第八講 模擬信號(hào)的數(shù)字化(第6節(jié)與1-3章復(fù)習(xí))

1PCMDPCMADPCMM復(fù)習(xí)2思考題：

為什么要引入DPCM？增量調(diào)制與DPCM的關(guān)系如何？3

增量調(diào)制系統(tǒng)中的量化噪聲

一般量化噪聲原因：階梯本身的電壓突跳產(chǎn)生失真。特點(diǎn)：伴隨著信號(hào)永遠(yuǎn)存在，即只要有信號(hào)，就有這種噪聲。(a)

一般量化噪聲e(t)tm(t)m’(t)3.5增量調(diào)制(M)43.5增量調(diào)制(M)

過載量化噪聲原因：信號(hào)變化過快，輸入信號(hào)斜率的絕對(duì)值過大

衡量：最大跟蹤斜率

解決：選擇合適的和fs(b)

過載量化噪聲e(t)m(t)m’(t)53.5增量調(diào)制(M)增量調(diào)制的信號(hào)量噪比信號(hào)功率：設(shè)輸入信號(hào)為正弦信號(hào)其斜率最大值為Ak，要求不發(fā)生過載，則保證不過載的臨界振幅Amax應(yīng)該等于63.5增量調(diào)制(M)結(jié)論：最大信號(hào)量噪比和抽樣頻率fs的三次方成正比，而和信號(hào)頻率fk的平方成反比，即抽樣頻率每提高一倍，量化信噪比提高9dB，信號(hào)每提高一倍頻率，量化信噪比下降6dB。

最大信號(hào)量噪比7M與PCM的比較：

相同點(diǎn)：均用二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)表示模擬信號(hào)傳輸不同點(diǎn)：

PCM以一組二進(jìn)制代表一位抽樣值大??；

M用一位二進(jìn)制碼代表相鄰兩樣值間的

相對(duì)大小。3.5增量調(diào)制(M)83.5增量調(diào)制(M)脈沖發(fā)生器抽樣判決器++-積分器抽樣定時(shí)連碼檢測(cè)音節(jié)平滑回路自適應(yīng)增量調(diào)制:

CVSD（數(shù)字壓擴(kuò)增量調(diào)制）原理碼流中出現(xiàn)3(或4)個(gè)連“1”或連“0”時(shí)輸出一個(gè)脈沖。產(chǎn)生幅度正比于語音音節(jié)內(nèi)平均斜率的電壓9第3章模擬信源數(shù)字化與編碼3.1模擬信號(hào)的抽樣3.2量化3.3脈沖編碼調(diào)制(PCM)3.4差分脈碼調(diào)制3.5增量調(diào)制3.6時(shí)分復(fù)用主要內(nèi)容103.6時(shí)分復(fù)用時(shí)間頻率功率FDM頻分復(fù)用時(shí)間功率頻率TDM時(shí)分復(fù)用時(shí)間功率頻率CDM碼分復(fù)用將多個(gè)用戶的信息用某種方式連接在一起，用同一信道傳輸，這就是多路復(fù)用。113.6時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用原理量化編碼解碼信道≈≈≈……≈≈≈……m1(t)m2(t)mn(t)m’1(t)m’2(t)m’n(t)tm1(t)m2(t)mn(t)······s(t)m1(t)m2(t)mn(t)······123.6時(shí)分復(fù)用復(fù)接和分接

復(fù)接：將低次群合并成高次群的過程。 由若干鏈路來的多路時(shí)分復(fù)用信號(hào)，再次復(fù)用，構(gòu)成高次群。各鏈路信號(hào)來自不同地點(diǎn)，其時(shí)鐘（頻率和相位）之間存在誤差。所以在低次群合成高次群時(shí)，需要將各路輸入信號(hào)的時(shí)鐘調(diào)整統(tǒng)一。分接：將高次群分解為低次群的過程。133.6時(shí)分復(fù)用

