通信原理第5章模拟信号的数字传输

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1、 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 通通 信信 原原 理理 5.15.1 模拟信号数字传输的概念及抽样定理模拟信号数字传输的概念及抽样定理5.25.2 模拟脉冲调制和抽样信号的量化模拟脉冲调制和抽样信号的量化5.35.3 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）5.45.4* * 自适应差分脉冲编码调制自适应差分脉冲编码调制ADPCMADPCM5.55.5 增量调制（增量调制（MM）5.65.6 时分复用和复接时分复用和复接返回主目录返回主目录5.15.1 模拟信号数字传输模拟信号数字传输 的概念及抽样定理的概念及抽样定理 主要内容主要内容 模拟信号数字传输的概念模拟信号

2、数字传输的概念 抽样的概念及分类抽样的概念及分类 低通抽样定理低通抽样定理 带通抽样定理带通抽样定理 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输一、一、模拟信号数字传输的概念模拟信号数字传输的概念 1、模拟信号数字传输的原因模拟信号数字传输的原因 因数数字字通通信信系系统统具具有有许许多多优优点点而而成成为为当当今今通通信信的的发发展展方方向向。然而自自然然界界的的许许多多信信息息经经各各种种传传感感器器感感知知后后都都是是模模拟拟量量，例如电话、电视等通信业务，其信源输出的消息都是模拟信号。 2 2、利用数字通信系统传输模拟信号的三个步骤、利用数字通信系统传输模拟信号的三个步骤（1

3、 1） 把模拟信号数字化，把模拟信号数字化， 即模数转换（即模数转换（A/DA/D）；）； （2 2） 进行数字方式传输；进行数字方式传输； （3 3） 把数字信号还原为模拟信号，把数字信号还原为模拟信号， 即数模转（即数模转（D/AD/A）。）。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 第（2）步在数字基带传输和数字频带传输中予以讨论， 因此本章只讨论（1）、（3）两步。 由于A/D或或D/A变变换换的过程通常由信信源源编编（译译）码码器器实现， 所以我们把发端的A/D变变换换称为信信源源编编码码，而收端的D/A变变换换称为信源译码信源译码，如语音信号的数字化叫做语音信号的数字

4、化叫做语音编码语音编码。 由于电话业务在通信中占有最大的业务量，所以本章以语语音编码音编码为例，介绍模拟信号数字化的有关理论和技术。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 这里只介绍波形编码。 目前用的最普遍的波波形形编编码码方法有脉脉冲冲编编码码调调制制(PCM)和增量调制增量调制（M）。3、模拟信号数字化的方法、模拟信号数字化的方法 模拟信号数字化的方法模拟信号数字化的方法大致可划分为波形编码波形编码和参量编参量编码码两类。 波形编码波形编码是直接把时域波形变换为数字代码序列直接把时域波形变换为数字代码序列，比特率通常在16 kb/s64 kb/s范围内，接收端重建信号的质

5、量好。 参量编码参量编码是利用信号处理技术，提取语音信号的特征参利用信号处理技术，提取语音信号的特征参量，量， 再变换成数字代码再变换成数字代码，其比特率在16 kb/s以下，但接收端重建(恢复)信号的质量不够好。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输4、采用脉码调制模拟信号的数字传输系统、采用脉码调制模拟信号的数字传输系统 采用脉码调制的模拟信号的数字传输系统采用脉码调制的模拟信号的数字传输系统如图 5.1-1 所示。图 5.1- 1 模拟信号的数字传输 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输二、抽样的概念及分类二、抽样的概念及分类二、抽样的概念及分类二、抽样的

6、概念及分类 1、抽样、抽样 抽抽样样是是把把时时间间上上连连续续的的模模拟拟信信号号变变成成一一系系列列时时间间上上离离散散的的抽抽样值的过程样值的过程。 抽抽样样定定理理的大意是，如如果果对对一一个个频频带带有有限限的的时时间间连连续续的的模模拟拟信信号号抽抽样样，当当抽抽样样速速率率达达到到一一定定数数值值时时，那那么么根根据据它它的的抽抽样样值值就就能重建原信号能重建原信号。 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。 因此，抽抽样样定定理理是是模模拟拟信信号号数数字字化化的的理理论论依依据据。抽抽样样定定理理不不仅仅为为模模拟拟信信号号的

7、的数数字字化化奠奠定定了了理理论论基基础础，它它还还是是时时分分多多路路复复用用及信号分析、处理的理论依据及信号分析、处理的理论依据。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输2、抽样定理的分类、抽样定理的分类 (1) 根据信号的形式根据信号的形式是低通型的还是带通型的，抽是低通型的还是带通型的，抽样定理分样定理分低通抽样定理低通抽样定理和和带通抽样定理带通抽样定理； （2）根据抽样脉冲序列的间隔）根据抽样脉冲序列的间隔是等间隔的还是非等是等间隔的还是非等间隔的，又分间隔的，又分均匀抽样定理均匀抽样定理和和非均匀抽样非均匀抽样； （3）根据抽样）根据抽样脉冲序列的性质脉冲序列的性质

8、是冲激序列还是非冲是冲激序列还是非冲激序列，又可分激序列，又可分理想抽样理想抽样和和实际抽样实际抽样。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 三、三、三、三、 低通低通低通低通（均匀）（均匀）（均匀）（均匀）抽样定理抽样定理抽样定理抽样定理 一一个个频频带带限限制制在在(0, fH)赫赫内内的的时时间间连连续续信信号号m(t)，如如果果以以Ts1/(2fH)秒秒的的间间隔隔对对它它进进行行等等间间隔隔（均均匀匀）抽抽样样，则则m(t)将被所得到的抽样值完全确定将被所得到的抽样值完全确定。 此定理告诉我们：若m(t)的频谱在某一角频率H以上为零，则m(t)中的全部信息完全包含在其

9、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。 或者说，抽样速率fs（每秒内的抽样点数）应不小于2fH，若抽样速率fs2fH，则会产生失真，这种失真叫混混叠叠失真失真。 1、频域证明、频域证明 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 (5.1 - 1)由于T(t)是周期性函数，它的频谱T()必然是离散的，不难求得 抽抽样样过过程程可可看看成成是是m(t)与与T(t)相相乘乘，即抽样后的信号可表示为 ms(t)=m(t)T(t) (5.1 - 3)设抽样脉冲序列是一个周期性冲激序列抽样脉冲序列是一个周期性冲激序列，它可以表示

10、为(5.1 - 2) 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 根据冲激函数性质， m(t)与T(t)相乘的结果也是一个冲击序列，其冲激的强度等于m(t)在相应时刻的取值， 即样值m(nTs)。因此抽样后信号抽样后信号ms(t)又可表示又可表示为 (5.1 - 4) 上述关系的时间波形如图 5.1 - 2(a)、 (c)、 (e)所示。 根据频率卷积定理， 式（5.1 - 3）所表述的抽样后信号的频谱为 (5.1 - 5)式中M()是低通信号m(t)的频谱，其最高角频率为H， 如图 5.1-2(b)所示。将式（5.1 - 2）代入上式有 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的

11、数字传输图 5.1-2 抽样过程的时间函数及对应频谱图 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 由冲击卷积性质， 上式可写成 (5.1 - 6)如图 5.1-2(f)所示，抽抽样样后后信信号号的的频频谱谱Ms()由由无无限限多多个个间间隔隔为为s的的M()相相叠叠加加而而成成，这意味着抽样后的信号ms(t)包含了信号m(t)的全部信息。如果s2H， 即 fs2fH 也即 (5.1 - 7) 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 如果s2H，即抽样间隔Ts1/(2fH)，则抽样后信号的频谱在相邻的周期内发生混叠，如图 5.1-3 所示， 此时不可能无失真地重建原信号

12、。图 5.1-3 混叠现象 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 因此必须要求满足Ts1/(2fH)，m(t)才能被ms(t)完全确定，这就证明了抽样定理。 显然， 是最最大大允允许许抽抽样样间间隔隔，它被称为奈奈奎奎斯斯特间隔特间隔，相对应的最低抽样速率最低抽样速率fs=2fH称为奈奎斯特速率奈奎斯特速率。 2、时域证明、时域证明 为加深对抽样定理的理解，我们再从时域角度来证明抽样定理。 目目的的是是要要找找出出m(t)与与各各抽抽样样值值的的关关系系，若若m(t)能能表表示示成成仅仅仅仅是是抽抽样样值值的的函函数数，那那么么这这也也就就意意味味着着m(t)由由抽抽样样值值惟

13、惟一一地地确定确定。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 根据前面的分析，理理想想抽抽样样与与信信号号恢恢复复的的原原理理框框图图如图5.1-4所示。图 5.1-4 理想抽样与信号恢复的原理框图 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 频域已证明，将Ms()通过截止频率为H的低通滤波器后便可得到M()。显然，滤滤波波器器的的这这种种作作用用等等效效于于用用一一门门函函数数D2H()去乘去乘Ms()。因此，由式（5.1 - 6）得到 将时域卷积定理用于式（5.1 - 8）， 有(5.1 - 9)所以(5.1 - 8) 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数

14、字传输由式（5.1 - 4）可知抽样后信号所以式中, m(nTs)是m(t)在t=nTs(n=0, 1, 2, )时刻的样值。 该式是重建信号的时域表达式该式是重建信号的时域表达式， 称为内插公式内插公式。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 内内插插公公式式说明以以奈奈奎奎斯斯特特速速率率抽抽样样的的带带限限信信号号m(t)可可以以由由其其样样值值利利用用内内插插公公式式重重建建。这等效为将抽样后信号通过一个冲激响应为Sa(Ht)的理想低通滤波器来重建m(t)。 图 5.1-5 描述了由式（5.1 - 10）重建信号的过程。 图 5.1-5 信号的重建过程 第第5 5章章

15、模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 由图可见， 以每个样值为峰值画一个以每个样值为峰值画一个Sa函数的波形，函数的波形， 则则合成的波形就是合成的波形就是m(t)。 由于由于Sa函数和抽样后信号的恢复有密切的联系函数和抽样后信号的恢复有密切的联系，所以Sa函数又称为抽样函数函数又称为抽样函数。四、带通抽样定理四、带通抽样定理四、带通抽样定理四、带通抽样定理 上面讨论和证明了频带限制在(0, fH)的低通型信号的均匀抽样定理。实际中遇到的许多信号是带通型信号。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 如果采用低通抽样定理的抽样速率fs2fH，对频率限制在fL与fH之间的带通型信号

16、抽样，肯定能满足频谱不混叠的要求，如图5.1-6 所示。 图 5.1-6 带通信号的抽样频谱（fs=2fH） 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 但这样选择fs太高了，它会使0fL一大段频谱空隙得不到利用，降低了信道的利用率。 为了提高信道利用率，同时又使抽样后的信号频谱不为了提高信道利用率，同时又使抽样后的信号频谱不混叠，那混叠，那么么fs到底怎样选择呢？到底怎样选择呢？ 带通信号的抽样定理将回答这个问题。 带通均匀抽样定理带通均匀抽样定理：一个带通信号一个带通信号m(t)，其频率限制其频率限制在在fL与与fH之间，带宽为之间，带宽为B=fH-fL，如果最小抽样速率如果最小

17、抽样速率fs=2fH/m（ m是一个不超过是一个不超过fH/B的最大整数），那么的最大整数），那么m(t)可完全由其可完全由其抽样值确定抽样值确定。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 （1） 若若最最高高频频率率fH为为带带宽宽的的整整数数倍倍，即即fH=nB。此时fH/B=n是整数，m=n，所以抽样速率fs=2fH/m=2B。 图5.1-7 画出了fH=5B时的频谱图。图 5.1-7 fH=nB时带通信号的抽样频谱 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 图中，抽样后信号的频谱Ms()既没有混叠也没有留空隙，而且包含有m(t)的频谱M()图中虚线所框的部分。

18、 这样，采用带通滤波器就能无失真恢复原信号， 且此时抽样速率（2B）远低于按低通抽样定理时fs=10B的要求。显然，若fs再减小，即fs2B时必然会出现混叠失真。 由此可知： 当fH=nB时，能重建原信号m(t)的最小抽样频率为 fs=2B (5.1 - 11) 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输（2） 若最高频率若最高频率fH不为带宽的整数倍不为带宽的整数倍，即 fH=nB+kB, 0k1 (5.1 - 12)此时, fH/B=n+k，由定理知，m是一个不超过n+k的最大整数，显然，m=n，所以能能恢恢复复出出原原信信号号m(t)的的最最小小抽抽样样速速率率为式中, n是一

19、个不超过fH/B的最大整数, 0k1。(5.1 - 13) 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 根据式（5.1 - 13）和关系fH=B+fL画出的曲线如图5.1-8 所示。图 5.1-8 fs与fL关系 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 由图可见，fs在在2B4B范围内取值，当范围内取值，当fLB时，时，fs趋近趋近于于2B。 这一点由式（5.1-13）也可以加以说明，当fL B时，n很大，所以不论fH是否为带宽的整数倍，式（6.1 - 13）可简化为 fs2B (5.1 - 14) 实际中应用广泛的高频窄带信号就符合这种情况，这是因为fH大而B小， f

20、L当然也大，很容易满足fL B 。 由于带通信号一般为窄带信号，容易满足fL B ，因此带通信号通常可按带通信号通常可按2B速率抽样速率抽样。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 作作 业业思考题（自作）：思考题（自作）： P294 9-1,9-3 习习 题题 ： P295 9-2 5.25.2 模拟脉冲调制和模拟脉冲调制和 抽样信号的量化抽样信号的量化 主要内容主要内容 模拟脉冲调制模拟脉冲调制 抽样信号的量化原理抽样信号的量化原理 均匀量化均匀量化 非均匀量化非均匀量化 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输一、模拟脉冲调制一、模拟脉冲调制一、模拟脉冲调制一

