內(nèi)蒙古大學(xué)通信原理課件第9章模擬信號的數(shù)字傳輸

1、第九章 模擬信號的數(shù)字傳輸 本章主要內(nèi)容 模擬信號數(shù)字化的理論基礎(chǔ)抽樣定理 PCM、M原理及性能 模擬電話信號的數(shù)字傳輸 時分復(fù)用 9.1 引言以數(shù)字信號形式傳送模擬信號要進行抽樣、量化和編碼過程。研究如何將語音信號數(shù)字化，即A/D化方法。 PCM 對抽樣進行8位編碼 M 對預(yù)測誤差進行1位編碼 ADPCM 對預(yù)測誤差進行4位編碼9.2 抽樣定理抽樣（Sampling）：是將時間上連續(xù)信號變換成時間上離散的信號的過程。關(guān)鍵問題：抽樣間隔 Ts=?, 解調(diào)后信號不失真?1.低通抽樣定理：一個頻帶限制在（0，fH）內(nèi)的時間連續(xù)信號m（t），如果以1/2 fH 秒的間隔對它進行等間隔抽樣，則m（t）

2、將被所得到的抽樣值完全確定。相乘以理想沖激抽樣過程說明：接收端經(jīng)過低通濾波器就可以完全恢復(fù)原始信號。在電話通信中，傳輸3003400Hz的話音信號，抽樣頻率應(yīng)大于6800Hz，通常以8000Hz的抽樣頻率對話音信號進行抽樣。低通時域重建信號內(nèi)插公式例：一個PAM傳輸系統(tǒng)。乘法器低通抽樣序列發(fā)送端接收端2. 帶通抽樣定理帶通信號：若信號的頻率范圍是 fL f fH ，帶寬為 B= fH -fL ，當(dāng) fLB 時，通常稱為帶通信號（一般為已調(diào)信號）。按 抽樣帶通抽樣定理：一個頻帶限制在（fL，fH）內(nèi)的時間連續(xù)信號m（t），其最低無失真抽樣頻率為其中 ，n為不超過 的最大正整數(shù)，所以 。幾點總結(jié)：

3、（1）當(dāng)fH是B的整數(shù)倍時，fs=2B。（2）當(dāng) fH 很大時，fs 趨于2B。（3）當(dāng)fH 不是B的整數(shù)倍時，fs 略高于 2B。此時頻譜剛好不重疊。例：一帶通型信號（60KHz108KHz），求最低抽樣頻率。解： 7.3 脈沖振幅調(diào)制（PAM）脈沖調(diào)制是用離散脈沖串做為載波的調(diào)制方式。脈沖幅度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制脈沖位置調(diào)制1. 自然抽樣實現(xiàn)PAM（ PAM Signal with Natural Sampling）2. 平頂抽樣實現(xiàn)PAM （PAM Signal with Flat-top Sampling）脈沖形成電路 可見，平頂抽樣后各分量有頻率失真孔徑失真。平頂抽樣接收端例：已知信號

4、，抽樣頻率1、求抽樣信號 的頻譜；2、要求無失真恢復(fù) ，求輸出端低通濾波器的截止頻率；3、求無失真恢復(fù) 情況下的最小抽樣頻率？解：低通濾波器截止頻率取無失真恢復(fù) 情況下的最小抽樣頻率按帶通抽樣定理取44KHz。9.4 模擬信號的量化量化（ Quantizing ）：是將幅度連續(xù)信號變換成幅度上離散信號的過程。量化器當(dāng)量化誤差：9.4.1 均勻量化把輸入信號的取值域按等距離分割的量化稱為均勻量化。量化間隔 （b、a輸入信號最大值、最小值，M量化電平數(shù)）量化電平量化信噪比一M個電平的均勻量化器，若其輸入在-a，a為均勻分布（1/2a），則量化信噪比為均勻量化的主要不足：（1）輸入信號較小時，量化信

5、噪比較小，因而動態(tài)范圍較小。（2）動態(tài)范圍內(nèi)，信噪比不平坦。均勻量化（線性PCM）不適用于長話通信。 9.4.2 非均勻量化根據(jù)輸入信號大小來確定量化間隔。一般原則：輸入信號大時，量化間隔大；輸入信號小時，量化間隔小。這樣可以改善小信號輸入時的信噪比，增加動態(tài)范圍。壓縮f(x)均勻量化編碼解碼擴張壓縮特性擴張?zhí)匦詫?shù)壓縮特性1. 律壓縮特性（美國）x歸一化輸入，y歸一化輸出，壓擴系數(shù)現(xiàn)在國際上采用=255分析壓縮后量化信噪比改善的程度量化級較多時，每一量化級中的壓縮特性曲線可近似為一段直線量化誤差量化信噪比改善的程度例如：=100，小信號X0時， x 1 0.316 0.1 0.0312 0.

