15模拟信号的数字化传输(三)

模拟信号的数字化传输DM、话音编码、TDM通信原理第十五讲第五章模拟信号的数字化传输•模拟信号的数字传输简介–抽样、量化、编码•模拟信号的抽样•模拟信号的量化•脉冲编码调制PCM•DPCM与DM调制*•时分复用TDM原理*DPCM与ADPCM在PCM中，每个波形样值都独立编码，与其他样值无关，样值的整个幅值编码需要较多位数，造成数字化后的信号带宽大大增加。利用信源的相关性，一种比较简单的解决方法是对相邻样值的差值而不是样值本身进行编码。利用差值的PCM编码称为差分PCM（DPCM）DPCM与ADPCM＋量化器编码预测器解码预测器xneneqncn＋－xn～＋＋xncneqnxn～＋xn编码器解码器＋＋kiininxaxˆ~预测器：用前n-k个值，加权预测当前值nnnxxe~量化误差：qnnnnqeexxnˆ预测器：差分值：抽头延时线形式的预测器TTTxnxn-k＋＋XaKXa2Xa1xn-2xn-1DPCM的性能(S/N)q是把差值序列作为信号时量化器的量化信噪比，与PCM系统考虑量化误差时所计算的信噪比相当。Gp可理解为DPCM系统相对于PCM系统而言的信噪比增益，称为预测增益。如果能够选择合理的预测规律，差值功率E［e2n］就能远小于信号功率E［x2n］，Gp就会大于1，该系统就能获得增益。对DPCM系统的研究就是围绕着如何使Gp和(S/N)q这两个参数取最大值而逐步完善起来的。通常Gp约为6～11dBqPqnnnqnDPCMNSGnEeEeExEnExENS)(][][][][][][)(222222DPCM的性能qPqnnnqnDPCMNSGnEeEeExEnExENS)(][][][][][][)(222222预测阶次105Gp(dB)126与线性PCM相比6dB相当于节省1bit码元。应用实践表明利用DPCM编码的语音信号，56kbit/s（7位）可相当于64kbit/s的质量ADPCM•DPCM系统性能的改善是以最佳的预测和量化为前提的。但对语音信号进行预测和量化是复杂的技术问题，这是因为语音信号在较大的动态范围内变化。为了能在相当宽的变化范围内获得最佳的性能，只有在DPCM基础上引入自适应系统。有自适DPCM称为自适应差分脉冲编码调制，简称ADPCM•ADPCM的主要特点是用自适应量化取代固定量化，用自适应预测取代固定预测。自适应量化指量化台阶随信号的变化而变化，使量化误差减小；自适应预测指预测器系数｛ai｝可以随信号的统计特性而自适应调整，提高了预测信号的精度，从而得到高预测增益。通过这两点改进，可大大提高输出信噪比和编码动态范围。ADPCMDPCM的预测增益约为6~11dB，自适应预测可使信噪比改善4dB；自适应量化可使信噪比改善4~7dB，则ADPCM比PCM可改善16~21dB，相当于编码位数可以减小3位到4位。因此，在维持相同的语音质量下，ADPCM允许用32kbit/s比特率编码，这是标准64kbit/sPCM的一半。CCITT形成了关于ADPCM系统的规范建议G.721、G.726等。–G.721推荐标准---32kbps自适应差分脉冲编码调制ADPCM增量调制DM基本原理•增量调制简称ΔM或DM–对于模拟信号，特别是语音信号，如果抽样速率很高（远大于奈奎斯特速率），抽样间隔很小，那么相邻样点之间的幅度变化不会很大，相邻抽样值的差值，能反映模拟信号的变化规律。将差值编码传输，称为增量调制ΔM•ΔM是DPCM的一个特例，其目的在于简化语音编码方法增量调制DM基本原理m(t)0010101111110tt12t11t10t9t8t7t6t5t4t3t2t1m(t)m(t)′m1(t)Dt时间间隔Δt相邻幅度差为如果抽样速率fs=1/Δt足够高，且足够小，则阶梯波m′(t)可近似代替m(t)。其中，为量化台阶，Δt=Ts为抽样间隔DM译码•DM译码两种形式–阶梯波形恢复译码–积分方法译码：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，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。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m(t)这样的波形。p(t)1010111OTs2Ts3Ts4Ts7Tst积分器m1(t)m1(t)OTs2Ts3Ts4Ts7Tstp(t)DM编译码系统之一∑判决器(比较器)消息信号m(t)＋－e(t)积分器脉冲发生器发送端编码器p(t)抽样定时增量调制信号输出c(t)脉冲发生器c(t)积分器E－E低通滤波器消息信号m(t)接收端译码器m'(t)”码为“”码为“0010)()(iitttttmtmDM编译码系统之二（DPCM特例）抽样＋量化编码m(t)m(n)e(n)eq(n)c(n)＋时延Tsm(n－1)m(n)＋＋＋－(a)解码＋低通滤波时延Tsc(n)eq(n)m(n)＋＋(b)m(t)DM量化噪声•一般量化噪声–量化造成的噪声，大，一般量化噪声也大。m(t)m'(t)teq(t)DM量化噪声•过载量化噪声：–模拟信号由于斜率陡变时，因台阶固定，每秒台阶数固定，因此，阶梯波形跟不上信号变化时，使阶梯波发生很大畸变，称过载失真，或称过载噪声。–最大跟踪斜率：–过载失真的门限eq(t)m(t)m'(t)tsftKDsfdttdmmax)(DM动态范围与抽样速率分析•过载门限：–增加将导致一般噪声增加•假定输入信号为单频正弦信号（单频分析）•临界过载幅度（最大允许编码电平）•最小允许编码电平sfdttdmmax)(kkkkAtAdttdmtAtmmaxmaxcos)(sin)(ksffA2max2minADM动态范围与抽样速率分析•编码动态范围：•通常采用800Hz为测试标准，fk=800HzksdBcffAADlog20log20minmax抽样速率为fs(kHz)1020324080100编码的动态范围DC(dB)121822243032通常，话音信号动态范围要求为40~50dB，简单增量调制的编码动态范围较小，在低码率时，不符合话音信号要求。