21、、模拟脉冲调制 1、脉冲调制的概念和分类脉冲调制的概念和分类 （1）脉冲调制）脉冲调制 连续波调制是以连续振荡的正弦信号作为载波。然而，正弦信号并非是惟一的载波形式，时间上离散的脉冲串，同样可以作为载波。 脉冲调制脉冲调制就是以时间上离散的脉冲串作为载波，用模就是以时间上离散的脉冲串作为载波，用模拟基带信号拟基带信号m(t)去控制脉冲串的某参数，去控制脉冲串的某参数， 使其按使其按m(t)的规的规律变化的调制方式律变化的调制方式。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输（2）脉冲调制的分类）脉冲调制的分类 通常，按基带信号改变脉冲参量（幅度、宽度和位置）的不同，把脉冲调制脉冲调制

22、又分为分为脉幅调制脉幅调制(PAM)、脉宽调制脉宽调制(PDM)和脉位调制脉位调制(PPM)，波形如图 5.2-1 所示。 虽然这三种信号在时间上都是离散的，但受调参量变化是连续的， 因此也都属于模拟信号。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输图 5.2-1PAM、 PDM、 PPM信号波形 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输2、脉冲振幅调制的、脉冲振幅调制的方式方式（1）脉冲振幅调制的分类）脉冲振幅调制的分类 脉脉冲冲振振幅幅调调制制(PAM)是脉脉冲冲载载波波的的幅幅度度随随基基带带信信号号变变化的一种调制方式化的一种调制方式。 若脉冲载波是冲激脉冲序列，

23、则前面讨论的抽样定理就是脉冲振幅调制的原理。也就是说，按按抽抽样样定定理理进进行抽样得到的信号行抽样得到的信号ms(t)就是一个就是一个PAM信号信号。 但是，用用冲冲激激脉脉冲冲序序列列进进行行抽抽样样是是一一种种理理想想抽抽样样的的情况，情况， 是不可能实现的是不可能实现的。原因是： 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 冲冲激激序序列列在在实实际际中中是是不不能能获获得得的的，即即使使能能获获得得，由由于于抽抽样样后信号的频谱为无穷大，后信号的频谱为无穷大， 对有限带宽的信道而言也无法传递对有限带宽的信道而言也无法传递。 在在实实际际中中通通常常采采用用脉脉冲冲宽宽度度相

24、相对对于于抽抽样样周周期期很很窄窄的的窄窄脉脉冲冲序列近似代替冲激脉冲序列序列近似代替冲激脉冲序列，从而实现脉冲振幅调制。 这里我们介绍用用窄窄脉脉冲冲序序列列进进行行实实际际抽抽样样的的两两种种脉脉冲冲振振幅幅调制方式调制方式：自然抽样的脉冲调幅自然抽样的脉冲调幅和平顶抽样的脉冲调幅。平顶抽样的脉冲调幅。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输（ 2）自然抽样的脉冲调幅自然抽样的脉冲调幅曲顶抽样曲顶抽样 自自然然抽抽样样又又称称曲曲顶顶抽抽样样，它它是是指指抽抽样样后后的的脉脉冲冲幅幅度度（顶顶部部）随随被被抽抽样样信信号号m(t)变变化化，或者说保持了m(t)的变化规律。 自

25、然抽样的脉冲调幅原理框图如图 5.2-2 所示。 图 5.2-2 自然抽样的PAM原理框图 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 设模拟基带信号m(t)的波形及频谱如图 5.2-3(a)所示。图 5.2-3 自然抽样的PAM波形及频谱返回返回 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 脉冲载波以s(t)表示， 它是宽度为，周期为Ts的矩形窄脉冲序列，其中Ts是按抽样定理确定的，这里取Ts=1/(2fH)。s(t)的波形及频谱如图 5.2-3(b)所示，则自然抽样PAM信号ms(t)(波形见图 5.2-3(c)为m(t)与s(t)的乘积，即(5.2 - 1)其中，s(

26、t) 为： 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输其中：则：根据抽样定理(5.2 - 2) 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输由频域卷积定理知ms(t)的频谱为 (5.2 - 3)其频谱如图6.2-3(d)所示，它与理想抽样（采用冲激序列抽样）的频谱非常相似，也是由无限多个间隔为s=2H的M()频谱之和组成。 其中, n=0的成分是(A/Ts)M()，与原信号谱M()只差一个比例常数(A/Ts)，因而也可可用用低低通通滤滤波波器器从从Ms()中中滤滤出出M()，从而恢复出基带信号m(t)。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 比较式（5.1 -

27、 6）和式（5.2 - 3），发现它们的不同之处是: 理理想想抽抽样样的的频频谱谱被被常常数数1/Ts加加权权，因因而而信信号号带带宽宽为为无无穷穷大大； 自自然然抽抽样样频频谱谱的的包包络络按按Sa函函数数随随频频率率增高而下降，因而带宽是有限的，且带宽与脉宽增高而下降，因而带宽是有限的，且带宽与脉宽有关有关。 越大，带宽越小，这有利于信号的传输，但大会导致时分复用的路数减小，显然的的大大小小要要兼兼顾顾带带宽宽和和复用路数这两个互相矛盾的要求复用路数这两个互相矛盾的要求。 (5.2 - 3)(5.1 - 6) 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 (3). 平顶抽样的脉冲调

28、幅平顶抽样的脉冲调幅瞬时抽样瞬时抽样 平平顶顶抽抽样样又叫瞬瞬时时抽抽样样，它与自然抽样的不同之处在于它它的的抽抽样样后后信信号号中中的的脉脉冲冲均均具具有有相相同同的的形形状状顶顶部部平平坦坦的的矩形脉冲，矩形脉冲的幅度即为瞬时抽样值矩形脉冲，矩形脉冲的幅度即为瞬时抽样值。 平顶抽样PAM信号在原理上可以由理想抽样和脉冲形成电路产生，其原理框图及波形如图 5.2-4 所示，其中脉脉冲冲形成电路的作用形成电路的作用就是把冲激脉冲变为矩形脉冲把冲激脉冲变为矩形脉冲。 设基带信号为m(t)，矩形脉冲形成电路的冲激响应为q(t)， m(t)经过理想抽样后得到的信号ms(t)可用式（5.1 - 4）表

29、示， 即 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输图 5.2-4 平顶抽样信号及其产生原理框图 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 这就是说，ms(t)是由一系列被m(nTs)加权的冲激序列组成，而m(nTs)就是第n个抽样值幅度。经过矩形脉冲形成电路，每当输入一个冲激信号， 在其输出端便产生一个幅度为 m(nTs)的矩形脉冲q(t)，因此在ms(t)作用下，输出便产生一系列被m(nTs)加权的矩形脉冲序列，这就是平顶抽样PAM信号mq(t)。它表示为 (5.2 - 4)波形如图 5.2-4（a）所示。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 设脉冲

30、形成电路的传输函数为Q() q(t)， 则输出的平顶抽样信号频谱Mq()为 mq(t) Mq()=Ms()Q() (5.2 - 5)利用式（5.1- 6）的结果，上式变为 (5.2 - 6)由上式看出，平平顶顶抽抽样样的的PAM信信号号频频谱谱Mq()是是由由Q()加加权权后后的的周周期期性性重重复复的的M()所所组组成成，由于Q()是的函数， 如果直接用低通滤波器恢复，得到的是Q()M()/Ts，它必然存在失真。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 为了从mq(t)中恢复原基带信号m(t)，可采用图 5.2-5 所示的解调原理方框图。在滤波之前先用特性为1/Q()频频谱谱校

31、校正正网网络络加以修正，则低通滤波器便能无失真地恢复原基带信号m(t)。 图 5.2-5 平顶抽样PAM信号的解调原理框图 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 在在实实际际应应用用中中，平平顶顶抽抽样样信信号号采采用用抽抽样样保保持持电电路路来来实实现现， 得得到到的的脉脉冲冲为为矩矩形形脉脉冲冲。在后面将讲到的PCM系统的编码中， 编码器的输入就是经抽样保持电路得到的平顶抽样脉冲。 在在实实际际应应用用中中，恢恢复复信信号号的的低低通通滤滤波波器器也也不不可可能能是是理理想想的的，因因此此考考虑虑到到实实际际滤滤波波器器可可能能实实现现的的特特性性，抽抽样样速速率率fs要要

32、比比2fH选选的的大大一一些些，一一般般fs=（2.53）fH。例如语音信号频率一般为 3003400 Hz，抽样速率fs一般取8000 Hz。 以上按自然抽样和平顶抽样均能构成PAM通信系统， 也就是说可以在信道中直接传输抽样后的信号，但由于它们抗干扰能力差，目前很少实用。 它已被性能良好的脉冲编码调制(PCM)所取代。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输二、抽样信号的量化原理二、抽样信号的量化原理二、抽样信号的量化原理二、抽样信号的量化原理 1、量化的概念、量化的概念 量量化化：利利用用预预先先规规定定的的有有限限个个电电平平来来表表示示模模拟拟信信号号抽抽样样值的过程称

33、为量化值的过程称为量化。 量量化化与与抽抽样样的的区区别别：抽抽样样是是把把一一个个时时间间上上连连续续信信号号变变换换成成时时间间离离散散的的信信号号，而而量量化化则则是是将将取取值值连连续续的的抽抽样样变变成成取取值值离散的抽样离散的抽样。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 时间连续的模拟信号经抽样后的样值序列， 虽然在时间上离散，但在幅度上仍然是连续的，即抽样值m(kTs)可以取无穷多个可能值，因此仍属模拟信号。 如果用N位二进制码组来表示该样值的大小，以便利用数字传输系统来传输的话，那么, N位二进制码组只能同M=2N个电平样值相对应，而不能同无穷多个可能取值相对应

34、。这就需要把取值无限的抽样值划分成有限的把取值无限的抽样值划分成有限的M个离散电平，此电平个离散电平，此电平被称为被称为量化电平量化电平。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 2、量化的物理过程、量化的物理过程 量化的物理过程可通过图 5.2-6 所示的例子加以说明。图 5.2-6 量化的物理过程 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 图中, m(t)是模拟信号; 抽样速率为fs=1/Ts; 抽样值用“”表示； 第k个抽样值为m(kTs)； mq(t)表示量化信号; q1qM是预先规定好的M个量化电平（这里M=7）; mi为第i个量化区间的终点电平（分层电平）

35、; 电平之间的间隔i=mi-mi-1称为量化间隔量化间隔。 量量化化就就是是将将抽抽样样值值m(kTs)转转换换为为M个个规规定定电电平平q1qM之之一：一： 如果mi-1m(kTs)mi 则mq(kTs)=qi (5.3 - 1) 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 例如图 5.2-6 中， t=6Ts时的抽样值m(6Ts)在m5, m6之间，此时按规定量化值为q6。 量化器输出是图中的阶梯波形量化器输出是图中的阶梯波形mq(t)，其中 mq(t)=mq(kTs)i, kTst (k+1)Ts (5.3 - 2)从上面结果可以看出，量量化化后后的的信信号号mq(t)是是对对

36、原原来来信信号号m(t)的的近近似似，当抽样速率一定，量化级数目（量化电平数）增加并且量化电平选择适当时，可以使mq(t)与m(t)的近似程度提高。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输3、量化误差、量化误差 mq(kTs)与与m(kTs)之间的误差称为之间的误差称为量化误差量化误差。 对于语音、 图像等随机信号，量化误差也是随机的，它像噪声一样影响通信质量，因此又称为量化噪声量化噪声，通常用通常用均方误差来度量均方误差来度量。 为方便起见，假设m(t)是均值为零，概率密度为f(x)的平稳随机过程， 并用简化符号m表示m(kTs)， mq表示mq(kTs)，则： 第第5 5章章

37、 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 量化噪声的均方误差量化噪声的均方误差（即平均功率平均功率）为 Nq=E(m-mq)2= (x-mq)2f(x)dx (5.3 - 3)若把积分区间分割成M个量化间隔，则上式可表示成 (5.3 - 4) 这是不过载时求量化误差的基本公式不过载时求量化误差的基本公式。 在给定信息源的情况下，f(x)是已知的。因此，量量化化误误差差的的平平均均功功率率与与量量化化间间隔隔的的分分割割有有关关，如如何何使使量量化化误误差差的的平平均均功功率率最小或符合一定规律，最小或符合一定规律， 是量化器的理论所要研究的问题是量化器的理论所要研究的问题。 第第5 5章章 模拟

38、信号的数字传输模拟信号的数字传输三三三三. . 均匀量化均匀量化均匀量化均匀量化1、均匀量化的定义和量化间隔、均匀量化的定义和量化间隔 量量化化间间隔隔是是均均匀匀的的量量化化称称为为均均匀匀量量化化。（量化间隔不均匀的量化是非均匀量化非均匀量化）。 把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化均匀量化。 在在均均匀匀量量化化中中，每每个个量量化化区区间间的的量量化化电电平平均均取取在在各各区区间间的的中中点点。 量量化化间间隔隔i：取取决决于于输输入入信信号号的的变变化化范范围围和和量量化化电电平平数数。若设输入信号的最小值和最大值分别用a和b表示

39、, 量化电平数为M，则均匀量化时的量化间隔均匀量化时的量化间隔为 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 (5.3 - 5)量化器输出量化器输出为 mq=qi, mi-1mmi (5.3 - 6a) 式中, mi是第i个量化区间的终点（也称分层电平），可写成 mi=a+i (5.3 - 6b) qi是第i个量化区间的量化电平，可表示为(5.3 - 6c) 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 2、量化器的输入与输出关系、量化器的输入与输出关系 量量化化器器的的输输入入与与输输出出关关系系可可用用量量化化特特性性来来表表示示， 语音编码常采用图 5.2-7所示输入-

