通信原理模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸

1、1聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)通信教研組張偉明理 工 大 學(xué) 通 信 工 程 學(xué) 院理 工 大 學(xué) 通 信 工 程 學(xué) 院2緒論數(shù)字通信有許多優(yōu)點(diǎn)數(shù)字通信有許多優(yōu)點(diǎn)1、抗干擾能力強(qiáng)，遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)可消除噪聲積累；、抗干擾能力強(qiáng)，遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)可消除噪聲積累；2、差錯(cuò)可控，利用信道編碼可使誤碼率降低；、差錯(cuò)可控，利用信道編碼可使誤碼率降低；3、便于和各種數(shù)字終端接口；、便于和各種數(shù)字終端接口；4、便于集成化，使通信設(shè)備小型化和微型化；、便于集成化，使通信設(shè)備小型化和微型化；5、便于加密處理等。、便于加密處理等。3實(shí)際中有待傳輸?shù)脑S多信號(hào)是模擬信號(hào)實(shí)際中有待傳輸?shù)脑S多信號(hào)是模擬信號(hào)1、語音信號(hào)；、語音信號(hào)；2、圖像信號(hào)；

2、、圖像信號(hào)；3、溫度、壓力等傳感器的輸出信號(hào)。、溫度、壓力等傳感器的輸出信號(hào)。緒論4語音編碼技術(shù)語音編碼技術(shù)n波形編碼：波形編碼： 直接把時(shí)域波形變換為數(shù)字代碼序列，直接把時(shí)域波形變換為數(shù)字代碼序列， 數(shù)據(jù)速率通常在數(shù)據(jù)速率通常在 范圍范圍 內(nèi)，接收端重建信號(hào)的質(zhì)量好。內(nèi)，接收端重建信號(hào)的質(zhì)量好。n參量編碼：參量編碼： 利用信號(hào)處理技術(shù)，利用信號(hào)處理技術(shù)，提取語音信號(hào)的特征參數(shù)，并提取語音信號(hào)的特征參數(shù)，并將它們變換為數(shù)字代碼。將它們變換為數(shù)字代碼。在接收端用這些特征參數(shù)去控在接收端用這些特征參數(shù)去控制合成語音信號(hào)的電路，合成出發(fā)送端發(fā)送的語音信號(hào)。制合成語音信號(hào)的電路，合成出發(fā)送端發(fā)送的語音

3、信號(hào)。其數(shù)據(jù)速率低，但接收端重建信號(hào)的質(zhì)量不夠好。其數(shù)據(jù)速率低，但接收端重建信號(hào)的質(zhì)量不夠好。skbitskbit/64/16抽樣抽樣量化量化編碼編碼A/D典型結(jié)構(gòu)典型結(jié)構(gòu)5第八章模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸n6.1抽樣定理n6.2 脈沖編碼調(diào)制（PCM）n6.3脈沖編碼調(diào)制的改進(jìn)（ADPCM）n6.4增量調(diào)制（M）n6.5時(shí)分復(fù)用和多路數(shù)字電話系統(tǒng)66.1 抽樣定理n抽樣：把在時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成一系列時(shí)間上離散的抽樣值。n要求：n能利用抽樣值恢復(fù)出原始模擬信號(hào)76.1 抽樣定理抽樣方式抽樣方式86.1 抽樣定理 m t sm t sTsntt nT ssTm tm tt)(tm)(tmS)(t

4、Ts96.1.1 低通信號(hào)抽樣定理n一個(gè)頻帶限制在一個(gè)頻帶限制在0到到fH以內(nèi)的低通信號(hào)以內(nèi)的低通信號(hào)m(t) ，如果以如果以fs 2fH 的抽樣速率進(jìn)行均勻抽樣，則的抽樣速率進(jìn)行均勻抽樣，則m(t)可以由抽樣后的信號(hào)完全確定可以由抽樣后的信號(hào)完全確定（可由抽樣（可由抽樣后的信號(hào)無失真地恢復(fù)出原來的信號(hào)后的信號(hào)無失真地恢復(fù)出原來的信號(hào)m(t)）。）。幾點(diǎn)說明：幾點(diǎn)說明：n1、fH為低通信號(hào)的最高頻率為低通信號(hào)的最高頻率n2、fs稱為抽樣頻率或抽樣速率，單位為稱為抽樣頻率或抽樣速率，單位為Hz或次或次/秒秒n3、這里討論的抽樣是等間隔的，稱之為均勻抽樣、這里討論的抽樣是等間隔的，稱之為均勻抽樣1

5、0)()()(ttmtmsTs)()()(ffMfMsTs1( )()sTsnsffnfT)(1)(nsssnffMTfM低通抽樣定理的證明抽樣后信號(hào)的頻譜是原信號(hào)頻譜的周期性拓展。抽樣后信號(hào)的頻譜是原信號(hào)頻譜的周期性拓展。11低通抽樣定理的證明)(tm)(tsT)(tmstttsT)(fMfffHfHf)(fsTsTsf1sTsf1)(fMs圖7.2.3 取樣定理的時(shí)間函數(shù)和對(duì)應(yīng)的頻譜圖(a)(b)(c)(d)(e)(f)000原信號(hào)原信號(hào)抽樣脈沖抽樣脈沖樣值信號(hào)樣值信號(hào))()()(ttmtmsTs( )( )( )1()ssTsnsMfM ffM fnfT時(shí)域時(shí)域頻域頻域12討論Ms(f

