《数字通信原理课件：第3章_模拟信号的数字传输》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字通信原理课件：第3章_模拟信号的数字传输（91页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、3.0 概述概述3.1 抽样定理抽样定理3.2 脉冲模拟调制（主要是脉冲模拟调制（主要是PAM）3.3 脉冲编码调制脉冲编码调制PCM3.4 增量调制增量调制M3.5 其他调制方法其他调制方法第第 3章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 本章内容在数字通信系统中所处的位置：本章内容在数字通信系统中所处的位置：运用：运用：用数字通信系统传输模拟信号用数字通信系统传输模拟信号m（t） ak m（t）数字通信数字通信系统系统模拟模拟信息源信息源抽样抽样量化量化编码编码译码译码低通低通 ak 任务：任务：发送方发送方FormatFormat：模拟信号的数字化，形成数字基带：模拟信号的数字化，形成
2、数字基带信号信号接收方接收方FormatFormat：从接收数字基带信号中完整无失真：从接收数字基带信号中完整无失真的还原模拟信号的还原模拟信号3.0 概述概述 以以“语音编码语音编码”为例讲述为例讲述： 波形编码：波形编码：在时域内，将语音波形变换为数字序列。优点：接收恢复的信号质量好。缺点：比特率较高，比特率通常在16 kb/s64 kb/s范围内，占用更大传输带宽。 两类常用的波形编码方法：两类常用的波形编码方法： PCM：脉冲编码调制（：脉冲编码调制（Pulse Coding Modulation） M：增量调制：增量调制参量编码：参量编码：在频域或其它变换域内（通常是正交变换）提取特
3、征参量，对特征参量进行数字化。优点：比特率较低，比特率在16 kb/s以下，占用带宽资源少。缺点：接收恢复的信号质量差。 3.1 抽样定理 任任务务： 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序列（PAM信号）。 1、低通抽样定理：低通抽样定理：模拟信号为低通信号。 2、带通抽样定理：带通抽样定理：模拟信号为带通信号。 3、均匀抽样定理均匀抽样定理：抽样序列是等间隔 4、非均匀抽样定理非均匀抽样定理：抽样序列是非等间隔 5、理想抽样：理想抽样：抽样序列是冲击序列。 6、实际抽样：实际抽样：抽样序列是非冲击序列。 定义定义：若模拟信号若模拟信号 m( t ) 的频率范围为的频率范围为
4、fL fH带宽带宽 B = fH - - fL 如果如果 fL B， 则则 m( t ) 为为带通带通型信号型信号什么是低通信号、带通信号？什么是低通信号、带通信号？3.1.2 低通信号低通信号的抽样定律的抽样定律 1. 定定律律描描述述：一个频带限制在0到fm以内的低通信号f(t)，如果以fs2fm的抽样速率进行均均匀匀抽样，则在接收端通过一个截止频率为fm的低通滤波器可以恢复原始信号。 fs=2fm：最小抽样速率或奈奎斯特速率。 1/2fm：最大抽样间隔或奈奎斯特间隔。 ms( t ) 0时域图时域图频谱图频谱图m ( t ) M ( f ) fm- fmMs( f ) 0讨论：讨论：结论
5、：结论： fs 的值必须满足抽样定理的值必须满足抽样定理用理想低通滤波用理想低通滤波器恢复原始信号。器恢复原始信号。理想低通理想低通B？理想抽样理想抽样：用：用冲击序列冲击序列进行抽样。进行抽样。 理想抽样的原理图：理想抽样的原理图：产生示意图滤波器低通恢复示意图理想低通滤波器特性B的取值范围：（fm fs fm ）实际抽样实际抽样：用：用窄脉冲序列窄脉冲序列进行抽样。进行抽样。 自然抽样：即曲顶抽样，抽样后的脉冲顶部随 模拟信号变化平顶抽样：即瞬时抽样，抽样后的脉冲顶部是 平坦的，幅度等于抽样的瞬时值示意图可见P63图3-3图 自然抽样的方框图和各点波形 1、 自然抽样原理图自然抽样原理图自
6、然采样时域和频域波形自然采样时域和频域波形自然采样时域和频域波形自然采样时域和频域波形用理想低通滤波用理想低通滤波器恢复原始信号。器恢复原始信号。自然抽样信号xs(t)是x(t)和抽样脉冲序列s(t)的乘积： s(t)的频谱表达式： 自然抽样数学分析：自然抽样数学分析：xs(t)的频谱为 思考：当k=0时，已抽样信号的频率分量？平顶抽样示意：平顶抽样示意：在原理上可以由理想抽样理想抽样和和脉冲形成电路产生脉冲形成电路产生。 x x x xs s(t)(t)(t)(t)x(t)x(t)x(t)x(t)产生示意图设矩形脉冲产生器矩形脉冲产生器产生产生的是高度为1， 宽度为的矩形脉冲， 则其频谱为Q
