第八講 模擬信號的數(shù)字化(第6節(jié)與1-3章復習)

1PCMDPCMADPCMM復習2思考題：

為什么要引入DPCM？增量調(diào)制與DPCM的關系如何？3

增量調(diào)制系統(tǒng)中的量化噪聲

一般量化噪聲原因：階梯本身的電壓突跳產(chǎn)生失真。特點：伴隨著信號永遠存在，即只要有信號，就有這種噪聲。(a)

一般量化噪聲e(t)tm(t)m’(t)3.5增量調(diào)制(M)43.5增量調(diào)制(M)

過載量化噪聲原因：信號變化過快，輸入信號斜率的絕對值過大

衡量：最大跟蹤斜率

解決：選擇合適的和fs(b)

過載量化噪聲e(t)m(t)m’(t)53.5增量調(diào)制(M)增量調(diào)制的信號量噪比信號功率：設輸入信號為正弦信號其斜率最大值為Ak，要求不發(fā)生過載，則保證不過載的臨界振幅Amax應該等于63.5增量調(diào)制(M)結(jié)論：最大信號量噪比和抽樣頻率fs的三次方成正比，而和信號頻率fk的平方成反比，即抽樣頻率每提高一倍，量化信噪比提高9dB，信號每提高一倍頻率，量化信噪比下降6dB。

最大信號量噪比7M與PCM的比較：

相同點：均用二進制數(shù)字信號表示模擬信號傳輸不同點：

PCM以一組二進制代表一位抽樣值大??；

M用一位二進制碼代表相鄰兩樣值間的

相對大小。3.5增量調(diào)制(M)83.5增量調(diào)制(M)脈沖發(fā)生器抽樣判決器++-積分器抽樣定時連碼檢測音節(jié)平滑回路自適應增量調(diào)制:

CVSD（數(shù)字壓擴增量調(diào)制）原理碼流中出現(xiàn)3(或4)個連“1”或連“0”時輸出一個脈沖。產(chǎn)生幅度正比于語音音節(jié)內(nèi)平均斜率的電壓9第3章模擬信源數(shù)字化與編碼3.1模擬信號的抽樣3.2量化3.3脈沖編碼調(diào)制(PCM)3.4差分脈碼調(diào)制3.5增量調(diào)制3.6時分復用主要內(nèi)容103.6時分復用時間頻率功率FDM頻分復用時間功率頻率TDM時分復用時間功率頻率CDM碼分復用將多個用戶的信息用某種方式連接在一起，用同一信道傳輸，這就是多路復用。113.6時分復用時分復用原理量化編碼解碼信道≈≈≈……≈≈≈……m1(t)m2(t)mn(t)m’1(t)m’2(t)m’n(t)tm1(t)m2(t)mn(t)······s(t)m1(t)m2(t)mn(t)······123.6時分復用復接和分接

復接：將低次群合并成高次群的過程。 由若干鏈路來的多路時分復用信號，再次復用，構成高次群。各鏈路信號來自不同地點，其時鐘（頻率和相位）之間存在誤差。所以在低次群合成高次群時，需要將各路輸入信號的時鐘調(diào)整統(tǒng)一。分接：將高次群分解為低次群的過程。133.6時分復用

標準： 關于復用和復接，ITU對于TDM多路電話通信系統(tǒng)，制定了準同步數(shù)字體系(PDH)和同步數(shù)字體系(SDH)兩套標準建議。143.6時分復用準同步數(shù)字體系(PDH)ITU提出的兩個建議：

E體系（A率）－我國大陸、歐洲及國際間連接采用；

T體系（u率）－北美、日本和其它少數(shù)國家和地區(qū)采用。153.6時分復用層次比特率（Mb/s）路數(shù)（每路64kb/s）E體系E-12.04830E-28.448120E-334.368480E-4139.2641920E–5565.1487680相鄰層次群之間路數(shù)成4倍關系，但是比特率之間不是嚴格的4倍關系。

163.6時分復用E體系的速率：基本層(E-1)：30路PCM數(shù)字電話信號，每路PCM信號的比特率為64kb/s。由于需要加入群同步碼元和信令碼元等額外開銷(overhead)，所以實際占用32路PCM信號的比特率。故其輸出總比特率為2.048Mb/s，此輸出稱為一次群信號。E-2層：4個一次群信號進行二次復用，得到二次群信號，也需要額外開銷，其比特率為8.448Mb/s。17TS16信令偶幀TS0*1A11111幀同步碼奇幀TS0*0011011話路(CH1~CH15)話路(CH16~CH30)125s16幀1復幀＝16幀32個時隙F0F1F2F3F4F5F6F7F8F9F10F11F12F13F14F158bit

