第3章_模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸

1、3.0 概述概述3.1 抽樣定理抽樣定理3.2 脈沖模擬調(diào)制（主要是脈沖模擬調(diào)制（主要是PAM）3.3 脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制PCM3.4 增量調(diào)制增量調(diào)制M3.5 其他調(diào)制方法其他調(diào)制方法第第 3章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸 本章內(nèi)容在數(shù)字通信系統(tǒng)中所處的位置：本章內(nèi)容在數(shù)字通信系統(tǒng)中所處的位置：運(yùn)用：運(yùn)用：用數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸模擬信號(hào)用數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸模擬信號(hào)m（t） ak m（t）數(shù)字通信數(shù)字通信系統(tǒng)系統(tǒng)模擬模擬信息源信息源抽樣抽樣量化量化編碼編碼譯碼譯碼低通低通 ak 任務(wù)：任務(wù)： 發(fā)送方發(fā)送方FormatFormat：模擬信號(hào)的數(shù)字化，形成數(shù)字基帶信號(hào)模擬信號(hào)的數(shù)字化，

2、形成數(shù)字基帶信號(hào)接收方接收方FormatFormat：從接收數(shù)字基帶信號(hào)中完整無(wú)失真的還原模擬從接收數(shù)字基帶信號(hào)中完整無(wú)失真的還原模擬信號(hào)信號(hào)3.0 概述概述 以以“語(yǔ)音編碼語(yǔ)音編碼”為例講述為例講述：波形編碼：波形編碼：在時(shí)域內(nèi)，將語(yǔ)音波形變換為數(shù)字序列。優(yōu)點(diǎn)：接收恢復(fù)的信號(hào)質(zhì)量好。缺點(diǎn)：比特率較高，比特率通常在16 kb/s64 kb/s范圍內(nèi)，占用更大傳輸帶寬。 兩類常用的波形編碼方法：兩類常用的波形編碼方法： PCM：脈沖編碼調(diào)制（：脈沖編碼調(diào)制（Pulse Coding Modulation） M：增量調(diào)制：增量調(diào)制參量編碼：參量編碼：在頻域或其它變換域內(nèi)（通常是正交變換）提取特征參

3、量，對(duì)特征參量進(jìn)行數(shù)字化。優(yōu)點(diǎn)：比特率較低，比特率在16 kb/s以下，占用帶寬資源少。缺點(diǎn)：接收恢復(fù)的信號(hào)質(zhì)量差。 3.1 抽樣定理 任務(wù)：任務(wù)： 把時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào)變成一系列時(shí)間上離散的抽樣值序列（PAM信號(hào)）。 1、低通抽樣定理：低通抽樣定理：模擬信號(hào)為低通信號(hào)。 2、帶通抽樣定理：帶通抽樣定理：模擬信號(hào)為帶通信號(hào)。 3、均勻抽樣定理均勻抽樣定理：抽樣序列是等間隔 4、非均勻抽樣定理非均勻抽樣定理：抽樣序列是非等間隔 5、理想抽樣：理想抽樣：抽樣序列是沖擊序列。 6、實(shí)際抽樣：實(shí)際抽樣：抽樣序列是非沖擊序列。 定義定義：若模擬信號(hào)若模擬信號(hào) m( t ) 的頻率范圍為的頻率范圍為 f

4、L fH帶寬帶寬 B = fH - - fL 如果如果 fL B， 則則 m( t ) 為為帶通帶通型信號(hào)型信號(hào)什么是低通信號(hào)、帶通信號(hào)？什么是低通信號(hào)、帶通信號(hào)？3.1.2 低通信號(hào)低通信號(hào)的抽樣定律的抽樣定律 1. 定律描述定律描述：一個(gè)頻帶限制在0到fm以內(nèi)的低通信號(hào)f(t)，如果以fs2fm的抽樣速率進(jìn)行均勻均勻抽樣，則在接收端通過(guò)一個(gè)截止頻率為fm的低通濾波器可以恢復(fù)原始信號(hào)。 fs=2fm：最小抽樣速率或奈奎斯特速率。 1/2fm：最大抽樣間隔或奈奎斯特間隔。 )f(T ms( t ) sT0時(shí)域圖時(shí)域圖頻譜圖頻譜圖tfttm ( t ) M ( f ) fm- fmMs( f )

