《电子科技大学通信原理李晓峰版课件第6章模拟信号数字化与》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子科技大学通信原理李晓峰版课件第6章模拟信号数字化与（91页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2019/1/6,1/80,通信原理,第6章 模拟信号 数字化与PCM,2/80,2019/1/6,模拟信号的数字化是通信与信息处理的基础技术。 电话通信系统主要采用PCM（脉冲编码调制）技 术实施语音信号的数字化。 数字化过程由抽样、量化与编码三个基本环节组成：,3/80,2019/1/6,本章目录： 6.1 模拟信号的抽样 6.2 均匀量化与最佳量化 6.3 量化信噪比与对数量化 6.4 脉冲编码调制 6.5 *差分脉冲编码调制与增量调制 6.6 时分复用,4/80,2019/1/6,6.1 模拟信号的抽样,5/80,2019/1/6,把时间连续信号转换为时间离散序列通过抽样来完成。抽样或
2、采样（Sampling）就是在某些时刻上抽取信号值，形成反映原信号的样值序列。,带限信号的抽样定理 实际抽样中的自然与平顶抽样 模拟信号的脉冲调制 带通信号的抽样定理,本节包括：,6/80,2019/1/6,6.1.1 带限（或低通）抽样定理,7/80,2019/1/6,采样,8/80,2019/1/6,9/80,2019/1/6,Ms(f) 的谱块呈周期性结构，每个谱块的形状都与原始信号的谱块形状相同。因此从任何谱块都可以恢复原始信号。,10/80,2019/1/6,重建,11/80,2019/1/6,频谱混叠,若 (欠采样) , 的频谱将混叠,12/80,2019/1/6,预滤波: 防止频
3、谱混叠,使用预滤波器，错误能量 减小一半 .,13/80,2019/1/6,6.1.2 实际抽样,实际抽样中采用某种物理可实现的窄脉冲，常用的为矩形脉冲。,(a) 模拟信号,(b) 矩形脉冲串,(c) 自然抽样,(d) 平顶抽样,图 6.1.3 自然抽样与平顶抽样,占空比：,14/80,2019/1/6,15/80,2019/1/6,可以证明：自然抽样 信号的频谱为：,其中：,-fs,-3fs,-2fs,-fH,fH,fs,2fs,3fs,f,16/80,2019/1/6,t,17/80,2019/1/6,平顶抽样信号的谱为:,其中,18/80,2019/1/6,孔径失真:,19/80,201
4、9/1/6,由平顶抽样信号重建原始模拟信号,均衡滤波器,1/H(f),LPF,20/80,2019/1/6,6.1.3 *模拟脉冲调制,21/80,2019/1/6,22/80,2019/1/6,带通信号 只在频率间隔 内有非零频谱 ，且,则，若采样频率为,该带通波形可由采样值复制。,6.1.4 *带通信号的抽样（自学）,带通抽样定理:,其中：,抽样过程使原始信号谱块周期性重复，而无失真抽样的条件是重复过程中谱块不能相互重叠。,23/80,2019/1/6,窄带带通信号,24/80,2019/1/6,作业： 1 2 6,25/80,2019/1/6,6.2 均匀量化与最佳量化,26/80,20
5、19/1/6,6.2.1 量化原理,量化（Quantization）是一个近似过程，以适度的误差为代价，使无限精度（或较高精度）的数值可以用较少的数位来表示。,量化: 一个无限数的模拟抽样值集合被一个有限数的量化电平集合近似。,输出电平,27/80,2019/1/6,保留一位小数的四舍五入量化器：,28/80,2019/1/6,抽样、量化、编码 :,平顶抽样PAM,量化的PAM,模拟信号,编码,M-量化电平数,n-编码位数,29/80,2019/1/6,量化特性曲线：,-0.5,1.5,0.5,3.5,2.5,-1.5,-2.5,-3.5,-2,-1,-3,3,2,1,量化范围 Or 设计峰峰
6、值 2V,过载区,过载区,n - 码字的位数,30/80,2019/1/6,31/80,2019/1/6,量化误差（量化噪声）：,均方误差（即噪声功率）：,一个随机信号,32/80,2019/1/6,6.2.2 均匀量化器,过载噪声: 来源于信号的峰值电平超过了量化器的设计电平,量化误差分类:,非过载噪声: 在正常量化范围内的量化噪声,量化精度：,满值,33/80,2019/1/6,注意到各区间上的积分形式完全相同，即,其实，即使输入不是均匀分布的， 。,。,34/80,2019/1/6,均匀量化器简单常用，但不一定保证误差最小。 使 达到最小的量化器称为最佳量化器。,6.2.3 *最佳量化器
7、,35/80,2019/1/6,6.3 量化信噪比与对数量化,36/80,2019/1/6,6.3.1 量化信噪比,量化误差的实际影响取决于它与信号的相对大小 量化信噪比,信号的幅度尽量大，但必须在量化范围内。,记 归一化有效值,37/80,2019/1/6,下面讨论 的均匀量化器的信噪比：,于是，,分贝形式：6dB规则,38/80,2019/1/6,例6.3 分析输入信号为均匀分布和正弦信号时，量化器不过载时允许的最大信号幅度与相应的均匀量化信噪比。,解：量化器输入为-V,V上均匀分布的信号 时,信号功率为：,于是：,平均信噪比,39/80,2019/1/6,输入信号均匀分布时的量化信噪比曲
