通信原理韩庆文第三章模拟信号数字化传输.

CCEE数字通信原理第三章模拟信号的数字化传输主要内容重庆大学通信工程学院数字通信原理3.1引言3.2模拟信号的抽样3.3信号的量化3.6数字复接技术3.5差分脉冲编码调制和增量调制3.4脉冲编码调制差分脉冲编码调制和增量调制差分脉冲编码调制增量调制重庆大学通信工程学院数字通信原理差分编码调制问题的提出：PCM系统之所以能够提供高的通信质量，在于它采用了大的编码位数，为此在频带方面付出了很大的代价。这将严重地限制了PCM在已经相当拥挤的那些频段中应用。压缩PCM系统所占用的频带宽度也就成为人们密切关注的问题。DPCM就是为了达到这一目的而提出的PCM编码重庆大学通信工程学院数字通信原理预测通信DPCM是预测通信中最简单的一种。预测通信的基本原理：利用模拟信号在观察点t＝t0之前一个或若干个抽样点上的取值，对这个观察点上的取值进行估计和预测。虽然预测值与实际值之间必然会存在着一定的误差,但可以将误差量化、编码传输。收端将预测值加上误差便可恢复原信号，由于误差值一般比量化值小，从而达到压缩比特速率的目的。重庆大学通信工程学院数字通信原理2.4增量调制重庆大学通信工程学院数字通信原理增量调制的基本原理1简单增量调制2增量调制的性能3增量调制的基本原理重庆大学通信工程学院数字通信原理增量调制简称ΔM或DM，它是继PCM后出现的又一种模拟信号数字传输的方法。ΔM只用一位编码表示相邻样值的相对大小，从而反映抽样时刻波形的变化趋势，而与样值本身的大小无关。与PCM编码方式相比,ΔM具有编译码设备简单，低比特率时的量化信噪比高，抗误码特性好等优点。预测通信DPCM是预测通信中最简单的一种。预测通信的基本原理：利用模拟信号在观察点t＝t0之前一个或若干个抽样点上的取值，对这个观察点上的取值进行估计和预测。虽然预测值与实际值之间必然会存在着一定的误差,但可以将误差量化、编码传输。收端将预测值加上误差便可恢复原信号，由于误差值一般比量化值小，从而达到压缩比特速率的目的。重庆大学通信工程学院数字通信原理重庆大学通信工程学院数字通信原理)(tf)(0tf)(0tf~)(tf0tsTt0sTt0sTt大多数情况下，模拟信号在相邻间隔上的抽样值都比较接近，而且其变化的规律与前几个抽样点上的取值都比较接近，并且多数具有单调变化的趋势。如下图所示：预测通信信号相关性愈大、已知的观察点前的抽样值愈多，预测愈准确。令是信号在观察点t0上的实际抽样值，为其预测值，则预测误差值为：接收端根据预测值和收到的预测误差值复制出抽样点上的实际信号重庆大学通信工程学院数字通信原理预测通信预测通信预测通信，是一种理论上和实际上都很有价值的通信方法。一般说来，预测误差Δf(t0)的取值范围，总是小于实际信号f(t0)的取值范围。如果量化阶距相等的话，传输预测误差信号就可以采用较小的编码位数N，从而达到压缩频率的目的。重庆大学通信工程学院数字通信原理重庆大学通信工程学院数字通信原理在一般PCM编码中加一个减法器和一个累加一延时器．就可实现DPCM。在接收端的译码系统中，只要增加一个“累加一延时器”。减法器量化器累加器累加器延时器PAM装置PCM编码低通滤波器信道译码延时器(T)+－累加—延时器累加—延时器f)(tf)(tf~)(tf抽样脉冲)(tfDPCM的特点DPCM的特点是直接利用前一个抽样点上信号的量化电平作为预测值，无须复杂的运算，是最简单的预测通信。当传输话音信号时，码速32kb/s的DPCM系统的通话质量，大致可达到64kb/sPCM的水平。在远距离时PCM话变成32kb/s的DPCM信号，可在传输信道中扩大一倍电话容量，而其接口仍满足64kb/s。这是编码体制上的一个重要发展。重庆大学通信工程学院数字通信原理DPCM的实际应用单纯的DPCM已用得不多，更多的是采用自适应差分脉冲编码调制（AD-PCM）。