5、 0fsfsf )t (T msf2f 討論：討論：msff2msff2結(jié)論：結(jié)論： fs 的值必須滿足抽樣定理的值必須滿足抽樣定理用理想低通濾波用理想低通濾波器恢復(fù)原始信號(hào)。器恢復(fù)原始信號(hào)。理想低通理想低通B？理想抽樣理想抽樣：用：用沖擊序列沖擊序列進(jìn)行抽樣。進(jìn)行抽樣。 理想抽樣的原理圖：理想抽樣的原理圖： tT ttmtmTs tm產(chǎn)生示意圖濾波器 tms tm低通恢復(fù)示意圖理想低通濾波器特性B的取值范圍：（fm fs fm ）實(shí)際抽樣實(shí)際抽樣：用：用窄脈沖序列窄脈沖序列進(jìn)行抽樣。進(jìn)行抽樣。 自然抽樣：即曲頂抽樣，抽樣后的脈沖頂部隨 模擬信號(hào)變化平頂抽樣：即瞬時(shí)抽樣，抽樣后的脈沖頂部是 平

6、坦的，幅度等于抽樣的瞬時(shí)值示意圖可見(jiàn)P63圖3-3圖 自然抽樣的方框圖和各點(diǎn)波形 1、 自然抽樣原理圖自然抽樣原理圖用理想低通濾波用理想低通濾波器恢復(fù)原始信號(hào)。器恢復(fù)原始信號(hào)。平頂抽樣示意：平頂抽樣示意：tx(t)0TS在原理上可以由理想抽樣和脈沖形成電路產(chǎn)生理想抽樣和脈沖形成電路產(chǎn)生。 H(w)矩形脈沖產(chǎn)生理想抽樣s s產(chǎn)生示意圖恢復(fù)示意圖P69圖3-10 在工程設(shè)計(jì)中，考慮到信號(hào)不會(huì)嚴(yán)格帶限，以及實(shí)際濾波器特性的不理想，通常取抽樣頻率為(2.55)fm，以避免失真。 3. 抽樣定理應(yīng)用抽樣定理應(yīng)用 3.2.2 3.2.2 帶通型信號(hào)的抽樣定理帶通型信號(hào)的抽樣定理若仍按若仍按 fs 2 fH

7、 抽樣，將降低信道頻帶利用率。抽樣，將降低信道頻帶利用率。 負(fù)頻譜 fH fLM()正頻譜fHfLT()O fsOfs正， 2fs負(fù)， fs fs fL正， fs負(fù)，fsOMs() fL fH fs fL正，零正，fs負(fù)，2fsf(a)(b)(c)ff負(fù)，零fLfHfs fLfs fL上上上上下下下下上邊帶下邊帶 為了提高信道利用率，同時(shí)又使抽樣后的信號(hào)頻譜不混疊，那么fs到底怎樣選擇呢？ 帶通均勻抽樣定理描述帶通均勻抽樣定理描述：一個(gè)帶通信號(hào)x(t)，其頻率限制在fL與fH之間，帶寬為B=fH-fL，設(shè)n是一個(gè)不超過(guò)fL/B的最大整數(shù)，那么抽樣速率應(yīng)滿足如下關(guān)系： fsmin=2fH/(n+

8、1) fs fsmax=2fL/n2()21sLHfffn一般選：P65公式（3-4）P65公式（3-5）1、fL是B的整數(shù)倍， fs(min)為2B； fL不是B的整數(shù)倍， fs(min)大于2B；2、當(dāng)當(dāng)n很大時(shí)，無(wú)論fL是不是B的整數(shù)倍， 。 實(shí)際中應(yīng)用廣泛的高頻窄帶信號(hào)，都可用2B速率來(lái)進(jìn)行抽樣。(min)2sfBfsmin=2fH/(n+1)= 2(B+fL)/(n+1)例：例：)(122HLsffnf若用公式fsmin=2fH/(n+1) fs=x(t-),則則x(t)上升一個(gè)量化階上升一個(gè)量化階+，用，用“1”碼表碼表示。示。3.若若x(t) = 0, C(nd(n) = 0,

9、C(n) = 1 ;) = 1 ;d(n) 0, C(nd(n) 32kb/s PCM優(yōu)于優(yōu)于M 32kb/s M優(yōu)于優(yōu)于PCM 6、 信道誤碼的影響信道誤碼的影響l在M系統(tǒng)中，每一個(gè)誤碼代表造成一個(gè)量階的誤差，所以它對(duì)誤碼不太敏感。故對(duì)誤碼率的要求較低，一般在10-310-4。lPCM的每一個(gè)誤碼會(huì)造成較大的誤差，對(duì)誤碼率的要求較高， 一般為10-510-6。 由此可見(jiàn)，M允許用于誤碼率較高誤碼率較高的信道條件，這是M與PCM不同的一個(gè)重要條件。3.5 差值脈沖編碼技術(shù)概述：1、由前面介紹的PCM編碼，比特率為64kb/s。廣泛應(yīng)用在以光纖傳輸線路和數(shù)字微波線路為干線的固定通信網(wǎng)中。2、但是

