数字终端技术

第二章数字终端技术教学重点1．理解模拟信号数字化的方法，脉冲编码调制（PCM）基本原理;2．理解取样定理，会计算取样频率和编码率;3．理解时分多路复用原理，30/32路PCM基群帧结构，建立数字信号帧的概念;4．了解差值脉码调制（DPCM），自适应差值脉码调制（ADPCM）、增量调制（ΔM）的基本原理;5．了解30/32路PCM数字通信系统的组成。掌握脉冲编码调制（PCM）基本原理。序号内容学时12.1概述122.2脉冲编码调制（PCM）232.3自适应差值脉码调制(ADPCM）242.4时分多路复用通信15习题和小结6本章讲授学时6学时分配教学难点第二章数字终端技术2.1概述2.2脉冲编码调制（PCM）2.3自适应差值脉码调制（ADPCM）2.4时分多路复用通信本章小结2.1概述一、引入相关概念二、脉码调制三、模拟信号数字化四、压缩编码1．数字通信：是以数字信号作为载体来传递信息的通信方式。2．数字通信的任务：是将各种信息变换成数字信号后在数字通信系统中传输。一、引入相关概念3．数字终端技术：是指由发或收的终端设备来完成的，将连续信号或离散信号变换成数字的基带信号的技术。1．脉码调制或PCM（PulseCodeModulation）：是脉冲编码调制的简称。是实现模拟信号数字化的最基本最常用的一种方法。2．脉码调制的任务：是把时间连续、取值连续的模拟信号转换成为时间离散、取值离散的数字信号，并按一定规律组合编码，形成PCM信号序列。二、脉码调制3．模拟信号数字化过程一般用抽样、量化和编码三个步骤来完成。4．脉冲编码调制通信系统的方框图如图2.1所示。图2.1脉码调制通信系统方框图5．解码器的任务与PCM调制器的任务相反，将接收到的数字信号还原成模拟信号，滤波器滤除离散脉冲中的谐波分量。三、模拟信号数字化模拟信号变换成数字信号的过程如图2.2所示。图中模拟信号极性为正时用“0”表示，极性为负时用“1”表示，采用8421码。图2.2将模拟信号转换成数字信号的过程由分析可知，许多信号（例如语言信号）在大多数情况下相邻两个样值幅度变化并不很大。利用这一特点，有一种信源编码的方法，可以对当前样值与上一个样值的差值进行编码，这种方法称为差值编码。四、压缩编码因为“差值”的幅度远小于当前样值，编码时可以用较少的码位来表示，这就达到了降低信息编码位数、减少信道传输压力的目的，这种编码方法又称为压缩编码。2.2脉冲编码调制（PCM）一、取样二、量化三、编码四、解码五、实用PCM编、解码集成块一、取样取样就是在信号的通路上加一个开关，按一定的速率进行开关动作，当开关闭合时，信号通过，开关断开时，信号被阻挡，这样就使通过开关后的信号变成了离散的不同幅度的脉冲信号，如图2.3所示。我们将此信号称为脉冲幅度调制（PAM）信号。本节主要学习脉冲编码调制的三个过程：取样、量化、编码。图2.3取样示意图从示意图可见，提取信号样值的时间间隔越短，就越能正确地重现信号，但是缩短时间间隔会导致数据量的增加；如果取样时间过长，可能造成频谱混叠，无法恢复原来的模拟信号。因此应根据奈奎斯特取样定理（简称取样定理）来确定取样时间。取样定理描述为：式中，fh为模拟信号的最高频率，fs为取样开关的频率，如果fs=2fh称为奈奎斯特速率。hsff2举例：在电话中传送数字化声音信号，声音信号的频带限制在300~3400Hz，fh=3400Hz。其取样频率fs3400×2，选定fs=8000Hz，。用此取样频率可在接收端无失真地恢复出话音信号。usfTss1251二、量化量化：用有限个数的幅度取样值来取代原模拟信号无限个数的幅度取样值。把这种取代称为量化。用有限个量化值表示无限个取样值，总是含有误差的。由于量化而导致量化值和样值的差称为量化误差，用e(t)表示，即e(t)=量化值-样值量化误差在重现信号时将会以噪声的形式表现出来，由此而产生的噪声称为量化噪声。量化分为均匀量化和非均匀量化，把每个量化值用数字码（或码组）表示，这个过程称为编码。