現(xiàn)代通信技術(shù)之模擬信號(hào)數(shù)字化(ppt 67頁(yè)).ppt

1、模擬信號(hào)數(shù)字化,2.1 模擬通信和數(shù)字通信 2.2 數(shù)字通信的特點(diǎn)及性能指標(biāo) 2.3 語(yǔ)聲信號(hào)數(shù)字化編碼 2.4 時(shí)分多路復(fù)用 2.5 高次群數(shù)字復(fù)接,2.1 模擬通信和數(shù)字通信,信道上傳輸?shù)氖悄M信號(hào)的通信系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)。 信道上傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)的通信系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。 模數(shù)變換設(shè)備將模擬電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)通常是采用二進(jìn)制信號(hào)形式送至信道傳輸。 在接收端，數(shù)字信號(hào)再經(jīng)數(shù)模變換和電聲變換還原成聲音，送給接收者。,2.2 數(shù)字通信的特點(diǎn)及性能指標(biāo),一、數(shù)字通信的特點(diǎn) 二、 數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo),一、數(shù)字通信的特點(diǎn) 1. 抗干擾能力強(qiáng)，無(wú)噪聲積累。 2. 便于加密處理。

2、 3. 利于采用時(shí)分復(fù)用實(shí)現(xiàn)多路通信。 4. 設(shè)備便于集成化、小型化。 5. 占用頻帶寬。,二、 數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 1. 有效性指標(biāo) (1) 信息傳輸速率 (2)符號(hào)傳輸速率 (3) 頻帶利用率 2. 可靠性指標(biāo) (1) 誤碼率 (2) 信號(hào)抖動(dòng),1. 有效性指標(biāo) (1) 信息傳輸速率 信道的傳輸速率是以每秒鐘所傳輸?shù)男?息量來(lái)衡量的。,(2)符號(hào)傳輸速率 符號(hào)傳輸速率也叫碼元速率。它是指單位時(shí)間內(nèi)所傳輸碼元的數(shù)目，其單位為“波特”(Bd) 這里的碼元可以是多進(jìn)制的，也可以是二進(jìn)制的。符號(hào)傳輸速率和信息傳輸速率是可以換算的。信息傳輸速率與符號(hào)傳輸速率的關(guān)系是 Rb=NB log2M

3、式中，Rb為信息傳輸速率(bits)；NB為符號(hào)傳輸速率(碼元秒或波特)；M為碼元(或符號(hào))的進(jìn)制數(shù)。,(3) 頻帶利用率 頻帶利用率是指單位頻帶內(nèi)的傳輸速 率。信系統(tǒng)占用的頻帶愈寬，傳輸信息的 能力應(yīng)該愈大。所以，用來(lái)衡量數(shù)字通信 系統(tǒng)傳輸效率(有效性)的指標(biāo)應(yīng)當(dāng)是單位頻 帶內(nèi)的傳輸速率。,2可靠性指標(biāo) 衡量數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的主要指標(biāo)是誤碼率和信號(hào)抖動(dòng)。 (1) 誤碼率 在傳輸過(guò)程中發(fā)生誤碼的碼元個(gè)數(shù)與傳輸?shù)目偞a元數(shù)之比。 (2) 信號(hào)抖動(dòng) 在數(shù)字通信系統(tǒng)中，信號(hào)抖動(dòng)是指數(shù)字信號(hào)碼元相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)位置的隨機(jī)偏移。,2.3 語(yǔ)聲信號(hào)數(shù)字化編碼,2.3.1 語(yǔ)聲信號(hào)編碼的基本概念及分類 2.3.2

4、 脈沖編碼調(diào)制 2.3.3 差值脈沖編碼調(diào)制 2.3.4 時(shí)分多路復(fù)用 ,2.3.1 語(yǔ)聲信號(hào)編碼的基本概念及分類 一、語(yǔ)聲信號(hào)編碼的概念 二、 語(yǔ)聲信號(hào)編碼的分類 ,一、語(yǔ)聲信號(hào)編碼的概念 一個(gè)簡(jiǎn)單的語(yǔ)聲信號(hào)的脈沖編碼調(diào)制 (PCM)的編碼、解碼過(guò)程說(shuō)明語(yǔ)聲信號(hào)編 碼的概念，其示意圖如下圖所示。,圖中的AD變換包含三個(gè)部分：抽樣、量化和編碼。 (1)抽樣：是指將模擬信號(hào)在時(shí)間上離散化的過(guò)程 (2)量化：是指將模擬信號(hào)在幅度上離散化的過(guò)程。 (3) 編碼：編碼是指將每個(gè)量化后的樣值用一定的二進(jìn)制代碼來(lái)表示。,二、 語(yǔ)聲信號(hào)編碼的分類 (1) 波形編碼 (2) 參量編碼 (3) 混合編碼,2.3