自适应是指能自动的改变量化间隔，使预测误差电平大时增大量化阶距，误差电平小时缩短量化阶距，从而进一步降低量化噪声。DPCM信号的编码位n最低为2，即2比特量化。如果把n降到1，成为1比特量化，就是增量调制（ΔM）。重庆大学通信工程学院数字通信原理差分脉冲编码调制和增量调制差分脉冲编码调制增量调制重庆大学通信工程学院数字通信原理2.4增量调制重庆大学通信工程学院数字通信原理增量调制的基本原理1简单增量调制2增量调制的性能3简单增量调制重庆大学通信工程学院数字通信原理编译码的基本思想简单增量调制系统框图增量调制的过载特性和动态编码范围编码的基本思想重庆大学通信工程学院数字通信原理语音信号，如果抽样速率很高，那么相邻样点之间的幅度变化不会很大，相邻抽样值的相对大小（差值）同样能反映模拟信号的变化规律。逼近过程逼近过程mt重庆大学通信工程学院数字通信原理时间连续编码的模拟信号用阶梯波形逼近mt时间间隔为T相邻幅度差＋σ或－σ只要T足够小，即抽样速率足够高，σ足够小，阶梯波m’(t)可以代替m(t)阶梯波m(t)的特点阶梯波逼近重庆大学通信工程学院数字通信原理σm(t)m’(t)m(t)t010101111110t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12阶梯波m(t)的特点重庆大学通信工程学院数字通信原理阶梯波m’(t)有两个特点在每个Δt间隔内，m’(t)的幅值不变。相邻间隔的幅值差不是+σ（上升一个量化阶）就是-σ（下降一个量化阶）可见利用这两个特点，用“1”码和“0”码分别代表m’(t)上升或下降一个量化阶σ，m’(t)就被一个二进制序列表征。斜变波的逼近重庆大学通信工程学院数字通信原理也可用斜变波m1(t)近似m(t)，斜变波也有两种变化按斜率σ/Δt上升一个量阶；按斜率-σ/Δt下降一个量阶。用“1”码表示正斜率，用“0”码表示负斜率，同样可以获得二进制序列。斜变波逼近重庆大学通信工程学院数字通信原理σm(t)m1(t)m(t)t010101111110t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12译码重庆大学通信工程学院数字通信原理与编码相对应，译码也有两种形式一种是收到“1”码上升一个量阶（跳变），收到“0”码下降一个量阶（跳变），这样把二进制代码经过译码后变为m’(t)这样的阶梯波。另一种是收到“1”码后产生一个正斜率电压，在Δt时间内上升一个量阶σ，收到“0”码后产生一个负斜率电压，在Δt时间内下降一个量阶σ，二进制代码经译码。变为m1(t)这样的斜变波。如考虑电路实现的简易程度，一般采用后一种方法。这种方法可用一个简单的RC积分电路，即可把二进制代码变为m1(t)波形译码重庆大学通信工程学院数字通信原理积分器pt1mtptt0Ts2Ts3Ts4Ts7Ts01011111mtt0Ts2Ts3Ts4Ts7Ts1mtt0Ts2Ts3Ts4Ts7Ts简单增量调制重庆大学通信工程学院数字通信原理编译码的基本思想简单增量调制系统框图增量调制的过载特性和动态编码范围简单增量调制系统框图重庆大学通信工程学院数字通信原理简单增量调制系统重庆大学通信工程学院数字通信原理发送端编码器是相减器、判决器、本地译码器及脉冲产生器（极性变换电路）组成的一个闭环反馈电路。