模擬信號的數(shù)字傳輸?shù)幕驹砗蛿?shù)字體系

1、模擬信號的數(shù)字傳輸?shù)幕驹砗蛿?shù)字體系本章內(nèi)容9.1 引言A/D三步驟9.2 模擬信號的抽樣9.3 模擬脈沖調(diào)制 9.4 抽樣信號的量化 9.5 脈沖編碼調(diào)制 9.6 差分脈沖編碼調(diào)制& 9.7 增量調(diào)制 9.8 時分復(fù)用和復(fù)接9.5.1 脈沖編碼調(diào)制（PCM）基本原理定義：把從模擬信號抽樣、量化，直到變換成為二進(jìn)制符號的基本過程，稱為脈沖編碼調(diào)制，簡稱脈碼調(diào)制。例：抽樣值為、，量化及編碼流程：345676011 100 101 110 111 1106.803.153.965.006.386.429.5.1 脈沖編碼調(diào)制（PCM）基本原理脈沖編碼調(diào)制也叫做A/D變換。抽樣保持的作用：使模擬信

2、號時間軸離散化，并短暫保存數(shù)據(jù)方便量化。量化的作用：模擬信號幅度軸離散化。編碼的作用：數(shù)字化表示時間、幅度軸離散化的模擬信號。編碼器模擬信號輸 入PCM信號輸 出抽樣保持 量 化編 碼沖激脈沖9.5.1 脈沖編碼調(diào)制（PCM）基本原理實際電路中，量化器和編碼器通常構(gòu)成不可分離的電路，常用逐次比較法來實現(xiàn)此類電路。比較器保持電路恒流源記憶電路Is Iw , ci =1Is Iw , ci = 0c1, c2, c3Is Iw輸入信號抽樣脈沖逐次比較法編碼原理圖9.5.1 脈沖編碼調(diào)制（PCM）基本原理譯碼器譯碼器模擬信號 輸 出PCM信號 輸 入解 碼低通濾波思考：1.為何沒有反量化？ 2.低通

3、濾波器的作用？9.5.2 自然二進(jìn)制碼和折疊二進(jìn)制碼量化值序號量化電壓極性自然二進(jìn)制碼折疊二進(jìn)制碼15141312111098正極性111111101101110010111010100110001111111011011100101110101001100076543210負(fù)極性0111011001010100001100100001000000000001001000110100010101100111自然二進(jìn)制與折疊二進(jìn)制編碼假設(shè)量化電壓值為-15,-13,-11,-9,-7,-5,-3,-1,1,3,5,7,9,11,13,159.5.2 自然二進(jìn)制碼和折疊二進(jìn)制碼折疊碼的優(yōu)點(diǎn)：折疊關(guān)

4、系使得雙極性電壓可用單極性的方式來處理，簡化編碼電路和過程。誤碼對小信號的影響比較?。槭裁?？）。 原因：折疊碼除最高位外，上下部分呈對稱關(guān)系。量化值與編碼位數(shù)的選擇：同一個信號，若量化值越多，則信號量噪比越大；同時編碼位數(shù)增多，編碼復(fù)雜度增加、數(shù)據(jù)量增多。一般采用8位的PCM碼就能保證通話質(zhì)量。9.5.2 自然二進(jìn)制碼和折疊二進(jìn)制碼13折線法中采用的折疊碼排列方法：共有8位。第1位c1表示量化值的極性正負(fù)。后面的7位分為段落碼和段內(nèi)碼兩部分。第2至4位(c2 c3 c4)是段落碼，可以表示8種斜率的段落。剩余4位(c5 c8)為段內(nèi)碼，可以表示每一段落內(nèi)的16種量化電平。段內(nèi)碼代表的16個量

5、化電平是均勻劃分的。7位碼總共能表示27 128種量化值。9.5.2 自然二進(jìn)制碼和折疊二進(jìn)制碼段落序號段落碼c2 c3 c4段落范圍（量化單位）81 1 11024204871 1 0512102461 0 125651251 0 012825640 1 16412830 1 0326420 0 1163210 0 001613折線法中的折疊碼中的段落碼：歸一化后的值，1對應(yīng)于表中的20489.5.2 自然二進(jìn)制碼和折疊二進(jìn)制碼13折線法中的折疊碼中的段落碼：第1和2段最短，斜率最大。橫坐標(biāo)x的歸一化動態(tài)范圍最小，等分為16小段（段內(nèi)碼），每小段動態(tài)范圍為(1/128) (1/16) = 1

