2017通信原理第10章信源编码

西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜本章内容:抽样—低通信号和带通信号量化—标量（均匀/非均匀）和矢量脉冲编码调制—PCM、DPCM、ADPCM增量调制—∆M时分复用—TDM、准同步数字体系（PDH）西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜引言§10.1西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜引言压缩编码；模/数转换信源编码的作用：波形编码和参量编码A/D转换（数字化编码）的技术：A/D→数字方式传输→D/A模拟信号数字化传输的三个环节：PCM、DPCM、∆M波形编码的常用方法：6、7、8章①②波形编码——根据语声信号波形的特点，将其转换为数字信号。常见的有PCM、DPCM、ADPCM、DM等。波形编码：根据语音信号波形特点，将其转换为数字信号参量编码：提取语音信号的一些特征参量，对其进行编码波形编码的三个步骤：抽样、量化、编码西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜模拟信息源抽样、量化和编码数字通信系统译码和低通滤波m(t){sk}{sk}m(t)模拟随机信号数字随机序列数字随机序列模拟随机信号模拟信号的数字传输抽样：将时间上连续的模拟信号变成时间上离散的抽样信号量化：把幅度上仍连续的抽样信号变成幅度离散的信号时间离散、幅度连续时间离散、幅度离散编码：用二进制码组表示量化后的样值西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜模拟信号de抽样§10.2抽样定理---模拟信号数字化和时分多路复用的理论基础西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜抽样:把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值的过程。抽样定理要回答：能否由此样值序列重建原信号抽样定理的分类:根据信号是低通型的还是带通型低通抽样定理和带通抽样定理；根据用来抽样脉冲序列是否等间隔的均匀抽样定理和非均匀抽样定理；根据抽样的脉冲序列是否为冲击序列理想抽样定理和实际抽样定理。西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜§10.2.1低通模拟信号的抽样定理定理：西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜证明：设单位冲激序列：其周期T=抽样间隔Ts(())TntTnt1((1))TnfnTTf()()()))((ssTsnmttmnnmtTtT()()()sTMfffM1()()nssfMffnT抽样过程可看作是m(t)与δT(t)的相乘。因此，理想抽样信号为：其频谱为：1/Tsn=0西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜理想抽样过程的波形和频谱：西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜因此，抽样速率必须满足：fsfH这就从频域角度证明了低通抽样定理。此时，不能无失真重建原信号。混叠失真：西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜重建原信号：低通滤波器HL(f)西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜()mt无穷多个冲击响应之和构成m(t)西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜抽样与恢复原理框图：西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜§10.2.2带通模拟信号的抽样定理定理：西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜ffHfL-fL-fH0BffHfL-fL-fHB-2B-3B-B2B3B|M(f)||Ms(f)|3fs2fH=6B(a)fH=nBfH=3Bfs=2B3fsfHfL-fL-fHB-2B-3B-B2B3Bf0Bf|M(f)|2fH=2(3+k)BfHfL-fL-fH(b)fH=nB+kBfH=3B+kB2(3+k)B=3fs推广：n=任意整数2(n+k)B=nfs西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜fs与fL关系n=1n=2n=3n=4n=5n=6西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜模拟脉冲调制§10.3西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜PAM、PDM、PPM西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜()(())smtmtst()()()sMffSfM实际抽样𝟙——自然抽样的PAM()()()sTmttmt1()()ssnsMfMfnfT对比：---理想抽样---自然抽样m(t)()smt西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜()(())smtmtst自然抽样过程的波形和频谱：西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜自然抽样与恢复原理框图：理想抽样：自然抽样：理想冲激序列实际脉冲序列s(t)恢复：均可用理想低通滤波器取出原信号。西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜实际抽样𝟚——平顶抽样的PAM特点：每个样值脉冲的顶部是平坦的。m(t)产生：抽样保持1()()ssnsMfMfnfT西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜n=0H1()()()snsMfMfnfTHf恢复：修正+低通滤波HL1ˆ()=()1(()())sHfMfMfTfMHf011()+()()()nsssHfHfMfMfnTTf西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜模拟信号de量化§10.4西安电子科技大学通信工程学院量化——幅度上离散化量化后的信号——多电平数字信号西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜抽样值分层电平§10.4.1量化原理量化电平量化间隔1-iiivmm量化值——用有限个量化电平表示无限个抽样值。