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第 六 章 模拟信号数字化传输

现代通信原理. 第 六 章 模拟信号数字化传输. 模拟信号数字化第 1 节 ----. 引 言. 模拟 信源. 抽样 量化 和编码. 数字 传输系统. 译码和 低通滤波. 收终端. 模拟随机信号 数字随机序列 数字随机序列 模拟随机信号. 模拟信号数字传输方框图. 模拟信号数字化第 2 节 ----. 抽样定理.

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第 六 章 模拟信号数字化传输

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Presentation Transcript

  1. 现代通信原理 第 六 章模拟信号数字化传输

  2. 模拟信号数字化第1节---- 引 言

  3. 模拟 信源 抽样 量化 和编码 数字 传输系统 译码和 低通滤波 收终端 模拟随机信号 数字随机序列 数字随机序列 模拟随机信号 模拟信号数字传输方框图

  4. 模拟信号数字化第2节---- 抽样定理

  5. 文字定理（P187）---设有频带限制在（0，fH）Hz内的时间连续信号m（t），若以每秒不小于2fH的速率对m（t）进行等间隔抽样， m（t）将被所得抽样值完全确定！ 1、低通型抽样定理 含义？证明？

  6. 低通型模拟信号m（t） 已抽样信号ms（t） Ts 收端重建的模拟信号m’（t） 抽样定理的含义 当fs（=1/Ts）满足抽样定理（即：fs≥2fH）时：

  7. ms（t） m（t） m（t） …… LPF × Ts（t） h（t） H（ω） 发 端 收 端 ？ 抽样定理的证明

  8. M(f) m(t) 0 -fH fH δT(t) δT(f) t 0 Ts 2Ts 3Ts 0 －fS fS mS(t) Ms(f) t -fH fH 0 Ts 2Ts 3Ts 发端抽样时、频域图形

  9. 设模拟信号m（t）频带限制在（ fL，fH）Hz内， fs=？（注：m（t）的带宽B=fH-fL ） • fH =nB时（n为任意正整数） fs= 2iB (i=1,2,3…且一般i=1) • fH≠ nB = nB + kB时（ k＜1） fs ≥ = 2B（ 1＋k/n） 2、带通型抽样定理

  10. 模拟信号数字化第3节---- 脉冲振幅调制

  11. 脉幅调制(PAM) 脉宽调制（PWM） 脉位调制（PPM） 脉冲调制的分类 ∵用m(t)去控制载波脉冲的参数： 幅度、宽度、时间位置 ∴脉冲调制分类：

  12. PAM（脉冲调制的主要方式） • 概念：脉冲载波振幅随m(t) 变! （注：抽样频率按抽样定理选） • 分类 • 曲顶抽样---ms(t)的顶部随m(t)变化(曲顶) • 平顶抽样---ms(t)的顶部不随m(t)变化(平顶)

  13. 形成电路 截频为fH ms（t） m（t） × 低通 …… m（t） 抽样周期： （由抽样定理） s（t） ∵S(t)（矩形脉冲串）表达式: 曲顶抽样（自然抽样） ∴S()为包络按Sa(x)变化的冲激串

  14. 平顶抽样（瞬时抽样） • 形成电路 H(ω) 脉冲形成 × m(t) τ t δT (t) ms (t) mH (t) s s s • 结论：∵MH(ω)= Ms(ω)·H(ω)(H(ω)是ω的函数 ) • ∴ 收端直接低通滤波无法获得M(ω)

  15. 解调原理 • 说明： • 实际平顶抽样常用“抽样保持电路” • 脉冲形式可任意!