6、/2048，稱為1個量化單位。第8段最長，其橫坐標(biāo)x的動態(tài)范圍為1/2。將其16等分后，每小段長度為1/32。若采用均勻量化而使小電壓保持相同的動態(tài)范圍1/2048，需要用11位的碼組。而13折線法只需7位（所以有壓縮的效果）。9.5.3 電話信號的編譯碼器8位編碼的電話信號非均勻編譯碼器 非均勻量化特有壓縮器輸出值的編碼結(jié)果將雙極性當(dāng)成單極性處理的關(guān)鍵9.5.3 電話信號的編譯碼器【例9-2】設(shè)輸入電話信號抽樣值的歸一化動態(tài)范圍在-1至+1之間，將此動態(tài)范圍劃分為4096個量化單位，即將1/2048作為1個量化單位。當(dāng)輸入抽樣值為+1270個量化單位時，試用逐次比較法編碼將其按照13折線A律

7、特性編碼。解：1）確定極性碼C1：因為輸入+1270為正極性，所以c1 = 1。 2）確定段落碼C2C3C4：輸入抽樣值等于1270，落在第8段內(nèi)，故c2 c3c4 111。 3）確定段內(nèi)碼C5C6C7C8：1270 = 1024 + 64*3 + 54，所以落在第4小段中（64=1024/16），對應(yīng)的段內(nèi)碼為0011。 4）量化誤差：1270 - (1280+1216)/2 = 1270 1248 = 22 9.5.3 電話信號的編譯碼器非均勻譯碼器（不包括加低通濾波的部分）c2 c8記憶電路7/11變換恒流源極性控制c1譯碼輸出9.5.4 PCM系統(tǒng)中噪聲的影響PCM中的兩類噪聲：量化噪

8、聲、加性噪聲。加性噪聲的影響 原理：加性噪聲導(dǎo)致收端發(fā)生誤判，碼組中出現(xiàn)錯碼量化噪聲的影響 假定分析條件：采用均勻量化器分析思路：分別計算量化噪聲功率和加性噪聲功率，相加得到總的噪聲功率。（證明過程略） 本章內(nèi)容9.1 引言A/D三步驟9.2 模擬信號的抽樣 9.3 模擬脈沖調(diào)制 9.4 抽樣信號的量化 9.5 脈沖編碼調(diào)制 9.6 差分脈沖編碼調(diào)制& 9.7 增量調(diào)制 9.8 時分復(fù)用和復(fù)接9.6.1 預(yù)測編碼簡介 預(yù)測編碼的目的：降低編碼的比特率 預(yù)測編碼的原理： 根據(jù)前幾個抽樣值計算一個預(yù)測值，將預(yù)測值與實際值做差并編碼傳輸該預(yù)測誤差。相鄰抽樣值與當(dāng)前抽樣值相關(guān)性越強(qiáng)，預(yù)測誤差越小，因此

9、可降低比特率。預(yù)測量化編碼抽樣mkmk*m(t)mkekrk思考：為何不是ek+mk？9.6.1 預(yù)測編碼簡介 若利用幾個抽樣值聯(lián)合產(chǎn)生預(yù)測信號，稱為線性預(yù)測； 若僅用1個抽樣值預(yù)測，即DPCM。 預(yù)測器的輸出和輸入關(guān)系由下列線性方程式?jīng)Q定：式中：p 為預(yù)測階數(shù)，ai 為預(yù)測系數(shù)。 譯碼器原理框圖：預(yù)測mk*rk解碼9.6.2 差分脈沖編碼調(diào)制原理及性能DPCM量化噪聲分析（定量分析部分略） DPCM原理框圖：系統(tǒng)量化噪聲： 模擬信號抽樣值mk與具有量化誤差的抽樣值mk之差：(b) 譯碼器譯碼延遲Ts延遲量化編碼抽樣Ts(a) 編碼器mkmk*mkekrkmk*rk9.6.2 差分脈沖編碼調(diào)制