標(biāo)準(zhǔn)： 關(guān)于復(fù)用和復(fù)接，ITU對(duì)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)兩套標(biāo)準(zhǔn)建議。143.6時(shí)分復(fù)用準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)ITU提出的兩個(gè)建議：

E體系（A率）－我國(guó)大陸、歐洲及國(guó)際間連接采用；

T體系（u率）－北美、日本和其它少數(shù)國(guó)家和地區(qū)采用。153.6時(shí)分復(fù)用層次比特率（Mb/s）路數(shù)（每路64kb/s）E體系E-12.04830E-28.448120E-334.368480E-4139.2641920E–5565.1487680相鄰層次群之間路數(shù)成4倍關(guān)系，但是比特率之間不是嚴(yán)格的4倍關(guān)系。

163.6時(shí)分復(fù)用E體系的速率：基本層(E-1)：30路PCM數(shù)字電話信號(hào)，每路PCM信號(hào)的比特率為64kb/s。由于需要加入群同步碼元和信令碼元等額外開銷(overhead)，所以實(shí)際占用32路PCM信號(hào)的比特率。故其輸出總比特率為2.048Mb/s，此輸出稱為一次群信號(hào)。E-2層：4個(gè)一次群信號(hào)進(jìn)行二次復(fù)用，得到二次群信號(hào)，也需要額外開銷，其比特率為8.448Mb/s。17TS16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(gè)時(shí)隙F0F1F2F3F4F5F6F7F8F9F10F11F12F13F14F158bit

CH30(1bit=488.3ns)8bit(1bit=488.3ns)保留TS10TS12TS14TS16TS18TS9TS11TS13TS15TS17TS4TS6TS2TS0TS8TS5TS7TS3TS1TS20TS22TS28TS26TS24TS30TS19TS21TS23TS29TS27TS25TS313.6時(shí)分復(fù)用E體系的一次群結(jié)構(gòu)183.6時(shí)分復(fù)用同步數(shù)字體系(SDH)SDH基本概念SDH是針對(duì)更高速率的傳輸系統(tǒng)制定出的全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備的時(shí)鐘來自同一個(gè)極精確的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)（例如銫原子鐘），沒有準(zhǔn)同步系統(tǒng)中各設(shè)備定時(shí)存在誤差的問題。193.6時(shí)分復(fù)用

SDH的速率等級(jí)目前SDH制定了4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其容量（路數(shù)）每級(jí)翻為4倍，而且速率也是4倍的關(guān)系，在各級(jí)間沒有額外開銷。等級(jí)比特率(Mb/s)STM-1

155.52STM-4

622.08STM-162488.32STM-649953.2820第1-3章要點(diǎn)和例題第1章緒論第2章模擬調(diào)制技術(shù)第3章模擬信號(hào)的數(shù)字化主要內(nèi)容21第1章緒論通信和通信系統(tǒng)的基本概念、模型和分類通信的目的是傳遞消息中包含的信息。傳輸信息所需的一切技術(shù)設(shè)備和傳輸媒介的總和稱為通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)的一般模型噪聲信道信源信宿傳輸媒介發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備22第1章緒論數(shù)字通信系統(tǒng)的組成接收設(shè)備信源發(fā)送設(shè)備信宿噪聲信源編碼信道編碼調(diào)制信源譯碼信道譯碼解調(diào)傳輸媒介信道23第1章緒論什么是數(shù)字信號(hào)？什么是模擬信號(hào)？數(shù)字通信的主要優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，噪聲不積累；傳輸差錯(cuò)可控：糾錯(cuò)編碼；易于加密處理，且保密性好；便于利用現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行處理、變換和存儲(chǔ)；易于集成，有利于實(shí)現(xiàn)通信設(shè)備的小型化。數(shù)字通信的缺點(diǎn):

一般比模擬通信占據(jù)的系統(tǒng)頻帶寬；需要嚴(yán)格的同步，實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜。24第1章緒論掌握信息的定義與度量方法I為消息x所攜帶的信息量P(x)為該消息發(fā)生的概率平均信息量為：25第1章緒論評(píng)價(jià)通信系統(tǒng)性能的指標(biāo)數(shù)字通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)傳輸速率和頻帶利用率——有效性

