通信原理 第9章 模擬信號的數(shù)字傳輸.ppt

1、1.通信原理，第9章，模擬信號的數(shù)字傳輸，2。數(shù)字化，3個步驟：采樣、量化和編碼，9.1簡介，3，9.2.1低通模擬信號的采樣定理：如果設(shè)置了連續(xù)模擬信號m(t)中的最高頻率fH，當(dāng)它以間隔時間為T 1/2fH的周期脈沖進行采樣時，模擬信號的采樣4，5。恢復(fù)原始信號的方法：原始信號可以通過截止頻率為fH的理想低通濾波器從采樣信號中分離出來。例如，典型電話信號的最高頻率通常限制在3400赫茲，而采樣頻率通常為8000赫茲。t，6，帶通模擬信號的頻帶被限制在F1和fH之間。信號帶寬B=fH fL可以證明該帶通模擬信號所需的最小采樣頻率fs等于公式中的信號帶寬B；n商的整數(shù)部分(fH/B)，n=1，

2、2，k商(fH/B)的小數(shù)部分，0 k 1，9.2.2帶通模擬信號的采樣定理，7，最小采樣頻率fs與最低信號頻率fL的關(guān)系，當(dāng)最低信號頻率fL較大時，fs略大于2B。8、作為載波的周期脈沖序列有四個參數(shù)：脈沖重復(fù)周期、脈沖幅度、脈沖寬度和脈沖相位(位置)。脈沖重復(fù)周期(采樣周期)通常由采樣定理決定，因此只能調(diào)制其他三個參數(shù)。三種類型的脈沖調(diào)制：脈沖幅度調(diào)制、脈沖寬度調(diào)制和脈沖位置調(diào)制仍然是模擬調(diào)制，因為表示信息的參數(shù)仍然可以連續(xù)變化。9.3模擬脈沖調(diào)制，9，模擬脈沖調(diào)制波形，(a)模擬基帶信號，(b) PAM信號，(c) PDM信號，(d) PPM信號，10，PAM調(diào)制，11，自然采樣和平面采

3、樣自然采樣：調(diào)制信號ms(t)的脈沖頂部與原始模擬信號波形相同。平頂采樣：在實際應(yīng)用中，“采樣保持電路”經(jīng)常被用來產(chǎn)生PAM信號。12，9.4.1量化原理采樣：時間連續(xù)時間離散量化：采樣連續(xù)采樣離散量化：使用M個量化級別表示連續(xù)采樣值的量化級別：采樣值的范圍分為M個區(qū)間，每個區(qū)間由一個級別表示。有m個離散級別。M=2N，n個二進制符號用于表示該采樣值的大小。量化誤差：連續(xù)采樣值和量化值之間的誤差，9.4采樣信號的量化，13，量化過程圖，14，Q1，Q7是量化信號的七個可能的量化級別，m1，m2，m1，m7是第I個量化間隔的端點。均勻量化：量化間隔均勻；不均勻量化：量化間隔不均勻。它克服了均勻量

4、化的缺點，是語音信號實際應(yīng)用的一種量化方法。15、假設(shè)模擬采樣信號的取值范圍在A和B之間，量化級數(shù)為m，量化間隔為量化間隔的終點。如果量化輸出電平qi作為量化間隔的中點，則量化噪聲：mq(kT) m(kT)由信號功率與量化噪聲之比來測量。i=0，1，M，9.4.2均勻量化，16，量化噪聲功率的平均值Nq公式，f(mk)是采樣值mk的概率密度；信號的平均功率mk:均勻量化的平均信噪比So/Nq，17，例9.1，假設(shè)一個均勻量化器的量化級數(shù)為m，其輸入信號樣本在區(qū)間-a，a，a內(nèi)具有均勻的概率密度。信號功率的平均信噪比或量化器的平均輸出信噪比隨著量化級數(shù)m的增加而增加，18。不均勻量化的目的：在實

5、際應(yīng)用中，對于給定的量化器，量化級數(shù)m和量化間隔v被確定，并且量化噪聲Nq也被確定。當(dāng)信號很小時，信噪比也很小。因此，這種均勻量化器對于小輸入信號是不利的。為了提高小信號的信噪比，在實際應(yīng)用中經(jīng)常使用非均勻量化。9.4.3不均勻量化，19，當(dāng)信號采樣值小時，量化間隔v也?。划?dāng)信號采樣值較大時，量化間隔v增加。20，當(dāng)有許多量化間隔時，每個量化間隔的曲線I直線斜率：通過歸一化獲得的非均勻量化的數(shù)學(xué)分析，21。為了在不同的信號強度下保持恒定的信噪比，需要x x或一個線性微分方程，其解是：要求壓縮特性具有對數(shù)特性，這在實際中應(yīng)該適當(dāng)?shù)匦拚?，以便?dāng)x0，y0。22，電話信號的壓縮特性，國際電信聯(lián)盟(I