  16. 模拟信号数字化第4节---- 模拟信号的量化

  17. s 量化过程 将ms(t)的幅值域分成M个量化级(层). 每层设一量化电平 ---mq(t)与mS(t)的近似程度用下参数衡量:

  18. 定义 • 对m(t)幅值域等间隔分层的量化 • 分类 • ①均匀中升型（无0电平）②均匀中平型（含0电平） • 量化间隔 • ---设mS(t)幅值域为（a,b） • 量化输出 当mi-1＜m≤mi 则量阶 • mi(=a+i△v )---第i量化级终点电平 • qi ---第i量化级的量化电平 1、均匀量化

  19. 2、非均匀量化 • 均匀量化的问题∵弱信号的相对误差＞强信号的相对误差（例？）∴ 若弱信号出现可能性较大,须用非均匀量化! • 定义---量阶不固定 • ︱x︱↓→量阶△v↓ • ︱x︱↑→量阶△v↑ • 分类 • 非均匀中升型（无0电平） • 非均匀中平型（含0电平）

  20. 实现原理 x y Z Z’ x’ y’ 压缩f（x） 均匀量化 编码 译码 扩张f（X’） 抽样 LPF ---样值压缩后再均匀量化 • 压缩(非线性电路)---输出: y=f(x) • 扩张(非线性电路)---输出: y’=f-1(x’)

  21. μ律压缩特性 输出电压 输入电压 注: y =---归一化压缩器输出电压 x =---归一化压缩器输入电压 最大输出电压 最大输入电压 • 压缩规律 μ压缩特性近似满足下对数规律

  22. 定性分析 • μ=0时:无压缩作用(直线) • μ＞0时:μ↑→压缩明显 • 压缩作用---y是均匀的，而x是非均匀的→信号越小△x也越小

  23. A律压缩特性 • 压缩规律 A---压缩率我国A=87.6

  24. 压缩特性的折线近似 用折线段逼近连续对数函数，便用数字电路实现 A律---13折线，μ律---15折线 如A律13折线的总压缩特性

  25. 脉冲编码调制 模拟信号数字化第5节----

  26. P0（t） m’S（t） m’（t） mS（t） m（t） 抽样 量化 编码 数字信道 译码 LPF mq（t） 噪声 抽样脉冲 PCM系统

  27. 概念 ∵均匀的量化级数(量化电平数)M=2N ∴线性编码---用N位二元代码的M种码型表每一量化样值的过程 举例 M=16，N=4 时（见P206表7-5，图7-19） 常用二进制码型 线性编码

  28. 码位安排(N=8) 非线性编码(A=87.6的13折线非线性编、译码器) C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 1 正 0 0 0 ① 0 0 0 0 0 负 0 0 1 ② 0 0 0 1 0 1 0 ③ 0 0 1 0 … … … 1 1 1 ⑧ 1 1 1 1 8 4 2 1 权值 • 逐次比较型编码器 • 电阻网络型译码器

  29. PAM信号入 Is IW 后7位码C2~C7 整流器 保持电路 比较器 极性码C1 恒流源 7/11变换电路 记忆电路 逐次比较型编码器

  30. 记忆电路 7/11变换电路 寄存读出 恒流源 极性控制 电阻网络型译码器

  31. (量化信噪比) (加性信噪比) PCM系统的平均信噪功率比 ---N：码组码元位数(编码长度),Pe：误码率

  32. 模拟信号数字化第6节---- 增量调制

  33. ∵ ΔM以一位二元码表相邻样值的相对大小 ∴ 若以ms（tk）和ms（tk-Ts）表两相邻样值，则： Δms（tk）= ms（tk） - ms（tk-Ts）＞ 0 发“1” Δms（tk）= ms（tk） - ms（tk-Ts）＜ 0 发“0” ∴若以阶梯波m’（t）（预测信号）去近似m（t），并在抽样时刻比较两者，误差用eq（ti）表，则： eq（tk） = m（tk）- m’（tk）＞0 输出“1” eq（tk） = m（tk）- m’（tk ）＜0 输出“0” 设 想

  34. 频率为fs的抽样脉冲 判决0电平 ∑ 抽样 判决器 P0(t) 数字信道 译码器 低通 积分器 eq(t) m(t) e(t) 本地译码器 m’(t) 积分器又称预测器 △M系统原理框图

