模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸(1)

模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸交換技術(shù)模擬信號(hào)數(shù)字化的基本原理抽樣量化編碼模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)將時(shí)間連續(xù)的模擬信號(hào)變成時(shí)間離散的PAM信號(hào)。將抽樣得到的時(shí)間離散信號(hào)的幅度離散化，使之變成不僅時(shí)間離散，而且幅度也是離散的數(shù)字信號(hào)。將量化后得到的多電平信號(hào)變成二電平信號(hào)。

模擬信號(hào)數(shù)字化過(guò)程示意框圖交換技術(shù)抽樣、量化及編碼(000)(000)(001)(001)(010)(011)(100)(101)(101)(110)(111)(111)(111)000000001001010011100101101110111111111f(t)t(Ts)交換技術(shù)抽樣定理低通抽樣定理交換技術(shù)低通抽樣定理抽樣定理一個(gè)頻帶限制在（0，fH）赫以?xún)?nèi)的時(shí)間連續(xù)的函數(shù)m(t),如果以Ts≤1/2fH的等間隔時(shí)間抽樣，則所得的樣值可以完全確定原信號(hào)m(t)。

Ts=1/2fH為抽樣的最大時(shí)間間隔，稱(chēng)為奈奎斯特間隔。交換技術(shù)取樣定理圖解Tst

T(t)

-2

s(

s)-

s2

s0

stms(t)

Ms(

)0tm(t)

M(

)10-

H

H返回交換技術(shù)主要內(nèi)容抽樣定理脈沖振幅調(diào)制（PAM）脈沖編碼調(diào)制（PCM）交換技術(shù)脈沖振幅調(diào)制（PAM）自然抽樣平頂抽樣交換技術(shù)自然抽樣實(shí)際抽樣過(guò)程中信號(hào)波形及頻譜分布情況交換技術(shù)脈沖振幅調(diào)制（PAM）自然抽樣平頂抽樣交換技術(shù)平頂抽樣圖解tq(t)

|Q(

)|tms(t)

Ms(

)mq'(t)t

Mq(

交換技術(shù)脈沖編碼調(diào)制（PCM）

PCM調(diào)制系統(tǒng)1信號(hào)的量化2

PCM編碼器3交換技術(shù)原理框圖壓縮量化編碼信道抽樣譯碼擴(kuò)張低通濾波干擾A/D變換PAM在發(fā)送端進(jìn)行波形編碼，經(jīng)抽樣、量化和編碼把模擬信號(hào)變換為二進(jìn)制碼組。

交換技術(shù)脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)電話信號(hào)的頻率寬度為300～3400Hz，國(guó)際上均采用抽樣頻率fs=8000Hz，為了保證一定的話音質(zhì)量，對(duì)每一抽樣值采用8比特編碼，每一路標(biāo)準(zhǔn)話路的等效比特速率為：實(shí)際中的PCM系統(tǒng)，常常不是單路系統(tǒng)，而是采用時(shí)分多路復(fù)用的方法交換技術(shù)脈沖編碼調(diào)制（PCM）

PCM調(diào)制系統(tǒng)1信號(hào)的量化2

PCM編碼器3交換技術(shù)信號(hào)的量化量化是對(duì)模擬信號(hào)抽樣值幅度離散化的過(guò)程。即利用預(yù)先規(guī)定的有限個(gè)電平值來(lái)表示模擬信號(hào)抽樣值的過(guò)程。量化通常由量化器完成抽樣—把時(shí)間連續(xù)的信號(hào)變?yōu)闀r(shí)間離散的信號(hào)量化—把取值連續(xù)的抽樣信號(hào)變?yōu)槿≈惦x散的信號(hào)交換技術(shù)科學(xué)的靈感，決不是坐等可以等來(lái)的。如果說(shuō)，科學(xué)上的發(fā)現(xiàn)有什么偶然的機(jī)遇的話，那么這種“偶然的機(jī)遇”只能給那些學(xué)有素養(yǎng)的人，給那些善于獨(dú)立思考的人，給那些具有鍥而不舍的精神的人，而不會(huì)給懶漢。