10、原理及性能DPCM信號功率分析 過載：預(yù)測誤差ek超過允許范圍(+, -) ，也即相鄰信號抽 樣值增減幅度過大。 不過載條件：設(shè)抽樣點(diǎn)間隔為T1 / fs，則信號斜率不能超 過 / T。9.6.2 差分脈沖編碼調(diào)制原理及性能假設(shè)輸入信號是正弦波：其變化速度為：最大斜率為Ak，需要滿足不過載條件：因此，所允許的最大振幅為：9.7 增量調(diào)制 增量調(diào)制概念：DPCM中的量化電平數(shù)取2即是增量調(diào)制。 原理框圖為：mk*延 遲抽 樣二電平量化m(t)mkekrkmk延 遲rkmk*編碼器譯碼器預(yù)測誤差ek 被量化成兩個電平 + 和 ， 值稱為量化臺階。rk可以用一個二進(jìn)制符號表示。9.7 增量調(diào)制實用中

11、，采用積分器代替延遲相加電路，并將抽樣與量化合成為抽樣判決：譯碼器中，積分器收到碼元“1”則輸出升高，否則降低，以此恢復(fù)階梯形電壓；階梯電壓通過低通濾波器平滑后輸出。T(t)(a) 編碼器(b)譯碼器積分器抽樣 判決m(t)e(t)d(t)m(t)積 分d(t)低通9.7 增量調(diào)制增量調(diào)制波形輸出二進(jìn)制波形Ts9.7 增量調(diào)制增量調(diào)制中的量化噪聲產(chǎn)生原因：基本量化噪聲：階梯波形電壓突變形成失真；過載量化噪聲：輸入信號斜率的絕對值過快引起失真。(a) 基本量化噪聲e(t)(b) 過載量化噪聲e(t)9.7 增量調(diào)制和節(jié)討論的是信源編碼方法（減少數(shù)據(jù)量），含義比基本的A/D變換中的編碼（數(shù)字化表示

12、模擬量化值）廣。DPCM、增量調(diào)制主要用于語音編碼，或者說：一維信號編碼。對于二維信號（圖像、視頻），編碼方式更為復(fù)雜。圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)典如JPEG；視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)典如MPEG-2、（已準(zhǔn)備商用）。與傳統(tǒng)A/D變換所不同的另一種思路：壓縮感知（compressive sensing）。本章內(nèi)容9.1 引言A/D三步驟9.2 模擬信號的抽樣 9.3 模擬脈沖調(diào)制 9.4 抽樣信號的量化 9.5 脈沖編碼調(diào)制 9.6 差分脈沖編碼調(diào)制& 9.7 增量調(diào)制 9.8 時分復(fù)用和復(fù)接9.8.1 基本概念 常見的復(fù)用方式頻分復(fù)用（FDM）：信號按照不同頻率特性進(jìn)行區(qū)分；時分復(fù)用（TDM）：信號按照不同時域特

13、性進(jìn)行區(qū)分；碼分復(fù)用（CDM）：信號按照不同碼形特性區(qū)分。9.8.1 基本概念 頻分復(fù)用的原理9.8.1 基本概念 時分復(fù)用的目的：多路通信以擴(kuò)大通信鏈路的容量。 時分復(fù)用的原理：利用抽樣間隔時間傳輸其它信號。mi(t)低通1低通2低通N信道低通1低通2低通N同步旋轉(zhuǎn)開關(guān)m1(t)m2 (t)m2(t)m1(t)mN (t)mN(t)9.8.1 基本概念例如，若語音信號用8 kHz的速率抽樣，則旋轉(zhuǎn)開關(guān)應(yīng)每秒旋轉(zhuǎn)8000周。設(shè)旋轉(zhuǎn)周期為Ts秒，共有N 路信號，則每路信號在每周中占用Ts/N 秒的時間。m1(t)m2(t)1幀T/NT+T/N2T+T/N3T+T/N時隙19.8.1 基本概念在實

14、際電路中，采用抽樣脈沖取代旋轉(zhuǎn)機(jī)關(guān)。各路抽樣脈沖的頻率必須相同，而且相位必須明確，使各路抽樣脈沖保持等間隔的距離。時分復(fù)用的主要優(yōu)點(diǎn)：便于實現(xiàn)數(shù)字通信、易于制造、適于采用集成電路實現(xiàn)、生產(chǎn)成本較低。9.8.1 基本概念通信網(wǎng)中常包含多次復(fù)用，由低次復(fù)用信號可以復(fù)用成高次復(fù)用信號。高次復(fù)用信號的輸入信號源時鐘頻率不統(tǒng)一，所以在低次群需要將時鐘調(diào)整統(tǒng)一。低次群合成高次群的過程叫復(fù)接。高次群分解為低次群的過程叫分接。ITU對于TDM多路電話通信系統(tǒng)，制定了準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)和同步數(shù)字體系(SDH)標(biāo)準(zhǔn)的建議。9.8.2 準(zhǔn)同步數(shù)字體系（PDH）層次比特率（Mb/s）路數(shù)（每路64kb/s）E體