40、输出特性的均匀量化器。图 5.2-7 均匀量化特性及量化误差曲线 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 图 5.2-7（a）所示为输入输入-输出特性的均匀量化器输出特性的均匀量化器，当输入m在量化区间mi-1mmi变化时，量化电平qi是该区间的中点值。 图 5.2-7（b）所示为相应的量化误差量化误差eq=m-mq与输入信号幅度m之间的关系曲线。 对于不同的输入范围，误差显示出两种不同的特性对于不同的输入范围，误差显示出两种不同的特性： 量化范围（量化范围（量化区量化区）内，量化误差的绝对值）内，量化误差的绝对值|eq|/2; 当信号幅度超出量化范围当信号幅度超出量化范围 ，量

41、化值量化值mq保持不变，保持不变， |eq|/2，此时称为过载过载或或饱和饱和。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 过过载载区区的的误误差差特特性性是是线线性性增增长长的的，因因而而过过载载误误差差比比量量化化误误差大，对重建信号有很坏的影响差大，对重建信号有很坏的影响。 在设计量化器时，应考虑输入信号的幅度范围，使信号幅度不进入过载区， 或者只能以极小的概率进入过载区。 3、均匀量化信噪比的表达式、均匀量化信噪比的表达式 （1）绝对量化误差和相对量化误差）绝对量化误差和相对量化误差 量量化化误误差差eq=m-mq通通常常称称为为绝绝对对量量化化误误差差，它在每一量化间隔内

42、的最大值均为/2。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 在衡量量化器性能时， 单看绝对误差的大小是不够的，因为信号有大有小， 同样大的噪声对大信号的影响可能不算什么，但对小信号而言有可能造成严重的后果，因此在衡量系统性能时应看噪声与信号的相对大小，我们把绝对量化把绝对量化误差与信号之比称为误差与信号之比称为相对量化误差相对量化误差。 相对量化误差的大小反映了量化器的性能，通常用量量化信噪比（化信噪比（S/Nq）来衡量来衡量，它被定义为信号功率与量化噪声信号功率与量化噪声功率之比功率之比， 即 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 式中, E表示求统计平均， S

43、为信号功率，Nq为量化噪声功率。显然，（S/Nq）越大，量化性能越好越大，量化性能越好。 （2）均匀量化时的量化信噪比）均匀量化时的量化信噪比 设输入的模拟信号m(t)是均值为零，概率密度为f(x)的平稳随机过程， m的取值范围为(a, b)，且设不会出现过载量化， 则由式（5.3 - 4）得量化噪声功率量化噪声功率Nq为 (5.3 - 8)(5.3 - 7) 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 一般来说， 量化电平数M很大，量化间隔很小，因而可认为概率密度f(x)在内不变，以pi表示，且假设各层之间量化噪声相互独立，则Nq表示为(5.3 - 9)这里 第第5 5章章 模拟信

44、号的数字传输模拟信号的数字传输 式中, pi代表第i个量化间隔的概率密度，为均匀量化间隔， 因假设不出现过载现象，故上式中 结结论论：均均匀匀量量化化器器不不过过载载量量化化噪噪声声功功率率Nq仅仅与与有有关关，而而与与信信号号的的统统计计特特性性无无关关，一一旦旦量量化化间间隔隔给给定定，无无论论抽抽样样值大小，均匀量化噪声功率值大小，均匀量化噪声功率Nq都是相同的（都是相同的（ 2/12）。 若给出信号特性和量化特性，便可求出量化信噪比（S/Nq）。 按照上面给定的条件，信号功率为： 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 推推论论：设设一一M个个量量化化电电平平的的均均匀匀

45、量量化化器器，其其输输入入信信号号的的概概率率密密度度函函数数在在区区间间-a, a内内均均匀匀分分布布，则则该该量量化化器器的的量量化信噪比为化信噪比为M2。因为证明证明：由式（5.3-8)得 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输所以 可见， 结果同式（5.3 - 9）。 又由式（5.3 - 10）得信号功率 因而， 量化信噪比量化信噪比为 或（5.3 - 11）（5.3 - 12） 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 结结论论：量量化化信信噪噪比比随随量量化化电电平平数数M的的增增加加而而提提高高， 信信号号的的逼逼真真度度越越好好。通通常常量量化化电电平

46、平数数应应根根据据对对量量化化信信噪噪比比的的要要求求来确定。来确定。 4、均匀量化器的应用和不足、均匀量化器的应用和不足 应应用用：均均匀匀量量化化器器广广泛泛应应用用于于线线性性A/D变变换换接接口口，例如在计算机的A/D变换中，N为A/D变换器的位数，常用的有 8位、12位、 16位等不同精度。另外，在在遥遥测测遥遥控控系系统统、仪仪表表、图图像像信信号号的的数数字字化化接接口口等等中中，也都使用均匀量化器。 不不足足：在语音信号数字化通信（或叫数字电话通信）中，均匀量化则有一个明显的不足：量量化化信信噪噪比比随随信信号号电电平平的的减减小而下降。小而下降。 第第5 5章章 模拟信号的数

47、字传输模拟信号的数字传输 产生这一现象的原原因因是均均匀匀量量化化的的量量化化间间隔隔为为固固定定值值量量化化电电平平分分布布均均匀匀，因因而而无无论论信信号号大大小小如如何何，量量化化噪噪声声功功率率固固定定不不变变，这这样样，小小信信号号时时的的量量化化信信噪噪比比就就难难以以达达到到给给定定的的要求要求。 通常，把把满满足足信信噪噪比比要要求求的的输输入入信信号号的的取取值值范范围围定定义义为为动动态态范范围围。因此，均匀量化时输入信号的动态范围将受到较大的限制。为了克服均匀量化的缺点，实际中往往采用非均匀量化。 四四四四. . 非均匀量化非均匀量化非均匀量化非均匀量化 1、非均匀量化的

48、概念、非均匀量化的概念 非非均均匀匀量量化化是是一一种种在在整整个个动动态态范范围围内内量量化化间间隔隔不不相相等等的的量量化化。换言之，非均匀量化是根据输入信号的概率密度函数来分布量化电平，以改善量化性能。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 可见，在f(x)大的地方，设法降低量化噪声(m-mq)2，从而降低均方误差，可提高信噪比。这意味着量化电平必须集中在幅度密度高的区域。 2、对数压扩、对数压扩 在商业电话中，一种简单而又稳定的非均匀量化器为对对数数量量化化器器，该该量量化化器器在在出出现现频频率率高高的的低低幅幅度度语语音音信信号号处处， 运运用用小小的的量量化化间间

49、隔隔，而而在在不不经经常常出出现现的的高高幅幅度度语语音音信信号号处处， 运用大的量化间隔运用大的量化间隔。 由均方误差式（6.3 - 3）， 即 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 实现非均匀量化的方法之一实现非均匀量化的方法之一是把输入量化器的信号是把输入量化器的信号x先先进行进行压缩压缩处理，再把压缩的信号处理，再把压缩的信号y进行进行均匀量化均匀量化。 所谓压缩器压缩器就是一个非线性变换电路，微弱的信号被放就是一个非线性变换电路，微弱的信号被放大，强的信号被压缩大，强的信号被压缩。压缩器的入出关系表示为y=f(x) (5.3- 14) 接收端采用一个与压缩特性相反的扩

50、扩张张器器来恢复x 。图5.2-8 画出了压缩与扩张的示意图。 通常使用的压缩器中，大多采用对数式压缩，即y=lnx。广泛采用的两种对数压扩特性是律压扩律压扩和A律压扩律压扩。 美国采用美国采用律压扩，我国和欧洲各国均采用律压扩，我国和欧洲各国均采用A律律压扩压扩。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输图 5.2-8 压缩与扩张的示意图 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输（1） 律压扩特性律压扩特性 式中, x为量化器归一化输入电压，y为量化器归一化输出。 为压扩参数，表示压扩程度。不同值压缩特性如图 5.2-9(a)所示。 归一化归一化是指信号电压与信是指信

51、号电压与信号最大电压之比号最大电压之比，所以归一化的最大值为1。 (5.3- 14) 图 5.2-9 对数压缩特性 (a) 律 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 由图可见，=0 时， 压缩特性是一条通过原点的直线， 故没有压缩效果，小信号性能得不到改善；值越大压缩效果越明显， 一般当=100时， 压缩效果就比较理想了。 在国际标准中取在国际标准中取=255。 另外，需要指出的是律压缩特性曲线是以原点奇对律压缩特性曲线是以原点奇对称的称的， 图中只画出了正向部分。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输（2） A律压扩特性律压扩特性 其中，式（5.3-16b）是

52、A律的主要表达式，但它当x=0时， y -，这样不满足对压缩特性的要求，所以当x很小时应对它加以修正。 (5.3- 16a)(5.3- 16b) 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输图 5.2-9 对数压缩特性(b)A律 对式（6.3-16b)过零点作切线，这就是式（5.3-16a)，它是一个切线方程，其斜率dy/dx=A/(1+lnA)=16,对对 应应 国国际标准取值际标准取值A=87.6。 A为为压压扩扩参参数数， A=1时无压缩， A值越大压缩效果越明显。A律压缩特性如图 5.2-9（b）所示。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 现在我们以律压缩特性

53、来说明对小信号量化信噪比的改善程度， 图 5.2-10 画出了参数为某一取值的压缩特性。 虽然它的纵坐标是均匀分级的， 但由于压缩的结果， 反映到输入信号x就成为非均匀量化了，即信号小时量化间隔x小， 信号大时量化间隔x也大，而在均匀量化中，量化间隔却是固定不变的。图 5.2-10 压缩特性 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输3、数字压扩、数字压扩 早早期期的的A律律和和律律压压扩扩特特性性是是用用非非线线性性模模拟拟电电路路获获得得的的。 由于对数压扩特性是连续曲线，且随压扩参数而不同，在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的，因而精度和稳定度都受到限制。 随着数字电路特别是

54、大规模集成电路的发展，另一种压扩技术数字压扩，日益获得广泛的应用。它是利利用用数数字字电路形成许多折线来逼近对数压扩特性电路形成许多折线来逼近对数压扩特性。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 在实际中常采用的方法有两种：一种是采用13折折线线近近似似A律压缩特性律压缩特性，另一种是采用15折线近似折线近似律压缩特性律压缩特性。 A律律13折折线线主主要要用用于于英英、法法、德德等等欧欧洲洲各各国国的的PCM 30/32路路基基群群中中，我我国国的的PCM30/32路路基基群群也也采采用用A律律13折折线线压缩特性。压缩特性。 律律15折折线线主主要要用用于于美美国国、加加拿

55、拿大大和和日日本本等等国国的的PCM 24路基群中路基群中。 CCITT建议G.711规定上述两两种种折折线线近近似似压压缩缩律律为为国国际际标准标准，且在国际间数字系统相互连接时，要以在国际间数字系统相互连接时，要以A律为标准律为标准。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 （1）A律律13折线折线 A律律13折折线线的的产产生生是是从从不不均均匀匀量量化化的的基基点点出出发发，设设法法用用13段折线逼近段折线逼近A=87.6的的A律压缩特性律压缩特性。图 5.2-11A律13折线 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 具具体体方方法法是：把输入x轴和输出y轴

56、用两种不同的方法划分。对x轴在01（归一化）范围内不均匀分成8段，分段的规律是每次以二分之一对分， 第一次在0到1之间的1/2处对分，第二次在0到1/2之间的1/4处对分，第三次在0到1/4之间的1/8处对分，其余类推。对y轴在01（归一化）范围内采用等分法，均匀分成8段，每段间隔均为1/8。然后把x，y各对应段的交点连接起来构成8段直线， 得到如图 5.2-11 所示的折线压扩特性。其中第1、 2段斜率相同(均为16)，因此可视为一条直线段，故实际上只有7根斜率不同的折线。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 以上分析的是正方向，由于语音信号是双极性信号，因此在负方向也有与

57、正方向对称的一组折线，也是7根，但其中靠近零点的1、2段斜率也都等于16，与正方向的第1、2段斜率相同，又可以合并为一根，因此，正正、负负双双向向共共有有2(8-1)-1=13 折，故称其为折，故称其为13折线。折线。 但在定量计算时， 仍以正、 负各有8段为准。 13折折线线与与A律律（A=87.6）压压缩缩特特性性的的近近似似程程度度： 在A律对数特性的小信号区分界点x=1/A=1/87.6，相应的y根据式（5.3 - 16a）表示的直线方程可得 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 由于13折线中y是均匀划分的，y的取值在第1、2段起始点小于0.183， 故这两段起始点x

58、、y的关系可分别由式（5.3 - 19）求得： y=0 时， x=0； y=1/8时， x=1/128。 在y0.183 时， 由式（5.3 - 16b）得 其余六段用A=87.6代入式（5.3 - 20）计算的x值列入表 5 - 2 中的第二行，并与按折线分段时的x值（第三行）进行比较。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输表表5-2 A=87.6与与 13 折线压缩特性的比较折线压缩特性的比较y01x01按折线分段时的x01段落 1 2 3 4 5 6 7 8斜率16168421 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 由表可见，13折线各段落的分界点与A=8

59、7.6曲线十分逼近，并且两特性起始段的斜率均为16，这就是说，13折折线线非非常逼近常逼近A=87.6的对数压缩特性的对数压缩特性。 在A律特性分析中可以看出，取取A=87.6有两个目的有两个目的： 是使特性曲线原点附近的斜率凑成是使特性曲线原点附近的斜率凑成16; 是是使使13折折线线逼逼近近时时， x的的八八个个段段落落量量化化分分界界点点近近似似于于按按2的幂次递减分割，有利于数的幂次递减分割，有利于数字化字化。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 (2)律律15折线折线 采用15折线逼近律压缩特性（=255）的原理与A律13折线类似，也是把y轴均分8段，对应于y轴分界

