《2012通信原理新讲稿第9章--模拟信号的数字传输》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2012通信原理新讲稿第9章--模拟信号的数字传输（111页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,通信原理,模拟信号的数字传输,2,模拟信号的数字传输,9.1 引言 数字化3步骤：抽样、量化和编码,3,模拟信号的数字传输,模拟信号的数字传输,4,模拟信号的数字传输,本章要点 低通信号和带通信号抽样定理； 脉冲振幅调制（PAM）原理； 模拟信号的量化原理，均匀量化，非均匀量化，量化噪声，量化信噪比； 脉冲编码调制（PCM）原理，十三折线非均匀量化编码；逐次比较型编码器原理，脉冲编码调制（PCM）系统抗噪声性能；,5,模拟信号的数字传输,增量调制（M）原理，增量调制系统最大跟踪斜率，一般量化噪声，过载量化噪声，增量调制（M）系统抗噪声性能； 脉冲编码调制（PCM）系统与增量调制（M）系统的
2、比较； 差分脉冲编码调制（DPCM）原理； 自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）原理。,6,模拟信号的数字传输,9.2模拟信号的抽样 9.3 模拟脉冲调制 9.4 抽样信号的量化 9.5 脉冲编码调制（PCM） 9.6 差分脉冲编码调制 9.7 增量调制（M） 9.8 时分复用与复接,7,9.2 模拟信号的抽样,抽样 是把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值的过程。抽样定理的分类:根据信号是低通型的还是带通型， 低通抽样定理 和 带通抽样定理；根据用来抽样脉冲序列是否等间隔的均匀抽样定理 和 非均匀抽样定理；根据抽样的脉冲序列是否为冲击序列理想抽样定理 和 实际抽样定理。,8,9.
3、2 模拟信号的抽样,低通抽样定理定义: m(t) , 0, fH 频带在(0, fH ) 的时间连续信号,如果以TS1/( 2 fH )秒的间隔对它进行等间隔 （均匀）抽样,则m(t)将被抽样值完全确定。,9,9.2 模拟信号的抽样,TS=1/( 2 fH ) 是抽样的最大时间间隔,它被称为奈奎斯特间隔。若m(t)的频谱在某一频率fH以上为零,则m(t)中的全部信息完全包含在其间隔不大于1/2fH秒的均匀抽样序列里。换句话说，在信号最高频率分量的每一个周期内起码应抽样两次。抽样速率fS(每秒内的抽样点数）应不小于2fH，若抽样速率fs B , 因此对窄带信号通常速率抽样可按 fS =2B 选择
4、 ,而不用选fS =2 fH 。,18,9.2 模拟信号的抽样,例题: 已知fL =100.5 MHZ , fH =100.9 MHZ , 求fS 的值。解: B = f H f L =0.4MHZ fH = nB + kB =252B +0.25B fS = 2B (1+k/n) = 20.4(1+0.25/252) 800.8kHZ,19,9.3 模拟脉冲调制,模拟脉冲调制的种类： 周期性脉冲序列有4个参量：脉冲重复周期、脉冲振幅、脉冲宽度和脉冲相位（位置）。 其中脉冲重复周期（抽样周期）一般由抽样定理决定，故只有其他3个参量可以受调制。 3种脉冲调制： 脉冲振幅调制(PAM) 脉冲宽度调
5、制(PDM) 脉冲位置调制(PPM) 仍然是模拟调制，因为其代表信息的参量仍然是可以连续变化的。,20,9.3 模拟脉冲调制,PAM、 PDM、 PPM信号波形,21,9.3 模拟脉冲调制,脉冲振幅调制（PAM） 脉冲调制:以时间上离散的 脉冲串 作为载波,用模拟基带信号 m(t) 去控制脉冲串的某参数,使其按 m(t) 的规律变化的调制。脉冲振幅调制（PAM）是脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式。若脉冲载波是冲激序列,则前面讨论的抽样定理就是脉冲振幅调制的原理。按抽样定理得到的信号ms(t)就是一个 PAM 信号。,22,9.3 模拟脉冲调制,PAM调制信号的频谱 设：基带模拟信号的
6、波形为m(t)，其频谱为M(f)；用这个信号对一个脉冲载波s(t)调幅，s(t)的周期为T，其频谱为S(f)；脉冲宽度为，幅度为A；并设抽样信号ms(t)是m(t)和s(t)的乘积。 则抽样信号ms(t)频谱就是两者频谱的卷积：式中 Sa(2nfH) = sin(2nfH) / (2 nfH),23,9.3 模拟脉冲调制,1)自然抽样的脉冲调幅自然抽样（曲顶抽样）:,24,9.3 模拟脉冲调制,自然抽样又称曲顶抽样,它是指抽样后的脉冲幅度顶部随被抽样信号m(t)变化。 设基带信号为m(t),脉冲载波为s(t)其中 是宽度为 ，高度为A的矩形脉冲。,25,9.3 模拟脉冲调制,设单个自然抽样脉冲