碼元傳輸速率和信息傳輸速率誤碼率和誤信率（誤比特率）——可靠性例：某數(shù)字通信系統(tǒng)在4s內(nèi)傳輸4800個(gè)碼元，采用4進(jìn)制傳輸，則信息速率為2400bps。26第1章緒論信道特性及其傳輸?shù)挠绊?、信道中的噪聲、信道容量的香農(nóng)公式。香農(nóng)公式：

信道容量：是指信道中信息能夠無差錯(cuò)傳輸?shù)淖畲笏俾省?7第1章緒論例1設(shè)某一數(shù)字信號(hào)的符號(hào)傳輸速率為800B(波特)，若采用二進(jìn)制傳輸時(shí)，信息速率為

；若采用四進(jìn)制傳輸時(shí)，信息速率為

；若采用八進(jìn)制傳輸時(shí)，信息速率為

。800bps1600bps2400bps例2

一個(gè)離散信號(hào)源每毫秒發(fā)出4種符號(hào)中的一個(gè)，各相互獨(dú)立符號(hào)出現(xiàn)的概率分別為1/4,1/8,1/8和1/2。則該信號(hào)源的平均信息量為

，平均信息速率為

。1.75bit/symbol1.75kb/s28第1-3章要點(diǎn)和例題第1章緒論第2章模擬調(diào)制技術(shù)第3章模擬信號(hào)的數(shù)字化主要內(nèi)容29第2章模擬調(diào)制技術(shù)調(diào)制的基本概念：定義、分類和模型調(diào)制是把信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男问降倪^程。連續(xù)波模擬調(diào)制可以分為幅度調(diào)制和角度調(diào)制。調(diào)制器調(diào)制信號(hào)載波已調(diào)信號(hào)30第2章模擬調(diào)制技術(shù)

各種模擬線性調(diào)制技術(shù)調(diào)幅（AM）模擬線性調(diào)制包括AM、DSB-SC、SSB和VSB。對(duì)于線性的理解：頻譜的搬移是線性的。調(diào)幅指數(shù)：Am/A0；|m(t)|>A0時(shí)，則發(fā)生“過調(diào)幅”。帶寬功率調(diào)制效率：31第2章模擬調(diào)制技術(shù)

DSB-SC：調(diào)制效率：100％；優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省了載波功率；缺點(diǎn)：不能用包絡(luò)檢波，需用相干解調(diào)，較復(fù)雜。單邊帶調(diào)制（SSB）濾波法相移法32第2章模擬調(diào)制技術(shù)

殘留邊帶調(diào)制（VSB）殘留邊帶濾波器的特性H()在c處必須具有互補(bǔ)對(duì)稱（奇對(duì)稱）特性,相干解調(diào)時(shí)才能無失真地從殘留邊帶信號(hào)中恢復(fù)所需的調(diào)制信號(hào)。相干解調(diào)33第2章模擬調(diào)制技術(shù)模擬角度調(diào)制技術(shù)

FM--瞬時(shí)頻率偏移隨調(diào)制信號(hào)成比例變化；

PM--瞬時(shí)相位偏移隨調(diào)制信號(hào)m(t)而線性變化。如果預(yù)先不知道調(diào)制信號(hào)m(t)的具體形式，則無法判斷已調(diào)信號(hào)是調(diào)相信號(hào)還是調(diào)頻信號(hào)。調(diào)頻信號(hào)的帶寬：卡森公式

34第2章模擬調(diào)制技術(shù)多路復(fù)用：為充分利用信道帶寬，提高傳輸容量，把多路信號(hào)在同一信道中傳輸。常用的復(fù)用方式有：頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和碼分復(fù)用。不同調(diào)制方式的性能比較：AM調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是接收設(shè)備簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是功率利用率低，抗干擾能力差；

FM波的幅度恒定不變，有抗快衰落能力。寬帶FM

的抗干擾能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)帶寬與信噪比的互換。35第2章模擬調(diào)制技術(shù)例1：模擬非線性調(diào)制方法包括