  35. e（t） 2△ 一般量化噪声 • 由来: 若m’(t)与m(t)有良好近似关系,则量化 误差信号e(t)经LPF的响应为一般量化噪声 • 平均功率Nq= E[e2(t)] = (1/3)σ2 ∴σ↓→ Nq↓ →S/Nq↑

  36. TS • 由来：∵ 积分器斜率： • ∴ 当m（t）斜率＞K时，引起过载失真！ （固定不变） • 影响---m0(t)严重 失真! • 解决办法： • 合理选σ、△t(或fs)使: σ 过载噪声

  37. 由来:∣m(t)∣≤±造成 • 影响收端LPF输出失真: • m(t)直流 →峰-峰值为的交变分量 • m(t)微变分量→峰-峰值为的交变分量 • 解决办法 • m(t)中不含直流分量 • 满足正常编码条件： 空载噪声

  38. 结论: fk和fm给定下: • fs↑→ ↑ →系统此性能越好!(优点) • fs↑→ B↑ → 系统有效性越差!(缺点) 量化信噪比 fs ---抽样频率fk ---m(t)的频率之一fm---m(t)的上限频率

  39. 结论: fs、fk和f1给定下: 与Pe成反比!即: Pe ↓→ ↑ 加性信噪比 f1 ----m(t)下限频率fk ----m(t)频率之一Pe----数字信道误码率

  40. 性能比较 PCM与△M的 模拟信号数字化第7节---- • 抗噪声性能方面 • 特点方面 • 成本方面

  41. 抗噪声性能方面 • 量化信噪比 • 设：① 两者具相同数码率：fs=2Nfm ② fk=1KHz ，fm=3KHz • 则：N＜4 时：（S0/Nq）DM＞ （S0/Nq）PCM N＞4 时：（S0/Nq）DM＜ （S0/Nq）PCM 结论：∵PCM的N ≥ 4 ∴PCM这方面性能好！

  42. 加性信噪比 • 设：① m（t）频率域为(300,3400)Hz（即：f1=300Hz，fm =3400Hz） ② fs = 2Nfm =8×8KHz= 64KHz • 则： fk ＜ 2.4KHz时：（S0/Ne）DM＞ （S0/Ne）PCM fk ＞ 2.4KHz时：（S0/Ne）DM＜ （S0/Ne）PCM 结论：∵ 从统计角度,话音信号取fk ＜ 2.4KHz 的可能性较大∴ 话音DM系统此性能好！

  43. 特点方面 • 异同点(已介绍) • 抽样频率与传输速率 • PCM: Rb=Nfs=2Nfm • △M : Rb=fs • 最小带宽 • BPCM(≈Nfm) ＞ BDM(≈fs/2) 结论: △M系统有效性优于PCM

  44. 成本方面 • PCM码组长、设备复杂。 • DM用一位代码表信号的相对变化，系 统设备简单易实现,因而成本较低!

  45. 模拟信号数字化第9节---- TDM和多路数字电话

  46. 终端1 至终端1‘ 终端2 复用器 解 复用 至终端2‘ 信道 …… 终端n 至终端n‘ 复用意义

  47. 合群 抽样 … 300~3400 放大 放大 LPF LPF 群路编码 码型变换 1分路 二线 四线信道 300~3400 1分路 群路译码 再生 … 分群 PCM数字电话系统方框图（P225图7-36）

  48. PDH(准同步复接) ≤4的低次群合群用 参与合群的各路信号数码率可不同,但需人为填充一些码元使各路信号具相同数码率便合群 SDH(同步复接) ＞4次的群合群时采用 合群时要求各路信号数码率相同(即各路信号是同步关系) fL1 fL2 fL3 fL4 fm fm fm fm 码速调整 复 接 fn 定 时 合群采用的复接方式

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