CH30(1bit=488.3ns)8bit(1bit=488.3ns)保留TS10TS12TS14TS16TS18TS9TS11TS13TS15TS17TS4TS6TS2TS0TS8TS5TS7TS3TS1TS20TS22TS28TS26TS24TS30TS19TS21TS23TS29TS27TS25TS313.6時分復用E體系的一次群結(jié)構183.6時分復用同步數(shù)字體系(SDH)SDH基本概念SDH是針對更高速率的傳輸系統(tǒng)制定出的全球統(tǒng)一的標準。整個網(wǎng)絡中各設備的時鐘來自同一個極精確的時間標準（例如銫原子鐘），沒有準同步系統(tǒng)中各設備定時存在誤差的問題。193.6時分復用

SDH的速率等級目前SDH制定了4級標準，其容量（路數(shù)）每級翻為4倍，而且速率也是4倍的關系，在各級間沒有額外開銷。等級比特率(Mb/s)STM-1

155.52STM-4

622.08STM-162488.32STM-649953.2820第1-3章要點和例題第1章緒論第2章模擬調(diào)制技術第3章模擬信號的數(shù)字化主要內(nèi)容21第1章緒論通信和通信系統(tǒng)的基本概念、模型和分類通信的目的是傳遞消息中包含的信息。傳輸信息所需的一切技術設備和傳輸媒介的總和稱為通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)的一般模型噪聲信道信源信宿傳輸媒介發(fā)送設備接收設備22第1章緒論數(shù)字通信系統(tǒng)的組成接收設備信源發(fā)送設備信宿噪聲信源編碼信道編碼調(diào)制信源譯碼信道譯碼解調(diào)傳輸媒介信道23第1章緒論什么是數(shù)字信號？什么是模擬信號？數(shù)字通信的主要優(yōu)點：抗干擾能力強，噪聲不積累；傳輸差錯可控：糾錯編碼；易于加密處理，且保密性好；便于利用現(xiàn)代信號處理技術進行處理、變換和存儲；易于集成，有利于實現(xiàn)通信設備的小型化。數(shù)字通信的缺點:

一般比模擬通信占據(jù)的系統(tǒng)頻帶寬；需要嚴格的同步，實現(xiàn)較復雜。24第1章緒論掌握信息的定義與度量方法I為消息x所攜帶的信息量P(x)為該消息發(fā)生的概率平均信息量為：25第1章緒論評價通信系統(tǒng)性能的指標數(shù)字通信系統(tǒng)的性能指標傳輸速率和頻帶利用率——有效性

碼元傳輸速率和信息傳輸速率誤碼率和誤信率（誤比特率）——可靠性例：某數(shù)字通信系統(tǒng)在4s內(nèi)傳輸4800個碼元，采用4進制傳輸，則信息速率為2400bps。26第1章緒論信道特性及其傳輸?shù)挠绊?、信道中的噪聲、信道容量的香農(nóng)公式。香農(nóng)公式：

信道容量：是指信道中信息能夠無差錯傳輸?shù)淖畲笏俾省?7第1章緒論例1設某一數(shù)字信號的符號傳輸速率為800B(波特)，若采用二進制傳輸時，信息速率為

；若采用四進制傳輸時，信息速率為

；若采用八進制傳輸時，信息速率為

。800bps1600bps2400bps例2

一個離散信號源每毫秒發(fā)出4種符號中的一個，各相互獨立符號出現(xiàn)的概率分別為1/4,1/8,1/8和1/2。則該信號源的平均信息量為

，平均信息速率為

。1.75bit/symbol1.75kb/s28第1-3章要點和例題第1章緒論第2章模擬調(diào)制技術第3章模擬信號的數(shù)字化主要內(nèi)容29第2章模擬調(diào)制技術調(diào)制的基本概念：定義、分類和模型調(diào)制是把信號轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男问降倪^程。連續(xù)波模擬調(diào)制可以分為幅度調(diào)制和角度調(diào)制。調(diào)制器調(diào)制信號載波已調(diào)信號30第2章模擬調(diào)制技術