6、TU)提出了兩個建議：實際的非均勻量化壓縮標(biāo)準(zhǔn)，23，其中x壓縮器歸一化輸入電壓；y壓縮機標(biāo)準(zhǔn)化輸出電壓；一個常數(shù)，它決定了壓縮程度。法律實際上是可以實現(xiàn)的。如果常數(shù)a不同，壓縮曲線的形狀也會不同。實際上，選擇a等于87.6。壓縮的-定律，24，13折線壓縮特性的-定律的近似值，25，13折線的=87.6的-定律壓縮特性的近似值。當(dāng)=87.6時，26，13折線法非常接近定律壓縮法。13虛線特征和定律特征之間的誤差，以及27，將縱坐標(biāo)y從0到1分成8個相等的部分。橫坐標(biāo)的x值可以根據(jù)以下公式計算：壓縮規(guī)律和15折線壓縮特性，28，壓縮規(guī)律和15折線壓縮特性，29。如果使用13折線法中的最小量化間

7、隔作為量化單位，則13折線法中有2048個量化單位。在小信號量化間隔相等的情況下，均勻量化需要11位編碼，而非均勻量化只需要7位。非均勻量化與均勻量化的比較，30、9.5.1脈碼調(diào)制(PCM)的基本原理，采樣、量化和編碼脈碼調(diào)制(PCM)，9.5脈碼調(diào)制，PAM信號，PCM信號，31，PCM系統(tǒng)的原理框圖，(b)解碼器，(a)編碼器，32，連續(xù)比較法的編碼原理，雙極電壓可以用單極性編碼方法處理，大大簡化了編碼電路和編碼過程。誤碼對小電壓影響很小。例如10，000，000。自然碼的誤差為8；折疊代碼錯誤為1。1111 0111，自然碼錯誤為8；折疊代碼錯誤為15。折疊碼對小信號有好處。由于語音信

8、號中小電壓的概率很高，折疊碼有利于降低語音信號的平均量化噪聲。在語音通信中，通常使用8位脈沖編碼調(diào)制來確保令人滿意的通信質(zhì)量。35，8位折疊碼極性碼c1、段碼(c2 c3 c4)和段內(nèi)碼(c5 c8)極性碼：采樣值為正，編碼為1；樣本值為負，編碼為0，A-律13折線編碼，36，段落編碼編碼規(guī)則A-律13折線正半軸的8段(非均勻):每段平均分為16個量化區(qū)間，則最小量化區(qū)間為：(1/128) (1/16)=1/2048。以此為量化單位，正半軸總共有2048個量化單位，37個段落代碼編碼規(guī)則，38個段落內(nèi)代碼編碼規(guī)則：每個段落平均分成16個量化間隔。39，不同段落的量化間隔是不同的。其中，第1和第

9、2段最短，第8段最長。如果采用均勻量化，并且對于小電壓仍需要1/2048的相同動態(tài)范圍，則需要11位代碼塊。對于非均勻量化，只需要7位。典型電話信號的采樣頻率為8000赫茲。因此，當(dāng)使用這種非均勻量化編碼器時，典型的數(shù)字電話傳輸比特率是64 KB/s，13線編碼，40，9.5.3電話信號編解碼器，41，示例讓輸入電話信號采樣值的歸一化動態(tài)范圍在-1和1之間，并將該動態(tài)范圍分成4096個量化單元，即1/2048作為一個量化單元。當(dāng)輸入采樣值為1270個量化單位時，采用逐次比較法，根據(jù)13折線的A律特征進行編碼。解決方案如果編譯后的8位代碼組由c1 c2 c3 c4 c5 c6 c7 c8表示，則

10、：1)確定極性代碼c1:采樣值1270為正極性，C1=1；2)確認(rèn)段落代碼c2c3c4: 1270位于第8段，c2c3c4=111Iw128，因此c21 Iw512，因此c31 Iw1024，因此c41，42，3)確定段內(nèi)代碼c5 c6 c7 c8:對于第八段，其量化間隔是(2048-1024)/16=64 (qu段內(nèi)代碼的計算方法是：(1270-1024)/64=3，c5 c6 c7 c8是0011 IS=1270: IW=1536，所以c5=0 Iw=1280，c60 Iw=1152，c7=1 Iw=1216，所以C8=C1 C2 C3 C4 C5 C7 C8 11110011，量化值應(yīng)該

11、在第8段第三個區(qū)間的中間，(1280-1216量化誤差等于1270 1248=22(量化單位)。除了極性碼之外，如果由該折疊二進制碼表示的量化值(1248)由自然二進制碼表示，則需要11位二進制數(shù)(1001110000)。44，練習(xí)9-9 13折線-定律特征編碼，當(dāng)采樣脈沖值已知為635個量化單位時，找到編碼器輸出碼塊并計算量化誤差。解決方案如果編譯的8位代碼組由c1 c2 c3 c4 c5 c6 c7 c8表示，則：1)極性代碼c1:采樣值635是正極性的，C1=1；2)段碼c2c3c4: 1270位于第七段，c2c3c4=1103)段內(nèi)代碼c5 c6 c7 c8:對于段落7，其量化間隔為(