60、点i/8处的x轴分界点的值根据式（6.3 - 15）来计算， 即 (5.3 - 21)其结果列入表 6 - 3 中，相应的特性如图 5.2-12 所示。 由此折线可见，正、负方向各有8段线段，正、负的第1段因斜率相同而合成一段，所以16段线段从形式上变为15段折线， 故称其律15折线。原点两侧的一段斜率为 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输表表 5 - 3律律15折线参数折线参数表表 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输图 5.2-12律15折线 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 原点两侧的一段斜率比A律13折线的相应段的斜率大2倍。因此，

61、小小信信号号的的量量化化信信噪噪比比也也将将比比A律律大大一一倍倍多多。不不过过，对对于大信号来说，于大信号来说， 律要比律要比A律差律差。 以上详细讨论了A律和律的压缩原理。我们知道，信号经过压缩后会产生失真，要补偿这种失真，则要在接收端相应位置采用扩扩张张器器。在理想情况下，扩张特性与压缩特性是对应互逆的，除量化误差外，信号通过压缩再扩张不应引入另外的失真。 我们注意到，在前面讨论量化的基本原理时，并未未涉涉及及量量化化的的电电路路，这是因为量化过程不是以独立的量化电路来实现的， 而是在编码过程中实现的，故原理电路框图将在编码中讨论。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输

62、顺便指出，量化种类量化种类较多，如下所示：量化量化标量量化标量量化矢量量化矢量量化（降低数码率方面大大优于标量量化）无记忆的标量量化无记忆的标量量化（如前讨论的均匀量化和非均匀量化）有记忆的标量量化有记忆的标量量化（如增量调制（M）和差分脉码调制（DPCM）等） 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 作作 业业思考题（自作）：思考题（自作）： P294 9-8,9-9，9-11, 9-12,9-14 习习 题题 ： P296 9-3,9-85.35.3 脉冲编码调制脉冲编码调制（PCMPCM） 主要内容主要内容 脉冲编码调制的原理脉冲编码调制的原理 PCM译码原理译码原理 PC

63、M系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输一、脉冲编码调制的原理一、脉冲编码调制的原理 1、脉冲编、译码概念和原理框图、脉冲编、译码概念和原理框图 （1）脉冲编码调制）脉冲编码调制(PCM) 简简称称脉脉码码调调制制，它它是是一一种种用用一一组组二二进进制制数数字字代代码码来来代代替替连续信号的抽样值，从而实现通信的方式连续信号的抽样值，从而实现通信的方式。 由于这种通信方式抗干扰能力强，它在光纤通信、数字微波通信、卫星通信中均获得了极为广泛的应用。 PCM是是一一种种最最典典型型的的语语音音信信号号数数字字化化的的波波形形编编码码方方式式， 其系

64、统原理框图如图 5.3-1 所示。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输图 5 .3-1PCM系统原理框图 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 首先，在发送端发送端进行波形编码波形编码(主要包括抽样抽样、量化量化和编码编码三个过程)，把模拟信号变换为二进制码组。 编码后的PCM码组的数字传输方式数字传输方式可以是直接的基带基带传输传输，也可以是对微波、光波等载波调制后的调制传输调制传输。 在接收端接收端，二进制码组经译码后还原为量化后的样值脉冲序列，然后经低通滤波器滤除高频分量，便可得到重建信号 。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 抽抽样

65、样是是按按抽抽样样定定理理把把时时间间上上连连续续的的模模拟拟信信号号转转换换成成时时间间上离散的抽样信号上离散的抽样信号； 量量化化是是把把幅幅度度上上仍仍连连续续（无无穷穷多多个个取取值值）的的抽抽样样信信号号进进行行幅幅度度离离散散，即即指指定定M个个规规定定的的电电平平，把把抽抽样样值值用用最最接接近近的的电平表示；电平表示； 编码编码是用二进制码组表示量化后的是用二进制码组表示量化后的M个样值脉冲个样值脉冲。 图 5 .3-2给出了PCM信号形成的示意图。 综上所述，PCM信号的形成是模拟信号经过“抽样、量化、编码”三个步骤实现的。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传

66、输图 5.3-2PCM信号形成示意图 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输（2）、编码和译码）、编码和译码 把把量量化化后后的的信信号号电电平平值值变变换换成成二二进进制制码码组组的的过过程程称称为为编编码码，其逆过程称为，其逆过程称为解码解码或译码译码。 模拟信息源输出的模拟信号m(t)经经抽抽样样和和量量化化后后得得到到的的输输出出脉脉冲冲序序列列是是一一个个M进进制制（一般常用128或256）的的多多电电平平数数字字信信号号，如果直接传输的话，抗噪声性能很差，因此还要经过编码器转换成二二进进制制数数字字信信号号(PCM信号)后，再经数字信道传输。 第第5 5章章 模拟信号

67、的数字传输模拟信号的数字传输 在接收端，二进制码组经过译码器还原为二进制码组经过译码器还原为M进制的量进制的量化信号，再经低通滤波器恢复原模拟基带信号化信号，再经低通滤波器恢复原模拟基带信号 ，完成这一系列过程的系统就是前面图 5.3-1所示的脉冲编码调制（PCM）系统。 其中： 量化与编码的组合称为量化与编码的组合称为模模/数变换器数变换器(A/D变换器变换器)； 译码与低通滤波的组合称为译码与低通滤波的组合称为数数/模变换器模变换器(D/A变换器变换器)。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 2. 码字和码型码字和码型 二进制码具有抗干扰能力强，易于产生等优点，因此PCM

68、中一般采用二进制码。 对对于于M个个量量化化电电平平，可可以以用用N位位二二进进制制码码来来表表示示，其其中中的的每每一一个个码码组组称称为为一一个个码码字字。为保证通信质量， 目前国际上多采用8位编码的PCM系统。 码码型型指指的的是是代代码码的的编编码码规规律律，其其含含义义是是把把量量化化后后的的所所有有量量化化级级，按按其其量量化化电电平平的的大大小小次次序序排排列列起起来来，并并列列出出各各对对应应的码字，这种对应关系的整体就称为码型的码字，这种对应关系的整体就称为码型。 在PCM中常用的二进制码型有三种：自自然然二二进进码码、折折叠叠二二进码进码和格雷二进码格雷二进码（反射二进码）

69、（反射二进码）。 表 5.3-1 列出了用4位码表示16个量化级时的这三种码型。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输表表 5.3-1 常用二进制码型常用二进制码型 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 自自然然二二进进码码就就是是一一般般的的十十进进制制正正整整数数的的二二进进制制表表示示，编码简单、易记，而且译码可以逐比特独立进行。若把自然二进码从低位到高位依次给以2倍的加权，就可变换为十进数。如设二进码为(an-1, an-2, , a1, a0) 则 D=an-12n-1+an-22n-2+a121+a020便是其对应的十进数（表示量化电平值）。 这种“

70、可加性”可简化译码器的结构。 折叠二进码折叠二进码是一种符号幅度码是一种符号幅度码。左边第一位表示信号的极性，信号为正用“1”表示，信号为负用“0”表示；第二位至最后一位表示信号的幅度。由于正、负绝对值相同时，折叠码的上半部分与下半部分相对零电平对称折叠，故名折叠码。 其幅度码从小到大按自然二进码规则编码。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 与自然二进码相比，折叠二进码的优点折叠二进码的优点是： 对于语音这样的双极性信号，只要绝对值相同，则可对于语音这样的双极性信号，只要绝对值相同，则可以采用单极性编码的方法以采用单极性编码的方法，使编码过程大大简化。 在传输过程中出现误码

71、，在传输过程中出现误码， 对小信号影响较小对小信号影响较小。 例如由大信号的1111误为0111，从表 6.3-1 可见， 自然二进码由15错到7，误差为8个量化级，而对于折叠二进码，误差为15个量化级。显见， 大信号时误码对折叠二进码影响很大大信号时误码对折叠二进码影响很大。如果误码发生在由小信号的1000误为0000， 这时情况就大不相同了， 对于自然二进码误差还是8个量化级，而对于折叠二进码误差却只有1个量化级。这一特性是十分可贵的，因为语音信号小幅度出现的概率比大幅度的大，所以，着眼点在语音信号小幅度出现的概率比大幅度的大，所以，着眼点在于小信号的传输效果于小信号的传输效果。 自然二进

72、码与折叠二进码的转换自然二进码与折叠二进码的转换:首位为首位为1,不变不变;首位为首位为0, 首位不变首位不变,其余位取反其余位取反. 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 格雷二进码格雷二进码（反射二进码）（反射二进码）的特点的特点: 相相邻邻码码字字的的距距离离恒恒为为1,即即任任何何相相邻邻电电平平的的码码组组，只只有有一一位位码码位位发发生生变变化化。译码时，若传输或判决有误，量化电平的误差小。 幅幅度度码码相相同同,即即除除极极性性码码外外，当当正正、负负极极性性信信号号的的绝绝对值相等时，其对值相等时，其幅度码相同幅度码相同，故又称反射二进码，故又称反射二进码。 格

73、格雷雷二二进进码码不不是是“可可加加的的”，不不能能逐逐比比特特独独立立进进行行， 需需先先转转换换为为自自然然二二进进码码后后再再译译码码。因此，这种码在采用编编码码管管进行编码时才用，在采用电电路路进行编编码码时，一般均用折叠二进码和自然二进码。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 通过以上三种码型的比较，在在PCM通通信信编编码码中中，折折叠叠二二进进码码比比自自然然二二进进码码和和格格雷雷二二进进码码优优越越，它是A律13折线PCM 30/32路基群设备中所采用的码型。 3. 码位的选择与安排码位的选择与安排 至至于于码码位位数数的的选选择择，它它不不仅仅关关系系到到

74、通通信信质质量量的的好好坏坏， 而而且还涉及到设备的复杂程度且还涉及到设备的复杂程度。 码位数的多少，决定了量化分层的多少，反之，若信号量化分层数一定，则编码位数也被确定。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。 一一般般从从话话音音信信号号的的可可懂懂度度来来说说，采采用用34位位非非线线性性编编码码即可，若增至即可，若增至78位时，通信质量就比较位时，通信质量就比较理想了。理想了。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 在在13折折线线编编码码中中，普普遍遍采采

75、用用8位位二二进进制制码码，对对应应有有M=28=256个个量量化化级级，即即正正、负负输输入入幅幅度度范范围围内内各各有有128个个量量化化级级。这需要将13折线中的每个折线段再均匀划分16个量化级，由于每个段落长度不均匀，因此正或负输入的8个段落被划分成816=128个不均匀的量化级。按折叠二进码的码型，这8位码的安排如下： 极性码极性码 段落码段落码 段内码段内码 C1 C2C3C4 C5C6C7C8 其中第1位码C的数值的数值“1”或或“0”分别表示信号的正、分别表示信号的正、负极性负极性，称为极性码极性码。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 对于正、负对称的双极性

76、信号，在极性判决后被整流（相当取绝对值），以后则按信号的绝对值进行编码，因此只要考虑13折线中的正方向的8段折线就行了。这8段折线共包含128个量化级，正好用剩下的7位幅度码C2C3C4C5C6C7C8表示。 第2至第4位码C2C3C4为段段落落码码，表表示示信信号号绝绝对对值值处处在在哪哪个个段段落落，3位码的8种可能状态分别代表8个段落的起点电平。 但应注意，段落码的每一位不表示固定的电平， 只是用它们的不同排列码组表示各段的起始电平。段落码和8个段落之间的关系如表 5.3-2 和图 5.3-3 所示。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输表表 5.3-2 段段 落落 码码

77、 段落序号段落码C2 C3 C4876543211 1 11 1 01 0 11 0 00 1 10 1 00 0 10 0 0 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输图 5.3-3 段落码与各段的关系 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 第5至第8位码C5C6C7C8为段段内内码码，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。 段内码与16个量化级之间的关系如表 5.3-3 所示。表表 5.3-3 段段 内内 码码（自然二进码）电平序号段内码电平序号段内码c5c6c7c8c5c6c7c8151413121110981 1 1 11

78、1 1 01 1 0 11 1 0 01 0 1 11 0 1 01 0 0 11 0 0 0 765432100 1 1 10 1 1 00 1 0 10 1 0 00 0 1 10 0 1 00 0 0 10 0 0 0 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输注注意意： 在在13折折线线编编码码方方法法中中，虽虽然然各各段段内内的的16个个量量化化级级是是均均匀匀的，但因段落长度不等，故不同段落间的量化级是非均匀的的，但因段落长度不等，故不同段落间的量化级是非均匀的。 小信号时，段落短，量化间隔小；反之，量化间隔大。 13折线中的第一、 二段最短，只有归一化的1/128，再将

79、它等分16小段，每一小段长度为 。 这是最小的量化级间隔，它仅有输入信号归归一一化化值值的的1/2048，记记为为，代代表表一一个量化单位个量化单位。 第八段最长，它是归一化值的1/2，将它等分16小段后，每一小段归一化长度为1/32 ， 包含64个最小量化间隔，记为64。 如如果果以以非非均均匀匀量量化化时时的的最最小小量量化化间间隔隔=1/2048作作为为输输入入x轴轴的的单单位位， 那那么么各各段段的的起起点点电电平平分分别别是是0、16、32、64、128、 256、512、1024个量化单位个量化单位。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 表 5.3-4 列出了A律

80、13折线每一量化段的起起始始电电平平Ii、量量化间隔化间隔i及各位幅度码的权值各位幅度码的权值（对应电平）。 表5.3-4 13 折线幅度码及其对应电平 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 由此表可知，第i段的段内码C5C6C7C8的权值（对应电平）分别如下： C5的权值8i；C6的权值4i C7的权值2i； C8的权值i 段内码的确定可为段内码的确定可为：若若m为为 （量化电平（量化电平- -段落起点段落起点电平）电平）/ /段落量化间隔段落量化间隔的最大整数，自然二进码，对的最大整数，自然二进码，对m进行进行8421编码编码。 若要求编折叠二进码，段内码第一位是段内码第一