各種模擬線性調(diào)制技術調(diào)幅（AM）模擬線性調(diào)制包括AM、DSB-SC、SSB和VSB。對于線性的理解：頻譜的搬移是線性的。調(diào)幅指數(shù)：Am/A0；|m(t)|>A0時，則發(fā)生“過調(diào)幅”。帶寬功率調(diào)制效率：31第2章模擬調(diào)制技術

DSB-SC：調(diào)制效率：100％；優(yōu)點：節(jié)省了載波功率；缺點：不能用包絡檢波，需用相干解調(diào)，較復雜。單邊帶調(diào)制（SSB）濾波法相移法32第2章模擬調(diào)制技術

殘留邊帶調(diào)制（VSB）殘留邊帶濾波器的特性H()在c處必須具有互補對稱（奇對稱）特性,相干解調(diào)時才能無失真地從殘留邊帶信號中恢復所需的調(diào)制信號。相干解調(diào)33第2章模擬調(diào)制技術模擬角度調(diào)制技術

FM--瞬時頻率偏移隨調(diào)制信號成比例變化；

PM--瞬時相位偏移隨調(diào)制信號m(t)而線性變化。如果預先不知道調(diào)制信號m(t)的具體形式，則無法判斷已調(diào)信號是調(diào)相信號還是調(diào)頻信號。調(diào)頻信號的帶寬：卡森公式

34第2章模擬調(diào)制技術多路復用：為充分利用信道帶寬，提高傳輸容量，把多路信號在同一信道中傳輸。常用的復用方式有：頻分復用、時分復用和碼分復用。不同調(diào)制方式的性能比較：AM調(diào)制的優(yōu)點是接收設備簡單；缺點是功率利用率低，抗干擾能力差；

FM波的幅度恒定不變，有抗快衰落能力。寬帶FM

的抗干擾能力強，可以實現(xiàn)帶寬與信噪比的互換。35第2章模擬調(diào)制技術例1：模擬非線性調(diào)制方法包括

和

兩種。若某個調(diào)頻系統(tǒng)中，基帶信號的最高頻率為3kHz，最大調(diào)制頻偏為5kHz，則其信號帶寬近似為__________。

16kHz例2：已知某模擬基帶信號的頻率范圍為0~3.4kHz，若采用AM調(diào)制方式傳輸，則已調(diào)信號頻帶寬度為

；若采用DSB調(diào)制方式傳輸，則已調(diào)信號頻帶寬度為

；若采用SSB調(diào)制方式傳輸，則已調(diào)信號頻帶寬度為

。6.8kHzFMPM6.8kHz3.4kHz36第1-3章要點和例題第1章緒論第2章模擬調(diào)制技術第3章模擬信號的數(shù)字化主要內(nèi)容37抽樣信號的頻譜Xs(f)是無數(shù)間隔頻率為fs的原信號頻譜X(f)相疊加而成。第3章模擬信號的數(shù)字化低通信號的抽樣定理信號的重建實際應用中，抽樣頻率fs必須比2fH

大一些。38第3章模擬信號的數(shù)字化例1：若一低通信號m(t)的頻率范圍是0~108kHz，則可以無失真恢復信號的最小抽樣頻率為

_______________。

216kbps例2：語音信號在抽樣前預濾波的目的是

。濾除帶外干擾，防止頻譜混疊39第3章模擬信號的數(shù)字化帶通信號的抽樣定理抽樣是對原始信號頻譜進行周期性延拓的結(jié)果，只要保證邊帶之間不重疊即可。如果要求各邊帶之間等間隔，則40第3章模擬信號的數(shù)字化例3：如果對頻率限制在65MHz~90MHz的模擬信號進行抽樣，根據(jù)帶通抽樣定理，能根據(jù)抽樣序列無失真恢復信號所需的最低抽樣頻率的取值范圍是_______________。

60-65MHz41第3章模擬信號的數(shù)字化模擬信號的量化方法：均勻量化和非均勻量化量化是按預先規(guī)定的有限個電平表示模擬抽樣值的過程。正常量化區(qū)內(nèi)，均勻量化的最大量化誤差與樣值信號的大小無關。量化器的平均輸出信號量噪比隨量化電平數(shù)

M的增大而提高。423.2量化【例3.2】設一個均勻量化器的量化電平數(shù)為M，其輸入信號抽樣值在區(qū)間[-a,a]內(nèi)具有均勻的概率密度。試求該量化器的平均信號量噪比?！窘狻?33.2量化 由于此信號具有均勻的概率密度，故

