第3章 模擬信號的數(shù)字傳輸-第2講.ppt

1、第2章模擬信號的數(shù)字傳輸、3.1概要3.2脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)(PCM) 3.3增量調(diào)制(M) 3.4自適應差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM) 3.5 PCM與m系統(tǒng)的性能比較、本章目標，掌握第1次采樣定理的脈沖振幅調(diào)制其次，我們熟悉脈沖代碼調(diào)制(PCM )的原理，它熟悉模擬信號的均勻量化和不均勻量化的方法，其次，我們熟悉差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM )和自適應差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM )系統(tǒng)的操作原理，它熟悉簡單的增量調(diào)制(m )的原理3.3增量調(diào)制(M) 3.3.1簡單增量調(diào)制(m或DM) 3.3.2改進型增量調(diào)制系統(tǒng)、3.3.1增量調(diào)制(DM或M) 1、增量編碼的基本原理、增量編碼的基本原理如

2、果t足夠小，即，采樣頻率fs=1/t足夠高并且u足夠小，則x(t )可以近似為x(t )。 u稱為步長，t=Ts稱為采樣間隔。 假定圖3.15中的增量調(diào)制過程之間的波形001111000。模擬信號m(t )得到了時間間隔t，幅度差u的階梯波形m(t )得以近似，如圖所示。 如果t足夠小，即，采樣頻率fs=1/t足夠高并且u足夠小，則m(t )可以近似為m(t )。 u稱為步長，t=TS稱為采樣間隔。 2、當m信號解碼的基本思想接收方接收到每次接收“1”碼時將量化步長提高一個“0”碼并將量化步長降低一個“1”碼(或“0”碼)時，輸出一直上升(或下降)，并將步長波m信號的解碼可以由積分器來完成。

3、解碼器輸出、平滑低通濾波器輸出、接收二進制碼、圖3.16單路m系統(tǒng)簡化框圖，量化信號瞬時值與前一個采樣時刻的量化值之差，僅對該差的代碼進行編碼。 3、簡單增量調(diào)制系統(tǒng)的框圖，4、增量調(diào)制的量化噪聲、過載量化噪聲-1)過載量化噪聲在模擬信號的斜率急劇變化時發(fā)生，因為步長恒定，并且由于單位時間內(nèi)的步長數(shù)也確定，步長電壓波形就發(fā)生在信號的斜率上。 2 )如果將最大跟蹤斜率采樣間隔設(shè)置為t (采樣率fs=1/t )，則在一個階段上的最大斜率k被稱為、以及解碼器的最大跟蹤斜率，并且可以使圖3.17 M中的量化噪聲、t 2)fs減小或增大3 )為了避免出現(xiàn)過載現(xiàn)象，fs和的乘積必須是恒定的值、以使得信號的

4、實際斜率不超過該值，通?？稍龃蠡蛟龃骹s。 典型的量化誤差：如果解碼器的最大跟蹤斜率大于等于模擬信號m(t )的最大變化斜率，即，解碼器輸出m(t )可以跟隨輸入信號m(t )的變化，因為沒有發(fā)生過載現(xiàn)象，所以不形成大的失真。 當然，此時，在m(t )和m(t )之間仍存在固定誤差eq(t )，但限于-，在時段內(nèi)改變，并且因此將誤差稱為普通量化誤差。 從上式可知，為了不發(fā)生過載，或者需要增大fs。 1 )因為它們增加并且典型的量化誤差也增加，并且簡單的增量調(diào)制的級別恒定，所以難以同時滿足兩種要求。 另外，增加圖3中的17a的量化噪聲(a )、一般量化誤差(b )、過載量化誤差(2)fs有利于減

5、少常見量化誤差和過載噪聲。 因此，m系統(tǒng)中的采樣率遠高于PCM系統(tǒng)中的采樣率。 m系統(tǒng)采樣率的典型值為16kHz或32kHz，對應的單通道編碼比特率為16kb/或32kb/s。在正常通信中，不期望過載現(xiàn)象的發(fā)生，這實際上是對輸入信號的限制。 以正弦信號為例進行說明。 假設(shè)輸入模擬信號是m(t)=Asinkt，并且斜率的最大值可以看作=Ak coskt，并且斜率的最大值是Ak。 臨界過載振幅(允許信號寬度)請定義為、式中fK信號的頻率，以免發(fā)生過載。 當信號的斜率固定時，可接受的信號幅度隨著信號頻率的增加而減小，并且音頻高帶中的量化信噪比降低。 這是單純的增量調(diào)制不能實用的理由之一。 根據(jù)以上分