和

兩種。若某個(gè)調(diào)頻系統(tǒng)中，基帶信號(hào)的最高頻率為3kHz，最大調(diào)制頻偏為5kHz，則其信號(hào)帶寬近似為__________。

16kHz例2：已知某模擬基帶信號(hào)的頻率范圍為0~3.4kHz，若采用AM調(diào)制方式傳輸，則已調(diào)信號(hào)頻帶寬度為

；若采用DSB調(diào)制方式傳輸，則已調(diào)信號(hào)頻帶寬度為

；若采用SSB調(diào)制方式傳輸，則已調(diào)信號(hào)頻帶寬度為

。6.8kHzFMPM6.8kHz3.4kHz36第1-3章要點(diǎn)和例題第1章緒論第2章模擬調(diào)制技術(shù)第3章模擬信號(hào)的數(shù)字化主要內(nèi)容37抽樣信號(hào)的頻譜Xs(f)是無數(shù)間隔頻率為fs的原信號(hào)頻譜X(f)相疊加而成。第3章模擬信號(hào)的數(shù)字化低通信號(hào)的抽樣定理信號(hào)的重建實(shí)際應(yīng)用中，抽樣頻率fs必須比2fH

大一些。38第3章模擬信號(hào)的數(shù)字化例1：若一低通信號(hào)m(t)的頻率范圍是0~108kHz，則可以無失真恢復(fù)信號(hào)的最小抽樣頻率為

_______________。

216kbps例2：語音信號(hào)在抽樣前預(yù)濾波的目的是

。濾除帶外干擾，防止頻譜混疊39第3章模擬信號(hào)的數(shù)字化帶通信號(hào)的抽樣定理抽樣是對(duì)原始信號(hào)頻譜進(jìn)行周期性延拓的結(jié)果，只要保證邊帶之間不重疊即可。如果要求各邊帶之間等間隔，則40第3章模擬信號(hào)的數(shù)字化例3：如果對(duì)頻率限制在65MHz~90MHz的模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣，根據(jù)帶通抽樣定理，能根據(jù)抽樣序列無失真恢復(fù)信號(hào)所需的最低抽樣頻率的取值范圍是_______________。

60-65MHz41第3章模擬信號(hào)的數(shù)字化模擬信號(hào)的量化方法：均勻量化和非均勻量化量化是按預(yù)先規(guī)定的有限個(gè)電平表示模擬抽樣值的過程。正常量化區(qū)內(nèi)，均勻量化的最大量化誤差與樣值信號(hào)的大小無關(guān)。量化器的平均輸出信號(hào)量噪比隨量化電平數(shù)

M的增大而提高。423.2量化【例3.2】設(shè)一個(gè)均勻量化器的量化電平數(shù)為M，其輸入信號(hào)抽樣值在區(qū)間[-a,a]內(nèi)具有均勻的概率密度。試求該量化器的平均信號(hào)量噪比?！窘狻?33.2量化 由于此信號(hào)具有均勻的概率密度，故

結(jié)論：量化器的平均輸出信號(hào)量噪比隨量化電平數(shù)M的增大而提高。44第3章模擬信號(hào)的數(shù)字化例4：均勻量化器的量化信噪比與編碼位數(shù)的關(guān)系是

，非均勻的量化器可以提高

（大/?。┬盘?hào)的量化信噪比。編碼位數(shù)增加1位，信噪比增加6dB小45第3章模擬信號(hào)的數(shù)字化非均勻量化的目的：提高小信號(hào)的輸出信號(hào)量噪比。非均勻量化的原理：量化間隔隨信號(hào)抽樣值的不同而變化。信號(hào)抽樣值小時(shí)，量化間隔v也?。恍盘?hào)抽樣值大時(shí)，量化間隔v也變大。目前國(guó)際上廣泛使用的是A律和律壓縮特性。我國(guó)大陸：A=87.6。46第3章模擬信號(hào)的數(shù)字化脈沖編碼調(diào)制（PCM）的原理與性能，二進(jìn)制碼字碼型、A律13折線編碼。從模擬信號(hào)抽樣、量化，直到變換成為二進(jìn)制符號(hào)的基本過程，稱為脈沖編碼調(diào)制。