5、.2 脈沖編碼調(diào)制 一、概述 脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)中的信號(hào)變換和處理過(guò)程如圖所示。,二、 抽樣 模擬信號(hào)數(shù)字化的第一步是在時(shí)間上對(duì)信號(hào)進(jìn)行離散化處理，即將時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)處理成時(shí)間上離散的信號(hào)，這一過(guò)程稱之為抽樣。 1抽樣定義及實(shí)現(xiàn)抽樣的電路模型 2抽樣定理 3與抽樣有關(guān)的誤差,1 抽樣定義及實(shí)現(xiàn)抽樣的電路模型 連續(xù)信號(hào)在時(shí)間上離散化的抽樣過(guò)程如圖所示。,具體地說(shuō)，就是某一時(shí)間連續(xù)信號(hào)f(t)，僅取 f(t0)、f(t1)、f(t2) 等各離散點(diǎn)數(shù)值，就變成 了時(shí)間離散信號(hào)。這個(gè)取時(shí)間連續(xù)信號(hào)離散點(diǎn)數(shù)值 的過(guò)程就叫做抽樣。,2抽樣定理 設(shè)時(shí)間連續(xù)信號(hào)f(t)，其最高截止頻率為fM。如果用時(shí)間間隔為

6、Ts1/2fM的開關(guān)信號(hào)對(duì)f(t)進(jìn)行抽樣，則f(t) 就可被樣值信號(hào)fs(t)=f(nTs)來(lái)惟一地表示?；蛘哒f(shuō)，要從樣值序列無(wú)失真地恢復(fù)原時(shí)間連續(xù)信號(hào)，其抽樣頻率應(yīng)選為fs2fM。這就是著名的奈奎斯特抽樣定理、簡(jiǎn)稱抽樣定理。 語(yǔ)聲信號(hào)的最高頻率限制在3400Hz，這時(shí)滿足抽樣定理的最低抽樣頻率應(yīng)為fsmm=6800Hz,為了留有一定的防衛(wèi)帶，原CCITT規(guī)定語(yǔ)音信號(hào)的抽樣頻率為fs=8000Hz，這樣，就留出了80006800=1200Hz作為濾波器的防衛(wèi)帶。,3與抽樣有關(guān)的誤差 對(duì)語(yǔ)聲信號(hào)帶寬的限制是充分的； 實(shí)行抽樣的開關(guān)函數(shù)是單位沖激脈沖序列，即理想抽樣； 通過(guò)理想低通濾波器恢復(fù)原語(yǔ)

7、聲信號(hào)。 (1) 抽樣的折疊噪聲 如果前置低通濾波器性能不良，或抽樣頻率不能滿足fs2fM的條件，都會(huì)產(chǎn)生折疊噪聲。 (2) 抽樣展寬的孔徑效應(yīng)失真。,三、 量化 1量化定義及描述 2均勻量化及量化噪聲計(jì)算 3非均勻量化及壓縮擴(kuò)張技術(shù),1量化定義及描述 量化是把信號(hào)在幅度域上連續(xù)取值變換為幅度域上離散取值的過(guò)程。具體的定義是，將幅度域連續(xù)取值的信號(hào)在幅度域上劃分為若干個(gè)分層，在每一個(gè)分層范圍內(nèi)的信號(hào)值用“四舍五入”的辦法取某一個(gè)固定的值來(lái)表示。 這一近似過(guò)程一定會(huì)產(chǎn)生誤差。量化誤差就是指量化前后信號(hào)之差，通常用功率來(lái)表示，稱之為量化噪聲。,返回,2均勻量化及量化噪聲計(jì)算 量化可以分為均勻量化與