6、析，為了正常編碼，限制信號的幅度，并且將Amax稱為最大容許編碼電平。 同樣，還需要能夠正常開始編碼的最小信號幅度。 最小編碼電平(開始編碼電平) Amin :編碼的動態(tài)范圍定義為最大容許編碼電平Amax與最小編碼電平Amin的比即DcdB=20 lg (3)是編碼器可正常工作的輸入信號振幅范圍。 當代入式(1)和式(2)時，由于通常以fk=800Hz作為測試基準，因而根據(jù)動態(tài)范圍和采樣率的關(guān)系可知，m是1比特的編碼率，信號的增量為正或負的脈沖編碼調(diào)制。 增量調(diào)制中也存在量化噪聲，如果發(fā)生過載現(xiàn)象則會發(fā)生大的過載量化噪聲。 簡單增量調(diào)制的編碼動態(tài)范圍小，并且在低傳輸編碼率的情況下，不滿足語音信

7、號的要求。 通常，語音信號的動態(tài)范圍要求為40-50dB。 為了防止過載現(xiàn)象，需要采用遠高于PCM調(diào)制的采樣頻率，并且存在動態(tài)范圍小且平均信噪比小的問題。 實用的m常用于增量總和調(diào)制(-)、數(shù)字壓力擴展自適應增量調(diào)制、差分脈沖碼調(diào)制等改進型。MC3518原理功能框圖、增量調(diào)制解調(diào)器芯片隨著軍用通信和中容量民用通信對增量調(diào)制解調(diào)器終端機需求的增加，目前制造了單片集成編解碼器。 此圖顯示了MC3518的原理功能框圖。 (1)增量總和調(diào)制(-)、圖3.18 -調(diào)制系統(tǒng)的原理框圖、增量調(diào)制、(1)增量總和調(diào)制(-) M調(diào)制的符號反映相鄰的兩個采樣值的變化量的正負，該變化量為增量由于m個二進制碼具有導數(shù)

8、信息，因此接收端可以通過積分代碼而得到傳輸?shù)男盘枴?調(diào)制的代碼不同。 由于信號在積分后進行增量調(diào)制，所以具有信號積分后的微分信息。 由于微分和積分相互抵消，-的代碼實際上表示輸入信號的振幅信息。 此時，只要接收側(cè)施加一個用于去除帶外噪聲的低通濾波器，就可以使得可以重建發(fā)送的信號。 (2)隨著自適應增量調(diào)制(ADM )信號斜率的幅度改變步長，其中自動適應信號斜率變化是減少在合適采樣頻率處的量化失真(過載失真和一般量化失真)的有效方法對于ADM，由于步驟是不固定的，由此其對應于不均勻量化，因此也稱為壓縮-擴頻自適應增量調(diào)制。 正在研究各種方法以適應m級的量化。 所有方法的共同點：檢測到傾斜過載時開

9、始增大的階段的傾斜度降低時降低階段的方法，可以直接測量輸入信號的傾斜度，直接傳輸階段信息，或者從傳輸數(shù)字信號中獲得階段信息。 (3)數(shù)字擴頻自適應增量調(diào)制，圖3.19信道碼中“1”碼或“0”碼與輸入信號斜率的關(guān)系，圖3.20數(shù)字檢測音節(jié)壓力擴頻自適應增量調(diào)制系統(tǒng)的原理框圖，其中，數(shù)字擴頻自適應增量調(diào)制是數(shù)字檢測3.4自適應差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM) 3.4.1差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM )、PCM的缺點：數(shù)字速率高，DPCM思想： PCM為各采樣值xn-1 .xn、xn 1，由于相鄰采樣值之間具有強相關(guān)性，可以在前面的采樣值中事先考慮下一個采樣值的增量，所以不需要傳輸該采樣值本身，可以僅傳

10、輸差值。 圖3.21 DPCM的原理框圖，差分脈沖編碼調(diào)制DPCM的原理差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM )對先前的振幅樣本值進行編碼，其中考慮到在模擬信號采樣之后仍然存在的振幅樣本值的相關(guān)性，在先前的振幅樣本值中包括后續(xù)的振幅樣本值的大部分信息一般使用DPCM來壓縮數(shù)字速率，以大幅度降低模擬信號編碼的比特數(shù)、傳輸信息的比特率、圖像信號的編碼。 DPCM是m和PCM兩者的特征，來對信號采樣值和信號預測值的差分值進行量化、編碼。 另外，DPCM和PCM的差異：在PCM中，利用信號采樣值進行量化、編碼來傳輸，與此相對，在DPCM中，利用信號采樣值和信號預測值的差進行量化、編碼來傳輸。 DPCM和m的區(qū)別

11、： m以1位的二進制表示增量，DPCM以n位(例如4位)的二進制代碼表示增量。 因此，這是m和PCM之間的編碼方式。 DPCM編輯、解碼過程1和圖1 a是DPCM編碼器的框圖。 在開始時，積分保持電路的輸出為零，在產(chǎn)生了第一采樣的幅度采樣值x1之后，在第一采樣加法器處將量化器原樣發(fā)送給量化器。 量化器的輸出是x1的量化值，分成兩個，發(fā)送到編碼器進行編碼并輸出的另一路徑發(fā)送到第二加法器。 在第二采樣振幅采樣值x2到達第一加法器之后，與積分保持電路所輸出的保持值進行減法運算，接著進行量化，經(jīng)量化的輸出被分成兩個，一個進行編碼并輸出，另一個到達第二加法器，與保持值進行加法運算，積分保持電路重新開始隨