实际设备中，量化和编码是一起完成的。1．均匀量化均匀量化的实质是不管信号的大小，量化级差都相同。其量化特性曲线如图2.4(a)所示。量化误差与输入电压的关系曲线如图2.4(b)所示。该量化特性曲线共分8个量化级，量化输出取其量化级的中间值。当输入信号幅度在-4δ～+4δ之间，量化误差的绝对值都不会超过，这段范围称为量化的未过载区。当输入电压幅度u(t)4δ或u(t)-4δ时，量化误差值线性增大，超过，这段范围称为量化的过载区。图2.4均匀量化特性曲线及误差特性曲线2．非均匀量化非均匀量化是对大小信号采用不同的量化级差，即在大信号时采大量化级差，小信号时采用小量化级差。图2.5示出了均匀量化和非均匀量化的区别，图2.5(a)中为均匀量化，均化级差固定，不随信号的大小变化。图2.5(b)为非均匀量化，小信号时量化级差小，大信号时量化级差大。图2.5均匀和非均匀量化(1)压缩与扩张实现非均匀量化的方法之一是采用压缩扩张技术，其特点是在发送端对输入模拟信号进行压缩处理后再均匀量化，在接收端进行相应的扩张处理。压缩特性和扩张特性可用框图2.6表示。图2.6压缩与扩张特性综上所述，非均匀量化的具体实现，关键在于压缩-扩张特性。目前应用较广的是A律和μ律压扩特性。A律用13折线来近似，μ律用15折线来近似，我国采用的是13折线A律的压扩特性。(2)13折线A律压缩特性以A为参量的压扩特性叫做A律特性，A律特性的表示式为：AyAXln1AX10AxAyln1ln111XA选A=87.6，作出的特性曲线如图2.7所示:图2.713折线A律压扩特性在图中，我们可分析出：①x轴0～1（归一化）范围内以1/2递减规律将线段分成8个不均匀区间，分段点分别为1/2、1/4，…，1/128。8条斜率不同的折线，各折线的斜率列于下表中。由于第①、②段的斜率相同（相当于同一段线）。由函数的对称性可知，当输入信号为负值时的折线与输入信号为正值时呈对称关系。这样，正负两边合起来共有13段折线，13折线因此得名。段号12345678斜率161684211/21/4②将x轴和y轴分成八大段仍不够，还要将每个大段再均匀分成16小段。它对应为均匀量化。在第一大段内均分成16小段，每一小段的宽度为1/128÷16=1/2048,这是最小的量化间隔，用△表示，即△=1/2048。为了使用方便，将x轴数值以△为单位标注，在x=1处标为2048△，在x=1/2处标为1024△，依次类推。我们把13折线A律压扩特性x轴座标放大重画如图2.8所示。图2.813折线A律幅度量化分段方案13折线A律的压扩特性曲线就是非均匀量化器的输入输出特性。在正负对称的全部动态范围内，共分成8段，每段又分成16个等级，正负对称，即共有8×16×2=256个量化级差。量化后的信噪比满足系统的要求。因为28=256，所以这256个量化级差只需8位二进制数码来表示就够了。三、编码编码是模拟信号数字化的第三步，由于非均匀量化将整个动态范围分成256个量化级差，因而用8位二进制来进行编码。一个8位码组由极性码、段落码和段内码组成，如图2.9列出了8位码组的排列方式和名称。图2.98位码组排列各码组的涵义如下：图中第一位码a1为极性码，取值为“1”或“0”，分别代表信号的正、负极性。第二位到第四位a2、a3、a4组成三位码组（23=8种状态，对应8个大折线段），称作段落码。它代表输入信号归一化绝对值所在段落的起始值，即信号的幅度属8个大段中的哪个折线范围内。第五位到第八位a5～aS称作段内码，它将每个大折线段又均匀地分为16个小段（24=16个小段），表示输入信号落在某大折线段的哪个均匀小段内。PCM编码最常用的是逐次反馈折叠二进制编码，在此介绍13折线A律8位码组的编码方法。具体的编码程序是：①先判断样值信号的正负极性，确定极性码a1；②根据样值大小，利用折叠对分的方法，确定样值位于哪个大段落范围从而确定段落码a2，a3，a4，由权值确定段落码的方法如图2.10所示。