數(shù)字通信原理課件：第3章_模擬信號的數(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 模擬信號的數(shù)字傳輸模擬信號的數(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：運用：運用：用數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸模擬信號用數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸模擬信號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：模擬信號的數(shù)字化，形成數(shù)字基帶：模擬信號的數(shù)字化，形成

2、數(shù)字基帶信號信號接收方接收方FormatFormat：從接收數(shù)字基帶信號中完整無失真：從接收數(shù)字基帶信號中完整無失真的還原模擬信號的還原模擬信號3.0 概述概述 以以“語音編碼語音編碼”為例講述為例講述： 波形編碼：波形編碼：在時域內(nèi)，將語音波形變換為數(shù)字序列。優(yōu)點：接收恢復(fù)的信號質(zhì)量好。缺點：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

3、征參量，對特征參量進行數(shù)字化。優(yōu)點：比特率較低，比特率在16 kb/s以下，占用帶寬資源少。缺點：接收恢復(fù)的信號質(zhì)量差。 3.1 抽樣定理 任務(wù)：任務(wù)： 把時間上連續(xù)的模擬信號變成一系列時間上離散的抽樣值序列（PAM信號）。 1、低通抽樣定理：低通抽樣定理：模擬信號為低通信號。 2、帶通抽樣定理：帶通抽樣定理：模擬信號為帶通信號。 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、實際抽樣：實際抽樣：抽樣序列是非沖擊序列。 定義定義：若模擬信號若模擬信號 m( t ) 的頻率范圍為的頻率范圍為

4、 fL 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型信號什么是低通信號、帶通信號？什么是低通信號、帶通信號？3.1.2 低通信號低通信號的抽樣定律的抽樣定律 1. 定律描述定律描述：一個頻帶限制在0到fm以內(nèi)的低通信號f(t)，如果以fs2fm的抽樣速率進行均勻均勻抽樣，則在接收端通過一個截止頻率為fm的低通濾波器可以恢復(fù)原始信號。 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時域圖時域圖頻譜圖頻譜圖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。器恢復(fù)原始信號。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行抽樣。進行抽樣。 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 ）實際抽樣實際抽樣：用：用窄脈沖序列窄脈沖序列進行抽樣。進行抽樣。 自然抽樣：即曲頂抽樣，抽樣后的脈沖頂部隨 模擬信號變化平頂抽樣：即瞬時抽樣，抽樣后的脈沖頂部是

6、 平坦的，幅度等于抽樣的瞬時值示意圖可見P63圖3-3圖 自然抽樣的方框圖和各點波形 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。器恢復(fù)原始信號。自然抽樣信號xs(t)是x(t)和抽樣脈沖序列s(t)的乘積： )()()(ststxtxs(t)的頻譜表達(dá)式： sss2( )()2akkSSkT 自然抽樣數(shù)學(xué)分析：自然抽樣數(shù)學(xué)分析：xs(t)的頻譜為 )(2)()(21)(sssskXkSTSXXka思考：當(dāng)k=0時，已抽樣信號的頻率分量？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理想抽樣和和脈沖形成電路產(chǎn)生脈沖形成電路產(chǎn)生。 H(w)矩

7、形脈沖產(chǎn)生理想抽樣s s產(chǎn)生示意圖設(shè)矩形脈沖產(chǎn)生器矩形脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生產(chǎn)生的是高度為1， 寬度為的矩形脈沖， 則其頻譜為Q(w)為：Q(w)2)(aSQ)()()(sQXX平頂抽樣信號xs(t)的頻譜為：ssss1( )()2()2sakakXXkSTSXkT平頂抽樣數(shù)學(xué)分析：平頂抽樣數(shù)學(xué)分析：思考：當(dāng)k=0時，已抽樣信號的頻率分量？H(w)矩形脈沖產(chǎn)生理想抽樣s s產(chǎn)生示意圖Q(w)(tx平頂抽樣的信號重建：平頂抽樣的信號重建：對于平頂抽樣直接用低通濾波器恢復(fù)，必然導(dǎo)致失真。結(jié)論：結(jié)論：用修正網(wǎng)絡(luò)重建平頂抽樣信號：脈沖形成電路修正網(wǎng)絡(luò)理想低通濾波器( )x t( )s t( )x t( )Q

8、w( )sx t1( )Q w用理想抽樣重建平頂抽樣信號脈沖形成電路理想低通濾波器( )x t( )s t( )x t( )Q w( )sx t( )s tP69圖3-11 在工程設(shè)計中，考慮到信號不會嚴(yán)格帶限，以及實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 帶通型信號的抽樣定理帶通型信號的抽樣定理若仍按若仍按 fs 2 fH 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

9、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，同時又使抽樣后的信號頻譜不混疊，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：一個帶通信號x(t)，其頻率限制在fL與fH之間，帶寬為B=fH-fL，設(shè)n是一個不超過不超過fL/B的最大整數(shù)最大整數(shù)，那么抽樣速率應(yīng)滿足如下關(guān)系： fsmin=2fH/(n+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，

10、 fs(min)大于2B；2、當(dāng)當(dāng)n很大時，無論fL是不是B的整數(shù)倍， 。 實際中應(yīng)用廣泛的高頻窄帶信號，都可用2B速率來進行抽樣。(min)2sfBfsmin=2fH/(n+1)= 2(B+fL)/(n+1)例：例：)(122HLsffnf若用公式fsmin=2fH/(n+1) fs=x(ts-),則則x(t)上升一個量化階上升一個量化階+，用，用“1”碼表碼表示。示。3.若若x(ts) = 0, C(n) = 1 ;d(n) = 0, C(n) = 1 ;d(n) 0, C(n) = 0d(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