8、非均勻量化兩種方式。 各量化分級(jí)間隔相等的量化方式即為均勻量化。 均勻量化時(shí)在整個(gè)輸入信號(hào)的幅度范圍內(nèi)量化級(jí)的大小都是相等的。 在非過(guò)載區(qū)內(nèi)，量化值隨輸入信號(hào)的變化而離散地變化，并且量化誤差總是限制在一定的范圍之內(nèi)。 在過(guò)載區(qū)內(nèi)，量化輸出就不再隨輸入信號(hào)的變化而變化，而是保持在輸出的最大量化值上，故量化誤差將隨著信號(hào)的增加而增大。量化噪聲有非過(guò)載量化噪聲和過(guò)載量化噪聲。,對(duì)于均勻量化則是將-U+U范圍內(nèi)均 勻等分為N個(gè)量化間隔，則N稱為量化級(jí)數(shù)。 設(shè)量化間隔為，則 =2U/N 如量化值取于每一量化間隔的中間值，在非過(guò)載區(qū)內(nèi)的最大量化誤差為： ema (u)=/2 但在過(guò)載區(qū)內(nèi)的量化誤差，即過(guò)載

9、量化誤差則會(huì)大于/2。,非過(guò)載區(qū)內(nèi)量化噪聲功率應(yīng)為： 或 ,根據(jù)信噪比的定義，我們可求得量化信噪比，即信號(hào)功率與量化噪聲功率之比，可表示為： 其中S= ue2 為信號(hào)功率,如前所述，N為量化分級(jí)數(shù)。在 二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)編碼中，編碼碼組的碼位數(shù)l 與量化分級(jí)數(shù)N的關(guān)系是： N=2l,當(dāng)過(guò)載電壓取得足夠大將使過(guò)載概率很小， 這時(shí)主要考慮非過(guò)載項(xiàng)，則有 對(duì)通信系統(tǒng)提出如下要求：在信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍40dB的條件下，量化信噪比不應(yīng)低于26dB。 264.8+6l - 40 則可得l11,返回,3非均勻量化及壓縮擴(kuò)張技術(shù) 非均勻量化及實(shí)現(xiàn) 律和A律壓縮特性,返回, (1) 非均勻量化及實(shí)現(xiàn) 采用均勻分級(jí)量化時(shí)其

10、量化信噪比隨信號(hào)電平的減小而下降。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因就是均勻量化的分級(jí)間隔是固定值，它不能隨信號(hào)幅度的變化而變化，故大信號(hào)時(shí)信噪比大；小信號(hào)時(shí)信噪比小。解決這一問(wèn)題的有效方法是要用非均勻分級(jí)，即非均勻量化。 非均勻量化的特點(diǎn)是：信號(hào)幅度小時(shí)，量化間隔小其量化誤差也??；信號(hào)幅度大時(shí)，量化間隔大，其量化誤差也大。采用非均勻量化可以改善小信號(hào)的量化信噪比，可以做到在不增大量化級(jí)數(shù)N的條件下，使信號(hào)在較寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的（S/Nq) dB達(dá)到指標(biāo)的要求。,實(shí)現(xiàn)非均勻量化的方法之一是采用壓縮擴(kuò)張技術(shù)。 壓縮特性是：在最大信號(hào)時(shí)其增益系數(shù)為1，隨著信號(hào)的減小增益系數(shù)逐漸變大。信號(hào)通過(guò)這種壓縮電路處理后就改變

11、了大信號(hào)和小信號(hào)之間的比例關(guān)系大信號(hào)時(shí)比例基本不變或變化較小，而小信號(hào)則相應(yīng)按比例增大。,返回,(2) 律和A律壓縮特性 律壓擴(kuò)特性 律壓縮特性表示式為： A律壓擴(kuò)特性 以A為參量的壓擴(kuò)特性叫做A律特性。 A律特性的表示式為, A律13折線壓擴(kuò)特性 目前應(yīng)用較多的是以數(shù)字電路方式實(shí)現(xiàn)的A律特性折線近似。具體實(shí)現(xiàn)的方法是：對(duì)x軸在01(歸一化)范圍內(nèi)以1/2遞減規(guī)律分成8個(gè)不均勻段，其分段點(diǎn)是1/2，1/4，1/8，1/16，1/32，1/64和1/128。對(duì)y軸在01(歸一化)范圍內(nèi)以均勻分段方式分成8個(gè)均勻段，其分段點(diǎn)是1/8，2/8，3/8，4/8，5/8，6/8，7/8和1。將x軸和y軸