接收端解码电路由译码器和低通滤波器组成简单增量调制系统重庆大学通信工程学院数字通信原理相减器的作用是取出差值e(t)，使e(t)=m(t)-m1(t)判决器也称比较器或数码形成器，它的作用是对差值e(t)极性进行识别和判决，以便在抽样时刻输出数码（增量码）c(t)简单增量调制系统重庆大学通信工程学院数字通信原理给定抽样时刻ti10iiietmtmt判决器输出1给定抽样时刻ti10iiietmtmt判决器输出0简单增量调制系统重庆大学通信工程学院数字通信原理积分器和脉冲产生器组成本地译码器，它的作用是根据c(t)，形成预测信号m1(t)c(t)为“1”，m(t)上升一个量阶σc(t)为“0”，m(t)下降一个量阶σ送到相减器与m(t)进行幅度比较简单增量调制系统重庆大学通信工程学院数字通信原理译码器与发送端的本地译码器相同由c(t)恢复m1(t)低通滤波器的作用是滤除m1(t)中的高次谐波，使得输出平滑波形简单增量调制重庆大学通信工程学院数字通信原理编译码的基本思想简单增量调制系统框图增量调制的过载特性和动态编码范围过载特性和动态编码范围重庆大学通信工程学院数字通信原理增量调制也会带来误差而形成量化噪声当模拟输入信号斜率陡变时，本地译码器输出信号m’(t)跟不上信号m(t)的变化，m’(t)与m(t)之间的误差明显增大，引起译码后的严重失真，这种现象称为过载现象，产生的失真称为过载失真阶梯波逼近重庆大学通信工程学院数字通信原理σm(t)m(t)m’(t)t010101111110t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12过载特性和动态编码范围重庆大学通信工程学院数字通信原理一般量化噪声过载量化噪声过载特性重庆大学通信工程学院数字通信原理用阶梯波m’(t)逼近t抽样间隔一个量阶σ上最大斜率sKft译码器的最大跟踪斜率过载特性重庆大学通信工程学院数字通信原理量化误差eq(t)在[-σ,+σ]区间内变化maxsdmtfdt译码器的输出m’(t)能跟上m(t)的变化过载特性sf重庆大学通信工程学院数字通信原理增量调制系统的抽样速率远大于PCM有利于减少量化误差和过载噪声,sf量化误差增大过载特性coskkdmtAtdt重庆大学通信工程学院数字通信原理模拟信号sinkmtAt斜率不过载条件ksAf临界过载振幅（允许信号幅度）maxskfA最大允许编码电平过载特性重庆大学通信工程学院数字通信原理可见当信号斜率一定时，允许信号的幅度随信号频率的增加而减小，这将导致语音高频段信号量化信噪比下降。最大允许编码电平maxskfA最小允许编码电平min2A编码的动态范围重庆大学通信工程学院数字通信原理编码器能够正常工作的输入信号振幅范围maxmin20lgcdBADA编码的动态范围定义为：最大允许编码电平与最小允许编码电平之比20lg/20lg22sscdBkkffDff800kfHz20lg800scdBfD说明重庆大学通信工程学院数字通信原理可见简单增量调制的编码动态范围较小，在低传码率时，不符合话音信号要求。实用中的ΔM常用它的改进型。2.4增量调制重庆大学通信工程学院数字通信原理增量调制的基本原理1简单增量调制2增量调制的性能3增量调制系统的性能重庆大学通信工程学院数字通信原理抗噪声性能与PCM系统的比较抗噪声性能重庆大学通信工程学院数字通信原理增量调制系统的两种噪声量化噪声加性噪声量化噪声信噪比重庆大学通信工程学院数字通信原理前提不考虑过载，只研究量化噪声,qet不过载条件下在(-σ,+σ)范围内均匀分布qetΔM量化噪声平均功率22223qeEetde量化噪声功率谱在(0,fs)均匀分布量化噪声信噪比重庆大学通信工程学院数字通信原理mf接收端低通滤波器截止频率输出量化噪声功率223qssEetPfff量化噪声单边功率谱密度23mqmsfNPfff量化噪声信噪比max2skfAf重庆大学通信工程学院数字通信原理信号功率的最大值临界振幅信号最大量化信噪比33022230.048ssqkmkmSffNffff正弦信号临界过载振幅222max02228skAfSf可知信号越大，信噪比越大量化噪声信噪比重庆大学通信工程学院数字通信原理分贝表示030lg20lg10lg14skmqdBSfffN增量调制最重要的公式，表明简单ΔM的信噪比与抽样速率fs成立方关系，即fs每提高一倍，量化信噪