---華羅庚（中國(guó)）交換技術(shù)交換技術(shù)信號(hào)的量化量化的基本原理交換技術(shù)量化的基本原理量化器允許的最大輸入信號(hào)幅度稱(chēng)為工作范圍將工作范圍的電壓值分成M個(gè)量化級(jí)或量化區(qū)間，每個(gè)量化級(jí)均用一個(gè)電平值表示，這個(gè)電平值叫量化電平值。落入每層的PAM信號(hào)將由該層的量化值表示，由M個(gè)量化電平值來(lái)表示輸入的PAM信號(hào)的各種幅度。量化器工作范圍0～8V設(shè)置8個(gè)等間隔量化級(jí)每個(gè)量化區(qū)間1V時(shí)刻幅值2.8量化值2.5交換技術(shù)量化的基本原理q6q5q4q3q2q1m5m4m3m2m1m0tTs2Ts3Ts4Ts5Ts6Tsm(t)mq(t)m(4Ts)mq(4Ts)量化誤差m6交換技術(shù)量化噪聲均勻量化非均勻量化交換技術(shù)均勻量化把輸入信號(hào)的取值域按等距離分割的量化稱(chēng)為均勻量化。各量化級(jí)之間的間距為常數(shù)落入每個(gè)量化級(jí)(也叫量化區(qū)間)的PAM信號(hào)的幅值通常是隨機(jī)變量交換技術(shù)量化噪聲均勻量化非均勻量化交換技術(shù)非均勻量化非均勻量化的特點(diǎn)：量化級(jí)階距Δ不是常數(shù)，是

根據(jù)輸入信號(hào)的大小來(lái)確定的。輸入信號(hào)小，Δ小，輸入信號(hào)大,Δ大。交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法：抽樣值先壓縮，再均勻量化

y=f（x）f—非線性變換接收端x=f-1（y）采用擴(kuò)張器恢復(fù)x如右圖所示： 圖中縱坐標(biāo)y是均勻刻 度的，橫坐標(biāo)x是非均 勻刻度的。所以輸入電 壓x越小，量化間隔也就 越小。也就是說(shuō)，小信號(hào) 的量化誤差也小。交換技術(shù)常用壓縮器大多采用對(duì)數(shù)式壓縮，即y=lnx。廣泛采用的兩種對(duì)數(shù)壓縮律是μ壓縮律和A壓縮律。

我國(guó)大陸、歐洲各國(guó)以及國(guó)際間互連時(shí)采用A律，北美、日本和韓國(guó)等少數(shù)國(guó)家和地區(qū)采用

律。信號(hào)的壓縮與擴(kuò)張交換技術(shù)A律壓擴(kuò)特性式中x——壓縮器歸一化輸入電壓y——壓縮器歸一化輸出電壓A——壓縮器參數(shù)(a)(b)交換技術(shù)對(duì)b式過(guò)零點(diǎn)作切線，就得到a式，它是一線性方程:在實(shí)用中，選擇A等于87.6。(a)(b)信號(hào)的壓縮與擴(kuò)張13折線A律15折線μ律交換技術(shù)3.A律13折線：用13段折線逼近A=87.6的A律壓縮特性。具體方法是：對(duì)x軸不均勻分成8段，分段的方法是每次以二分之一對(duì)分；對(duì)y軸在0-1范圍內(nèi)均勻分成8段，每段間隔均為1/8。然后把x，y各對(duì)應(yīng)段的交點(diǎn)連接起來(lái)構(gòu)成8段直線。其中第1、2段斜率相同(均為16)，因此可視為一條直線段，故實(shí)際上只有7根斜率不同的折線。

交換技術(shù)脈沖編碼調(diào)制（PCM）

PCM調(diào)制系統(tǒng)1信號(hào)的量化2

PCM編碼器3交換技術(shù)編碼定義把量化后的信號(hào)電平值變換成二進(jìn)制碼組的過(guò)程稱(chēng)為編碼，其逆過(guò)程稱(chēng)為解碼或譯碼。一般，把M個(gè)量化電平用n位二進(jìn)制碼來(lái)表示即M＝2n。n位碼元組成一個(gè)碼組或稱(chēng)為一個(gè)碼字交換技術(shù)表6–4常用二進(jìn)制碼型

樣值脈沖極性格雷二進(jìn)制自然二進(jìn)碼折疊二進(jìn)碼量化級(jí)序號(hào)正極性部分10001001101110101110111111011100111111101101110010111010100110001111111011011100101110101001100015141312111098負(fù)極性部分01000101011101100010001100010000011101100101010000110010000100000000000100100011010001010110011176543210交換技術(shù)