結(jié)論：量化器的平均輸出信號量噪比隨量化電平數(shù)M的增大而提高。44第3章模擬信號的數(shù)字化例4：均勻量化器的量化信噪比與編碼位數(shù)的關系是

，非均勻的量化器可以提高

（大/?。┬盘柕牧炕旁氡?。編碼位數(shù)增加1位，信噪比增加6dB小45第3章模擬信號的數(shù)字化非均勻量化的目的：提高小信號的輸出信號量噪比。非均勻量化的原理：量化間隔隨信號抽樣值的不同而變化。信號抽樣值小時，量化間隔v也??；信號抽樣值大時，量化間隔v也變大。目前國際上廣泛使用的是A律和律壓縮特性。我國大陸：A=87.6。46第3章模擬信號的數(shù)字化脈沖編碼調(diào)制（PCM）的原理與性能，二進制碼字碼型、A律13折線編碼。從模擬信號抽樣、量化，直到變換成為二進制符號的基本過程，稱為脈沖編碼調(diào)制。

PCM中常用的碼型：自然二進碼；折疊二進碼；循環(huán)二進碼（格雷碼）：一個重要特點是相鄰碼字之間只有一位碼元不同。47第3章模擬信號的數(shù)字化8位A律13折線PCM編碼過程確定極性碼；確定段落碼c2

c3

c4

，（128，512，1024）；確定段內(nèi)碼：段內(nèi)碼是按量化間隔均勻編碼的，每一段落均被均勻地劃分為16個量化間隔。確定量化值落在具體哪個段落，取其段落中間值。PCM譯碼過程：解碼過程中為了減少誤差，在量化判決電平的基礎上加上1/2量化間隔，所對應的編碼輸出是12位，1/2個量化間隔的權值在4位段內(nèi)碼之后。48段落碼編碼規(guī)則段落序號段落碼c2c3c4段落范圍（量化單位）81111024~20487110512~10246101256~5125100128~256401164~128301032~64200116~3210000~1649第3章模擬信號的數(shù)字化例6：電信網(wǎng)中話音采樣頻率為

，經(jīng)PCM編碼后單路語音速率為

，采用的編碼碼型為

。例7：語音對數(shù)壓縮的兩個國際標準分別是A律和

μ律，我國大陸采用

，A=

。

8kHz64kbpsFBC或折疊二進碼A律87.6

50第3章模擬信號的數(shù)字化例8：采用A律13折線編碼，設最小量化級為，已知抽樣脈沖值為+535，試求

(1)采用逐次比較型編碼器所得編碼輸出；

(2)接收端解碼輸出和量化誤差。提示：A律13折線各個段落的起始電平和量化間隔

分段序號12345678段落碼000001010011100101110111起始電平016△32△64△128△256△512△1024△段內(nèi)量化間隔△△2△4△8△16△32△64△51第3章模擬信號的數(shù)字化解：(1)計算A律13折線輸出：

說明該樣值落在第7段，段內(nèi)量化間隔為32△。則A律13折線的編碼輸出為11100000。52第3章模擬信號的數(shù)字化(2)接收端解碼輸出：接收端解碼輸出電平為+528△

量化誤差=(+535△)-(+528△)=7△

53第3章模擬信號的數(shù)字化自適應差分脈沖編碼調(diào)制原理

8k抽樣速率，那么，1路PCM信號需要用

64kbps的傳輸速率；

ADPCM可在32kbps上達到64kbps的PCM數(shù)字電話質(zhì)量。

ADPCM的主要改進是量化器和預測器均采用自適應方法。所謂量化自適應的基本思想是讓量化階(n)

的變化隨輸入信號的均方根值s(n)相匹配，即(n)=Ks(n)。54第3章模擬信號的數(shù)字化例8：差分脈碼調(diào)制是利用樣值之間的

特性進行壓縮編碼。相關例9：ADPCM可在

傳輸速率上達到

64kbps的PCM數(shù)字電話質(zhì)量。32kbps55第3章模擬信號的數(shù)字化

增量調(diào)制的原理與性能增量調(diào)制(M)可以看成是一種最簡單的DPCM。增量調(diào)制系統(tǒng)中的量化噪聲

一般量化噪聲：階梯本身的電壓突跳產(chǎn)生。過載量化噪聲：信號變化過快引起失真。