81、位是1 1，两码，两码相同；相同；段内码第一位段内码第一位若为若为0 0，除段内码第一位外，其余码取，除段内码第一位外，其余码取反即可反即可。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 假设以非均匀量化时的最小量化间隔=1/2048作为均匀量化的量化间隔，那么从13折线的第一段到第八段的各段所包含的均匀量化级数分别为16、16、32、64、128、256、512、 1024，总共有2048个均匀量化级， 而非均匀量化只有128个量化级。 按按照照二二进进制制编编码码位位数数N与与量量化化级级数数M的的关关系系：M=2N， 均均匀量化需要编匀量化需要编11位码，而非均匀量化只要编位码

82、，而非均匀量化只要编7位码。位码。 通常把按按非非均均匀匀量量化化特特性性的的编编码码称称为为非非线线性性编编码码；按按均均匀匀量化特性的编码量化特性的编码称为称为线性编码线性编码。 可见，在在保保证证小小信信号号时时的的量量化化间间隔隔相相同同的的条条件件下下，7位位非非线线性性编编码码与与11位位线线性性编编码码等等效效。由于非线性编码的码位数减少，因此设备简化，所需传输系统带宽减小。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 7/11变变换换关关系系7位位非非线线性性码码对对应应二二进进制制的的码码字字电电平平除除以以2取余，余数倒排（取余，余数倒排（不够不够1111位，前面

83、用位，前面用0 0补齐补齐） 。 还还应应指指出出，上述编码得到的码组所对应的是输入信号的分层电平mk，对于处在同一量化间隔内的信号电平值mkmmk+1，编码的结果是惟一的。为使落在该量化间隔内的任意信号电平的量化误差均小于i/2，在译码器中都有一个加i/2电路。这等效于将量化电平移到量化间隔的中间。 带带有有加加i/2电电路路的的译译码码器器，最最大大量量化化误误差差一一定定不不会会超超过过i/2。 译码时，非线性码与线性码间的关系是7/12变换关系变换关系。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输例例5.3-1 设设输输入入信信号号抽抽样样值值Is=+1260（为为一一个个量

84、量化化单单位位， 表表示示输输入入信信号号归归一一化化值值的的1/20481/2048），采采用用逐逐次次比比较较型型编编码码器器, 按按A律律13折折线线编编成成8位位码码C1C2C3C4C5C6C7C8 ，并并计计算算量量化化误误差差和线性码和线性码。 解解 : 编码过程如下： （1）确确定定极极性性码码C1：由于输入信号抽样值Is为正，故极性码C1=1。 （2） 确定段落码确定段落码C2C3C4： 1260位于第8段，8-1=7，按421编码规律编码为111，故段落码C2C3C4为“111” 。 （3） 确定段内码确定段内码C5C6C7C8： （1260-1024）/64取整=3 自自然

85、然二二进进码码按按84218421编编码码规规律律编编码码为0011，故段内码C5C6C7C8为“0011” 若要求编折叠二进码，则为0100-段段内内码码第第一一位位是是1 1，两两码码相相同同；若若为为0 0，除除段段内内码码第第一一位位外外，其其余余码码取取反反即即可可。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 8位码位码C1C2C3C4C5C6C7C8 =11110011（4）量化误差量化误差 考虑/2电路，实际量化电平为： 1216+i/2=1216+64/2=1248量化误差量化误差为 1260-1248=12 1264/2， 即量化误差小于量化间隔的一半。 （5）线

86、性码线性码 7位非线性幅度码1110011所对应的12位位线线性性幅幅度度码码为110011100000（ 考考 虑虑 /2/2和和 极极 性性 ） ， 11位位 线线 性性 码码 为10011000000 （不考虑不考虑/2/2和极性和极性） 。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 4. 编码原理编码原理 实现编码的具体方法和电路很多，如有低低速速编编码码和和高高速速编编码码；线线性性编编码码和和非非线线性性编编码码；逐逐次次比比较较型型、级级联联型型和和混混合合型型编编码器码器。 这里只讨论目前常用的逐次比较型编码器逐次比较型编码器原理。 编编码码器器的的任任务务是是根根

87、据据输输入入的的样样值值脉脉冲冲编编出出相相应应的的8位位二二进进制制代代码码。除第一位极性码外，其他7位二进制代码是通过类似天平称重物的过程来逐次比较确定的。这种编码器就是PCM通信中常用的逐次比较型编码器。 逐逐次次比比较较型型编编码码的的原原理理与与天天平平称称重重物物的的方方法法相相类类似似，样值脉冲信号相当被测物，标准电平相当天平的砝码。预预先先规规定定好好的的一一些些作作为为比比较较用用的的标标准准电电流流(或或电电压压)，称为权权值值电电流流，用符号IW表示。 IW的个数与编码位数有关。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 当样值脉冲Is到来后，用逐步逼近的方法

88、有规律地用各标准电流IW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。 实实现现A律律13折折线线压压扩扩特特性性的的逐逐次次比比较较型型编编码码器器的的原原理理框框图图如图 5.3-4 所示，它由整整流流器器、极极性性判判决决、保保持持电电路路、比比较较器及本地译码电路等组成器及本地译码电路等组成。 极极性性判判决决电电路路用用来来确确定定信信号号的的极极性性。输入PAM信号是双极性信号，其样值为正时，在位脉冲到来时刻出“1”码；样值为负时，出“0”码；同时将该信号经过全波整流变为单极性信号。

89、第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输图5.3-4 逐次比较型编码器原理图 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 保保持持电电路路的的作作用用是是在在整整个个比比较较过过程程中中保保持持输输入入信信号号的的幅幅度度不不变变。 由于逐次比较型编码器编7位码(极性码除外)需要在一个抽样周期Ts以内完成Is与IW的7次比较，在整个比较过程中都应保持输入信号的幅度不变，因此要求将样值脉冲展宽并保持。 这在实际中要用平顶抽样，通常由抽样保持电路实现。 比比较较器器是是编编码码器器的的核核心心。它的作作用用是是通通过过比比较较样样值值电电流流Is和和标标准准电电流流IW，从从

90、而而对对输输入入信信号号抽抽样样值值实实现现非非线线性性量量化化和和编编码码。每比较一次输出一位二进制代码，且当IsIW时，出“1”码, 反之出“0”码。由于在13折线法中用7位二进制代码来代表段落和段内码，所以对一个输入信号的抽样值需要进行7次比较。每次所需的标准电流IW均由本地译码电路提供。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 本地译码电路本地译码电路包括记忆电路、包括记忆电路、711变换电路和恒流源变换电路和恒流源。 记忆电路记忆电路用来寄存二进代码用来寄存二进代码，因除第一次比较外，其余各次比较都要依据前几次比较的结果来确定标准电流IW值。因此， 7位码组中的前6位状

91、态均应由记忆电路寄存下来。 711变换电路变换电路就是前面非均匀量化中谈到的数字压缩数字压缩器器。 由于按A律13折线只编7位码，加至记忆电路的码也只有7位， 而线性解码电路（恒流源）需要11个基本的权值电流支路， 这就要求有11个控制脉冲对其控制。因此，需通过711逻辑变换电路将7位非线性码转换成11位线性码，其实质实质就是完成非线性和线性之间的变换就是完成非线性和线性之间的变换。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 恒恒流流源源也也称称11位位线线性性解解码码电电路路或或电电阻阻网网络络，它它用用来来产产生生各各种种标标准准电电流流IW。在恒流源中有数个基本的权值电流支路

92、，其个数与量化级数有关。按A律13折线编出的7位码，需要11个基本的权值电流支路，每个支路都有一个控制开关。每次应该哪个开关接通形成比较用的标准电流IW，由前面的比较结果经变换后得到的控制信号来控制。 附附带带指指出出，原理上讲模拟信号数字化的过程是抽样、量化以后才进行编码。但实际上量化是在编码过程中完成的，也就是说，编码器本身包含了量化和编码的两个功能编码器本身包含了量化和编码的两个功能。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输5. PCM信号的码元速率和带宽信号的码元速率和带宽 由于PCM要用N位二进制代码表示一个抽样值，即一个抽样周期Ts内要编N位码，因此每个码元宽度为Ts

93、/N，码位越多， 码元宽度越小，占用带宽越大。 显然，传输PCM信号所需要的带宽要比模拟基带信号m(t)的带宽大得多。（1） 码码元元速速率率。设m(t)为低通信号，最高频率为fH， 按照抽样定理的抽样速率fs2fH，如果量化电平数为M， 则采用二进制代码的码元速率为 fb=fslog2M=fsN (5.3 - 22) 式中， N为二进制编码位数。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输（2）传输）传输PCM信号所需的最小带宽信号所需的最小带宽 抽样速率的最小值fs=2fH，这时码元传输速率为fb=2fHN，按照数字基带传输系统中分析的结论，在在无无码码间间干干扰扰和和采采用用理

94、理想想低低通通传传输输特特性性的的情情况况下下，所所需需最最小小传传输输带带宽宽（NY带带宽）为宽）为(5.3 - 23) 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 实际中用升余弦的传输特性， 此时所需传输带宽为 B=fb=Nfs (5.3 - 24)以常用的N=8，fs=8kHz为例，实际应用的B=Nfs=64 kHz，显然比直接传输语音信号m(t)的带宽（4kHz）要大得多。 二、二、二、二、PCMPCM译码原理译码原理译码原理译码原理 译码的作用是把收到的PCM信号还原成相应的PAM样值信号，即进行D/A变换。 A律律13折线译码器原理框图折线译码器原理框图如图 5.3-5

95、所示。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输图 5.3-5 译码器原理框图 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 A律13折线译码器原理框图， 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，各部分电路的作用如下。 串串/并并变变换换记记忆忆电电路路：其作用是将加进的串行PCM码变为并行码，并记忆下来，与编码器中译码电路的记忆作用基本相同。 极极性性控控制制部部分分：其作用是根据收到的极性码C1是“1”还是“0”来控制译码后PAM信号的极性，恢复原信号极性。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的

96、数字传输 7/12变变换换电电路路：其其作作用用是是将将7位位非非线线性性码码转转变变为为12位位线线性性码码。 在编码器的本地译码器中采用7/11位码变换，使得量化误差有可能大于本段落量化间隔的一半。译码器中采用7/12变换电路，是为了增加了一个i/2恒流电流，人为地补上半个量化级，使最大量化误差不超过i/2，从而改善量化信噪比。两种码之间转换原则是两个码组在各自的意义上所代表的权值必须相等。 寄寄存存读读出出电电路路：是是将将输输入入的的串串行行码码在在存存储储器器中中寄寄存存起起来来，待待全全部部接接收收后后再再一一起起读读出出，送送入入解解码码网网络络。实实质质上是进行串串/并并变变换

97、换。12位线性解码电路主要是由恒流源和电阻网络组成， 与编码器中解码网络类同。 它是在寄存读出电路的控制下， 输出相应的PAM信号。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 三、三、三、三、 PCMPCM系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能 1、 PCM系统的两种噪声系统的两种噪声 分析PCM的系统性能将涉及两两种种噪噪声声：量量化化噪噪声声和信信道道加加性性噪噪声声。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 5.3-1 所示的PCM系

98、系统统接接收收端端低低通通滤滤波器的输出波器的输出为 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。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输图 5.3-1PCM系统原理框图 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 通常用系统输出端总的信噪比系统输出端总的信噪比衡量PCM系统的抗噪声性能，其定义为：2、 PCM系统量化噪声引起的输出量化信噪比系统量化噪声引起的输出量化信噪比 假设输入信号m(t)在区间-a，a上概率密度均匀分布，对m(t)进行均匀量化，其量化级数为

99、M，在不考虑信道噪声条件下，由量化噪声引起的输出量化信噪比S0/Nq为：(5.3 - 25) 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 式中，二进码位数N与量化级数M的关系为M=2N。 由上式可见，PCM系统输出端的量量化化信信噪噪比比将依赖于每一个编码组的位数N，并随N按指数增加。 在无码间干扰和采用理想低通传输特性的情况下，PCM系统最小带宽为B=NfH，式(5.3 - 26)又可表示为 (5.3 - 27)该式表明，PCM系系统统输输出出端端的的量量化化信信噪噪比比与与系系统统带带宽宽B成成指指数数关关系系，充充分分体体现现了了带带宽宽与与信信噪噪比比的的互互换换关关系系。

100、(5.3 - 26) 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 3、信道加性噪声对、信道加性噪声对PCM系统性能的影响系统性能的影响 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。 由于PCM信号中每一码组代表着一定的量化抽样值，所以若出现误码，被恢复的量化抽样值将与发端原抽样值不同，从而引起误差。 在在假假设设加加性性噪噪声声为为高高斯斯白白噪噪声声的的情情况况下下， 每每一一码码组组中中出出现现的的误误码码可可以以认认为为是是彼彼此此独独立立的的，并并设设每每个个码码元元的的误误码码率率皆皆为为Pe。另

101、外，考虑到实际中PCM的每个码组中出现多于1位误码的概率很低，所以通常只需要考虑仅有只需要考虑仅有1位误码的码组错误位误码的码组错误。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 例如，若Pe=10-4，在8位长码组中有1位误码的码组错误概率为P1=8Pe=1/1250，表示平均每发送1250个码组就有一个码组发生错误；而有2位误码的码组错误概率为P2=C28Pe2=2.810-7。显然P2 P1，因此只要考虑只要考虑1 1位误码引起的码组错误就够位误码引起的码组错误就够了。 由由于于码码组组中中各各位位码码的的权权值值不不同同，因因此此，误误差差的的大大小小取取决决于于误码发生在码