15、系E - 12.04830E - 28.448120E - 334.368480E - 4139.2641920E 5565.1487680E體系（中國、歐洲）和T體系（北美、日本）9.8.2 準(zhǔn)同步數(shù)字體系（PDH）130(30路 64 kb/s)一次群 2.048 Mb/s復(fù)用設(shè)備14路2.048 Mb/s二次群 8.448 Mb/s二次復(fù)用4復(fù)用設(shè)備三次群 34.368 Mb/s三次復(fù)用復(fù)用設(shè)備144路8.448 Mb/s五次復(fù)用復(fù)用設(shè)備五次群 565.148 Mb/s4路139.264 Mb/s四次群 139.264 Mb/s復(fù)用設(shè)備144路34.368 Mb/s四次復(fù)用E體系的結(jié)構(gòu)圖

16、9.8.2 準(zhǔn)同步數(shù)字體系（PDH）基本層(E-1)：30路話音信號+ 2路同步、信令開銷，總比 特率為2.048 Mb/s，稱為一次群信號。E-2層：4個一次群信號復(fù)用，比特率為8.448 Mb/s。E-3層：4個二次群信號復(fù)用，比特率為34.368 Mb/s。E-4層：4個三次群信號復(fù)用，比特率為139.264 Mb/s。相鄰層次群路數(shù)成4倍關(guān)系，但比特率間不是嚴(yán)格的4倍。因為每次復(fù)用都會增加新的額外開銷。9.8.2 準(zhǔn)同步數(shù)字體系（PDH）一次群結(jié)構(gòu)9.8.2 準(zhǔn)同步數(shù)字體系（PDH）一幀時間：1路PCM信號64kb/s，8比特表示，所以頻率為8kHz（125s）。時隙：一幀包含32個時

17、隙，其中30路信號、1路信令、1路幀同步或其他用途。共路信令：采用獨(dú)立的信令網(wǎng)傳輸信令。隨路信令：各路信令和信息一起傳輸，需要采用復(fù)幀。復(fù)幀：一個復(fù)幀包含16幀，所以復(fù)幀速率為8000/16=500Hz9.8.2 準(zhǔn)同步數(shù)字體系（PDH） 采用復(fù)幀的一次群結(jié)構(gòu)TS16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(fù)幀16幀32個時隙F0F1F2F3F4F5F6F7F8F9F10F11F12F13F14F158 bit CH30(1 bit = 488.3ns)8 bit(1 bit = 488.3ns)保留TS

18、10TS12TS14TS16TS18TS9TS11TS13TS15TS17TS4TS6TS2TS0TS8TS5TS7TS3TS1TS20TS22TS28TS26TS24TS30TS19TS21TS23TS29TS27TS25TS319.8.3 同步數(shù)字體系（SDH）PDH不能滿足高速傳輸，因為其開銷太大且存在定時誤差。SDH是針對更高速率的傳輸系統(tǒng)指定的標(biāo)準(zhǔn)，各級之間復(fù)用沒有額外開銷；且同一時間標(biāo)準(zhǔn)保證無時間誤差。SDH中，信息以“同步傳送模塊(STM)”的結(jié)構(gòu)傳送。STM主要由信息有效負(fù)荷和段開銷(SOH)組成塊狀幀結(jié)構(gòu)，其重復(fù)周期為125s。9.8.3 同步數(shù)字體系（SDH）等級比特率(Mb/s)STM-1 155.52STM-4 622.08STM-16 2488.32STM-64 9953.28規(guī)定了4級標(biāo)準(zhǔn)，路數(shù)和速率每級翻4倍，且無額外開銷。STM-1是基本模塊，包含一個管理單元群（AUG）和段開銷（SOH）。9.8.3 同步數(shù)字體系（SDH）通常將若干路PDH接入STM-1，使PDH和SDH得到統(tǒng)一。指針處理映 射復(fù) 用定位調(diào)整44.736 Mb/s34.368 Mb/s1VC-3C-3C-4TU-3TUG-33139.264 Mb/sVC-2VC-12VC-11C-12