10、對(duì)于頻率資源比較緊張的衛(wèi)星通信網(wǎng)、超短波波段的移動(dòng)通信網(wǎng)來(lái)說(shuō)，64kb/s的PCM技術(shù)很難直接獲得應(yīng)用。3、因此，多年來(lái)人們一直在研究壓縮數(shù)字化語(yǔ)音占用頻帶的方法，相繼提出了一些實(shí)用的數(shù)碼率更低的話音編碼技術(shù)。 4、自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制(ADPCM)：是語(yǔ)音壓縮中復(fù)雜度較低的一種編碼方法，它可在32kb/s數(shù)碼率上達(dá)到64b/s的PCM話音質(zhì)量。是作為長(zhǎng)途傳輸中一種新型的國(guó)際通用的語(yǔ)音編碼方法。自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制(ADPCM)是在差分脈沖編碼調(diào)制（DPCMDifferential Pulse Code Modulation）基礎(chǔ)上增加自適應(yīng)措施而形成的。3.5.1差值脈沖編碼調(diào)制（DPCM）DP

11、CM的基本思想：1、語(yǔ)音信號(hào)的相鄰抽樣點(diǎn)之間都有一定的相關(guān)性（冗余），信號(hào)的一個(gè)抽樣值到相鄰的一個(gè)抽樣值不會(huì)發(fā)生迅速的變化。2、所以，數(shù)字通信中可以根據(jù)前一時(shí)刻的樣值S(n-1)來(lái)預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的樣值S(n)，通信時(shí)只要傳輸預(yù)測(cè)樣值Sp(n)與實(shí)際樣值S(n)的差值序列d(n)（圖解見(jiàn)P89）3、差值信號(hào)的的動(dòng)態(tài)范圍要比樣值本身的動(dòng)態(tài)范圍小的多，這樣就可使量化電平數(shù)減少，編碼位數(shù)降低，在保證一定話音質(zhì)量要求下，大大地壓縮數(shù)碼率。4、在收端，只要把樣值差值樣值差值序列疊加到預(yù)測(cè)樣值預(yù)測(cè)樣值序列上，就可以恢復(fù)原話音信號(hào)樣值序列。5、這樣，只需用較少的編碼位數(shù)對(duì)實(shí)際樣值與預(yù)測(cè)樣值的實(shí)際樣值與預(yù)測(cè)樣值的

12、差值進(jìn)行差值進(jìn)行PCMPCM編碼編碼，就可以達(dá)到通信的目的。 系統(tǒng)的原理示意圖：a）發(fā)送端原理框圖 b）接收端原理框圖6、預(yù)測(cè)：消除或降低信號(hào)冗余度的一種有效方法。7、模擬信號(hào)抽樣值分成可預(yù)測(cè)和不可預(yù)測(cè)的兩個(gè)成分；可預(yù)測(cè)成分（即相關(guān)部分）：是由過(guò)去的若干個(gè)樣值的加權(quán)后得到；本例中為一階預(yù)測(cè)( )(1)(1)(1)(1)ppSnS nSnd nS n1( )( )kPik iiiSna S nak其中 ， 是預(yù)測(cè)器的參數(shù)不可預(yù)測(cè)的成分（即非相關(guān)部分）：是預(yù)測(cè)誤差。通常為高階預(yù)測(cè)：可以提高預(yù)測(cè)的精度P90公式3-27DPCM的量化信噪比：的量化信噪比：10lg()10lg()10lg10lg10l

13、gPCM10lgssdsdSNndndnsdndsPndPPPPPPPPPPPPPPPGPP其中， 為樣值信號(hào)功率， 為差值信號(hào)功率， 為量化噪聲功率為的量化信噪比；為系統(tǒng)獲得的增益1 DPCM PCMDPCMPG 通常，與相比，量化信噪比要大。在兩者要求具有相同的信噪比時(shí)，對(duì)于就可以減少量化級(jí)數(shù)、減少二進(jìn)制位數(shù)，壓縮信號(hào)帶寬。3.5.23.5.2、自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（、自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCMAdaptive ADPCMAdaptive Differential Pulse Code ModulationDifferential Pulse Code Modulation）具有