12、對(duì)應(yīng)的分段線在x-y平面上的相交點(diǎn)相連接的折線就是有8個(gè)線段的折線。,可以看出，對(duì)應(yīng)同一y值的兩種情況計(jì)算所得的x值基本上相等，這說(shuō)明按遞減規(guī)律進(jìn)行非均勻分段的折線與A87.6的A律特性是十分逼近的。 通常就稱為A律13折線壓縮特性。 A律13折線壓擴(kuò)時(shí)量化信噪比也可用計(jì)算改善量的方法進(jìn)行計(jì)算，有 (S/Nq)A.dB=(S/Nq)Db +QA.dB (均),返回,四、 編碼與解碼 通常記作A/D；解碼過(guò)程是數(shù)模變換，通常記作DA。 1.二進(jìn)制碼組及編碼的基本概念 2.線性編碼與解碼 3.非線性編碼與解碼,1.二進(jìn)制碼組及編碼的基本概念 目前使用的二進(jìn)制碼組的編碼關(guān)系有3種： 一般二進(jìn)制碼 循

13、環(huán)二進(jìn)制碼 折疊二進(jìn)制碼 編碼是把模擬信號(hào)樣值變換成對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼組。從概念上講，編碼過(guò)程可以用天平稱某一物體重量的過(guò)程類比。 編碼的過(guò)程自然完成了量化。,2.線性編碼與解碼 對(duì)應(yīng)于均勻量化特性的編碼電路叫作線性編碼電路。線性編碼的碼組中各碼位的權(quán)值是定數(shù)，它不隨輸入信號(hào)幅度的變化而變化。 (1) 級(jí)聯(lián)逐次比較型編碼電路 (2) 反饋型線性編碼器 (3) 加權(quán)求和解碼網(wǎng)絡(luò),3. 非線性編碼與解碼 具有均勻量化特性的編碼叫做線性編碼，與之對(duì)應(yīng)的具有非均勻量化特性的編碼就叫做非線性編碼。非線性編碼的碼組中各碼位的權(quán)值不是固定的，而是隨著輸入信號(hào)幅度的變化而改變的。 (1) A律13折線編碼的碼字安

14、排 (2) A律13折線編碼方法,(1) A律13折線編碼的碼字安排 采用A律13折線編碼時(shí)所需的碼位數(shù)是8， 其具體安排是： a1 a2a3a4 a5a6a7a8 極性碼 段落碼 段內(nèi)電平碼 例：HT設(shè)A律13折線8位碼的碼字為11011011，試計(jì)算碼字電平Ic。 例：求抽樣電平幅度+107時(shí)所對(duì)應(yīng)的編碼碼字。,(2) A律13折線編碼方法 判定值的確定規(guī)律和提供方法 編碼方法 逐次漸近型編碼器 編碼端量化誤差的分析 A律13折線解碼, 判定值的確定規(guī)律和提供方法 極性碼的判決 段落碼的判決 段內(nèi)電平碼的判決 ,返回, 編碼方法 A律13折線編碼采用逐次反饋編碼，其編碼過(guò)程舉例如下。 例：

15、假設(shè)輸入樣值IS+444，按A律13折線編8位碼，求具體碼字。,返回, A律13折線解碼 數(shù)字?jǐn)U張部分由711變換變?yōu)?12變換。 該解碼器采用線性解碼網(wǎng)絡(luò)，需要將非線性碼變換成線性碼。為了保證接收端解碼后的量化誤差不超過(guò)(1/2)i ，在接收端應(yīng)加入(1/2)i的補(bǔ)差項(xiàng)，所以要進(jìn)行712變換，最后由變換后的線性碼B1B12來(lái)控制12位線性解碼網(wǎng)絡(luò)。,返回,五、 單片集成PCM編解碼器 大規(guī)模集成的單片編解碼器已商品化生產(chǎn)。 常把編碼和解碼集成在一塊芯片中，稱為單路PCM編解碼器。,2.3. 3 差值脈沖編碼調(diào)制 一、 差值脈沖編碼調(diào)制原理及實(shí)現(xiàn) 二、 自適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制,一、 差值脈沖編