8、线：,40/80,2019/1/6,量化器输入正弦信号 时,信号功率为：,于是：,41/80,2019/1/6,42/80,2019/1/6,量化器信噪比特点如下：,(1) 6-dB 准则： PCM 码字每增加1比特，SNR就会增加6-dB. 对于均匀量化 ：小信号 小 SNR ，大信号 大 SNR,信噪比还受信号类型与幅度影响： 不一样。,43/80,2019/1/6,例6.4 为了高保真地保存2020kHz的立体音乐信号，CD数字音响系统采用44.1KHz的采样率与16位的均匀量化器，试求: (1)该系统的峰值信噪比和平均信噪比是多少？(2)立体声CD信号的数据率是多少？,解：（1）易知,
9、44/80,2019/1/6,（2）立体声包括两个声道的信号，因此，总数据率为，,PCM信号速率（模拟信号A/D变换后的数码率）：,比特率:,其中:,B 模拟信号的带宽,n PCM 编码位数,作业： 8 11,45/80,2019/1/6,6.3.2 对数量化,语音信号的幅度的概率密度函数Laplace分布,均匀量化时:,其中：,语音信号的量化SNR：,模拟语音信号是一种峰平功率差异很大的信号，语音信号的有效幅度通常只有最大幅度的20%左右。,46/80,2019/1/6,实用电话语音信号的幅度难于控制： （1）不同的发话人音量不同与情绪状态不同； （2）话机与数字化单元间的距离、衰耗差别。,
10、实际电话系统要求：面对约4050dB的动态范围，提供至少25dB的量化信噪比。,语音信号平均功率有4050dB的变动范围（动态范围）,47/80,2019/1/6,希望：采用较少的量化比特（通常为8），在宽的输入动态范围上达到良好的量化信噪比。,例6.5自学,48/80,2019/1/6,可通过对抽样值进行非线性处理，增大小信号的幅度，提升小信号的信噪比；大信号的幅度有所下降（大信号的信噪比总是有富裕的）；因而保证了动态范围的要求。,非均匀量化,实现,压缩器,均匀 量化器,编码器,信道,扩张器,译码器,噪声,49/80,2019/1/6,a. 压缩:,增加小信号幅度，减小大信号幅度，大小信号的
11、范围被压缩了。,b. 扩张器: 为了恢复语音的自然度所作的反变换,对数量化,是对数曲线,50/80,2019/1/6,国际电信联盟（ITU）的标准（对数压缩规律）：, 样值,其中: A - 压缩参数,51/80,2019/1/6,A-law 特性曲线,0,0.2 0.4 0.6 0.8 1.0,0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,A=1,A=2,A=5,A=87.6（典型值）,A=100,52/80,2019/1/6,量化信噪比：,SNR改善量,与均匀量化比较,M=256 线性,十三折线,M=256,M=128,M=64,语音动态范围,长话质
12、量要求,53/80,2019/1/6,国际标准:,54/80,2019/1/6,55/80,2019/1/6,量化信噪比：,两种方案在宽达4050dB的动态范围中性能优良。,56/80,2019/1/6,匀滑的非线性对数曲线 用折线近似,* A-律 13 折线近似：,7,6,5,4,3,2,1,0,57/80,2019/1/6,归一化,正方向,负方向 与正方向同,斜率,0段: 1段: 2段: 3段 :,4段: 5段: 6段: 7段:,58/80,2019/1/6,0段: 1段: 2段: 3段 :,每段: 16等分,量化电平数 :,4段: 5段: 6段: 7段:,59/80,2019/1/6,表
13、6.3.1 13折线（A律）主要参数,60/80,2019/1/6,* PCM 对数编码：,符号位 :,段落码:,看 处于8段中的哪一段，编段落码,段内编码 :,每段又均分为16层，,看 处于哪一层，编段内码,61/80,2019/1/6,6.4 脉冲编码调制,62/80,2019/1/6,语音信号的PCM数据率：,（1）电话信号带宽： Hz，抽样率为8kHz； （2）量化： 律或 律非线性量化，在语音信号动态范围4050dB内有良好的量化信噪比； （3）编码（Encoding）：将每个量化输出电平表示为8比特二进制码字。,63/80,2019/1/6,电话系统中的PCM传输框图：,模拟信号
14、出,模拟,信号,信号入,防混叠 低通滤波器,带限模拟信号,抽样 8KHz,8bit 对数量化,编码器,PCM,PCM 发射机 (ADC),电话线,再生 中继器,电话线,电话线,信道 (传输路径),PCM 信号,译码器,量化 PAM,低通滤波器 (重建),PCM 接收机(DAC),再生 中继器,再生 中继器,接收机 前端电路,量化 PAM,抽样 PAM,64/80,2019/1/6,65/80,2019/1/6,解：(1),采用矩形NRZ脉冲时，第一零点带宽为，,（2） 12位线性（均匀）量化时，,66/80,2019/1/6,6.4.2 编码规则,8位PCM的编码结合13或15折线法进行，用折叠二进制编码：,67/80,2019/1/6,量化电平序号,量化电平极性,自然码,折叠码,7,6,5,4,3,2,1,0,（最正）,（正）,（负）,（最负）,011,111,110,101,100,010,001,000,111,110,101,100,010,001,000,011,折叠码在绝对值小的电平附近，1位传输错误造成的信号误差比自然码的小。可在平均意义下使传输误码造成的破坏轻一些。,表6.4.2 折叠码与自然码规则,68/80
