《数字终端技术.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字终端技术.（89页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 第二章 数字终端技术 教学重点 1理解模拟信号数字化的方法，脉冲编码调制（PCM） 基本原理; 2理解取样定理，会计算取样频率和编码率; 3理解时分多路复用原理，30/32路PCM基群帧结构， 建立数字信号帧的概念; 4了解差值脉码调制（DPCM），自适应差值脉码调制 （ADPCM）、增量调制（M）的基本原理; 5了解30/32路PCM数字通信系统的组成。 掌握脉冲编码调制（PCM）基本原理。 序 号 内 容学 时时 1 2.1 概述 1 2 2.2 脉冲编码调制（PCM）2 3 2.3 自适应差值脉码调制(ADPCM）2 4 2.4 时分多路复用通信1 5 习题和小结 6 本章讲授学时 6
2、 学时分配 教学难点 第二章 数字终端技术 2.1 概述 2.2 脉冲编码调制（PCM） 2.3 自适应差值脉码调制（ADPCM） 2.4 时分多路复用通信 本章小结 2.1 概述 一、引入相关概念 二、脉码调制 三、模拟信号数字化 四、压缩编码 1数字通信：是以数字信号作为载体来传递信息的通 信方式。 2数字通信的任务：是将各种信息变换成数字信号后 在数字通信系统中传输。 一、引入相关概念 3数字终端技术：是指由发或收的终端设备来完成的 ，将连续信号或离散信号变换成数字的基带信号的技术。 1脉码调制或PCM （Pulse Code Modulation） ：是脉 冲编码调制的简称。是实现模拟
3、信号数字化的最基本最常用 的一种方法。 2脉码调制的任务：是把时间连续、取值连续的模拟信 号转换成为时间离散、取值离散的数字信号，并按一定规律 组合编码，形成PCM信号序列。 二、脉码调制 3模拟信号数字化过程一般用抽样、量化和编码三个步 骤来完成。 4脉冲编码调制通信系统的方框图如图2.1所示。 图 2.1 脉码调制通信系统方框图 5解码器的任务与PCM调制器的任务相反，将接收到 的数字信号还原成模拟信号，滤波器滤除离散脉冲中的谐波 分量。 三、模拟信号数字化 模拟信号变换成数字信号的 过程如图2.2所示。图中模拟信号 极性为正时用“0”表示，极性 为负时用“1”表示，采用8421 码。 图
4、 2.2 将模拟信号转换成数字信号的过程 由分析可知，许多信号（例如语言信号）在大多数情况 下相邻两个样值幅度变化并不很大。利用这一特点，有一种 信源编码的方法，可以对当前样值与上一个样值的差值进行 编码，这种方法称为差值编码。 四、压缩编码 因为“差值”的幅度远小于当前样值，编码时可以用较 少的码位来表示，这就达到了降低信息编码位数、减少信道 传输压力的目的，这种编码方法又称为压缩编码。 2.2 脉冲编码调制（PCM） 一、取样 二、量化 三、编码 四、解码 五、实用PCM编、解码集成块 一、取样 取样就是在信号的通路上加一个开关，按一定的速率进 行开关动作，当开关闭合时，信号通过，开关断开
5、时，信号 被阻挡，这样就使通过开关后的信号变成了离散的不同幅度 的脉冲信号，如图2.3所示。我们将此信号称为脉冲幅度调 制（PAM）信号。 本节主要学习脉冲编码调制的三个过程：取样、量化、 编码。 图 2.3 取样示意图 从示意图可见，提取信号样值的时间间隔越短，就越能 正确地重现信号，但是缩短时间间隔会导致数据量的增加； 如果取样时间过长，可能造成频谱混叠，无法恢复原来的模 拟信号。 因此应根据奈奎斯特取样定理（简称取样定理）来确定 取样时间。取样定理描述为： 式中，fh为模拟信号的最高频率，fs为取样开关的频率，如果 fs=2fh称为奈奎斯特速率。 举例： 在电话中传送数字化声音信号，声音
6、信号的频带限制在 3003400Hz，fh=3400Hz。其取样频率fs34002，选定 fs=8000Hz， 。用此取样频率可在接收端无失真 地恢复出话音信号。 二、量化 量化：用有限个数的幅度取样值来取代原模拟信号无限 个数的幅度取样值。把这种取代称为量化。 用有限个量化值表示无限个取样值，总是含有误差的。 由于量化而导致量化值和样值的差称为量化误差，用e(t)表示 ，即 e(t) = 量化值 - 样值 量化误差在重现信号时将会以噪声的形式表现出来，由 此而产生的噪声称为量化噪声。 量化分为均匀量化和非均匀量化，把每个量化值用数字 码（或码组）表示，这个过程称为编码。实际设备中，量化 和编
7、码是一起完成的。 1均匀量化 均匀量化的实质是不管信号的大小，量化级差都相同。 其量化特性曲线如图2.4(a) 所示。 量化误差与输入电压的关系曲线如图2.4(b)所示。 该量化特性曲线共分8个量化级，量化输出取其量化级 的中间值。 当输入信号幅度在-4+4之间，量化误差的绝对值 都不会超过，这段范围称为量化的未过载区。当输入电压幅 度u(t)4或u(t)128 a2=1 Iw3=512 Is=1270512 a3=1 Iw4=1024 Is=12701024 a4=1 a2a4=111 说明该样值属于第大段，参看图2.8，其段落起始电平=段 落差=1024， 8=64。 设输入信号取样值为+
