【大學(xué)課件】模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸

模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸本課程將深入探討模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程，以及數(shù)字信號(hào)的傳輸技術(shù)。我們將學(xué)習(xí)采樣、量化、編碼等關(guān)鍵概念，并探討實(shí)際應(yīng)用案例。1.概述模擬信號(hào)連續(xù)變化的電信號(hào)，如聲音、圖像等。數(shù)字化將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信息。傳輸過(guò)程包括采樣、量化、編碼、調(diào)制等步驟。模擬信號(hào)的特點(diǎn)連續(xù)性模擬信號(hào)在時(shí)間和幅度上都是連續(xù)的。無(wú)限精度理論上可以無(wú)限精確地表示信息。易受干擾容易受到噪聲和干擾的影響，導(dǎo)致信號(hào)失真。數(shù)字化傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)抗干擾能力強(qiáng)數(shù)字信號(hào)對(duì)噪聲和干擾的抵抗力更強(qiáng)。易于再生數(shù)字信號(hào)可以多次再生，不會(huì)累積失真。便于壓縮數(shù)字信號(hào)可以進(jìn)行有效壓縮，節(jié)省帶寬。2.采樣1定義對(duì)連續(xù)模擬信號(hào)進(jìn)行時(shí)間離散化的過(guò)程。2目的將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的時(shí)間序列。3關(guān)鍵參數(shù)采樣頻率、采樣間隔和采樣精度。采樣定理奈奎斯特定理采樣頻率應(yīng)不低于信號(hào)最高頻率的兩倍。香農(nóng)定理采樣頻率大于信號(hào)帶寬的兩倍可以無(wú)失真重建。意義確保采樣后能夠完整保留原始信號(hào)的信息。采樣頻率的選擇1超采樣2標(biāo)準(zhǔn)采樣3欠采樣超采樣：采樣頻率遠(yuǎn)高于奈奎斯特頻率，可提高信號(hào)質(zhì)量。標(biāo)準(zhǔn)采樣：采樣頻率等于奈奎斯特頻率的兩倍。欠采樣：采樣頻率低于奈奎斯特頻率，會(huì)導(dǎo)致頻譜混疊。采樣誤差時(shí)間誤差采樣時(shí)刻與理想時(shí)刻的偏差。幅度誤差采樣值與真實(shí)信號(hào)值的差異。量化誤差將連續(xù)幅度轉(zhuǎn)換為離散值時(shí)產(chǎn)生的誤差。3.量化1模擬信號(hào)連續(xù)變化的原始信號(hào)。2量化過(guò)程將連續(xù)幅度轉(zhuǎn)換為離散值。3數(shù)字信號(hào)離散化后的數(shù)字表示。量化的原理量化間隔相鄰量化級(jí)之間的幅度差。量化級(jí)數(shù)將信號(hào)幅度范圍劃分為的離散等級(jí)數(shù)。舍入規(guī)則確定采樣值歸屬于哪個(gè)量化級(jí)的規(guī)則。量化噪聲定義量化過(guò)程中引入的誤差，表現(xiàn)為附加噪聲。影響因素量化間隔大小、信號(hào)幅度分布。降低方法增加量化級(jí)數(shù)、使用非均勻量化。量化級(jí)數(shù)的選擇88位量化適用于語(yǔ)音信號(hào)，256個(gè)量化級(jí)。1616位量化CD音質(zhì)，65536個(gè)量化級(jí)。2424位量化高保真音頻，16777216個(gè)量化級(jí)。4.編碼1信源編碼將量化后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼。2信道編碼增加冗余信息以提高傳輸可靠性。3線路編碼將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合傳輸?shù)牟ㄐ巍Ｃ}沖編碼調(diào)制(PCM)采樣對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行等間隔采樣。量化將采樣值轉(zhuǎn)換為離散的幅度級(jí)。編碼將量化級(jí)用二進(jìn)制碼表示。差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM)預(yù)測(cè)根據(jù)前幾個(gè)樣本預(yù)測(cè)當(dāng)前樣本值。差值計(jì)算計(jì)算實(shí)際值與預(yù)測(cè)值的差。編碼差值對(duì)差值進(jìn)行量化和編碼。