PCM中常用的碼型：自然二進(jìn)碼；折疊二進(jìn)碼；循環(huán)二進(jìn)碼（格雷碼）：一個(gè)重要特點(diǎn)是相鄰碼字之間只有一位碼元不同。47第3章模擬信號(hào)的數(shù)字化8位A律13折線PCM編碼過程確定極性碼；確定段落碼c2

c3

c4

，（128，512，1024）；確定段內(nèi)碼：段內(nèi)碼是按量化間隔均勻編碼的，每一段落均被均勻地劃分為16個(gè)量化間隔。確定量化值落在具體哪個(gè)段落，取其段落中間值。PCM譯碼過程：解碼過程中為了減少誤差，在量化判決電平的基礎(chǔ)上加上1/2量化間隔，所對(duì)應(yīng)的編碼輸出是12位，1/2個(gè)量化間隔的權(quán)值在4位段內(nèi)碼之后。48段落碼編碼規(guī)則段落序號(hào)段落碼c2c3c4段落范圍（量化單位）81111024~20487110512~10246101256~5125100128~256401164~128301032~64200116~3210000~1649第3章模擬信號(hào)的數(shù)字化例6：電信網(wǎng)中話音采樣頻率為

，經(jīng)PCM編碼后單路語音速率為

，采用的編碼碼型為

。例7：語音對(duì)數(shù)壓縮的兩個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)分別是A律和

μ律，我國(guó)大陸采用

，A=

。

8kHz64kbpsFBC或折疊二進(jìn)碼A律87.6

50第3章模擬信號(hào)的數(shù)字化例8：采用A律13折線編碼，設(shè)最小量化級(jí)為，已知抽樣脈沖值為+535，試求

(1)采用逐次比較型編碼器所得編碼輸出；

(2)接收端解碼輸出和量化誤差。提示：A律13折線各個(gè)段落的起始電平和量化間隔

分段序號(hào)12345678段落碼000001010011100101110111起始電平016△32△64△128△256△512△1024△段內(nèi)量化間隔△△2△4△8△16△32△64△51第3章模擬信號(hào)的數(shù)字化解：(1)計(jì)算A律13折線輸出：

說明該樣值落在第7段，段內(nèi)量化間隔為32△。則A律13折線的編碼輸出為11100000。52第3章模擬信號(hào)的數(shù)字化(2)接收端解碼輸出：接收端解碼輸出電平為+528△

量化誤差=(+535△)-(+528△)=7△

53第3章模擬信號(hào)的數(shù)字化自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制原理

8k抽樣速率，那么，1路PCM信號(hào)需要用

64kbps的傳輸速率；

ADPCM可在32kbps上達(dá)到64kbps的PCM數(shù)字電話質(zhì)量。

ADPCM的主要改進(jìn)是量化器和預(yù)測(cè)器均采用自適應(yīng)方法。所謂量化自適應(yīng)的基本思想是讓量化階(n)

的變化隨輸入信號(hào)的均方根值s(n)相匹配，即(n)=Ks(n)。54第3章模擬信號(hào)的數(shù)字化例8：差分脈碼調(diào)制是利用樣值之間的

特性進(jìn)行壓縮編碼。相關(guān)例9：ADPCM可在

傳輸速率上達(dá)到

64kbps的PCM數(shù)字電話質(zhì)量。32kbps55第3章模擬信號(hào)的數(shù)字化

增量調(diào)制的原理與性能增量調(diào)制(M)可以看成是一種最簡(jiǎn)單的DPCM。增量調(diào)制系統(tǒng)中的量化噪聲

一般量化噪聲：階梯本身的電壓突跳產(chǎn)生。過載量化噪聲：信號(hào)變化過快引起失真。