16、碼調(diào)制原理及實(shí)現(xiàn) 差值脈沖編碼調(diào)制(DPCM)就是考慮利用語(yǔ)聲信號(hào)的相關(guān)性找出可反映信號(hào)變化特征的一個(gè)差值量進(jìn)行編碼的。根據(jù)相關(guān)性原理，這一差值的幅度范圍一定小于原信號(hào)的幅度范圍。 因此，在保持相同量化誤差的條件下，量化電平數(shù)就可以減少，也就是壓縮了編碼速率。,二、 自適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制 為了能進(jìn)一步提高DPCM方式的質(zhì)量還需采取一些輔助措施，即自適應(yīng)措施。為了能在相當(dāng)寬的變化范圍內(nèi)仍能得到最佳的性能，DPCM也需要自適應(yīng)系統(tǒng)，這里的自適應(yīng)包括自適應(yīng)預(yù)測(cè)和自適應(yīng)量化，稱為ADPCM。 自適應(yīng)量化的基本思想是：讓量化間隔(t) 的變化，與輸入信號(hào)方差相匹配，即量化器階距隨輸入信號(hào)的方差而變化，

17、它正比于量化器輸入信號(hào)的方差。,2. 3. 4 子帶編碼的基本概念及工作原理 子帶編碼是首先將輸入信號(hào)分割成幾個(gè)不同的頻帶分量，然后再分別進(jìn)行編碼，這類編碼方式稱為頻域編碼。 頻域編碼將信號(hào)分解成不同頻帶分量的過(guò)程去除了信號(hào)的冗余度，得到了一組互不相關(guān)的信號(hào)。 這同DPCM方式的機(jī)理雖然不同，但從去除冗余度的角度來(lái)說(shuō)這兩者又是相似的。,2.4 時(shí)分多路復(fù)用,2.4.1 時(shí)分多路復(fù)用的概念及構(gòu)成 2.4.2 時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)中的幀同步 2.4.3 PCM3032路系統(tǒng),2.4.1 時(shí)分多路復(fù)用的概念及構(gòu)成 為了提高信道利用率，在傳輸過(guò)程中一般采用多路復(fù)用的傳輸方式多個(gè)信號(hào)在同一條信道上傳輸。 目前應(yīng)

18、用較多的是頻分多路復(fù)用(FDM)和時(shí)分多路復(fù)用(TDM)。前者適用于時(shí)間連續(xù)信號(hào)的傳輸，后者適用于時(shí)間離散信號(hào)的傳輸，如前面討論的PCM系統(tǒng)就是采用時(shí)分多路復(fù)用的方式傳輸?shù)摹?下圖給出了一個(gè)時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)的示意圖。 ,時(shí)分多路復(fù)用系統(tǒng)中收、發(fā)兩端的同步應(yīng) 包括兩個(gè)方面： (1) 時(shí)鐘頻率的同步 (2) 幀時(shí)隙的同步,2.4.2 時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)中的幀同步 一、 幀同步電路的工作原理 二、 幀同步系統(tǒng)中的保護(hù)電路 三、 對(duì)幀同步系統(tǒng)的要求,一、 幀同步電路的工作原理 為完成同步功能，在接收端還需有兩種裝置： 一是同步碼識(shí)別裝置，識(shí)別接收的PCM信號(hào)序列中的同步標(biāo)志碼的位置； 二是調(diào)整裝置，當(dāng)收、發(fā)兩端同步標(biāo)志碼位置不對(duì)應(yīng)時(shí)，需對(duì)收端進(jìn)行調(diào)整使其兩者位置相對(duì)應(yīng)，這些裝置統(tǒng)稱為幀同步電路。,二、 幀同步系統(tǒng)中的保護(hù)電路 由同步碼誤碼引起的誤判失步叫做“假失步”。為了減少系統(tǒng)工作中出現(xiàn)假失步的現(xiàn)象，避免誤判，一般系統(tǒng)中并不是將一次比較結(jié)果就作為是否失步的判決依據(jù)，而是連續(xù)觀察幾次，如幾次都不能對(duì)準(zhǔn)信號(hào)序列中的同步碼時(shí)才確認(rèn)是真正失步。 在系統(tǒng)進(jìn)入同步引入過(guò)程之后，為了避免由于假同步碼的出現(xiàn)而誤判為同步，在電路設(shè)計(jì)中加入一個(gè)核對(duì)保護(hù)電路。這個(gè)電路的作用是在同步引入狀態(tài)中連續(xù)幾幀的同步檢