三角波編碼調(diào)制(DM)原理用一系列固定幅度的脈沖來(lái)逼近模擬信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合低比特率傳輸。缺點(diǎn)存在斜率過(guò)載問(wèn)題，對(duì)快變信號(hào)不敏感。5.信道編碼1檢錯(cuò)碼2糾錯(cuò)碼3混合編碼檢錯(cuò)碼：能夠檢測(cè)出錯(cuò)誤，如奇偶校驗(yàn)碼。糾錯(cuò)碼：能夠檢測(cè)并糾正錯(cuò)誤，如漢明碼?；旌暇幋a：結(jié)合檢錯(cuò)和糾錯(cuò)功能，如Reed-Solomon碼。線性分組碼1信息位待傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)位。2校驗(yàn)位根據(jù)信息位計(jì)算得到的冗余位。3碼字信息位和校驗(yàn)位組成的完整編碼序列。卷積碼連續(xù)性編碼過(guò)程具有記憶性，當(dāng)前輸出與之前輸入相關(guān)。高效性在低信噪比條件下具有良好的糾錯(cuò)能力。復(fù)雜度解碼過(guò)程較為復(fù)雜，通常使用維特比算法。循環(huán)冗余碼原理利用多項(xiàng)式除法生成校驗(yàn)位。應(yīng)用廣泛用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通信系統(tǒng)的錯(cuò)誤檢測(cè)。特點(diǎn)易于硬件實(shí)現(xiàn)，檢錯(cuò)能力強(qiáng)。6.調(diào)制與解調(diào)1調(diào)制將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合傳輸?shù)哪M信號(hào)。2傳輸通過(guò)信道傳輸調(diào)制后的信號(hào)。3解調(diào)將接收到的模擬信號(hào)還原為數(shù)字信號(hào)?；鶐д{(diào)制歸零碼每個(gè)碼元之間都有回到零電平的間隔。不歸零碼碼元之間無(wú)回零間隔，占用帶寬較小。曼徹斯特碼每個(gè)碼元中間有跳變，便于時(shí)鐘恢復(fù)。帶通調(diào)制幅移鍵控(ASK)通過(guò)改變載波幅度來(lái)表示數(shù)字信號(hào)。頻移鍵控(FSK)通過(guò)改變載波頻率來(lái)表示數(shù)字信號(hào)。相移鍵控(PSK)通過(guò)改變載波相位來(lái)表示數(shù)字信號(hào)。解調(diào)方式相干解調(diào)需要精確的載波同步，抗噪聲性能好。非相干解調(diào)不需要載波同步，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但性能較差。差分相干解調(diào)介于相干和非相干之間，性能和復(fù)雜度折中。7.數(shù)字信號(hào)的傳輸1發(fā)送端信號(hào)調(diào)制、功率放大。2傳輸介質(zhì)電纜、光纖、無(wú)線信道。3接收端信號(hào)放大、解調(diào)、時(shí)鐘恢復(fù)。同軸電纜結(jié)構(gòu)內(nèi)導(dǎo)體、絕緣層、外導(dǎo)體和保護(hù)套。優(yōu)點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)，帶寬大。應(yīng)用有線電視、局域網(wǎng)、長(zhǎng)距離通信。雙絞線屏蔽雙絞線(STP)具有額外的金屬屏蔽層，抗干擾能力更強(qiáng)。非屏蔽雙絞線(UTP)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，廣泛用于局域網(wǎng)。應(yīng)用以太網(wǎng)、電話線、DSL寬帶接入。光纖單模光纖芯徑小，傳輸距離遠(yuǎn)，帶寬高。多模光纖芯徑大，短距離傳輸，成本低。優(yōu)勢(shì)抗電磁干擾，傳輸容量大，衰減小。8.實(shí)際應(yīng)用案例電話通信系統(tǒng)語(yǔ)音采樣8kHz采樣率，8位量化。PCM編碼64kbps的基本語(yǔ)音信道。時(shí)分復(fù)用多路語(yǔ)音信號(hào)合并傳輸。有線電視網(wǎng)絡(luò)信源編碼MPEG-2/H.264視頻壓縮。信道編碼前向糾錯(cuò)碼提高傳輸可靠性。調(diào)制QAM調(diào)制提高頻譜利用率。數(shù)字音頻/視頻傳輸1音頻編碼MP3、AAC等壓縮技術(shù)。2視頻編碼H.265/HEVC高效視頻編碼。3流媒體傳輸RTMP、HLS等協(xié)議。9.總結(jié)與展望技術(shù)進(jìn)步數(shù)字化傳輸技術(shù)不斷發(fā)展，提高了通信效率和質(zhì)量。應(yīng)用廣泛從日常通信到高科技領(lǐng)域，數(shù)字化傳輸無(wú)處不在。未來(lái)趨勢(shì)更高效的編碼算法，更智能的傳輸系統(tǒng)。發(fā)展趨勢(shì)15G