102、组的哪一位上，而且与误码发生在码组的哪一位上，而且与码型有关。码型有关。 以以N位位长长自自然然二二进进码码为例， 自最低位到最高位的加权值分别为20, 21, 22, 2i-1， , 2N-1，若量化间隔为，则发生在第i位上的误码所造成的误差为(2i-1)， 其所产生的噪声功率便是 (2i-1) 2。显然，发生误码的位置越高，造成的误差越大发生误码的位置越高，造成的误差越大。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 Ne=En2e(t)=Pe (2i-1)2=2Pe 2Pe (5.3 - 28) 已假设信号m(t)在区间-a, a为均匀分布，输出信号功率为 (5.3 - 29)

103、由式（5.3 - 28）和（5.3 - 29），我们得到仅仅考考虑虑信信道道加性噪声时加性噪声时, PCM系统的输出信噪比系统的输出信噪比为(5.3 - 30) 由于已假设每位码元所产生的误码率Pe是相同的，所以一个码组中如有一位误码产生的平均功率为 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输4、 PCM系统输出端的总信噪功率比系统输出端的总信噪功率比 在上面分析的基础上，同同时时考考虑虑量量化化噪噪声声和和信信道道加加性性噪噪声时，声时，PCM系统输出端的总信噪功率比为系统输出端的总信噪功率比为(5.3 - 31)讨论：讨论： 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输

104、（1）在接收端输入大信噪比的条件下）在接收端输入大信噪比的条件下，即4Pe22N 1 时，Pe较大，误码噪声起主要作用误码噪声起主要作用，总信噪比与Pe成反比。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输例例5.3-2 话音信号话音信号m(t)采用采用13折线折线A律律进行编码，设进行编码，设m(t)的的频率范围为频率范围为04kHz，取值范围为取值范围为-6.46.4V, m(t)的一个抽样的一个抽样脉冲值为脉冲值为-5.275V。 （1）画出逐次比较型编码器的原理框图；画出逐次比较型编码器的原理框图； （2）试求此时编码器输出的）试求此时编码器输出的PCM码组和量化误差（段内码组

105、和量化误差（段内码采用折叠二进码）；码采用折叠二进码）； （3）写出该码组对应的均匀量化）写出该码组对应的均匀量化12位码；位码； （4）若编码器输出的）若编码器输出的PCM码组采用码组采用QPSK方式传输，试方式传输，试分析分析QPSK传输系统所需的最小带宽。传输系统所需的最小带宽。 西电1998研 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输解：解： （1）逐次比较型编码器的原理框图为： 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输（2） 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 作作 业业思考题（自作）：思

106、考题（自作）： P294 9-15，9-17 习习 题题 ： P296 9-10,9-11 * 5.45.4 自适应差分脉冲编码调制自适应差分脉冲编码调制ADPCMADPCM 主要内容主要内容 研究研究ADPCM的的原因原因 DPCM ADPCM 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 一、研究一、研究一、研究一、研究ADPCMADPCM的原因的原因的原因的原因 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（3.4 kHz）宽很多倍，这样，对于大容量的长途传输系统，

107、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，人人们们把把话话路路速速率率低低于于64kb/s的的语语音音编编码码方方法法， 称称为为语音压缩编码技术语音压缩编码技术。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 语音压缩编码方法很多，其中， 自自适适应应差差分分脉脉冲冲编编码码调调制制是语音压缩中复杂度较低的一种编码方法，它可在32kb/s的比特率上达到64kb/s的PCM数字电话质量。 近年来，ADPCM已成为长途传输中一种新型的国际通用的语音编码方法。 ADPCM，是在差分脉冲编码调制（DPCM）的基础上发

108、展起来的。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 二、二、二、二、DPCMDPCM 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。 用用样样点点之之间间差差值值的的编编码码来来代代替替样样值值本本身身的的编编码码， 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。这种利利用用差差值值的的PCM编编码码称称为为差差分分PCM（DPCM）。 如果将样值之差仍用N位编

109、码传送，则DPCM的量化信噪比显然优于PCM系统。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 实现差分编码的一个好办法是根据前面的k个样值预测当前时刻的样值。编码信号只是当前样值与预测值之间的差值的量化编码。 DPCM系系统统的的框框图图如图 5.4-1 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。 预测器的输出预测器的输出为 差值差值 作为量化器输入，eqn代表量化器输出，量化后的每个预测误差eqn被编码成二进制数字序列，通过信道传送到目的地。 该误差eqn同时被加到本地预测值 而得到。 (5.4 -1) 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输

110、图5.4-1 DPCM系统原理框图 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 在接收端装有与发送端相同的预测器， 它的输出 与eqn相加产生 。信号 既是所要求的预测器的激励信号，也是所要求的解码器输出的重建信号。在无传输误码的条件下，解码器输出的重建信号 与编码器中的 相同。 DPCM系统的总量化误差应该定义为输入信号样值xn与解码器输出样值 之差，即 nq=xn- =(en+ )-( +eqn) =en-eqn 由上式可知，这种DPCM的的总总量量化化误误差差nq仅仅与与差差值值信信号号en的量化误差有关的量化误差有关。 (5.4 -2) 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟

111、信号的数字传输 nq与xn都是随机量，因此DPCM系系统统总总的的量量化化信信噪噪比比可表示为 式中，(S/N)q是把差值序列作为信号时量化器的量量化化信信噪噪比比，与PCM系统考虑量化误差时所计算的信噪比相当。 Gp可可理理解解为为DPCM系系统统相相对对于于PCM系系统统而而言言的的信信噪噪比比增增益益，称称为为预预测测增增益益。如果能够选择合理的预测规律，差值功率Ee2n就能远小于信号功率Ex2n，Gp就会大于1，该系统就能获得增益。对DPCM系统的研究就是围绕着如何使Gp和(S/N)q 这两个参数取最大值而逐步完善起来的。通常Gp约约为为611 dB。 (5.4 -3) 第第5 5章章

112、 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 由式(5.4-3)可见，DPCM系统总的量化信噪比远大于量化器的信噪比。因此, 要要求求DPCM系系统统达达到到与与PCM系系统统相相同同的的信信噪噪比比，则则可可降降低低对对量量化化器器信信噪噪比比的的要要求求，即即可可减减小小量量化化级级数数，从而减少码位数，降低比特率从而减少码位数，降低比特率。三、三、ADPCM值得注意的是，DPCM系系统统性性能能的的改改善善是是以以最最佳佳的的预预测测和和量量化化为为前前提提的的。但对语音信号进行预测和量化是复杂的技术问题，这是因为语音信号在较大的动态范围内变化。为了能在相当宽的变化范围内获得最佳的性能，只有在

113、DPCM基础上引入自适应系统。有有自自适适应应系系统统的的DPCM称称为为自自适适应应差差分分脉脉冲冲编编码调制，简称码调制，简称ADPCM。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 ADPCM的的主主要要特特点点是是用用自自适适应应量量化化取取代代固固定定量量化化，用自适应预测取代固定预测用自适应预测取代固定预测。 自自适适应应量量化化指指量量化化台台阶阶随随信信号号的的变变化化而而变变化化，使使量量化化误误差减小差减小； 自自适适应应预预测测指指预预测测器器系系数数ai可可以以随随信信号号的的统统计计特特性性而而自自适适应应调调整整，提提高高了了预预测测信信号号的的精精度度，

114、 从从而而得得到到高高预预测测增增益益。 通过这两点改进，可大大提高输出信噪比和编码动态范围。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 如果DPCM的预测增益为611dB，自适应预测可使信噪比改善4 dB；自适应量化可使信噪比改善47dB，则ADPCM比PCM可改善1621dB，相当于编码位数可以减小 3 位到 4 位。 因此，在维持相同的语音质量下，ADPCM允许用32 kb/s比特率编码，这是标准64kb/s PCM的一半。 因此，在长途传输系统中 ，ADPCM有着远大的前景。相应地，CCITT也形成了关于ADPCM系统的规范建议G.721 、 G.726等。 5.55.5

115、增量调制（增量调制（MM） 主要内容主要内容 简单增量调制简单增量调制 增量调制的过载特性与动态编码范围增量调制的过载特性与动态编码范围 增量调制系统的抗噪声性能增量调制系统的抗噪声性能* PCM与与M系统的比较系统的比较 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 一、简单增量调制一、简单增量调制一、简单增量调制一、简单增量调制 1、增量调制的概念、增量调制的概念 增增量量调调制制，是继PCM后出现的又一种模拟信号数字传输的方法，可可以以看看成成是是DPCM的的一一个个重重要要特特例例。 其目的在于简化语音编码方法。 用用差差值值编编码码进进行行通通信信的的方方式式，就就称称为为“

116、增增量量调调制制”（Delta Modulation），），缩写为缩写为DM或或M。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 M与与PCM的区别的区别(相同点都是用二进制代码去表示模拟信号的编相同点都是用二进制代码去表示模拟信号的编码方式码方式）：）：在在PCM中，代码表示样值本身的大小中，代码表示样值本身的大小，所需码位数码位数较多较多，从而导致编译码设备复杂；而在M中，它只用一位编码只用一位编码表示相邻样值的相对大小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优点优点(与PCM编码方式相比):具有编译码设备简单，编译码设备简单， 低低比

117、特率时的量化信噪比高，抗误码特性好等比特率时的量化信噪比高，抗误码特性好等。 M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。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 2. 编译码的基本思想编译码的基本思想 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。 为了说明这个概念， 我们来看图 5.5-1。 图中，m(

118、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。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输图 5.5-1 增量编码波形示意图 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 阶梯波阶梯波m(t)有两个特点有两个特点： 第一第一，在每个，在每个t间隔内，间隔内， m(t)的幅值不变的幅值不变; 第第二二，相相邻邻间间隔隔的的幅幅值值差差不不是是+（上上升升一一个个量量化化阶阶），就是就是-（下

119、降一个量化阶）下降一个量化阶）。 利用这两个特点， 用用“1”码码和和“0”码码分分别别代代表表m(t)上上升升或或下下降降一一个个量量化化阶阶， 则则m(t)就就被被一一个个二二进进制制序序列列表表征征。于是，该序列也相当表征了模拟信号m(t)， 实现了模/数转换。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 除了用阶梯波m(t)近似m(t)外，还可用另一种形式图中虚线所示的斜变波斜变波m1(t)来近似来近似m(t)。 斜变波m1(t)也只有两种变化：按斜率按斜率/t上升一个上升一个量阶和按斜率量阶和按斜率-/t下降一个量阶下降一个量阶。用用 “1”码表示正码表示正斜率，用斜率，用

120、“0”码表示负斜率，同样可以获得二进制序列码表示负斜率，同样可以获得二进制序列。由于斜变波m1(t)在电路上更容易实现，实际中常采用它来近似m(t)。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 译码有两种形式译码有两种形式: 一一种种是是收收到到“1”码码上上升升一一个个量量阶阶（跳跳变变），收收到到“0”码码下下降降一一个个量量阶阶（跳跳变变），这这样样把把二二进进制制代代码码经经过过译译码码后变为后变为m(t)这样的阶梯波这样的阶梯波。 另另一一种种是是收收到到“1”码码后后产产生生一一个个正正斜斜率率电电压压，在在t时时间间内内上上升升一一个个量量阶阶， 收收到到“0”码码后

121、后产产生生一一个个负负斜斜率率电电压压，在在t时时间间内内下下降降一一个个量量阶阶，这这样样把把二二进进制制代代码码经经过过译译码码后后变变为如为如m1(t)这样的斜变波这样的斜变波。 考虑到电路上实现的简易程度，一般都采用后一种方法。这种方法可用一个简单的RC积积分分电电路路，即可把二进制代码变为m1(t)这样的波形，如图 5.5-2 所示。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输图 5.5-2 积分器译码原理 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 3. 简单简单M系统方框图系统方框图 从M编、译码的基本思想出发，我们可以组成一个如图 5.5-3 所示的简单简单

122、M系统方框图系统方框图。 发发送送端端编编码码器器是是相相减减器器、判判决决器器、积积分分器器及及脉脉冲冲发发生生器器（极性变换电路）组成的一个闭环反馈电路（极性变换电路）组成的一个闭环反馈电路。 其 中 ， 相相 减减 器器 的 作 用 是 取 出 差 值 e(t)， 使 e(t)=m(t)-m1(t) 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输图 5.5-3 简单M系统框图之一 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 判决器判决器也称比较器比较器或数码形成器数码形成器，它的作用是对差值e(t)的极性进行识别和判决，以便在抽样时刻输出数码（增量码）c(t)，即如果在给

123、定抽样时刻ti上，有 e(ti)=m(ti)-m1(ti)0 则判决器输出“1”码；如有 e(ti)=m(ti)-m1(ti)0 则输出“0”码。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 积积分分器器和脉脉冲冲产产生生器器组成本本地地译译码码器器， 它的作用是根据c(t)，形成预测信号m1(t)，即c(t)为“1”码时， m1(t)上升一个量阶，c(t)为“0”码时，m1(t)下降一个量阶，并送到相减器与m(t)进行幅度比较。 注注意意，若用阶梯波m(t)作为预测信号，则抽样时刻ti应改为t-i，表示ti时刻的前一瞬间，即相当于阶梯波形跃变点的前一瞬间。在t-i时刻，斜变波形与阶

124、梯波形有完全相同的值。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 接收端解码电路接收端解码电路:由译码器和低通滤波器组成由译码器和低通滤波器组成。 其中，译译码码器器的电路结构和作用与发送端的本地译码器相同，用来由c(t)恢复m1(t)，为了区别收、发两端完成同样作用的部件， 我们称发端的译码器发端的译码器为本地译码器本地译码器。 低低通通滤滤波波器器的的作作用用是是滤滤除除m1(t)中中的的高高次次谐谐波波，使使输出波形平滑，更加逼近原来的模拟信号输出波形平滑，更加逼近原来的模拟信号m(t)。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 M实际上是最简单的一种实际上是最