11、影響l在M系統(tǒng)中，每一個誤碼代表造成一個量階的誤差，所以它對誤碼不太敏感。故對誤碼率的要求較低，一般在10-310-4。lPCM的每一個誤碼會造成較大的誤差，對誤碼率的要求較高， 一般為10-510-6。 由此可見，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、但是對于頻率資源比較緊張的衛(wèi)星通信網(wǎng)、超短波波段的移動通信網(wǎng)來說，64kb/s的PCM技術(shù)很難直接獲得應(yīng)用。3、以較低的速率獲得高質(zhì)量的音質(zhì)，人們相繼提出了一些實用

12、的話音壓縮編碼技術(shù)。 4、自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制(ADPCM)：是語音壓縮中復(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。是作為長途傳輸中一種新型的國際通用的語音編碼方法。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）DPCM的基本思想：1、語音信號的相鄰抽樣點之間都有一定的相關(guān)性（冗余），信號的一個抽樣值到相鄰的一個抽樣值不會發(fā)生迅速的變化。2、所以，數(shù)字通信中可以根據(jù)前一時刻的樣值S(n-1)來預(yù)測下一時

13、刻的樣值S(n)，通信時只要傳輸差值序列d(n)（圖解見P89）3、差值信號的的動態(tài)范圍要比樣值本身的動態(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、這樣，只需用較少的編碼位數(shù)對d(n)進行進行PCMPCM編碼編碼，就可以達(dá)到通信的目的。5在收端，只要把樣值差值樣值差值序列疊加到預(yù)測樣值預(yù)測樣值序列上，就可以恢復(fù)原話音信號樣值序列。、 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：消除或降低信號冗余度的一種有效方法。7、模擬信號抽樣值分成可預(yù)測和不可預(yù)測的兩個成分；可預(yù)測成分（即相關(guān)部分）：是由過去的若干個樣值的加權(quán)后

14、得到；本例中為一階預(yù)測( )(1)(1)(1)(1)ppSnS nSnd nS n1( )( )kPik iiiSna S nak其中 ， 是預(yù)測器的參數(shù)不可預(yù)測的成分（即非相關(guān)部分）：是預(yù)測誤差。通常為高階預(yù)測：可以提高預(yù)測的精度P90公式3-27DPCM的量化信噪比：的量化信噪比：10lg()10lg()10lg10lgssdsdSNndndnPPPPPPPPPP1DPCMPCMDPCMDPCMPG1、通常，與相比，量化信噪比要大。2、在兩者要求具有相同的信噪比時，對于就可以減少量化級數(shù)、減少二進制位數(shù)，壓縮信號帶寬。3、系統(tǒng)的改善是以最佳預(yù)測和量化為前提的。樣值信號功率量化噪聲功率差值信

15、號功率PCM量化噪聲比Gp：預(yù)測增益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，簡稱ADPCM。有兩種方案：1、自適應(yīng)量化：預(yù)測固定，量化自適應(yīng)；2、自適應(yīng)預(yù)測：預(yù)測器系數(shù) 能隨信號的統(tǒng)計特性自適應(yīng)調(diào)整；3、實現(xiàn)自適應(yīng)量化方法通常有兩種：前向（前饋）型、后向（反饋）型自適應(yīng)量化器。 ia4、自適應(yīng)預(yù)測基本思想：使公式中預(yù)測

16、系數(shù)和加權(quán)系數(shù)隨輸入信號幅值的變化作相應(yīng)的改變，同自適應(yīng)量化一樣，自適應(yīng)預(yù)測也有前向型和后向型兩種類型。1( )( )kPik iiiSna S nak其中 ， 是預(yù)測器的參數(shù)5、ADPCM能以32kb/s數(shù)碼率上達(dá)到64b/s的PCM話音質(zhì)量。6、CCITT中關(guān)于ADPCM的規(guī)范為：G.721、G.7263.63.6子帶編碼（子帶編碼（SBCSBC：Sub-Band CodingSub-Band Coding）基本思想：利用語音信號在整個頻帶內(nèi)分布不均勻的特性，用一組濾波器將語音頻帶分割成幾個不同頻帶分量的子帶；對每個子帶利用DPCM進行編碼，不同子帶采用不同的編碼比特數(shù)。3.7 參量編碼技

17、術(shù)參量編碼技術(shù)參量編碼：提取語音信號的特征參數(shù)，對其進行編碼。語音的特征參數(shù)主要有基音、共振峰頻率、濁音/清音和強度。發(fā)送端只需要提取這些特征參數(shù)并對其進行量化編碼收端根據(jù)這些參數(shù)通過語音信號模型便可以合成語音信號。優(yōu)點：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抽樣值所需的數(shù)碼率。缺點：收端合成的語音信號僅保持了原語音信號的可懂度，而失去了自然度和音質(zhì)。參量編碼是以犧牲語音音質(zhì)來實現(xiàn)低數(shù)碼率語音編碼的。至于提取語音信號上述特征參數(shù)的原理和算法，請參看其他資料。 目前國際上流行的話音質(zhì)量評估方法是5分制主觀評定方法。這就是所謂“平均評價得分”(Meam Opinion Score簡稱

18、MOS)。MOS為5分，表示質(zhì)量完美，稱為“廣播級質(zhì)量”；4分或4分多，表示高質(zhì)量，說明測試者認(rèn)為話音與原話一樣可懂，沒有失真，常稱作“長途通信質(zhì)量” ；34分，說明有失真，但不明顯，可懂度仍很高，稱作“通信級質(zhì)量” 實際中3.54分代表了很實用的通信質(zhì)量；話音大部分可懂的，但自然度差，不易識別講話者MOS為3分以下，為“合成級質(zhì)量”。音質(zhì)評估音質(zhì)評估補充：補充：表2-7 各種語音編碼方法及主要特性 長途電話質(zhì)量 長途電話質(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