7、调幅信号 为 与 的乘积。,26,9.3 模拟脉冲调制,其频谱可以表示为：,27,9.3 模拟脉冲调制,其频谱图与理想抽样（采用冲激序列抽样）的频谱图非常 相似，也是由无限多个 的 频谱之和组成。其 中n=0的成分是( /T) ，与原信号谱 只差一个比 例常数( /T)，因而也可用低通滤波器从 中滤出 从而恢复出基带信号 。,28,9.3 模拟脉冲调制,PAM调制过程的波形和频谱图,29,9.3 模拟脉冲调制,平顶抽样在实际应用中，则常用“抽样保持电路”产生PAM信号。这种电路的原理方框图如下：,m(t),T(t),mH(t),ms(t),Ms(f ),30,9.3 模拟脉冲调制,平顶抽样输出
8、频谱 设保持电路的传输函数为H(f)，则其输出信号的频谱MH( f )为：,Ms( f )用,代入，得到,31,9.3 模拟脉冲调制,比较上面的MH(f)表示式和Ms(f)表示式可见，其区别在于和式中的每一项都被H(f)加权。因此，不能用低通滤波器恢复（解调）原始模拟信号了。从原理上看，若在低通滤波器之前加一个函数为 1/H(f)的修正滤波器，就能无失真地恢复原模拟信号,32,9.4 抽样信号的量化,9.4.1 量化原理 设模拟信号的抽样值为m(kT)，其中T是抽样周期，k是整数。此抽样值仍然是一个取值连续的变量。若用N位二进制码元来代表此抽样值的大小，则此N位二进制码元只能代表 M = 2N
9、 个不同的抽样值。必须将抽样值的范围划分成M个区间，每个区间用一个电平表示。这样，共有M个离散电平，它们称为量化电平。 用 M 个量化电平表示连续抽样值的方法称为量化。,33,9.4 抽样信号的量化,M个抽样值区间是等间隔划分的，称为均匀量化。M个区间也可以不均匀划分，称为非均匀量化。,34,9.4 抽样信号的量化,量化一般公式 设：m(kT)表示模拟信号抽样值，mq(kT)表示量化后的量化信号值，q1, q2,qi, , q6是量化后信号的6个可能输出电平，m1, m2, ,mi, , m5为量化区间的端点。 则可以写出一般公式：按照上式作变换，就把模拟抽样信号m(kT)变换成了量化后的离散
10、抽样信号，即量化信号。,35,9.4 抽样信号的量化,量化器 在原理上，量化过程可以认为是在一个量化器中完成的。量化器的输入信号为m(kT)，输出信号为mq(kT) ，如下图所示。在实际中，量化过程常是和后续的编码过程结合在一起完成的，不一定存在独立的量化器。,36,9.4 抽样信号的量化,9.4.2 均匀量化 均匀量化的表示式设模拟抽样信号的取值范围在 a 和 b 之间，量化电平数为M，则在均匀量化时的量化间隔为且量化区间的端点为：若量化输出电平 qi 取为量化间隔的中点，则量化输出电平和量化前信号的抽样值一般不同，这个误差常称为量化噪声，并用信号功率与量化噪声之比衡量,37,9.4 抽样信
11、号的量化,平均信号量噪比在均匀量化时，量化噪声功率的平均值 Nq式中，mk为模拟信号的抽样值，即m(kT)；mq为量化信号值，即mq(kT)；f(mk)为信号抽样值mk的概率密度；信号 mk 的平均功率可以表示为若已知信号mk的功率密度函数，则由上两式可以计算出平均信号量噪比,38,9.4 抽样信号的量化,【例9.1】设均匀量化器的量化电平数为M，其输入信号抽样值在区间-a, a内具有均匀的概率密度。试求该量化器的平均信号量噪比。 【解】因为 所以有,39,9.4 抽样信号的量化,另外，由于此信号具有均匀的概率密度，故信号功率等于所以，平均信号量噪比为或写成由上式可以看出，量化器的平均输出信号
12、量噪比随量化电平数M的增大而提高。,dB,40,9.4 抽样信号的量化,非均匀量化原理 在非均匀量化时，量化间隔随信号抽样值的不同而变化。抽样值小，量化间隔 v 也小；抽样值大，量化间隔 v 也变大。 实际中，先将信号抽样值压缩，再进行均匀量化。压缩是用一个非线性电路将输入电压x变换成输出电压y：y = f(x),41,9.4 抽样信号的量化,非均匀量化的数学分析 当量化区间划分很多时，每一量化区间内压缩特性曲线可以近似看作为一段直线。并有设此压缩器的输入和输出电压归一化，纵坐标 y 在0和1之间均匀划分成 N 个量化区间，每量化区间的间隔等于将其代入上式，得到,42,9.4 抽样信号的量化,
13、为了对不同的信号强度保持信号量噪比恒定，当输入电压x减小时，应当使量化间隔x 按比例地减小，即要求x x因此上式可以写成或式中，k 比例常数。上式是一个线性微分方程，其解为：,43,9.4 抽样信号的量化,为了求出常数c，将边界条件 (当x = 1时，y = 1)，代入上式，得到 k + c =0将c 的值代入上式，得到即要求y f(x)具有如下形式：为了对不同信号强度保持信号量噪比恒定，理论上要求压缩特性具有对数特性。 但输入 x0时，输出y - 。 按照不同情况，还要作适当修正，使当x0时，y0。,44,9.4 抽样信号的量化,广泛采用的两种对数压扩特性是 律压扩和A律压扩。美国采用 律压扩,我国和欧洲各国均采用A律压扩,下面分别讨论这两种压扩的原理。律压扩特性:,