7、(w)为：Q(w)平顶抽样信号xs(t)的频谱为：平顶抽样数学分析：平顶抽样数学分析：思考：当k=0时，已抽样信号的频率分量？x x x xs s(t)(t)(t)(t)x(t)x(t)x(t)x(t)产生示意图Q(w)平顶抽样的信号重建：平顶抽样的信号重建：对于平顶抽样直接用低通滤波器恢复，必然导致失真。结论：结论：用修正网络重建平顶抽样信号：脉冲形成电路修正网络理想低通滤波器用理想抽样重建平顶抽样信号脉冲形成电路理想低通滤波器P69图3-11 在工程设计中，考虑到信号不会严格带限，以及实际滤波器特性的不理想，通常取抽样频率为(2.55)fm，以避免失真。 3. 抽样定理应用抽样定理应用 例
8、如：语音信号例如：语音信号 3003400Hz 3003400Hz f fs s=23400=6800Hz=23400=6800HzCCITTCCITT（International Telephone and Telegraph Consultative International Telephone and Telegraph Consultative Committee,Committee,国际电话与电报顾问委员会）国际电话与电报顾问委员会）ITUITU（International Telecommunications Union,International Telecommunicati
9、ons Union,国际电信同盟）国际电信同盟）规定：规定：f fs s=8000Hz=8000Hz3.2.2 3.2.2 带通型信号的抽样定理带通型信号的抽样定理若仍按若仍按 fs 2 fH 抽样，将降低信道频带利用率。抽样，将降低信道频带利用率。 上上上上下下下下上边带下边带 为了提高信道利用率，同时又使抽样后的信号频谱不混叠，那么fs到底怎样选择呢？ 带带通通均均匀匀抽抽样样定定理理描描述述：一个带通信号x(t)，其频率限制在fL与fH之间，带宽为B=fH-fL，设n是一个不不超超过过fL/B的最最大大整整数数，那么抽样速率应满足如下关系： fsmin=2fH/(n+1) fs fsma
10、x=2fL/n一般选：P65公式（3-4）P65公式（3-5）1、fL是B的整数倍， fs(min)为2B； fL不是B的整数倍， fs(min)大于2B；2、当当n很大时，无论fL是不是B的整数倍， 。 实际中应用广泛的高频窄带信号，都可用2B速率来进行抽样。fsmin=2fH/(n+1)= 2(B+fL)/(n+1)例：例：若用公式fsmin=2fH/(n+1) fs=x(ts-),则则x(t)上上升升一一个个量量化化阶阶+，用用“1”码码表示。表示。3.若若x(ts) = 0, C(n) = 1 ;d(n) = 0, C(n) = 1 ;d(n) 0, C(n) = 0d(n) 32kb
11、/s PCM优于优于M 32kb/s M优于优于PCM 6、 信道误码的影响信道误码的影响l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10-310-4。lPCM的每一个误码会造成较大的误差，对误码率的要求较高， 一般为10-510-6。 由此可见，M允许用于误误码码率率较较高高的信道条件，这是M与PCM不同的一个重要条件。3.5 差值脉冲编码技术概述：1、由前面介绍的PCM编码，比特率为64kb/s。广泛应用在以光纤传输线路和数字微波线路为干线的固定通信网中。2、但是对于频率资源比较紧张的卫星通信网、超短波波段的移动通信网来说，64kb/s
12、的PCM技术很难直接获得应用。3、以较低的速率获得高质量的音质，人们相继提出了一些实用的话音压缩编码技术。 4、自适应差分脉码调制(ADPCM)：是语音压缩中复杂度较低的一种编码方法，它可在32kb/s数码率上达到64b/s的PCM话音质量。是作为长途传输中一种新型的国际通用的语音编码方法。自适应差分脉码调制(ADPCM)是在差分脉冲编码调制（DPCMDifferential Pulse Code Modulation）基础上增加自适应措施而形成的。3.5.1差值脉冲编码调制（DPCM）DPCM的基本思想：1、语音信号的相邻抽样点之间都有一定的相关性（冗余），信号的一个抽样值到相邻的一个抽样值