③根据样值的大小确定位于大段落内的哪个小段范围，定出段内码a5、a6、a7、a8，方法和确定段落码大致相同，它是由段落起始电平，然后逐次增加段落差，最后接近样值的方法来确定段内码。1.编码方法图2.10段落码的编码过程段内码a5～a8的权值由下式确定：Iw5=段落起始电平+段落差21Iw6=段落起始电平+段落差+段落差25a41Iw7=段落起始电平+段落差+段落差+段落差25a46a81Iw8=段落起始电平+段落差+段落差+段落差+段落差25a46a87a161根据编码方法构成的逐次反馈型编码器如图2.11所示。该编码器主要由极性判决，全波整流，幅度比较和本地解码器（7bit串/并记忆电路，7/11bit变换电路，11bit位权电流产生器）组成。输入样值信号一般是幅度受到调制的双极性窄脉冲序列。幅度比较电路即比较器，是编码器的核心电路。其任务是把取样脉冲量化值变成二进制码。当Is和位权电流Iw送入比较器输入端后，比较器在7个位定时脉冲D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8控制下，每比较一次输出一位码，这样每一个量化样值经过7次逐次反馈比较后，输出a2a3a4a5a6a7a87位码组。2.逐次反馈型编码器构成图2.11逐次反馈型编码器构成例题2.1：解：极性码a1：∵输入信号为正电平，∴a1=1段落码a2~a4:由图2.10知IW=128△∵Is=1270△128△∴a2=1∴Iw3=512△Is=1270△512△∴a3=1∴Iw4=1024△Is=1270△1024△∴a4=1∴a2~a4=111说明该样值属于第⑧大段，参看图2.8，其段落起始电平=段落差=1024△，δ8=64△。设输入信号取样值为+1270△，试采用逐次对分比较法编码器将其按13折线A律压扩特性编成8位二进制码，并计算量化误差。IW8=1024+1024△+1024△=1216△∵IS=1270△1216△∴a8=1∴取样值为+1270△的PCM码为11110011。21418181求段内码a5~a8,由式2.4：IW5=1024+1024△=1536△∵IS=1270△1536△∴a5=0IW6=1024+1024△=1280△∵IS=1270△1280△∴a6=0IW7=1024+1024△=1152△∵IS=1270△1152△∴a7=1161在接收端，解码电平=码字电平∴量化误差==22△12486421121621812701248四、解码解码是编码的逆变换，其任务是把接收到的PCM码还原成幅度受调制的脉冲信号，即重建PAM信号，然后通过低通滤波器恢复成原模拟信号。这种从数字信号到模拟信号的变换也称数字/模拟变换（D/A变换）解调器的种类很多，通常普遍采用的是梯形电阻网络解码方式，即非线性解码器。其方框如图2.12所示。图2.12非线性解码器方框图PCM信号首先经串/并变换电路将串行码变为并行码，其中极性码经极性控制译成正、负控制信号，剩余的a2a3……a87位电平码变换成11位线性码。但考虑到减小量化误差的要求，再附加一个第12位，使最小段落的量化误差不超过半个量化级。这样在解码中代码变换就变为由7bit变为12bit。7/12变换器输出到寄存读出器，其作用是缓冲解码的时间，把存入的信号在确定的时刻一齐读出到解码网络中，解码网络由标准电流源和梯形电阻网络组成。解码器的工作原理：五、实用PCM编、解码器集成块随着PCM通信方式发展的需要，以及大规模集成电路和发展，编解码器这个PCM通信方式的心脏部份已经集成化。用一块集成块便可以完成单路PCM数字通信，如用时分多址（TDMA）的方式，很容易构成PCM基群或更高次群的数字通信系统，实现PCM多路数字通信。图2.13单路编解码器构成的PCM系统方框图图2.13是由单路编解码器构成的PCM系统方框图。该系统由每个单路的语音信号各自进行抽样、量化和编