14、自適應(yīng)功能的DPCM就稱為自適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制，簡(jiǎn)稱ADPCM。有兩種方案：1、自適應(yīng)量化：預(yù)測(cè)固定，量化自適應(yīng)；2、自適應(yīng)預(yù)測(cè)：預(yù)測(cè)和量化都能自適應(yīng)；3、實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)量化方法通常有兩種：前向（前饋）型自適應(yīng)量化器：根據(jù)輸入樣值序列幅度來(lái)估計(jì)輸入信號(hào)本身的能量，從而對(duì)量化器的量階自動(dòng)調(diào)整；后向（反饋）型自適應(yīng)量化器：根據(jù)量化器的輸出或編碼后的信碼來(lái)估計(jì)輸入樣值序列的能量，實(shí)時(shí)改變其量階。4、自適應(yīng)預(yù)測(cè)基本思想：使公式中預(yù)測(cè)系數(shù)或加權(quán)系數(shù)隨輸入信號(hào)幅值的變化作相應(yīng)的改變，同自適應(yīng)量化一樣，自適應(yīng)預(yù)測(cè)也有前向型和后向型兩種類型。1( )( )kPik iiiSna S nak其中 ， 是預(yù)測(cè)器的參

15、數(shù)3.63.6子帶編碼（子帶編碼（SBCSBC：Sub-Band CodingSub-Band Coding）基本思想：利用語(yǔ)音信號(hào)在整個(gè)頻帶內(nèi)分布不均勻的特性，用一組濾波器將語(yǔ)音頻帶分割成幾個(gè)不同頻帶分量的子帶；對(duì)每個(gè)子帶利用DPCM進(jìn)行編碼，不同子帶采用不同的編碼比特?cái)?shù)。3.7 參量編碼技術(shù)參量編碼技術(shù)參量編碼：提取語(yǔ)音信號(hào)的特征參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行編碼。語(yǔ)音的特征參數(shù)主要有基音、共振峰頻率、濁音/清音和強(qiáng)度。發(fā)送端只需要提取這些特征參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行量化編碼收端根據(jù)這些參數(shù)通過(guò)語(yǔ)音信號(hào)模型便可以合成語(yǔ)音信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)：傳送這些話音特征參數(shù)所需的數(shù)碼率大大低于傳送話音信號(hào)抽樣值所需的數(shù)碼率。缺點(diǎn)：收端合

16、成的語(yǔ)音信號(hào)僅保持了原語(yǔ)音信號(hào)的可懂度，而失去了自然度和音質(zhì)。參量編碼是以犧牲語(yǔ)音音質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)低數(shù)碼率語(yǔ)音編碼的。至于提取語(yǔ)音信號(hào)上述特征參數(shù)的原理和算法，請(qǐng)參看其他資料。 目前國(guó)際上流行的話音質(zhì)量評(píng)估方法是5分制主觀評(píng)定方法。這就是所謂“平均評(píng)價(jià)得分”(Meam Opinion Score簡(jiǎn)稱MOS)。MOS為5分，表示質(zhì)量完美，稱為“廣播級(jí)質(zhì)量”；4分或4分多，表示高質(zhì)量，說(shuō)明測(cè)試者認(rèn)為話音與原話一樣可懂，沒(méi)有失真，常稱作“長(zhǎng)途通信質(zhì)量” ；34分，說(shuō)明有失真，但不明顯，可懂度仍很高，稱作“通信級(jí)質(zhì)量” 實(shí)際中3.54分代表了很實(shí)用的通信質(zhì)量；話音大部分可懂的，但自然度差，不易識(shí)別講話者M(jìn)OS為3分以下，為“合成級(jí)質(zhì)量”。音質(zhì)評(píng)估音質(zhì)評(píng)估補(bǔ)充：補(bǔ)充：表2-7 各種語(yǔ)音編碼方法及主要特性 長(zhǎng)途電話質(zhì)量 長(zhǎng)途電話質(zhì)量 廣播質(zhì)量 通信質(zhì)量 通信質(zhì)量 通信質(zhì)量 接近長(zhǎng)途質(zhì)量 通信質(zhì)量 通信質(zhì)量 合成質(zhì)量 合成質(zhì)量 32 16 32 16 8 8 8 4 2.4 1.2 0.6 64 32 64 32 16 16 16 8 4.8 2.4 1.2 PCM ADPCM SBC(