125、简单的一种DPCM方案方案，M是前后两个样值的差值的量化编码, 预测值仅用前一个样值来代替， 即当图 5.4-1( DPCM系统原理框图)所示的DPCM系统的预测器系统的预测器是一个延迟单元是一个延迟单元， 量化电平取为量化电平取为 2 时时，该DPCM系统就是一个简单M系统， 如图 5.5-4(简单M系统框图之二)所示。 用它进行理论分析将更准确、合理，但硬件实现M系统时，图 5.5-3(简单M系统框图之一)要简便得多。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输图 5.5-4 简单M系统框图之二 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输二、增量调制的过载特性与动态编码

126、范围二、增量调制的过载特性与动态编码范围二、增量调制的过载特性与动态编码范围二、增量调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 5.5-5 所示。 图 5.5-5 量化噪声 (a) 一般量化误差； (b) 过载量化误差 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 1、增量调制误差的两种形式、增量调制误差的两种形式-最大跟踪斜率最大跟踪斜率 误误差差eq(t)=m(t)-m(t)表现为两种形式： 一种称为过过载载量量化误差化误差， 另一种称为一般量化误差一般量化误差。 当当输输入入模模拟拟信信号号m(t)斜斜率率陡陡变变

127、时时，本本地地译译码码器器输输出出信信号号m(t)跟跟不不上上信信号号m(t)的的变变化化，如图 5.5-5(b)所示。这时， m(t)与与m(t)之之间间的的误误差差明明显显增增大大，引引起起译译码码后后信信号号的的严严重重失失真真， 这这种种现现象象叫叫过过载载现现象象，产生的失真称为过过载载失失真真， 或称过过载载噪声噪声。这是在正常工作时必须而且可以避免的噪声。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 设抽样间隔为t（抽样速率为fs=1/t），则一个量阶上的最大斜率K为 (5.5 - 1)它被称为译码器的最大跟踪斜率最大跟踪斜率。 显然， 当当译译码码器器的的最最大大跟跟

128、踪踪斜斜率率大大于于或或等等于于模模拟拟信信号号m(t)的最大变化斜率时，的最大变化斜率时，不会发生过载现象不会发生过载现象.即(5.5 - 2) 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 译译码码器器输输出出m(t)能能够够跟跟上上输输入入信信号号m(t)的的变变化化，不不会会发发生生过过载载现现象象， 因因而而不不会会形形成成很很大大的的失失真真。当当然然，这这时时m(t)与与m(t)之之间间仍仍存存在在一一定定的的误误差差eq(t)，它它局局限限在在-，区区间间内内变变化化,这种误差这种误差称为一般量化误差一般量化误差。 为了不发生过载， 必须增大和fs。 但增大，一般量化误

129、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。 不过，提高fs对减小一般量化误差和减小过载噪声都有利。 因此，M系系统统中中的的抽抽样样速速率率要要比比PCM系系统统中中的的抽抽样样速速率率高高的的多多。 M系统抽样速率的典型值为16kHz或32kHz，相应单话路编码比特率为16 kb/s或32kb/s。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 在正常通信中，不希望发生过载现象，这实际上是对输入信号的一个限制。现以正弦信号为例来说明。 设输入模拟信号为m(t)=A sinkt，其斜率为 可见，斜率的最大值为Ak。为了不发生过载，应要求2、临界过载振幅、临界

130、过载振幅 所以，临界过载振幅临界过载振幅（允许的信号幅度）为 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 式中，fk为信号的频率。 可见，当信号斜率一定时，允允许许的的信信号号幅幅度度随随信信号号频频率率的的增增加加而而减减小小，这这将将导导致致语语音音高高频频段段的的量量化化信信噪噪比比下下降降。这是简单增量调制不能实用的原因之一。 3 3、最小编码电平、最小编码电平 分析表明，要想正常编码，信号的幅度将受到限制， 我们称Amax为为最最大大允允许许编编码码电电平平。同样，对能正常开始编码的最小信号振幅也有要求。不难分析，最小编码电平最小编码电平Amin为(5.5 - 5) 第第5

131、 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 编编码码的的动动态态范范围围定义为：最最大大允允许许编编码码电电平平Amax与与最小编码电平最小编码电平Amin之比，之比，即DcdB=20 lg (5.5 - 6) 这是编码器能够正常工作的输入信号振幅范围。将式(5.5 - 4)和(5.5 - 5)代入得 (5.5 - 7) 通常采用fk=800Hz为测试标准，所以(5.5 - 8)4、编码的动态范围、编码的动态范围 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输该式的计算结果列于表 5.5-1 中。 表表 5.5-1 动态范围与抽样速率关系动态范围与抽样速率关系 抽样速率为fs(kHz

132、)1020324080100编码的动态范围DC(dB)121822243032 由上表可见，简单增量调制的编码动态范围较小，在低传码率时，不符合话音信号要求。通常，话话音音信信号号动动态态范范围围要要求求为为 4050dB。因此，实用中的M常用它的改进型，如增增量量总总和调制和调制、 数字压扩自适应增量调制数字压扩自适应增量调制等。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输三、增量调制系统的抗噪声性能三、增量调制系统的抗噪声性能三、增量调制系统的抗噪声性能三、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

133、量量化化噪噪声声和信信道道加加性性噪噪声声。由于这两类噪声是互不相关的，可以分别讨论。 1. 量化信噪功率比量化信噪功率比 从前面分析可知，量量化化噪噪声声有两种，即过过载载噪噪声声和一一般般量量化化噪噪声声。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 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 (5.5 - 9)考虑到eq(t)的最小周期大致是抽样频率fs的倒数，而且大于1/fs的任意周期都可能出现。因此，为便

134、于分析可近似认为上式的量化噪声功率谱在（0，fs）频带内均匀分布，则量化噪声的单边功率谱密度为 (5.5 - 10) 若接收端低通滤波器的截止频率为fm，则经低通滤波器后输出的量化噪声功率为(5.5 - 11) 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 由此可见，M系系统统输输出出的的量量化化噪噪声声功功率率与与量量化化台台阶阶及及比比值值(fm/fs)有有关关，而而与与信信号号幅幅度度无无关关。当然，这后一条性质是在未过载的前提下才成立的。 信号越大，信噪比越大。对于频率为fk的正弦信号， 临临界过载振幅界过载振幅为所以信号功率的最大值信号功率的最大值为因此在临界振幅条件下， 系

135、统最大的量化信噪比量化信噪比为(5.5 - 12)(5.5 - 13) 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输用分贝表示用分贝表示为 上式是M的最重要的公式。它表明： （1） 简简单单M的的信信噪噪比比与与抽抽样样速速率率fs成成立立方方关关系系，即即fs每每提提高高一一倍倍，量量化化信信噪噪比比提提高高 9dB。因此，M系统的抽样速率至少要在16kHz以上，才能使量化信噪比达到15dB以上，而抽样速率在32kHz时，量化信噪比约为26 dB，只能满足一般通信质量的要求。 (5.5 - 14) 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 （2） 量量化化信信噪噪比比与与

136、信信号号频频率率fk的的平平方方成成反反比比，即即fk每每提提高高一一倍倍， 量量化化信信噪噪比比下下降降 6 dB。因此，简单M时语音高频段的量化信噪比下降。 2*. 误码信噪功率比误码信噪功率比(选选) 信道加性噪声会引起数字信号的误码， 接收端由于误码而造成的误码噪声功率Ne为 (5.5 - 15)式中，f1是语音频带的下截止频率，Pe为系统误码率。 由 式(5.5 - 12)和(5.5 - 15)可求得误码信噪比为 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 可见，在给定f1、fs、 fk的情况下，M系统的误码信噪比与Pe成反比。 由Nq和Ne，可以得到同时考虑量化噪声和误码

137、噪声时的M系统输出的总的信噪比系统输出的总的信噪比为(5.5 - 16)(5.5 - 17) 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输* *四、四、四、四、PCMPCM与与与与MM系统的比较系统的比较系统的比较系统的比较 PCM和和M都是模拟信号数字化的基本方法都是模拟信号数字化的基本方法。 M实实际际上上是是DPCM的的一一种种特特例例，所以有时把PCM和M统称为脉冲编码。 但应注意，PCM是是对对样样值值本本身身编编码码，M是是对对相相邻邻样样值值的的差差值值的的极极性性（符符号号）编编码码。这是M与PCM的本质区别。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输1.

138、抽样速率抽样速率 PCM系统中的抽样速率系统中的抽样速率fs是根据抽样定理来确定的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的抽样速率远远高于奈奎斯特速率。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 2. 带宽带宽 M系统在每一次抽样时，只传送一位代码，因此M系统的

139、数码率为fb=fs，要求的最小带宽为 (5.5 - 18)实际应用时 BM=fs (5.5 -19)而PCM系统的数码率为fb=Nfs。在同样的语音质量要求下，PCM系统的数码率为64 kHz，因而要求最小信道带宽为32kHz。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 而采用M系统时，抽样速率至少为100 kHz，则最小带宽为50kHz。通常，M速率采用32kHz或16kHz时，语音质量不如PCM。 3. 量化信噪比量化信噪比 在在相相同同的的信信道道带带宽宽（即即相相同同的的数数码码率率fb）条条件件下下：在在低低数数码码率率时时，M性性能能优优越越；在在编编码码位位数数多多，

140、码码率率较较高高时时，PCM性能优越性能优越。这是因为PCM量化信噪比为它与编码位数N成线性关系。 (5.5 -20) 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 M系 统 的 数 码 率 为 fb=fs， PCM系 统 的 数 码 率 为fb=2Nfm。当M与PCM的数码率fb相同时，有fs=2Nfm， 代入式(5.5 - 14)可得M的量化信噪比为 它 与 N成 对 数 关 系 ， 并 与 fm/fk有 关 。 当 取fm/fk=3000/1000时， 它与N的关系如图 5.5-6 所示。(5.5 -21) 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输图5.5-6 不同N

141、值的PCM和DM的性能比较曲线 比较两者曲线可看出，若若PCM系统的编码位数系统的编码位数N4（码率较低）时，（码率较低）时， M的量化信噪比高于的量化信噪比高于PCM系统系统。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 4. 信道误码的影响信道误码的影响 在在M系系统统中中，每每一一个个误误码码代代表表造造成成一一个个量量阶阶的的误误差差，所所以以它它对对误误码码不不太太敏敏感感。故对误码率的要求较低，一般在10-310-4。 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)。所以误误码码对对PCM系系统统

142、的的影影响响要要比比M系系统统严严重重些些，故对误码率的要求较高， 一般为10-510-6。 由此可见，M允允许许用用于于误误码码率率较较高高的的信信道道条条件件，这这是是M与与PCM不同的一个重要条件不同的一个重要条件。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 5. 设备复杂度设备复杂度 PCM系系统统的特点是多路信号统一编码，一般采用8位（对语音信号），编编码码设设备备复复杂杂，但但质质量量较较好好。PCM一般用于大容量的干线（多路）通信。 M系系统统的的特特点点是是单单路路信信号号独独用用一一个个编编码码器器，设设备备简简单单， 单单路路应应用用时时，不不需需要要收收发发同

143、同步步设设备备。但但在在多多路路应应用用时时，每每路路独独用用一一套套编编译译码码器器，所所以以路路数数增增多多时时设设备备成成倍倍增增加加。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一一般般用用在在通通信信容容量量小小和和质质量量要要求求不不十十分分高高的的场场合合以以及及军军事事通通信信和一些特殊通信中和一些特殊通信中。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 作作 业业思考题（自作）：思考题（自作）： P294 9-18,

144、9-19 习习 题题 ： P297 9-125.65.6 时分复用和复接时分复用和复接 主要内容主要内容 时分复用原理时分复用原理 PCM基群帧结构基群帧结构 准同步数字体系准同步数字体系 同步数字体系同步数字体系 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输一、一、一、一、 时分复用原理时分复用原理时分复用原理时分复用原理 1、时分复用的概念及特点、时分复用的概念及特点 （1）概念）概念 复用：复用：是一种将若干个彼此独立的信号合并为一个是一种将若干个彼此独立的信号合并为一个可以在同一信道传输的复合信号的方法。可以在同一信道传输的复合信号的方法。 频分复用：频分复用：按频率区分复用信

145、号的方法。按频率区分复用信号的方法。 时分复用：时分复用：按时间区分复用信号的方法。按时间区分复用信号的方法。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 时分复用时分复用(Timedivision Multiplexing-TDM):是利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。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。（2）与）与FDM方式相比，方式相比，TDM方式的主要优点：

146、方式的主要优点： 便便于于实实现现数数字字通通信信，易易于于制制造造，适适于于采采用用集集成成电电路路实实现、生产成本较低。现、生产成本较低。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 2、TDM的工作原理的工作原理 设有n 路话音输入信号,每路话音经低通滤波器后的频谱最高频率为fH .当n=3时 TDM的系统框图如图5.6-1所示.图5.6-1 三路时TDM示意框图 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 三个输入信号m1(t),m2(t),m3(t) 分别通过截止频率为fH 的低通滤波器,去“发旋转开关发旋转开关”ST 。 在发送端,三路模拟信号顺序地被“发旋转开

147、关” ST所抽样,该开关每秒钟做fs 次旋转,并在一周旋转期内由各输入信号提取一个样值.若该开关实行理想抽样,那么该开关的输出信号为(5.6-1) 式中输入信号路数为3；把x(t) 中一组连续3个脉冲称为一帧帧，长度为Ts ；称 为时隙长度时隙长度，等于Ts/3 。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 n=3时相应的波形如图5.6-2所示。该波形是三路PAM信号在时间与上周期地互相错开的样值信号。m1(t)m2(t)1帧T/NT+T/N2T+T/N3T+T/N时隙1旋转开关采集到的信号信号m1(t)的采样信号m2(t)的采样图5.6-2 n=3时相应的波形 第第5 5章章 模