因此，实用中的ΔM常用它的改进型，如增量总和调制、DM量化噪声分析2345t11111100000t010TSTS2TS3TS4TS5TS6TS7TS8TS9TSm(t)m'(t))(tpo)(teqDM量化噪声分析•分析前提条件–量化器不过载–假定量化噪声eq(t)在(-，+)均匀分布–假定量化噪声功率谱密度在（0，fs）内均匀分布e-,21)(efqSSeefffNfP0)(2345t11111100000t010TSTS2TS3TS4TS5TS6TS7TS8TS9TSm(t)m'(t))(tpo)(teqDM量化噪声分析•量化噪声的平均功率为：•量化噪声的功率谱密度为：•经过带限滤波器后的噪声功率为：321)()]([2222deedeefeteENqqe2345t11111100000t010TSTS2TS3TS4TS5TS6TS7TS8TS9TSm(t)m'(t))(tpo)(teqsseeffNfP3/)(2)(3)(2SmmeqffffPNDM量化噪声分析•正弦输入时最大信噪声比分析–最大不过载的信号幅度为：–输入信号功率为：–在临界振幅条件下，系统最大的量化信噪比ksffA2max2222max2821ksffASmksmksffffffNS2322304.083DM量化噪声分析•正弦输入时最大信噪声比分析–fs每增加一倍，量化信噪声比增加9dB，对一般语音信号，fs至少要达到32kHz，信噪比才能达到26dB–fk每增加一倍，量化信噪比减少6dB，语音中高频段的信号量化噪声比较大14log10log20log30mksdBfffNSDM与PCM的比较•DM的信噪比•PCM的信噪比•相同传输速率条件下对比（fm为模拟信号带宽）–假定fk=1000kHz,fm=3000kHzdBfffNSmkSMq)04.0lg(1023DndBNSnPCMq62lg102)]()(32.0lg[10))2(04.0log(10)(2323dBffnffnfNSkmmkmMqOD42.1log30)()(DdbMqONSDM与PCM的比较n4,PCM性能比ΔM差;n4,PCM性能比ΔM好。PCMMD)(dbNSqON40302010213456DM与PCM的比较•信道误码的影响–ΔM系统，每一个误码代表造成一个量阶的误差，所以它对误码不太敏感。对误码率的要求较低，一般在10-3~10-4。–PCM系统，每一个误码会造成较大的误差，尤其高位码元，错一位可造成许多量阶的误差，故对误码率的要求较高，一般为10-5~10-6。•设备复杂度–PCM系统一般采用8位（对语音信号），编码设备复杂，PCM一般用于大容量的干线（多路）通信。–ΔM系统设备简单，单路应用时，不需要收发帧同步设备ΔM一般用在通信容量小和质量要求不十分高的场合如军事通信和一些特殊通信中。模拟信号的数字化传输小结•模拟信号的抽样及抽样定理•均匀量化器的分析•采用压扩法提高量化器动态范围•PCM编译码系统–13折线近似A律压扩特性–折叠码的选择•DM编译码系统•提高量化器性能的方案DPCM、ADPCM、CVSD•习题:7-17-47-5第五章模拟信号的数字化传输•模拟信号的数字传输简介–抽样、量化、编码•模拟信号的抽样•模拟信号的量化•脉冲编码调制PCM•DPCM与DM调制*•时分复用TDM原理*时分复用原理•频分复用：多路信号在频域复用（时域混叠）•时分复用：多路信号在时域复用（频域混叠）•时分复用的特点：–适合于数字化传输、非线性要求降低、抗干扰能力强m1(t)m2(t)mn(t)12n低通1低通2低通n信道发送端接收端KKMMMM12nm1(t)m2(t)mn(t)话音通信与TDM•电话中语音信号:300~3400Hz•抽样频率：8kHz，抽样间隔：125μs，每路话音编码速率为64kbit/s•（E1标准）分成32个时隙，30时隙用于传送话路。•一个帧同步同步码组（TS0），传送帧同步标志•一个信令码组（TS16）用来传送各话路标志信号：如拨号、摘机、挂机等。•每时隙8位码，共32时隙，总码速率为：2.048Mb/s123N123帧时隙话音通信与TDM8kHz抽样每样点8bit64kbit/sN*64kbit/s话音通信与TDM话音通信与TDMTS0TS1TS2TS3TS4TS5TS6TS7TS8TS9TS10TS11TS12TS13TS14TS15TS16TS17TS18TS19TS20TS21TS22TS23TS24TS25TS26TS27TS28TS29TS30TS31帧结构偶帧X0011011帧同步X111111A1奇帧保留给国内通信用TS1~TS15话路时隙信令时隙0000111A2复帧同步信号备用比特abcddcbadcbadcbaMF1F2CH1CH16CH17CH2F0F1F2F3F4F5F6F7F8F9F10F11F12F13F14F15复帧结构sbitm125,256,32时隙ms2,16帧dcbadcbaF15CH15CH30E1标准PCM的各次群制式群路等级基群二次群三次群四次群五次群北美、日本信息速率Mb/s路数1.5446.31232.064或44.73697.728397.2002496480或67214405760中国、欧洲信息速率Mb/s路数2.0488.44834.368139.264564.9923012048019207680PCM的各次群话音信号的数字传输到现代通信PCM与现代数字通信PCMADPCM高效语音编码信源编码TDM