8、1270，试采用逐次对分 比较法编码器将其按13折线A律压扩特性编成8位二 进制码，并计算量化误差。 IW8=1024+ 1024+ 1024=1216 IS=12701216 a8=1 取样值为+1270的PCM码为11110011。 求段内码a5 a8, 由式2.4： IW5=1024+ 1024=1536 IS=12701536 a5=0 IW6=1024+ 1024=1280 IS=12701152 a7=1 在接收端， 解码电平 = 码字电平 量化误差= =22 四、解码 解码是编码的逆变换，其任务是把接收到的PCM码还原 成幅度受调制的脉冲信号，即重建PAM信号，然后通过低 通滤波
9、器恢复成原模拟信号。这种从数字信号到模拟信号的 变换也称数字/模拟变换（D/A变换） 解调器的种类很多，通常普遍采用的是梯形电阻网络解 码方式，即非线性解码器。其方框如图 2.12所示。 图2.12 非线性解码器方框图 PCM信号首先经串/并变换电路将串行码变为并行码，其 中极性码经极性控制译成正、负控制信号，剩余的 a2a3a87位电平码变换成11位线性码。但考虑到减小量 化误差的要求，再附加一个第12位，使最小段落的量化误 差不超过半个量化级。 这样在解码中代码变换就变为由7bit变为12bit 。 7/12变换器输出到寄存读出器，其作用是缓冲解码的时间 ，把存入的信号在确定的时刻一齐读出
10、到解码网络中，解 码网络由标准电流源和梯形电阻网络组成。 解码器的工作原理： 五、实用PCM编、解码器集成块 随着PCM通信方式发展的需要，以及大规模集成电路 和发展，编解码器这个PCM通信方式的心脏部份已经集成 化。 用一块集成块便可以完成单路PCM数字通信，如用时 分多址（TDMA）的方式，很容易构成PCM基群或更高次 群的数字通信系统，实现PCM多路数字通信。 图2.13 单路编解码器构成的PCM系统方框图 图 2.13是由单路编解码器构成的PCM系统方框图。 该系统由每个单路的语音信号各自进行 抽样、量化和编码，输出数字信号。各路输 出信号通过合路传输电路，汇合成一个串行 的数字流在信
11、道上传输。在收端同样用解码 器进行反变换。 2.3 自适应差值脉码调制ADPCM 一、差值脉码调制DPCM的原理 二、自适应差值脉码调制（ADPCM） 三、增量调制（M） PCM编码是按样值幅度独立地进行编码，不考虑相邻二 个样值的相关性如何。 需要寻求在保证相同质量指标的条件下，降低数字化话音 数码率，以提高数字通信系统的频带利用率的方法，即话音 压缩编码技术 。 结论： 回顾： PCM编码方式虽然能提供很高的通信质量，但都要采用8 位编码，传输速率为64kbit/s，占据的频带宽度为64kHz。大 大高于模拟通信所占的频带宽度 。 话音压缩编码技术：是指低于64kbit/s数码率的话音编
12、码方法。 话音压缩编码的方法有许多种，自适应差值脉码调制（ ADPCM）就是其中之一。它能在32kbit/s数码率的条件下达 到符合64kbit/s(PCM)数码率的话音质量要求。 ADPCM是在差值脉码调制（DPCM）基础上发展起来 的，在学习ADPCM工作原理之前先学习DPCM。 一、差值脉码调制DPCM的原理 把话音样值分成二个成份：一个成份与过去的样值有关 ，因而是可以预测的；另一个成份是不可预测的。可预测的 成份是由过去一些适当数字样值加权后得到，不可预测的成 份可看成是预测误差（简称差值）。这样就可以不必传输原 始的信息取样序列，只需传送差值序列就行了。由于样值差 值的动态范围远小
13、于样值本身的动态范围，这样就可以在保 证话音质量的前提下，降低数码率。接收端只要把收到的差 值信号序列叠加到预测序列上，就可以恢复出原始的信号序 列。 设想： 由传送样值差值实现通信的方法称为是差值脉码调制（ DPCM）。由图2.15说明DPCM的基本原理。 图2.14 样值差值序列与样值序列的恢复 图2.14(a) 中，设话音信号样值序列为S(0)，S(1)、 S(2)S(n)，设d(i)为本时刻样值S(i)与前邻样值S(i-1)之差 值，即d(i)=S(i)-S(i-1)，如图(b)所示（在t=0时刻，前邻时刻 （-T）的样值为零，故d(0)=S(0)。 从图(a)可知： S(0)=d(0
14、)； S(1)=d(0)+d(1)=s(0)+d(1)； S(2)=d(0)+d(1)+ d(2)=s(1) +d(2)； S(3)=d(0)+d(1)+ d(2) + d(3)=s(2)+d(3)； S(n)=s(n-1)+d(n) 1.差值脉码调制（DPCM）原理 从上式与图(a)可以看出，样值S(n)等于过去到现在的 所有差值的积累。由此可以设想，假若信道是理想的，在 发端发送差值脉冲序列d(0)、d(1)、d(2)见图(b)，那 么在收端就有可能恢复原始样值序列S(0)、S(1)、 S(2)。即在接收端将前一样值S（n-1）（所有过去差 值之累积）记忆一个抽样周期T（这可由迟延T回路完成， 见图(c)，然后与本时刻
