《通信原理MATLAB仿真教程 中国通信学会普通高等教育“十二五”规划教材立项项目 教学课件 ppt 作者 赵鸿图 茅艳 第6章 模拟信号的数字传输》由会员分享，可在线阅读，更多相关《通信原理MATLAB仿真教程 中国通信学会普通高等教育“十二五”规划教材立项项目 教学课件 ppt 作者 赵鸿图 茅艳 第6章 模拟信号的数字传输（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第6章 模拟信号的数字传输,通信系统可以分为模拟和数字通信系统两大类。模拟信号的数字传输系统 如图6-1所示。 本章在介绍抽样定理的基础上，重点讨论模拟信号数字化的方式，即PCM和M的原理及性能，并简要介绍它们的改进型：差分脉冲编码调制(DPCM)的原理。,图6-1模拟信号的数字传输,6.1 抽样定理,抽样定理是模拟信号数字化的理论依据。其大意是：如果对一个频带有限的时间连续的模拟信号抽样，当抽样速率达到一定数值时，那么根据它的抽样值就能重建原信号。也就是说，若要传输模拟信号，不一定要传输模拟信号本身，只需传输按抽样定理得到的抽样值即可。,6.1.1 低通抽样,低通信号抽样定理：设有一个频带限
2、制在（0，H）Hz内的时间连续信号m(t)，如果它以不少于2H次/秒的速率对m(t)进行抽样，则m(t)可由抽得的样值完全确定。 其要点可表述如下： （1）m(t)是低通信号，最高频率是H。 （2）等间隔抽样抽样速率是S2H，S的单位是次/秒。有时S也被称为抽样速率，单位是Hz。,对此定理的证明如下：,假定将信号m(t)和周期性冲激函数T(t)相乘，乘积函数便是均匀间隔为T秒的冲激序列，这些冲激的强度等于相应瞬时上m(t)的值，它表示对函数m(t)的抽样。我们用ms(t)表示此已抽样函数，即有 ms(t) = m(t)T(t) (6-1) 上述关系如图6-2(a)、(c)、(e)所示。 假设m
3、(t)、T(t)和ms(t)的频谱分别为M()、和。按照频率卷积定理，m(t)T(t)的傅里叶变换是M()和的卷积 (6-2) 因为,所以 (6-3) 由卷积关系，上式可写成 (6-4) 该式表明，已抽样信号ms(t)的频谱Ms()是无穷多个间隔为s的M ()相叠加而成。这就意味着Ms()中包含M ()的全部信息。 由图(f)可见，只要s2H或T 12H ,M()就周期性地重复而不重叠，这样ms(t)中就包含了m(t)的全部信息。 T=12H是抽样的最大间隔，被称为奈奎斯特间隔。,如何从已抽样信号ms(t)来恢复原基带信号m (t) ？ 如图6-3(b)所示，使已抽样信号ms(t)通过低通滤波
4、器便得出信号m(t)。此滤波器的截止频率为H，增益为T=12 H。 由推倒（过程见教材）可得 (6-5) 从上式显然可见，m (t)在时间域中可按式(6-5)由其抽样值构成，即将每个抽样值和一个抽样函数相乘后得到的所有波形加起来便是m (t)。,(a) (b) 图6-3抽样与恢复,6.1.2 带通抽样,如何对频率限制在L与H之间的带通型信号进行抽样？ 带通均匀抽样定理：一个带通信号m(t)，其频率限制在L与H之间，带宽为B=H-fL，如果最小抽样速率S=2H/m，m是一个不超过H/B的最大整数，那么m(t)可以完全由其抽样值确定。 通过讨论，带通信号通常可按2B速率抽样。,6.2 量化,利用预
5、先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值的过程称为量化。量化过程如图6-4所示。,图6-4 量化的过程,6.2.1均匀量化,把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化。在均匀量化中，每个量化区间的量化电平均取在各区间的中点。其量化间隔(量化台阶)取决于输入信号的变化范围和量化电平数。当信号的变化范围和量化电平数确定后，量化间隔也被确定。通常量化电平数应根据对量化器输出平均信号量化噪声功率比的要求来确定。 但是在语音信号数字化通信中，均匀量化有一个明显的不足：量化信噪比随信号电平的减小而下降。为了克服均匀量化的缺点，实际中往往采用非均匀量化。,6.2.2非均匀量化,非均匀量化是一种在整个动态
6、范围内量化间隔不相等的量化。其特点是：输入小时，量阶也小；输入大时，量阶也大。这样可缩短码字的长度，提高通信效率。 所谓非均匀量化器，就是让基带信号通过一个“压缩器”。它对小信号起放大作用，对大信号起压缩作用，然后，再把这个经过压缩的信号输入均匀量化器。解调时， 对解码后的压缩量化信号先经扩张电路，起作用正好与压缩相反，使受到压缩的信号复原。,实现非均匀量化的方法之一是把输入量化器的信号x先进行压缩处理，再把压缩的信号y进行均匀量化。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。 1）压缩律 压缩律归一化特性表示式为:
7、 (6-5) 式中:y归一化的压缩器输出电压，即y=压缩器输出电压压缩器可能的最大输出电压，x归一化的压缩器输入电压，即x=压缩器输入电压压缩器可能的最大输入电压，压扩参数，表示压缩的程度。,不同值压缩特性如图6-5所示。 图 6-5对数压缩特性-律 图6-6 有无压扩的比较曲线 从图6-6中可知，压扩提高了小信号的信噪比，从而相当于扩大了输入信号的动态范围。,2）A压缩律 所谓A压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律: (6-6) (6-7) 式中 x归一化的压缩器输入电压; y归一化的压缩器输出电压; A压扩参数，表示压缩程度。 随着数字电路特别是大规模集成电路的发展，另一种压扩技术数字压
