通信原理 (第六版)第9章(2)

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1、 9.5.3 PCM系统的抗噪声性能分析PCM的系统性能将涉及两种噪声：量化噪声和信道加性噪声。由于这两种噪声的产生机理不同，故可认为它们是互相独立的。因此，我们先讨论它们单独存在时的系统性能， 然后再分析它们共同存在时的系统性能。 考虑两种噪声时， 图 9 - 17 所示的 PCM 系统接收端低通滤波器的输出为 =m(t)+nq(t)+ne(t)式中，m(t)为输出端所需信号成分；nq(t)为由量化噪声引起的输出噪声，其功率用Nq表示；ne(t)为由信道加性噪声引起的输出噪声，其功率用Ne表示。 1图 9 - 17 PCM系统原理框图2(9.5 - 4)式中，二进码位数N与量化级数M的关系为

2、M=2N。 由上式可见，PCM系统输出端的量化信噪比将依赖于每一个编码组的位数N，并随N按指数增加。若根据式（9.5 - 2）表示的PCM系统最小带宽B=NfH，式(7.4 - 4)又可表示为(9.5 - 5) 该式表明，PCM系统输出端的量化信噪比与系统带宽B成指数关系，充分体现了带宽与信噪比的互换关系。 3已假设信号m(t)在区间-a, a为均匀分布，经分析，输出信号功率为So=Em2(t)= dx= M2= 22N (9.5- 6) 由式（9.5 - 4）和（9.5 - 5），我们得到仅考虑信道加性噪声时, PCM系统的输出信噪比为4在上面分析的基础上，同时考虑量化噪声和信道加性噪声时，

3、PCM系统输出端的总信噪功率比为由上式可知，在接收端输入大信噪比的条件下，即4Pe22N1时，Pe很小，可以忽略误码带来的影响，这时只考虑量化噪声的影响就可以了。在小信噪比的条件下，即4Pe22N1 时，Pe较大，误码噪声起主要作用，总信噪比与Pe成反比。 应当指出，以上公式是在自然码、均匀量化以及输入信号为均匀分布的前提下得到的。 59.6 增 量 调 制 （M）增量调制简称M或DM，它是继PCM后出现的又一种模拟信号数字传输的方法，可以看成是DPCM的一个重要特例。 其目的在于简化语音编码方法。 M与PCM虽然都是用二进制代码去表示模拟信号的编码方式。但是，在PCM中，代码表示样值本身的大

4、小，所需码位数较多，从而导致编译码设备复杂；而在M中，它只用一位编码表示相邻样值的相对大小，从而反映出抽样时刻波形的变化趋势，与样值本身的大小无关。 M与PCM编码方式相比具有编译码设备简单， 低比特率时的量化信噪比高，抗误码特性好等优点。在军事和工业部门的专用通信网和卫星通信中得到了广泛应用，近年来在高速超大规模集成电路中用作A/D转换器。本节将详细论述增量调制原理， 并介绍几种改进型增量调制方式。 69.6.1简单增量调制1. 编译码的基本思想不难想到，一个语音信号，如果抽样速率很高（远大于奈奎斯特速率），抽样间隔很小，那么相邻样点之间的幅度变化不会很大，相邻抽样值的相对大小（差值）同样能

5、反映模拟信号的变化规律。 若将这些差值编码传输， 同样可传输模拟信号所含的信息。此差值又称“增量”，其值可正可负。 这种用差值编码进行通信的方式，就称为“增量调制”（Delta Modulation），缩写为DM或M。 为了说明这个概念， 我们来看图 9 - 18。图中，m(t)代表时间连续变化的模拟信号，我们可以用一个时间间隔为t， 相邻幅度差为+或-的阶梯波形m(t)来逼近它。只要t足够小，即抽样速率fs=1/t足够高，且足够小，则阶梯波m(t)可近似代替m(t)。其中，为量化台阶，t=Ts为抽样间隔。 7图 9- 18 增量编码波形示意图8图 9- 19 积分器译码原理99.6.2增量调