6、01 0.003 輸入信號電平dB 0 -10 -20 -30 -40 -50 QdB -13.3 -3.5 5.8 14.4 20.6 24.4可見，采用對數(shù)壓擴之非均勻量化提高了小信號信噪比，大大增加了輸入信號的動態(tài)范圍。2. A律壓縮特性（歐洲、中國）3. A律壓縮特性的13折線近似考慮到數(shù)字電路實現(xiàn)上的方便，目前A律壓縮特性曲線采用13折線近似。4. 律壓縮特性的15折線近似9.5 脈沖編碼調(diào)制（ Pulse Code Modulation-PCM）編碼（ Encoding ）：將模擬信號的抽樣量化值變換成二進制代碼。抽樣值量化電平量化級序號二進制 編碼1.32.32.73.21.1-

7、1.2-1.60.1-1.21.252.252.753.251.25-1.25-1.750.25-1.25101213141054851010110011011110101001010100100001019.5.1 PCM原理(Pulse Code Modulation)抽樣量化編碼信道譯碼低通 干擾A/D變換如圖為PCM通信系統(tǒng)1. 二進制編碼碼型選擇自然二進制編碼折疊二進制編碼格雷二進制編碼量化級自然二進碼格雷碼折疊二進碼151413121110987654321011111110110111001011101010011000011101100101010000110010000100

8、0010001001101110101110111111011100010001010111011000100011000100001111111011011100101110101001100000000001001000110100010101100111折疊二進制編碼的主要優(yōu)點：a. 編碼過程簡單b. 小信號時，其信噪比較高。2. 編碼位數(shù)的選擇直接影響到信號解調(diào)質(zhì)量和設(shè)備復(fù)雜程度。根據(jù)實際測量，取78位碼即可滿足要求，國際標(biāo)準(zhǔn)n=8。3. 碼位的安排我國采用A律13折線的8位折疊碼。量化電平編號量化電平值PCM編碼分層電平值段 落終點值間隔數(shù) 段內(nèi)量化間隔段落1281132016 10

9、56 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 02048 1024 2048 16 64 10.5 1 0 0 0 0 0 0 01 0 16 16 101716.5 1 0 0 1 0 0 0 017 16 32 16 113333 1 0 1 0 0 0 0 034 32 64 16 2 24966 1 0 1 1 0 0 0 068 64 128 16 4 365132 1 1 0 0 0 0 0 0136 128 256 16 8 481264 1 1 0 1 0 0 0 0 272 256 512 16 16 597528 1 1 1 0 0 0 0 0544 5

10、12 1024 16 32 67一個量化單位（）=歸一化值的1/2048(7=64 )(6=32 )(5=16 )(4=8 )(3=4 )(2=2 )(1=1 )(0=1 )例：輸入樣值大小為+471（471個量化單位），試按A律13折線編PCM碼。解：極性碼 c1=1段落碼 c2 c3 c4=101段內(nèi)碼 c5 c6 c7 c8 =8位PCM碼 1 1 0 1 1 1 0 1量化誤差 e=|471 -472 |=1 量化電平 q=256 +1316 +8 =472 1101實際中采用逐次比較型PCM編碼器整流器保持電路比較器恒流源7/11變換7bit記憶電路PAM輸入極性碼 c1本地譯碼極性

11、判決產(chǎn)生11種權(quán)值電流1024 、 512 、 256 、 128 、 64 、 32 、 16 8 、4 、2 、 1 C2：決定前四段與后四段C3：決定0-1、2-3、4-5、6-7段C4：決定0、1、2、3、4、5、6、7段例：輸入樣值大小為+471 ，利用逐次比較法編PCM碼。解：極性碼 c1=1471 128 c2=1471 256 c4=1471 256 +816 =384 c5=1471 256 +1216 =448 c6=1471 256 +1316 =464 c8=19.5.2 單路PCM編解碼器隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，將PCM編解碼電路集成在一塊芯片上。如圖為單片PC

12、M編解碼器TP3067。短幀同步定時波形如圖為利用PCM單路編解碼器構(gòu)成的PCM通信系統(tǒng)。使用單路編解碼器上、下話路靈活，可以容易構(gòu)成PCM基群或更高次群傳輸系統(tǒng)。9.5.3 PCM系統(tǒng)的抗噪聲性能抽樣量化編碼信道譯碼低通干擾A/D變換總信噪比1. 量化噪聲若采用均勻量化，量化級為M，設(shè)輸入在-a，a為均勻分布（1/2a），經(jīng)低通濾波后,則量化信噪比為2. 僅考慮信道加性噪聲加性噪聲對輸出影響是引起誤碼。 在信道加性噪聲作用下，在一個碼組中的每一碼元產(chǎn)生誤碼概率相同，設(shè)為Pe(且Pe1)。這樣一個N位碼的碼組中產(chǎn)生i個誤碼的概率為若pe=10-4, 則一個8位碼組產(chǎn)生一個錯碼的概率為P1=8p