在13折線編碼中，普遍采用8位二進(jìn)制碼，對(duì)應(yīng)有M=28=256個(gè)量化間隔，即正、負(fù)輸入幅度范圍內(nèi)各有128個(gè)量化間隔。這需要將13折線中的每個(gè)折線段再均勻劃分16個(gè)量化級(jí)（8×16=128），由于每個(gè)段落長(zhǎng)度不均勻，因此正或負(fù)輸入的8個(gè)段落被劃分成8×16=128個(gè)不均勻的量化級(jí)。極性碼段落碼段內(nèi)碼C1C2C3C4C5C6C7C8

其中第1位碼C１的數(shù)值“1”或“0”分別表示信號(hào)的正、負(fù)極性，稱(chēng)為極性碼。8位碼的安排第1位碼C1的數(shù)值“1”或“0”分別表示信號(hào)的正、負(fù)極性，稱(chēng)為極性碼。第2至第4位碼C2C3C4為段落碼，代表8個(gè)段落的起點(diǎn)電平。第5至第8位碼C5C6C7C8為段內(nèi)碼，這4位碼的16種可能狀態(tài)用來(lái)分別代表每一段落內(nèi)的16個(gè)均勻劃分的量化間隔極性碼C1段落碼C2C3C4段內(nèi)碼C5C6C7C8交換技術(shù)段落碼與各段的關(guān)系段落序號(hào)段落碼C2c3c487654321

1111001100011010001000交換技術(shù)c5～c8

（段內(nèi)碼）表示抽樣值處于段內(nèi)16個(gè)量化級(jí)中的哪一個(gè)量化級(jí)(子區(qū))。電平序號(hào)段內(nèi)碼電平序號(hào)段內(nèi)碼c5c6c7c8c5c6c7c815141312111098111111101101110010111010100110007654321001110110010101000011001000010000段內(nèi)碼與各段的關(guān)系交換技術(shù)C1（極性碼）1代表正極性，0代表負(fù)極性。c2c3c4

（段落碼）表示抽樣值處于8個(gè)段落中哪一個(gè)段落（折線段）。c5～c8

（段內(nèi)碼）表示抽樣值處于段內(nèi)16個(gè)量化級(jí)中的哪一個(gè)量化級(jí)(子區(qū))。交換技術(shù)

可見(jiàn)，用這種分段方法就可對(duì)輸入信號(hào)形成一種不均勻量化分級(jí)。小信號(hào)分得細(xì)，最小量化間隔(第一、二段的量化間隔)為：

(1/128)×(1/16)=1/2048

對(duì)大信號(hào)的量化級(jí)分得粗，最大量化間隔為：

(1/2)×(1/16)=1/32

一般設(shè)最小量化間隔為一個(gè)量化單位，用Δ表示，

Δ=1/2048

。

段落碼與各段的關(guān)系交換技術(shù)編碼舉例【例】設(shè)輸入信號(hào)抽樣值Is=+1260Δ（其中Δ為一個(gè)量化單位，表示輸入信號(hào)歸一化值的1/2048），采用逐次比較型編碼器,按A律13折線編成8位C1C2C3C4C5C6C7C8逐次比較型編碼交換技術(shù)確定極性碼C1輸入信號(hào)抽樣值IS為正，C1＝11確定極性碼段落12345678起點(diǎn)電平01632641282565121024交換技術(shù)

第一次比較結(jié)果2確定段落碼確定段落碼C2C3C4段落碼C2用來(lái)表示輸入信號(hào)抽樣值IS處于13折線8個(gè)段落中的前四段還是后四段IS處于后四段（5－8段）交換技術(shù)第二次比較結(jié)果確定段落碼C2C3C4段落碼C3用來(lái)進(jìn)一步確定IS處于5－6段還是7－8段，故確定C3標(biāo)準(zhǔn)電流：

可見(jiàn)IS處于7－8段交換技術(shù)第三次比較結(jié)果確定段落碼C2C3C4同理確定C4的標(biāo)準(zhǔn)電流：

可見(jiàn)IS處于第8段C2C3C4為111起始電平為1024Δ交換技術(shù)因此確定段內(nèi)碼C5C6C7C8段內(nèi)碼是進(jìn)一步表示在該段落的哪一量化級(jí)（量化間隔）。第8段的16個(gè)量化間隔均為：

可見(jiàn)IS處于前八級(jí)（0－7量化間隔）第四次比較結(jié)果交換技術(shù)確定段內(nèi)碼C5C6C7C8確定C6的標(biāo)準(zhǔn)電流

可見(jiàn)