6、制的过载特性与动态编码范围增量调制和PCM相似，在模拟信号的数字化过程中也会带来误差而形成量化噪声。如图 9 - 20 所示，误差e q(t)=m(t)-m(t)表现为两种形式： 一种称为过载量化误差， 另一种称为一般量化误差。 当输入模拟信号m(t)斜率陡变时，本地译码器输出信号m(t)跟不上信号m(t)的变化，如图 9- 20(b)所示。这时， m(t)与m(t)之间的误差明显增大，引起译码后信号的严重失真， 这种现象叫过载现象，产生的失真称为过载失真， 或称过载噪声。这是在正常工作时必须而且可以避免的噪声。 10图 9 - 20量化噪声(a) 一般量化误差； (b) 过载量化误差11 设

7、抽样间隔为t（抽样速率为fs=1/t），则一个量阶上的最大斜率K为K= (9.6 - 1) 它被称为译码器的最大跟踪斜率。 显然， 当译码器的最大跟踪斜率大于或等于模拟信号m(t)的最大变化斜率时， 即12译码器输出m(t)能够跟上输入信号m(t)的变化，不会发生过载现象， 因而不会形成很大的失真。当然，这时m(t)与m(t)之间仍存在一定的误差eq(t)，它局限在-，区间内变化，这种误差称为一般量化误差。 由式(9.6 - 2)可见，为了不发生过载， 必须增大和fs。 但增大，一般量化误差也大，由于简单增量调制的量阶是固定的，因此很难同时满足两方面的要求。实际中增量调制采用的抽样频率fs值比

8、PCM和DPCM的抽样频率值都大很多；对于语音信号而言，增量调制采用的抽样频率在几十千赫到百余千赫。 (9.6 - 2)13n起始编码电平 当增量调制编码器输入电压的峰-峰值为0或小于 时，编码器的输出就成为“1”和“0”交替的二进制序列。因为译码器的输出端接有低通滤波器，故这时译码器的输出电压为0。只有当输入的峰值电压大于/2时，输出序列才随信号的变化而变化。故称/2为增量调制编码器的起始编码电平。149.6.3增量调制系统的抗噪声性能与PCM系统一样，增量调制系统的抗噪声性能也是用输出信噪比来表征的。在M系统中同样存在两类噪声，即量化噪声和信道加性噪声。由于这两类噪声是互不相关的，可以分别

9、讨论。 1. 量化信噪功率比从前面分析可知，量化噪声有两种，即过载噪声和一般量化噪声。由于在实际应用中都是防止工作到过载区域，因此这里仅考虑一般量化噪声。 在不过载情况下，误差eq(t)=m(t)-m(t)限制在-到范围内变化，若假定eq(t)值在（-，+）之间均匀分布，则 M调制的量化噪声的平均功率为15假设这个功率的频谱均匀分布在从0到抽样频率fs之间，即其功率 谱密度P(f)可以近似地表示为：因此，此量化噪声通过截止频率为fm的低通滤波器之后，其功率等 于：由上式可以看出，此基本量化噪声功率只和量化台阶与(fL / fs)有 关，和输入信号大小无关。 16信号功率的最大值为 So= 因此

10、在临界振幅条件下， 系统最大的量化信噪比为若M采用和PCM同样的抽样频率 ， 且令 ，这样小的信噪比不允许，因此M的抽样频率比PCM的抽样频率高很多，才能保证通信质量。179.6.4 PCM与M系统的比较 PCM和M 都是模拟信号数字化的基本方法。M实际上是DPCM的一种特例，所以有时把PCM和M统称为脉冲编码。但应注意，PCM是对样值本身编码，M是对相邻样值的差值的极性（符号）编码。这是M与PCM的本质区别。 1. 抽样速率 PCM系统中的抽样速率fs是根据抽样定理来确定的。若信号的最高频率为fm，则fs2fm。对语音信号，取fs=8kHz 。 在M系统中传输的不是信号本身的样值，而是信号的