13、e=810-4, 產(chǎn)生2位錯碼的概率為P2=2.810-7. 在一個長為N的自然編碼組中，其權(quán)為20，212n-1，量化間隔為. 如第i位碼發(fā)生了誤碼，則其誤差為2i-1 。N i 3 2 1 某碼組發(fā)生一位錯誤概率為NPe。經(jīng)低通濾波后，輸出加性噪聲功率為PCM輸出總信噪比9.6 差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）系統(tǒng) DPCM屬于壓縮編碼方法之一。 現(xiàn)有的PCM編碼為A律或律對數(shù)壓擴，碼速率為64Kb/s時，才能符合長途電話傳輸語音的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。其占據(jù)的帶寬較模擬電話帶寬大得多。編碼方法傳輸速率（Kb/s）最小基帶帶寬（KHz）質(zhì)量PCM6432長途電話質(zhì)量ADPCM3216長途電話質(zhì)量SBC(子

14、帶)+ADPCM6432廣播質(zhì)量M3216通信質(zhì)量SBC(子帶)168通信質(zhì)量RELP+LTP(規(guī)則脈沖激勵)168通信質(zhì)量LD-CELP（端延遲碼激勵）168接近長途質(zhì)量MPLPC（多脈沖）84通信質(zhì)量CELPC（碼本激勵）4.82.4通信質(zhì)量LPC（線性預(yù)測）2.41.2合成質(zhì)量 由于相減后信號的范圍變小，因而可以用較少位數(shù)的二進制碼編碼，從而降低碼速率。抽樣量化編碼信道譯碼積分低通積分譯碼 DPCM原理框圖 目前廣泛采用自適應(yīng)DPCM，即ADPCM，其量化器和預(yù)測器的參數(shù)性能能根據(jù)輸入信號的統(tǒng)計特性自適應(yīng)于最佳或接近于最佳狀態(tài)。 CCITT在G.721建議中提出了和已有PCM數(shù)字電話網(wǎng)兼

15、容的32Kb/s的ADPCM的語音編碼方法。DPCM系統(tǒng)噪聲分析設(shè)輸入信號在臨界振幅條件下，系統(tǒng)的最大(不考慮信道加性噪聲的影響)N編碼位數(shù)，fs抽樣頻率，fm接收端低通濾波器截止頻率，fk信號頻率抽樣間隔量化臺階9.7 增量調(diào)制（M）一種將模擬信號抽樣值編成一位二進制代碼的方法。9.7.1 增量調(diào)制原理基本思想：用一位二進制代碼表示相鄰抽樣值的相對大小，即信號的變化趨勢。M譯碼器M編碼器 t=ti 抽樣時刻判為“1”判為“0”例：直流電平信號的M序列。 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 例：正弦信號。 01111000000010111111100000001111 （2）不過載量化噪

16、聲減小兩種量化噪聲措施：（1）減小，增大過載噪聲，降低不過載噪聲；（2）增大，減小過載噪聲，增加不過載噪聲；（3）增加 fs，可以同時減小過載噪聲和不過載噪聲，但會使碼速率增加。一般，M系統(tǒng)抽樣頻率較PCM系統(tǒng)高得多。PCM：M：M系統(tǒng)的量化噪聲（1）過載量化噪聲9.7.2 M系統(tǒng)的噪聲性能考慮只有量化噪聲，并且不發(fā)生過載條件下輸出端信噪比。設(shè)eq(t)在-，+ 內(nèi)均勻分布，其一維概率密度為平均功率eq(t)的頻譜可近似地認為分布在0，fs內(nèi)經(jīng)低通輸出的量化噪聲功率以正弦信號為例不過載條件臨界幅度臨界條件下信號功率信噪比fs抽樣頻率，fk信號頻率fm低通截止頻率可見提高抽樣頻率可以大大提高信噪

17、比。9.8 PCM和M系統(tǒng)性能比較1. 量化信噪比無誤碼時，正弦信號最大量化信噪比分別為PCMM在相同信道帶寬條件下，即相同碼元速率fb下進行比較。M：PCM：M一般取 fk=1KHz, fm=2KHz, 則碼速率增加當(dāng)N4，（SNR）PCM4，（SNR）PCM（SNR）M2. 加性噪聲的信噪比與fb無關(guān)與fb=fs有關(guān)當(dāng)fb8.5kBaud, (So/No) M (So/No) PCM3. 設(shè)備復(fù)雜程度一般講路數(shù)少時M系統(tǒng)設(shè)備比PCM簡單，但路數(shù)多時PCM不一定比M復(fù)雜。要求話音質(zhì)量高，且信道帶寬允許下，用PCM系統(tǒng)，如長途通信；對話音質(zhì)量要求不是很高，近距離和無線通信中可以考慮M。9.9

