電子科大通信原理第6章 模擬信號數(shù)字化與PCM復習

2024/3/271/33通信原理第6章模擬信號數(shù)字化與PCM2/332024/3/27本章要求：1.了解兩類PAM（自然抽樣與瞬時抽樣)信號的時域波形的特點，及其頻譜的特點。2.掌握對模擬信號實現(xiàn)PCM編碼的三個主要步驟，了解PCM系統(tǒng)收端是怎樣實現(xiàn)PCM譯碼和原始模擬信號的重建？3.了解均勻量化（對應線性編碼）為什么不能滿足語音信號的長途電話質(zhì)量要求，非均勻量化（對應非線性編碼）是怎樣滿足語音信號的長途電話質(zhì)量要求的？4.掌握標準PCM系統(tǒng)的抽樣、量化、編碼的參數(shù)的標準值。5.會計算PCM信號的數(shù)碼率，會估算PCM信號的帶寬；6.會計算PCM系統(tǒng)輸出端的信噪比。7.掌握TDM的基本原理3/332024/3/27知識點：

抽樣：

量化：均勻量化量化電平數(shù)：PCM信號的傳輸記——歸一化有效值

均勻量化信噪比：或4/332024/3/27非均勻量化信噪比：輸入信號功率足夠大時

編碼：

---

一個PCM碼字的位數(shù)

比特率:5/332024/3/275/86PCM系統(tǒng)的噪聲效果

均勻量化系統(tǒng)量化噪聲在接收PCM信號中的比特差錯其中:量化電平數(shù)誤比特率(無ISI與加性噪聲)6/332024/3/27模擬信號的數(shù)字化是通信與信息處理的基礎技術(shù)。電話通信系統(tǒng)主要采用PCM（脈沖編碼調(diào)制）技術(shù)實施語音信號的數(shù)字化。數(shù)字化過程由抽樣、量化與編碼三個基本環(huán)節(jié)組成：7/332024/3/276.1

模擬信號的抽樣8/332024/3/278/862024/3/27

通常稱為奈奎斯特頻率（Nyquistfrequency）。給定最高非零頻率為的帶限信號，如果取抽樣間隔（或抽樣率），則唯一地由其樣值序列決定。即，6.1.1帶限信號的抽樣定理

9/332024/3/276.1.2實際抽樣

實際抽樣中采用某種物理可實現(xiàn)的窄脈沖，常用的為矩形脈沖。(a)模擬信號(b)矩形脈沖串(c)自然抽樣(d)平頂抽樣圖6.1.3自然抽樣與平頂抽樣占空比：10/332024/3/27帶通信號只在頻率間隔內(nèi)有非零頻譜，且

則，若采樣頻率為該帶通波形可由采樣值復制。6.1.4*帶通信號的抽樣帶通抽樣定理:其中：11/332024/3/276.2

均勻量化與最佳量化12/332024/3/276.2.1量化原理

量化（Quantization）是一個近似過程，以適度的誤差為代價，使無限精度（或較高精度）的數(shù)值可以用較少的數(shù)位來表示。量化:一個無限數(shù)的模擬抽樣值集合被一個有限數(shù)的量化電平集合近似。輸出電平13/332024/3/27量化特性曲線：-0.51.50.53.52.5-1.5-2.5-3.5-2-1-3321

量化范圍Or設計峰峰值2V過載區(qū)過載區(qū)0.5-0.5n----碼字的位數(shù)14/332024/3/27量化器（Quantizer）要點：

（1）量化范圍[-V,V]（2）區(qū)間個數(shù)M——量化電平數(shù)；常常，——編碼位數(shù)（3）區(qū)間的分界——分層或閾值電平；（4）區(qū)間對應的輸出——輸出電平（量化電平）；15/332024/3/27M

電平均勻量化器（量化范圍為）：（1）區(qū)間長度相等， （2）輸出電平位于區(qū)間中心6.2.2均勻量化器

非過載噪聲:

在正常量化范圍內(nèi)的量化噪聲量化精度（滿值）：16/332024/3/276.3

量化信噪比與對數(shù)量化17/332024/3/276.3.1量化信噪比

---均勻量化時量化誤差的實際影響取決于它與信號的相對大小——量化信噪比

信號的幅度盡量大，但必須在量化范圍內(nèi)。記——歸一化有效值

均勻量化信噪比：或18/332024/3/27量化器信噪比特點如下：(1)6-dB準則：PCM碼字每增加1比特，SNR就會增加6-dB.對于均勻量化：小信號小SNR，大信號大SNR