148、拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 图5.6-1的“传输系统传输系统”包括量化、编码、调制、传输媒质包括量化、编码、调制、传输媒质、解调和译码等解调和译码等。 如果该系统不引起噪声误差的话，那么在接收端的“收旋转开关” 处得到信号y(t)等于发端信号x(t)由于“收旋转开关”与“发旋转开关”是同步的运转（同步问题在第10章中讨论），因此能把各路信号样值序列分离，并送到规定的通路上这时各通路样值信号分别为： 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输(5.6-2) 当该系统参数满足抽样定理条件时，则各路输出信号可分别恢复发端原始模拟信号，即第 i 路的输出信号为 第第5 5章章 模拟信

149、号的数字传输模拟信号的数字传输 上述概念可应用到 n 路话音信号进行时分复用的情形中去。这时，发送端的转换开关ST 以单路信号抽样周期为其旋转周期，按时间次序进行转换，每一路信号所占用的时间间隔成为时隙，这里的时隙1分配给第一路，时隙2分配给第二路，。 n个时隙的总时间在术语上称为个时隙的总时间在术语上称为一帧一帧，每一帧的时间必须符合抽样定理的要求。通常由于单路话音信号的抽样频率规定为通常由于单路话音信号的抽样频率规定为8000Hz，故一帧时间为故一帧时间为125s。 模拟脉冲调制目前几乎不再用于传输。抽样信号一般都在量化模拟脉冲调制目前几乎不再用于传输。抽样信号一般都在量化编码后以数字信号

150、的形式编码后以数字信号的形式传输。故上述仅是时分复用的基本原理。传输。故上述仅是时分复用的基本原理。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输二、二、二、二、PCMPCM基群帧结构基群帧结构基群帧结构基群帧结构 目前，国际上推荐的PCM基群有两种标准，即PCM30/32路路(A A律律压压扩扩特特性性)制制式式和PCM24路路(律律压压扩扩特特性性)制制式式。并规定，国际通信时，以A律压扩特性为标准。 我国规定采用PCM30/32路制式。 1、 PCM30/32路路制制式式基基群群帧帧结结构构：如图 5.6-3 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

151、音信号抽样速率fs=8000Hz，故对应的每帧时间间隔为125 s。一帧共有32个时间间隔，称为时隙。各个时隙从0到31顺序编号，分别记作TS0，TSl，TS2， ，TS31。图 5.6-3PCM30/32路制式基群帧结构 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 其中，TS1至TS15和TS17至TS31这30个路时隙用来传送30路电话信号的8位编码码组，TS0分配给帧同步，TS16专用于传送话路信令。每路时隙包含8位码，一帧共包含256个比特。信息传输速率为 Rb=fb=8000(30+2)8 =2048000b/s =2.048Mb/s(5.6 - 3)每比特时间宽度为每路时

152、隙时间宽度为 l=8b3.91s 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 帧帧同同步步码码组组为X0011011(X1B)，它插入在偶数帧的TS0时隙， 其中第一位码“X”保留作国际电话间通信用。接收端识别出帧同步码组后，即可建立正确的路序。 TS16为信令时隙为信令时隙， 插入各话路的信令。 在传送话路信令时，若若将将TS16所所包包含含的的总总比比特特率率集集中中起起来来使用，则称为使用，则称为共路信令传送共路信令传送； 若若将将TS16按按规规定定的的时时间间顺顺序序分分配配给给各各个个话话路路，直直接接传传送送各各话话路所需的信令，则称为路所需的信令，则称为随路信令传送随

153、路信令传送。 当当采采用用共共路路信信令令传传送送方方式式时时，必必须须将将16个个帧帧构构成成一一个个更更大大的的帧帧，称称为为复复帧帧。复帧的重复频率为500Hz，周期为 2 ms， 复帧中各帧顺次编号为F0，F1， ， F15。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输图 5.6-4 PCM24路制式基群帧结构*2、PCM24路制式基群帧结构路制式基群帧结构(选选) PCM24路制式基群帧结构如图5.6-4所示，由24路组成。 每路话音信号抽样速率fs=8000Hz，每帧时间间隔为125s。 一帧共有24个时隙。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 各个时隙

154、从0到23顺序编号，分别记作TS0，TS1，TS2， ， TS23，这24个路时隙用来传送24路电话信号的8位编码码组。为了提供帧同步，在TS23路时隙后插入1比比特特帧帧同同步步位位(第第193193比比特特)。这样，每帧时间间隔125s，共包含193个比特。信息传输速率为 fb=8000(248+1)=1544b/s =1.544Mb/s (5.6 - 6) 每比特时间宽度为 b= 0.647s (5.6- 7)每路时隙时间宽度为 l =8b5.18 s 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 PCM24路制式与PCM30/32路制式的帧结构不同， 12帧帧构构成成一一个个复

155、复帧帧，复复帧帧周周期期为为1.5 ms。12帧中奇数帧的第193比特构成101010帧同步码组。而偶数帧的第193比特构成复帧同步码000111。这种帧结构同步建立时间要比PCM30/32帧结构长。 *3、DM32路时分复用调制系统路时分复用调制系统(选选) 时分复用增量调制系统，尚无国际标准。DM32路制式在国内 外 应 用 较 多 。 该 制 式 中 ， 抽 样 为 32kb/s， 即 帧 长 度 为Ts=31.25us，每个时隙含一个比特。TS0为帧帧同同步步时时隙隙， TS1为信信令令时时隙隙， TS2为勤勤务务电电话话时时隙隙， TS3、 TS4、 TS5为帧帧数数据据时时隙隙，

156、TS6-TS31为用户电话时隙用户电话时隙，系统传信率为： 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输*4、60路路ADPCM系统的帧结构系统的帧结构 60路ADPCM系统的帧结构已有国际标准，其帧结构与PCM30/32路帧配置相类似。 根据CCITT.761建议规定，其帧结构与G.704中PCM基群复用设备的定义相同。它规定，抽样间隔为125us，分成32个信道时隙，每个信道时隙中置入两路ADPCM的4bit信息（即含两个用户的信息)。TS0时隙作为传输同步等信息用， TS16时隙作为信令时隙，其它30个信道用来传输用户信息，总共有60个用户可使用。其传信率为2.048Mb/s，与

157、基群比特率相同。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输三、准同步数字复接三、准同步数字复接三、准同步数字复接三、准同步数字复接 1、复接和分接复接和分接 复接复接：将低次群合并成高次群的过程将低次群合并成高次群的过程。 在通信网中往往有多次复用，由若干链路来的多路时分复用信号，再次复用，构成高次群。各链路信号来自不同地点，其时钟（频率和相位）之间存在误差。所以在低次群合成高次群时，需要将各路输入信号的时钟调整统一。 分接分接：将高次群分解为低次群的过程称为分接。将高次群分解为低次群的过程称为分接。 目前大容量链路的复接几乎都是TDM信号的复接。 标准：关于复用和复接， ITU对

158、于TDM多路电话通信系统，制定了两种准同步数字体系准同步数字体系(PDH)和两种同步数字体系同步数字体系(SDH)标准的建议。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输2、ITU提出的两个建议提出的两个建议：uE体系体系 我国大陆、欧洲及国际间连接采用uT体系体系 北美、日本和其他少数国家和地区采用，且北美和日本标准也不完全相同。u准同步数字体系准同步数字体系（包括两种建议的层次、路数和比特率）如表5.6-1所示。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输层次次比特率（比特率（Mb/s）路数（每路路数（每路64kb/s）E体体系系E - 12.04830E - 28.4

159、48120E - 334.368480E - 4139.2641920E 5565.1487680T体体系系T 11.54424T - 26.31296T - 332.064（日本）（日本）48044.736（北美）（北美）672T 497.728（日本）（日本）1440274.176（北美）（北美）4032T5397.200（日本）（日本）5760560.160（北美）（北美）8064表5.6-1 准同步数字体系 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输3、E体系的结构图体系的结构图130(30路 64 kb/s)一次群 2.048 Mb/s复用设备14路2.048 Mb/s二次

160、群 8.448 Mb/s二次复用4复用设备三次群 34.368 Mb/s三次复用复用设备144路8.448 Mb/s五次复用复用设备五次群 565.148 Mb/s4路139.264 Mb/s四次群 139.264 Mb/s复用设备144路34.368 Mb/s四次复用 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输4、E体系的速率体系的速率 基本层基本层(E-1)：30路PCM数字电话信号，每路PCM信号的比特率为64 kb/s。由于需要加入群同步码元和信令码元等额外开销(overhead)，所以实际占用32路PCM信号的比特率。故其输出总比特率为2.048 Mb/s，此输出称为一次群

161、信号。 E-2层：层：4个一次群信号进行二次复用，得到二次群信号，其比特率为8.448 Mb/s。 E-3层：层：按照同样的方法再次复用，得到比特率为34.368 Mb/s的三次群信号 E-4层：层：比特率为139.264 Mb/s。 由此可见，相邻层次群之间路数成相邻层次群之间路数成4倍关系，但是比特倍关系，但是比特率之间不是严格的率之间不是严格的4倍关系倍关系。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输图 5.6-6 北美采用的数字TDM等级结构5、T体系的结构图体系的结构图 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输四、四、四、四、 同步数字体系同步数字体系同步数字

162、体系同步数字体系(SDH)(SDH) 1、SDH基本概念基本概念 SDH是针对更高速率的传输系统制定出的全球统一的是针对更高速率的传输系统制定出的全球统一的标准标准。 整个网络中各设备的时钟时钟来自同一个极精确的时间标时间标准准（例如铯原子钟），没有准同步系统中各设备定时存在误差的问题。 在SDH中，信息是以“同步传送模块同步传送模块(STM)”的信息结构传送的。一个同步传送模块同步传送模块主要由信息有效负荷信息有效负荷和段段开销开销(SOH)组成块状帧结构，其重复周期为125s。按照模块的大小和传输速率不同，SDH分为若干等级。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输2、SDH

163、的速率等级的速率等级目前SDH制定了4级标准，其容量（路数）每级翻为4倍，而且速率也是4倍的关系，在各级间没有额外开销。STM-1：是基本模块，包含一个管理单元群管理单元群(AUG)和段开销段开销(SOH)。 STM-N：包含N 个AUG和相应的SOH。 等等级比特率比特率(Mb/s)STM-1 155.52STM-4 622.08STM-162488.32STM-649953.28 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输3、PDH体系和体系和SDH体系之间的关系体系之间的关系通常将若干路PDH接入STM-1内，即在155.52Mb/s处接口。这时，PDH信号的速率都必须低于15

164、5.52Mb/s，并将速率调整到155.52上。例如，可以将63路E-1，或3路E-3，或1路E-4，接入STM-1中。对于T体系也可以作类似的处理。这样，在SDH体系中，各地区的PDH体制就得到了统一。SDH体系的结构和这两种复用体系间的连接关系如图5.6-7所示。 图5.6-7 PDH和SDH连接关系图 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输容器：容器：是一种信息结构是一种信息结构。PDH体系的输入信号首先进入容器C-n，(n = 1 4)。这里，它为后接的虚容器(VC-n)组成与网络同步的信息有效负荷。映射映射：在在SDH网的边界处，使支路信号与虚容器相匹配的网的边界处，使

165、支路信号与虚容器相匹配的过程过程。在图中用细箭头指出。在ITU的建议中只规定有几种速率不同的标准容器和虚容器。每一种虚容器都对应一种容器。虚容器虚容器：也是一种信息结构也是一种信息结构。它由信息有效负荷和路径开销信息组成帧，每帧长125s或500s。虚容器有两种：低阶虚容器低阶虚容器VC-n (n=1, 2 ,3)；高阶虚容器高阶虚容器VC-n (n=3, 4)。低阶虚容器低阶虚容器包括一个容器C-n (n = 1, 2, 3)和低阶虚容器的路径开销。高阶虚容器包括高阶虚容器包括一个容器C-n (n = 3, 4)或者几个支路单元群（TUG-2或TUG-3），以及虚容器路径开销。虚容器的输出可

166、以进入支路单元TU-n。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输支路单元支路单元TU-n (n=1, 2, 3)：也是一种信息结构，它的功能是为低阶路径层和高阶路径层之间进行适配。它由一信息有效负荷（低阶虚容器VC-n）和一个支路单元指针组成。支路单元指针指明有效负荷帧起点相对于高阶虚容器帧起点的偏移量。支路单元群支路单元群(TUG)：由一个或几个支路单元组成。后者在高阶VC-n有效负荷中占据不变的规定的位置。TUG可以混合不同容量的支路单元以增强传送网络的灵活性。例如，一个TUG-2可以由相同的几个TU-1或一个TU-2组成；一个TUG-3可以由相同的几个TUG-2或一个TU-

167、3组成。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输管理单元管理单元AU-n (n=3, 4)：也是一种信息结构。它为高阶路径层和复用段层之间提供适配。管理单元由一个信息有效负荷（高阶虚容器）和一个管理单元指针组成。此指针指明有效负荷帧的起点相对于复用段帧起点的偏移量。管理单元有两种管理单元有两种：AU-3和AU-4。AU-4由一个VC-4和一个管理单元指针组成，此指针指明VC-4相对于STM-N帧的相位定位调整量。AU-3由一个VC-3和一个管理单元指针组成，此指针指明VC-3相对于STM-N帧的相位定位调整量。在每种情况中，管理单元指针的位置相对于STM-N帧总是固定的。管理单元群管理单元群(AUG)：由一个或多个管理单元组成。它在一个STM有效负荷中占据固定的规定位置。一个AUG由几个相同的AU-3或一个AU-4组成。 第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输 作作 业业思考题（自作）：思考题（自作）： P234 9-20，9-21， 9-22，9-23，9-24 习习 题题 ：P297 9-13,9-15 ,*9-16