信噪比與取樣速率成正比；6.2.2

△Ｍ系統(tǒng)中的噪聲

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸30當臺階小時，容易出現(xiàn)過載量化噪聲；當臺階大時，一般量化噪聲會增大；當信號變化快時，用大臺階；當信號變化慢時，用小臺階，這樣既可避免過載量化噪聲，又能使一般量化噪聲降低－自適應增量調制（A△M）6.2.3自適應增量調制（A△M）2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸311．編碼原理

都是模擬信號數(shù)字化的方法；PCM代碼表示信號的幅度信息，而△M代碼則表示信號幅度變化的信息（微分信息）；2．取樣速率（對語音信號）PCM的取樣速率為8000Hz；△M的取樣速率大于等于32kHz。3．碼元速率PCM:△M:可見：△M的有效性高于PCM。6.2.4

PCM與△M性能比較

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸324．量化信噪比

當碼元速率在32~40kb/s時，兩種數(shù)字化方法的量化信噪比相近；當碼元速率大于40kb/s時，PCM優(yōu)于△M；當碼元速率小于32kb/s時，△M優(yōu)于PCM。6.2.4

PCM與△M性能比較

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸335.信道誤碼的影響在系統(tǒng)中，每個誤碼只造成一個臺階的誤差，所以對數(shù)字通信系統(tǒng)誤碼率的要求較低，一般要求誤碼率在即可。PCM的每個誤碼會造成較大的誤差（可能有許多個臺階），所以對數(shù)字通信系統(tǒng)誤碼率的要求較高，一般要求。

綜合上述，PCM適用于要求傳輸質量較高，且具有充裕頻帶資源的場合，故一般用于大容量的干線通信。由于有效性高、抗誤碼性能好等優(yōu)點，主要用于一些專用通信網(wǎng)中。6.2.4

PCM與△M性能比較

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸34【例6-4】在CD播放機中，假設音樂的幅度是均勻分布，取樣速率為44.1KHz，采用均勻量化，量化臺階數(shù)為。（1）求音樂信號數(shù)字化后的數(shù)據(jù)速率。（2）求存儲1小時音樂所需的存儲器字節(jié)數(shù)。（3）若采用二進制數(shù)字基帶系統(tǒng)傳輸此音樂信號，求系統(tǒng)所需的最小理論帶寬。

6.2.4

PCM與△M性能比較

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸35習慣上，人們把64kb/s的PCM作為標準的語音數(shù)字化技術；把低于64kb/s的稱為語音壓縮編碼技術。1．DPCM及ADPCM

差分脈沖編碼調制（DifferentialPCM，DPCM）是一種綜合了PCM和編碼思想的波形編碼方法，在這種編碼方式中，將相鄰樣值的差值分為M個臺階，設置M個量化電平，每個誤差值量化到其中的一個電平，用比特來編碼。若DPCM中的量化臺階自適應變化，即為ADPCM。

6.2.5其它語音編碼技術簡介

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸36在維持相同語音質量下，ADPCM的編碼速率為32kb/s，是標準64kb/sPCM速率的一半。因此，CCITT建議32kb/s的ADPCM為長途傳輸中的一種新型國際通用的語音編碼方法。2．混合編碼混合編碼是應用了波形編碼和參量編碼思想的語音信號數(shù)字化方法。混合編碼將波形編碼的高保真度與參量編碼的低數(shù)據(jù)速率的優(yōu)點結合起來，在中低速率語音信號數(shù)字化中得到廣泛應用。當前比較成功的混合編碼方法有多脈沖線性預測編碼（Multi-PulseLinearPredictiveCoder，MPLPC）、碼本激勵線性預測編碼（Code-ExcitedLPC，CELPC）和矢量和激勵線性預測編碼（VectorSumExcitedLinearPredictive，VSELP）等。6.2.5其它語音編碼技術簡介

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸37國際電信聯(lián)盟（ITU)及相關一些組織先后制定了一系列有關語音信號數(shù)字化的標準。

6.2.5其它語音編碼技術簡介

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸38為了提高信道的利用率，通常將多個信號合路后在同一個信道上傳輸，這種技術稱為多路復用技術。常用的復用技術有：（1）頻分復用；（2）時分復用；（3）碼分復用等6.3時分復用（TDM）

2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸39根據(jù)取樣定理，一個頻帶有限的信號，只需要傳輸一些在時間上離散的取樣值就可包含它的全部信息。這樣，信道僅在傳輸這些取樣值的極短時刻被占用，而在其余很長的時間里是空閑的，此空閑時間就可以用來傳輸其它信號的取樣值，從而可以實現(xiàn)多個信號依次在同一信道上傳輸，這種傳輸方式稱為時分復用（Time-divisionMultiplexing，TDM）。時分復用的具體實現(xiàn)方法是：將一條通信線路的工作時間周期性地分割成若干個互不重疊的時隙（時間段或時間片），每路信號分別使用指定的時隙傳輸其樣值。

6.3.1時分復用原理2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸406.3.1時分復用原理2024/12/12第6章模擬信號的數(shù)字傳輸41【例6-5】對10路帶寬均為的語音信號進行PCM時分復用傳輸。每路語音信號的取樣速率為次/秒，并將取樣值進行13折線量化編碼，那么時分復用信號的信息速率為多少？二進制碼元速率為多少？6.3.1時分復用原理2024/12/12第