qi=q1~qMmi抽样值量化信号值西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜抽样值量化值量化噪声-qkqemmbavM[a,b]设抽样信号的取值范围量化电平数M则量化间隔量化电平（中点）分层电平（端点）§10.4.2均匀量化——等间隔划分输入信号的取值域西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜的均方值---量化噪声功率为：信号量噪比S/Nq输入样值信号的概率密度——量化器的性能指标之一mk=m(kTs)mq=mq(kTs)-qkqemm量化噪声信号mk的平均功率：信号量噪比——信号功率与量化噪声功率之比：西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜12122(1)1331121()d21()d22121224iiMmimiMaiVaiViMixqxaVxaiVxaVMVaaVqq22q()()()daaEmmxNmfxx量化噪声功率222()1212aaxdxaVSMdB20lg6NqSMNq2SNM解：平均信号量噪比2NMMav/2含义？12iiimmq西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜均匀量化的缺点应用：主要用于概率密度为均匀分布的信号，如遥测遥控信号、图像信号数字化接口中。——原因：Nq与信号样值大小无关，仅与量化间隔V有关。解决方案：非均匀量化西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜§10.4.3非均匀量化——量化间隔不相等的量化方法压大补小y=f(x)对数特性提高小信号的量噪比西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜-压缩输出-扩张输入在接收端，需要采用一个与压缩特性相反的扩张器来恢复信号。入出压缩特性扩张特性压缩-扩张特性：西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜均匀量化……压缩特性西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜非均匀量化的数学分析一量化区间内压缩特性曲线可近似看作一段直线。ydxdyxyydydxxNy1dydxNydydxx1代入上式得y在0～1间均匀划分成N个量化区间，每量化区间的间隔西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜为了对不同的信号强度保持信号量噪比恒定，当输入电压x减小时，应使量化间隔x按比例减小，即要求xx即kxdydxckyxln1dxdxxyxdyNdy线性微分方程，其解为或k－比例常数。?西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜由边界条件(x=1时，y=1)得：k+c=0即要求y＝f(x)具有如下形式：xkyln11但输入x＝0时，输出y＝-。按照不同情况，还要作适当修正，使当x＝0时，y＝0ckyxln为了对不同信号强度保持信号量噪比恒定，理论上要求压缩特性具有对数特性。西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜ITU的两种建议：西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜非均匀量化x－归一化输入电压y－归一化输出电压1.A压缩律y11西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜2.A律13折线西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜对称输入13折线压缩特性西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜A律和律不易用电子线路准确实现，实用中分别采用13折线和15折线。3.压缩律及其15折线=0时无压缩效果非均匀量化西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜15折线K1=32大信号的量化性能比A律稍差。小信号的量噪比是A律的2倍。西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜脉冲编码调制§10.5西安电子科技大学通信工程学院PulseCodeModulation,PCM——模拟信号数字化方式之一西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜§10.5.1PCM的基本原理(a)发送端模拟信号输入PCM信号输出抽样保持量化编码PCM系统原理框图(b)接收端模拟信号输出PCM信号输入译码低通滤波西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜模拟信号数字化过程---“抽样、量化和编码”西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜样值脉冲极性正极性部分自然二进制码11111110110111001011101010011000折叠二进制码1111111011011100101110101001100015141312111098负极性部分011101100101010000110010000100000000000100100011010001010110011176543210量化级序号具有镜像特性特点：①简化编码过程优点：②误码对小电压的影响小表10│4自然二进码和折叠二进码§10.5.2常用二进制码——编码考虑的问题之一西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜极性码：表示样值的极性。正编“1”，负编“0”段落码：表示样值的幅度所处的段落段内码：16种可能状态对应代表各段内的16个量化级1C极性码234CCC段落码5678CCCC段内码在A律13折线PCM编码中，共计：82816=256=2个量化级——需将每个样值脉冲（Is）编成8位二进制码：码位的选择与安排——之二，关乎通信质量和设备复杂度西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜量化级序号量化级序号15141312111098111111101101110010111010100110007654321001110110010101000011001000010000段内码C5C6C7C8段内码C5C6C7C8段落序号i=1~8111段落码C2C3C4～87654321110101100011010001000表10-5段落码表10-6段内码西安电子科技大学通信工程学院课件制作：曹丽娜---归一化输入电压的最小量化单位——之三，确定样值所在的段落和量化级起始电平和量化间隔(幅值)1=20481、2段最短，每小段的动态范围为(1/128)(1/16)=1/2048。为最小量化间隔1个量化单位:第8段最长，每段长1/32(=(1/2)/16）若用均匀量化仍希望对小电压保持有同样的动态范围1/2048，需用11位的码组。非均匀量化，只需要7位。典型电话信号的抽样频率