信噪比還受信號類型與幅度影響：不一樣。峰值信噪比：時（理論上的最大值）：平均信噪比：均勻分布信號的19/332024/3/27PCM信號速率（模擬信號A/D變換后的數(shù)碼率）：比特率:其中:n—PCM編碼位數(shù)，fH

—模擬信號的最高非零頻率20/332024/3/276.3.2對數(shù)量化-----非均勻量化語音信號平均功率有40~50dB的變動范圍（動態(tài)范圍）21/332024/3/27量化信噪比：兩種方案在寬達40--50dB的動態(tài)范圍中性能優(yōu)良。信噪比改善量：小信號：提升24dB大信號：降低12dB輸入信號功率足夠大時22/332024/3/271/2(2-1，1)71/4(2-2，2-1)61/8(2-3，2-2)51/16(2-4，2-3)41/32(2-5，2-4)31/64(2-6，2-5)21/128(2-7，2-6)11/128(0，2-7)0

段內(nèi)電平數(shù)

輸入段長段號量化間隔3216Δ2Δ4Δ8Δ16Δ32Δ64ΔA律近似——13折線法：第0、1段合并做一條折線。第0段的量化間隔最小，表6.3.113折線（A律）主要參數(shù)23/332024/3/27*PCM對數(shù)編碼（非線性編碼）：符號位:段落碼:看處于8段中的哪一段，編段落碼段內(nèi)編碼:每段又均分為16層，看處于哪一層，編段內(nèi)碼非線性編碼樣值x13折線均勻量化器編碼器|x|0123456789

101112131415

24/332024/3/276.4

脈沖編碼調(diào)制25/332024/3/27語音信號的PCM數(shù)據(jù)率：（1）電話信號帶寬：Hz，抽樣率為8kHz；（2）量化：律或律非線性量化，在語音信號動態(tài)范圍40~50dB內(nèi)有良好的量化信噪比；（3）編碼（Encoding）：將每個量化輸出電平表示為8比特二進制碼字。6.4.1PCM

的基本原理脈沖編碼調(diào)制（PCM，Pulsecodemodulation）——把模擬信號表示成串行二進制碼流26/332024/3/27電話系統(tǒng)中的PCM傳輸框圖：

模擬信號出模擬信號信號入防混疊低通濾波器帶限模擬信號

抽樣8KHz8bit對數(shù)量化編碼器PCMPCM發(fā)射機(ADC)電話線再生中繼器電話線電話線信道(傳輸路徑)PCM信號譯碼器

量化

PAM

低通濾波器

(重建)PCM接收機(DAC)再生中繼器再生中繼器接收機前端電路

量化

PAM

抽樣

PAM27/332024/3/276.4.3*PCM傳輸系統(tǒng)的信噪比PCM通信系統(tǒng)中，還原的話音信號與原始信號相比，誤差主要由量化與傳輸誤碼引起。即，PCM的峰值信噪比與平均信噪比（均勻量化時）：若(無ISI，無加性噪聲):28/332024/3/27

目的:充分地利用信道資源

復用:在同一信道中獨立地傳輸幾路信號

復用方法:FDM(頻分復用)TDMCDM(碼分復用)6.6

時分復用Time-DivisionMultiplexing(TDM)29/332024/3/276.6.1TDM的基本原理

對于單路信號，數(shù)碼率不變，是獨立傳輸。對于總?cè)郝沸盘?，?shù)碼率是單路的n倍，因而可充分地利用信道的傳輸頻帶。時分復用（TDM）——多個信源的數(shù)據(jù)分別占用不同的時隙位置，共用一條信道進行串行數(shù)字傳輸。TsTs同步碼同步碼s1s2…sks1s2…sk（c）幀與同步碼30/332024/3/27合路器1合路器24bit量化與編碼填充2kHz4kHz2kHz28kbps32kbps同步碼：11100100fs=4kHzfs=4kHz例6.8信號帶寬分別為2kHz，4kHz與2kHz，合路器1按4kHz輪流