12、后，第三幅度采樣值x3又到達第一加法器并且重復x2的處理，使得輸出端繼續(xù)輸出x1以外的均衡差分信號的PCM編碼。 圖(b )所示的DPCM解碼器完成與上述編碼器相反的動作過程。 從接收信號復原差分值，與積分保持電路保持的值相加得到的量化值和通過低通濾波器復原輸出源的模擬信號。 當在DPCM的性能與聲音信號的發(fā)送處理維持相同的聲音質(zhì)量的同時，DPCM的編碼比特率對比特數(shù)n-4進行編碼時，與PCM相比，從DPCM系統(tǒng)發(fā)送的聲音的量化信噪比高6dB。 按照采樣定理對帶寬為1兆赫的黑白可視電話圖像信號進行糾正，并且如果采用采樣頻率必須大于等于2兆赫的DPCM方案，則只需對每個采樣值生成3位代碼，就可以

13、達到以比特率6Mbps為16Mbps的PCM所可達到的圖像質(zhì)量3.4.2自適應差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM )、64kb/s的a律或律的對數(shù)擴頻PCM編碼已經(jīng)廣泛應用于大容量光纖通信系統(tǒng)和數(shù)字微波系統(tǒng)。 然而，由于PCM信號占用的頻帶比模擬通信系統(tǒng)中的一個標準線路帶寬(3.1 kHz )寬許多倍，因此相比于模擬通信，在大容量長距離傳輸系統(tǒng)中尤其是在衛(wèi)星通信中采用PCM的經(jīng)濟性能是困難的。 以較低的速率獲得高質(zhì)量的編碼是語音編碼追求的目標。 一般，將話路速率小于64kb/s秒的語音編碼方法稱為語音壓縮編碼技術(shù)。 另外，語音壓縮編碼方法很多，其中自適應差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM )是語音壓縮中復

14、雜度低的編碼方法，能夠以32kb/s秒的比特率實現(xiàn)64kb/s秒的PCM數(shù)字電話質(zhì)量。 近年來，ADPCM已成為長距離傳輸中一種新的國際通用語音編碼方法。 ADPCM是基于差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM )而發(fā)展起來的。 ADPCM是一種新的脈沖編碼技術(shù)，是結(jié)合了自適應技術(shù)和差分編碼技術(shù)的編解碼器技術(shù)。 還可將64 kbit/s的脈沖碼(PCM )信號壓縮成32 kbit/s的脈沖碼數(shù)據(jù)。將傳輸脈沖編碼所需的帶寬減少一半，提高信道的利用效率，提高脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)的通信質(zhì)量。 ADPCM的基本原理是利用過去的若干采樣值來預測當前輸入的采樣值，使預測電路具有自適應的預測功能，與實際的檢測值進行比較，按

15、照使測定出的差分值總是與信號同步變化的方式自動進行量化階差的處理。 這種ADPCM技術(shù)廣泛應用于電話通信網(wǎng)。 圖3.22 ADPCM編碼器簡化原理框圖、圖3.23 ADPCM編碼器簡化原理框圖、3.5 PCM和m系統(tǒng)性能比較1 )采樣率PCM系統(tǒng)的采樣率由采樣率確定。 另一方面，由于m系統(tǒng)傳輸信號的增量(斜率)，所以采樣率不能由采樣定理決定。 一般來說，m的采樣率遠高于奈奎斯特率。 2 )由于帶寬m比PCM的采樣率要求更高的采樣率，所以采用相同帶寬時，m的通信質(zhì)量比PCM差。 3 )在與量化信噪比無錯誤的代碼(或錯誤率極低)相同的信道傳輸速度的條件下，PCM與m系統(tǒng)的比較曲線如圖3.24所示。 當對具有不同編碼位數(shù)n的圖3.24的PCM系統(tǒng)與m系統(tǒng)的性能進行比較時，它們具有相同的信道傳輸率，如可以看到的，PCM系統(tǒng)的編碼位數(shù)n小于4，其性能低于m個系統(tǒng)。 當編碼位的數(shù)目n 4時，PCM系統(tǒng)相對于m個系統(tǒng)，隨著編碼位的數(shù)目n增加而越來越好的性能。 4 )由于信道差錯碼的影響量m中每一個碼元代表相同的增量，因此，由于每一個碼元具有相同的加權(quán)值，因此在產(chǎn)生差錯碼時最多會產(chǎn)生2級的誤差。 然而，在PCM中，每一符號表