8、扩，日益获得广泛的应用。常采用的方法有两种：一种是采用13折线近似A律压缩特性，另一种是采用15折线近似律压缩特性。,（1）A律13折线 实际中，往往都采用近似于A律函数规律的13折线(A=87.6)的压扩特性。图6-7示出了这种压扩特性。 该折线与式(6-6)及式(6-7)表示的压缩特性近似。,图6-7 A律13折线,（2） 律15折线 律函数式实际上是从A律的函数式导出来的，在绝大部分范围内的压缩特性仍和律非常接近。其表达式为： (6-8) 由于它是以为参数的，故称其为律压缩特性。其折线图如图6-8所示。它比13折线A律的相应段的斜率大2倍。因此，小信号的信号量噪比也将比A律大一倍多；不过
9、，对于大信号来说，律要比A律差。,图6-8 律15折线,6.3 编码调制,脉冲编码调制(PCM)是数字通信中一项广泛应用的基本原理和技术。 6.3.1 脉冲编码调制 脉冲编码调制简称脉码调制，其过程如图6-9所示。,图6-9 PCM系统原理框图,PCM主要包括抽样、量化与编码三个过程。抽样是把连续时间模拟信号转换成离散时间连续幅度的抽样信号；量化是把离散时间连续幅度的抽样信号转换成离散时间离散幅度的数字信号；编码是将量化后的信号编码形成一个二进制码组输出。 1.编码与解码 1）码字和码型 常用的二进制编码码型主要有自然二进制码、折叠二进制码 和格雷二进码 。通过比较，在PCM通信编码中，折叠二
10、进码比自然二进码和格雷二进码优越，它是A律13折线PCM 30/32路基群设备中所采用的码型。,2） 码位的选择与安排 在信号变化范围一定时，用的码位数越多，量化分层越细，量化误差就越小，通信质量当然就更好。但码位数越多，设备越复杂，同时还会使总的传码率增加，传输带宽加大。一般从话音信号的可懂度来说，采用34位非线性编码即可，若增至78位时，通信质量就比较理想了。 在13折线编码中，普遍采用8位二进制码，对应有M=256个量化级。按折叠二进码的码型，这8位码的安排如下： 极性码 段落码 段内码 C1 C2C3C4 C5C6C7C8,其中第1位码C的数值“1”或“0”分别表示信号的正、负极性，称
11、为极性码。 第2至第4位码C2C3C4为段落码，表示信号绝对值处在哪个段落，3位码的8种可能状态分别代表8个段落的起点电平。 第5至第8位码C5C6C7C8为段内码，这4位码的16种可能状态用来分别代表每一段落内的16个均匀划分的量化级。,3） 编码与译码原理 实现编码的具体方法和电路很多，这里只讨论目前常用的逐次比较型编码器原理。 逐次比较型编码的原理与天平称重物的方法相类似，样值脉冲信号相当于被测物，标准电平相当于天平的砝码。预先规定好的一些作为比较用的标准电流(或电压)，称为权值电流，用符号IW表示。IW的个数与编码位数有关。 当样值脉冲Is到来后，用逐步逼近的方法有规律地用各标准电流I
12、W去和样值脉冲比较，每比较一次出一位码。当IsIW时，出“1”码，反之出“0”码，直到IW和抽样值Is逼近为止，完成对输入样值的非线性量化和编码。,实现A律13折线压扩特性的逐次比较型编码器的原理框图如图6-10所示 。 图6-11 译码器原理框图 A律13折线译码器原理框图如图6-11所示，它与逐次比较型编码器中的本地译码器基本相同，所不同的是增加了极性控制部分和带有寄存读出的7/12位码变换电路。,图6-10 逐次比较型编码器原理图,2. 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。 1）量化噪
13、声性能 假设发送端采用理想冲激抽样， PCM系统输出端平均信号量化噪声功率比为： (6-9) 上式还可写成： （6-10） 由此可见，PCM系统输出端的信号量化噪声功率比与系统带宽B成指数关系。,2）信道加性噪声 信道噪声对PCM系统性能的影响表现在接收端的判决误码上，二进制“1”码可能误判为“0”码，而“0”码可能误判为“1”码。通过分析可得到，仅考虑信道加性噪声时， PCM系统的输出信噪比为 。 同时考虑量化噪声和信道加性噪声时，PCM系统输出端的总信噪功率比为： (6-11) 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
14、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。,6.3.2 差分脉冲编码调制(DPCM)系统,利用相邻样值差值的PCM编码称为差分PCM（DPCM）。 DPCM系统的框图如图6-12所示。 图中，xn表示当前的信源样值，预测器的输入代表重建语音信号。,图6-11 DPCM系统原理框图,DPCM系统总的量化信噪比可表示为 ： （6-12） 式中，(S/N)q是把差值序列作为信号时量化器的量化信噪比，与PCM系统考虑量化误差时所计算的信噪比相当。 为了能在相当宽的变化范围内获得最佳的性能，只有在DPCM基础上引入自适应系统。有自适应
15、系统的DPCM称为自适应差分脉冲编码调制，简称ADPCM。其主要特点是用自适应量化取代固定量化，用自适应预测取代固定预测。,6.3.3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。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。,1.简单增量调制 1) 编译码的基本思想 将相邻抽样值的差值进行编码传输，也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。 阶梯波m(t)可 近似代替m(t