11、增量（即斜率），因此其抽样速率fs不能根据抽样定理来确定。 M的抽样速率与最大跟踪斜率和信噪比有关。在保证不发生过载，达到与PCM系统相同的信噪比时，M的抽样速率远远高于奈奎斯特速率。 1819204. 信道误码的影响在M系统中，每一个误码代表造成一个量阶的误差，所以它对误码不太敏感。故对误码率的要求较低，一般在10-3 10-4。而PCM的每一个误码会造成较大的误差，尤其高位码元，错一位可造成许多量阶的误差(例如，最高位的错码表示2N-1个量阶的误差)。所以误码对PCM系统的影响要比M 系统严重些，故对误码率的要求较高， 一般为10-510-6。由此可见，M允许用于误码率较高的信道条件，这是

12、M与PCM不同的一个重要条件。215. 设备复杂度 PCM系统的特点是多路信号统一编码，一般采用8位（对语音信号），编码设备复杂，但质量较好。PCM一般用于大容量的干线（多路）通信。 M系统的特点是单路信号独用一个编码器，设备简单， 单路应用时，不需要收发同步设备。但在多路应用时，每路独用一套编译码器，所以路数增多时设备成倍增加。 M一般适于小容量支线通信，话路上、下方便灵活。目前，随着集成电路的发展，M的优点已不再那么显著。在传输语音信号时，M话音清晰度和自然度方面都不如 PCM。因此目前在通用多路系统中很少用或不用M。M一般用在通信容量小和质量要求不十分高的场合以及军事通信和一些特殊通信中

13、。 229.7差分脉冲编码调制（DPCM）64kb/s的A律或律的对数压扩PCM编码已经在大容量的光纤通信系统和数字微波系统中得到了广泛的应用。 但PCM信号占用频带要比模拟通信系统中的一个标准话路带宽（3.1 kHz）宽很多倍，这样，对于大容量的长途传输系统，尤其是卫星通信，采用PCM的经济性能很难与模拟通信相比。 以较低的速率获得高质量编码，一直是语音编码追求的目标。通常，人们把话路速率低于64kb/s的语音编码方法， 称为语音压缩编码技术。239.7.1 DPCM在PCM中，每个波形样值都独立编码，与其他样值无关， 这样，样值的整个幅值编码需要较多位数，比特率较高， 造成数字化的信号带宽

14、大大增加。然而，大多数以奈奎斯特或更高速率抽样的信源信号在相邻抽样间表现出很强的相关性， 有很大的冗余度。利用信源的这种相关性，一种比较简单的解决方法是对相邻样值的差值而不是样值本身进行编码。由于相邻样值的差值比样值本身小，可以用较少的比特数表示差值。这样，用样点之间差值的编码来代替样值本身的编码， 可以在量化台阶不变的情况下（即量化噪声不变），编码位数显著减少，信号带宽大大压缩。这种利用差值的PCM编码称为差分PCM（DPCM ）。 如果将样值之差仍用N位编码传送，则DPCM的量化信噪比显然优于PCM系统。 24图9-21 DPCM系统原理框图259.8 时分复用(DM)9.8.1 时分复用

15、原理时分复用(Time division Multiplexing-TDM)是利用各信号的抽样值在时间上不相互重叠来达到在同一信道中传输多路信号的一种方法。在FDM系统中，各信号在频域上是分开的而在时域上是混叠在一起的；在TDM系统中，各信号在时域上是分开的， 而在频域上是混叠在一起的。图 9 - 22 给出了两个基带信号进行时分复用的原理图。图中，对m1(t)和m2(t)按相同的时间周期进行采样，只要采样脉冲宽度足够窄， 在两个采样值之间就会留有一定的时间空隙。 26图 9- 22两个基带信号时分复用原理279.8.2 PCM基群帧结构目前国际上推荐的PCM基群有两种标准，即PCM30/32路(A律压扩特性)制式和PCM24路(律压扩特性)制式。并规定，国际通信时，以A律压扩特性为标准。 我国也规定采用PCM30/32路制式。PCM30/32 路制式基群帧结构如图 9 -23 所示，共由32路组成，其中30路用来传输用户话语，2路用作勤务。每路话音信号抽样速率fs=8000H