18、自適應(yīng)增量調(diào)制系統(tǒng)改進方法：采用自適應(yīng)方法使量階的大小隨輸入信號的統(tǒng)計特性變化而跟蹤變化。如32KHz抽樣頻率下，最低信噪比為15dB，信號動態(tài)范圍僅有11dB，遠遠低于通信（3550dB）的要求。固定臺階的簡單M系統(tǒng)主要不足：小信號時信噪比過低，信號動態(tài)范圍小。瞬時壓擴： 隨輸入信號瞬時大小改變；連續(xù)可變斜率增量調(diào)制（CVSD）: 隨音節(jié)間隔中信號的平均斜率變化，即用一個音節(jié)時間內(nèi)的信號平均斜率來控制的變化。音節(jié)話音信號包絡(luò)變化的一個平均周期，一般為10ms。1.數(shù)字檢測音節(jié)壓擴增量調(diào)制原理相減器判決器本地譯碼器脈幅調(diào)制器定時脈沖平滑電路數(shù)字檢測器脈幅調(diào)制器平滑電路數(shù)字檢測器本地譯碼器低通一

19、致脈沖數(shù)字檢測檢測連“1”和“0”碼的長度，并輸出一定寬度一致脈沖,作為控制電壓信號 。平滑電路將一定寬度脈沖平滑，取出平均值。（RC接近10ms的充放電電路）脈幅調(diào)制在平滑電路輸出的控制電壓下產(chǎn)生幅度不同的雙極性脈沖，即輸出脈沖幅度隨 信號斜率變化。數(shù)字檢測音節(jié)壓擴增量調(diào)制的基本工作過程： m(t) 平均斜率增加連“1”或連“0”碼多數(shù)字檢測器輸出一致脈沖寬度增加平滑電路音節(jié)內(nèi)輸出電壓增大脈幅調(diào)制器輸出幅度增加本地譯碼器（積分器）產(chǎn)生的隨之增加。數(shù)字壓擴信噪比9.10 時分復(fù)用（TDM）1. 時分復(fù)用概念(Time-division multiplexing)數(shù)字通信中采用時分復(fù)用方式傳輸多

20、路信號。時分復(fù)用是建立在抽樣定理的基礎(chǔ)上。在時間上各路信號樣值相互錯開沿同一信道傳送。抽樣周期在時分復(fù)用系統(tǒng)中，要求收、發(fā)兩端旋轉(zhuǎn)開關(guān)完全同步，即在時間具有嚴(yán)格的同步關(guān)系，包括起點相同、順序相同、速度相同。TP3067幀同步時序PCM編碼器1PCM編碼器1PCM編碼器1PCM編碼器1模擬信號模擬信號模擬信號模擬信號合路ZM1ZM2ZM3ZM49. 時分復(fù)用中“幀（Frame）”的概念1 1 01 0 0 1 0一幀中包含：話路時隙：傳送話路信號。幀同步（定位）時隙：傳送幀同步碼，用于確定各話路的位置。信令時隙：傳送各話路信令。信令：通信網(wǎng)中與接續(xù)的建立、拆除和控制及網(wǎng)絡(luò)管理有關(guān)的信息，如占用、

21、撥號、應(yīng)答、拆線等狀態(tài)。3. PCM A律基群幀結(jié)構(gòu)在多路復(fù)用系統(tǒng)中，把多路復(fù)用中最小容量的話路集合稱為基群。兩種制式PCM 30/32制式：采用A律13折線壓擴編碼的30個話路組成。PCM 24制式：采用律15折線壓擴編碼的24個話路組成。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 A律基群幀律基群幀A律基群碼速率=8KHz32 8 =2048Kb/sA律TDM-PCM30/32制式基群幀結(jié)構(gòu)PCM24制式采用話音時隙內(nèi)信令，每復(fù)幀中的第6幀和第12幀指定作為信令幀。在每個信令幀中，各路時隙的第8位即PCM碼的最低位，用來傳送該路信令。即每6幀中有5幀的樣值按8比特編碼，而有1幀按7比特編碼。律TDM-PCM24制式12幀中的奇數(shù)幀的第1位碼元構(gòu)成“101010”幀同步碼組偶數(shù)幀的第1位碼元構(gòu)成復(fù)幀同步碼“00111”第12幀的第1位碼用作對端告警用數(shù)碼率 （8241）80001544 kbit/s。GSM系統(tǒng)頻道配置SDH STM-N幀結(jié)構(gòu)4. 高次群系統(tǒng)隨著微波通信、衛(wèi)星通信、光纖通信等大容量通信領(lǐng)域的開拓，數(shù)字通信正向高