12、1024-512)/16=32(量化單位)。段內(nèi)編碼的計算方法為：(635-512)/32=327，c5 c6 c7 c8編碼為0 0 1 1 1量化級：512 332 16624量化誤差：635-62411(量化單位)，45。例如，如果輸入電話信號采樣值的動態(tài)范圍在-5V和5V之間，則動態(tài)范圍分為當(dāng)輸入采樣值為-3.2V時，根據(jù)13倍線的A-律特性進行編碼。解決方法首先進行歸一化：3.2/5=0.64 0.6420481311(量化單位)，然后進行A律13線脈沖編碼調(diào)制：極性編碼C1=0；段落代碼c2c3c4: 1311位于第八段，c2c3c4=111段內(nèi)代碼c5c6c7c8: (1311-

13、1024)/64=4.48，c5 c6 c7 c80100的編碼結(jié)果：01110100，46，連續(xù)比較法的解碼原理，47，量化噪聲和加性噪聲。在加性噪聲功率公式中，fs=2fH=1/Ts量化噪聲功率輸出信號功率，其中m2n，9.5.4，脈碼調(diào)制系統(tǒng)中噪聲的影響，48，信噪比為1/(4Pe)的輸出信噪比等于脈碼調(diào)制系統(tǒng)的大信噪比和信噪比為22N的小信噪比條件下的輸出信噪比，它只與編碼位數(shù)N有關(guān)，當(dāng)N指數(shù)增加時，最高頻率為fH，49，9.6.1預(yù)測編碼簡介預(yù)測編碼的目的：降低編碼律或律對數(shù)壓擴脈碼調(diào)制的比特率。每個語音的傳輸速率為64 KB/s，語音信道速率低于64Kb/s的語音編碼方法稱為語音壓

14、縮編碼技術(shù)。線性預(yù)測：使用先前采樣值的線性組合來預(yù)測當(dāng)前采樣值，稱為線性預(yù)測。DPCM:只使用以前的采樣值來預(yù)測當(dāng)前的采樣值。利用相鄰樣本的相關(guān)性，相鄰樣本之間的差異被量化并編碼4位。9.6差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM)，50，假設(shè)量化器的量化誤差為零，即，ek=rk，mk*可以被視為具有量化誤差的采樣信號mk。預(yù)測器：當(dāng)沒有傳輸錯誤時，rk=rk。解碼器的輸出信號mk*與編碼器的相同，也就是說，它等于帶有量化誤差的信號采樣值mk。線性預(yù)測編碼原理框圖，51，僅將第一個采樣值作為預(yù)測值，然后將當(dāng)前采樣值與預(yù)測值之差作為編碼和傳輸。P=1，a1=1，因此mk=mk-1*。預(yù)測器被簡化為延遲電路。9

15、.6.2差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM)的原理和性能，52自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)。為了提高DPCM系統(tǒng)的性能，將自適應(yīng)技術(shù)引入量化和預(yù)測過程，得到了自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制系統(tǒng)。它可以大大提高信噪比和動態(tài)范圍。自適應(yīng)量化：量化步長隨著信號的變化而變化；自適應(yīng)預(yù)測：根據(jù)信號的統(tǒng)計特性自適應(yīng)調(diào)整預(yù)測系數(shù)，提高預(yù)測精度。在保持相同語音質(zhì)量的同時，ADPCM允許以32Kb/s的速率進行編碼，這是標(biāo)準(zhǔn)的64 Kb/s的一半.它是一種低復(fù)雜度的語音壓縮編碼方法，已成為國際上長距離傳輸中常用的語音編碼方法。，53，DPCM系統(tǒng)的量化誤差qk:編碼器輸入的模擬信號的采樣值mk和量化后有量化誤差的采樣值mk

16、*之間的差值：如果預(yù)測誤差ek的范圍是(，-)，量化器的量化級數(shù)是m，量化間隔是v，那么存在DPCM系統(tǒng)的量化誤差(量化噪聲), 54。預(yù)測誤差量化后，量化誤差qk為-v。qk的平均功率：如果DPCM編碼器輸出的符號率為Nfs，功率譜密度為Pq(f)，量化噪聲經(jīng)過截止頻率為fm的低通濾波器后，其功率為：55；如果采樣點間隔為T 1/fs，信號的斜率將被限制為不超過t1/fs，否則將會過載。假設(shè)輸入信號是正弦波：其變化速度取決于斜率：最大斜率等于Ak。為了避免過載，信號的最大斜率不應(yīng)超過/T，即計算信號功率：56，如果最大允許信號幅度Amax是信號功率，則計算信噪比，計算信號功率和信噪比，57，9.7.1增量調(diào)制原理的預(yù)測誤差ek=mk mk被量化為兩個電平和。該值稱為量化步長。量化器輸出信號rk僅取兩個值。因此，rk可以用二進制符號表示。使用“1”表示“”，使用“0”表示“-”。9.7增量調(diào)制，58，如果m(ti)-m(ti-)，代碼為1如果