13、不会发生迅速的变化。2、所以，数字通信中可以根据前一时刻的样值S(n-1)来预测下一时刻的样值S(n)，通信时只要传输差值序列d(n)（图解见P89）3、差值信号的的动态范围要比样值本身的动态范围小的多，这样就可使量化电平数减少，编码位数降低，在保证一定话音质量要求下，大大地压缩数码率。4、这样，只需用较少的编码位数对d(n)进行进行PCMPCM编码编码，就可以达到通信的目的。5在收端，只要把样值差值样值差值序列叠加到预测样值预测样值序列上，就可以恢复原话音信号样值序列。、 系统的原理示意图：a）发送端原理框图 b）接收端原理框图6、预测：消除或降低信号冗余度的一种有效方法。7、模拟信号抽样值
14、分成可预测和不可预测的两个成分；可预测成分（即相关部分）：是由过去的若干个样值的加权后得到；本例中为一阶预测不可预测的成分（即非相关部分）：是预测误差。通常为高阶预测：可以提高预测的精度P90公式3-27DPCM的量化信噪比：的量化信噪比：样值信号功率量化噪声功率差值信号功率PCM量化噪声比Gp：预测增益3.5.23.5.2、自适应差分脉冲编码调制（、自适应差分脉冲编码调制（ADPCMADPCMAdaptive Adaptive Differential Pulse Code ModulationDifferential Pulse Code Modulation）具有自适应功能的DPCM就称
15、为自适应差值脉冲编码调制，简称ADPCM。有两种方案：1、自适应量化：预测固定，量化自适应；2、自适应预测：预测器系数 能随信号的统计特性自适应调整；3、实现自适应量化方法通常有两种：前向（前馈）型、后向（反馈）型自适应量化器。4、自适应预测基本思想：使公式中预测系数和加权系数随输入信号幅值的变化作相应的改变，同自适应量化一样，自适应预测也有前向型和后向型两种类型。5、ADPCM能以32kb/s数码率上达到64b/s的PCM话音质量。6、CCITT中关于ADPCM的规范为：G.721、G.7263.63.6子带编码（子带编码（SBCSBC：Sub-Band CodingSub-Band Cod
16、ing）基本思想：利用语音信号在整个频带内分布不均匀的特性，用一组滤波器将语音频带分割成几个不同频带分量的子带；对每个子带利用DPCM进行编码，不同子带采用不同的编码比特数。3.7 参量编码技术参量编码技术参量编码：提取语音信号的特征参数，对其进行编码。语音的特征参数主要有基音、共振峰频率、浊音/清音和强度。发送端只需要提取这些特征参数并对其进行量化编码收端根据这些参数通过语音信号模型便可以合成语音信号。优点：传送这些话音特征参数所需的数码率大大低于传送话音信号抽样值所需的数码率。缺点：收端合成的语音信号仅保持了原语音信号的可懂度，而失去了自然度和音质。参量编码是以牺牲语音音质来实现低数码率语
17、音编码的。至于提取语音信号上述特征参数的原理和算法，请参看其他资料。 目前国际上流行的话音质量评估方法是5分制主观评定方法。这就是所谓“平均评价得分”(Meam Opinion Score简称MOS)。MOS为5分，表示质量完美，称为“广播级质量”；4分或4分多，表示高质量，说明测试者认为话音与原话一样可懂，没有失真，常称作“长途通信质量” ；34分，说明有失真，但不明显，可懂度仍很高，称作“通信级质量” 实际中3.54分代表了很实用的通信质量；话音大部分可懂的，但自然度差，不易识别讲话者MOS为3分以下，为“合成级质量”。音质评估音质评估补充：补充：表2-7 各种语音编码方法及主要特性 长途
18、电话质量 长途电话质量 广播质量 通信质量 通信质量 通信质量 接近长途质量 通信质量 通信质量 合成质量 合成质量 32 16 32 16 8 8 8 4 2.4 1.2 0.6 64 32 64 32 16 16 16 8 4.8 2.4 1.2 PCM ADPCM SBC(子带)十ADPCM DM SBC(子带) RELP-LTP(规则脉冲激励) LD-CELP(短延迟码激励) MPE-LPC(多脉冲激励) CE-LPC(码本激励) LPC(线性预测) LPC十VQ(矢量量化) 质 量 最小基带带宽 (kHz) 传输速率 (kb/s) 编码方法本章小结：1、掌握PCM调制、增量调制的原理，两者的比较。2、掌握相关的概念：抽样、量化、编码、量化信噪比、过载特性、动态范围、两种系统带宽等。3、了解其他编码技术；作业：3-1;3-10;3-17; 3-19;3-24;3-26;3-27；3-32