6、)fHffsMs(f )fHffsMs(f )fHffsfs 2fHfs 2fH ，一般取，一般取fs = (23)fH 。(3) 實(shí)際信號(hào)波形時(shí)間受限而不是頻帶受限，實(shí)際信號(hào)波形時(shí)間受限而不是頻帶受限， 應(yīng)對(duì)應(yīng)對(duì)m(t)預(yù)濾波，濾除預(yù)濾波，濾除fH以上的少量頻率成份，稱為以上的少量頻率成份，稱為抗混疊抗混疊濾波濾波。166.1.2 帶通信號(hào)抽樣定理n低通信號(hào)抽樣定理同樣適用于帶通信號(hào)2、帶通信號(hào)的、帶通信號(hào)的fH很高，所以抽樣頻率很高，所以抽樣頻率fs=2fH也很高，實(shí)現(xiàn)非常困難。也很高，實(shí)現(xiàn)非常困難。3、抽樣后的頻譜圖上有許多空隙沒有充利用。、抽樣后的頻譜圖上有許多空隙沒有充利用。抽樣頻率

7、可以選得低些，抽樣頻率可以選得低些，只要抽樣后的信號(hào)頻譜只要抽樣后的信號(hào)頻譜不出現(xiàn)重疊即可不出現(xiàn)重疊即可1、接收端恢復(fù)信號(hào)時(shí)要用帶通濾波器。、接收端恢復(fù)信號(hào)時(shí)要用帶通濾波器。17帶通信號(hào)抽樣定理 一個(gè)帶通信號(hào)m(t)，其頻率限制在fL與fH之間，帶寬為 B=fHfL，如果最小抽樣速率 fs=2fH/m，m是一個(gè)不超過 fH/B的最大整數(shù)，那么m(t)可完全由其抽樣值確定。 18(1)最高頻率fH為帶寬的整數(shù)倍,22HsHfnBmnffmB假設(shè)則所以最小抽樣速率。01234567-1-2-3-4-5-6-719(2)最高頻率fH不為帶寬的整數(shù)倍,01,2221,2HsHHLsLfnBkBkmnf

8、fmnk B nBk nffBffBn假設(shè)則所以最小抽樣速率又所以22LsfBfBB當(dāng)時(shí)， 趨近于。 實(shí)際中應(yīng)用廣泛的高頻窄帶信號(hào)就符合這個(gè)情況， 因此可以按的速率對(duì)其進(jìn)行抽樣。 20小結(jié)n理論依據(jù)：抽樣定理理論依據(jù)：抽樣定理n低通抽樣定理低通抽樣定理n帶通抽樣定理帶通抽樣定理模擬模擬信息源信息源數(shù)字?jǐn)?shù)字通信通信系統(tǒng)系統(tǒng)抽樣抽樣量化量化編碼編碼fs 2fHfs=2fH/m，m=floor(fH/B)21作業(yè)和思考題n作業(yè)：作業(yè)：np284：1、2、3.n討論低通抽樣定理時(shí)，我們用討論低通抽樣定理時(shí)，我們用的是理想周期性沖激脈沖序列的是理想周期性沖激脈沖序列Ts(t)，實(shí)際中常用寬度為，實(shí)際中常

9、用寬度為，幅度為幅度為1/有限窄脈沖有限窄脈沖 D(t)來來近似。近似。n分別針對(duì)分別針對(duì)自然抽樣自然抽樣和和平頂抽平頂抽樣樣，討論抽樣信號(hào)的頻譜情，討論抽樣信號(hào)的頻譜情況，并分析如何恢復(fù)出原模況，并分析如何恢復(fù)出原模擬信號(hào)。擬信號(hào)。226-2 脈沖編碼調(diào)制（PCM） 抽抽樣樣量量化化編編碼碼譯譯碼碼低低通通濾濾波波數(shù)數(shù)字字通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)P PC CM M代代碼碼P PC CM M代代碼碼A A/ /D D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換D D/ /A A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換模模擬擬信信號(hào)號(hào)入入模模擬擬信信號(hào)號(hào)出出圖圖6 6. .2 2 P PC CM M 通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)框框圖圖)(tm)(tm典型的模擬信號(hào)數(shù)字傳輸系統(tǒng)23

10、6.2 脈沖編碼調(diào)制（PCM）nPCM：用一組二進(jìn)制數(shù)字代碼來表示連續(xù)信號(hào)的抽樣值。抽樣抽樣量化量化編碼編碼A/D量化量化電平電平3.53.52.52.51.51.50.50.5-0.5-0.5-1.5-1.5-2.5-2.5-3.5-3.5代碼代碼1111111101101011011001000000000010010100100110110 01 12 23 34 4-1-1-2-2-3-3-4-4V Vt抽樣值抽樣值-3.3-3.3-2.4-2.40.30.31.81.82.72.73.33.3量化值量化值-3.5-3.5-2.5-2.50.50.51.51.52.52.53.53.5

11、樣點(diǎn)代碼樣點(diǎn)代碼011011010010000000101101110110111111代碼波形代碼波形 0 1 10 1 1 0 1 00 1 0 0 0 00 0 0 1 0 11 0 1 1 1 01 1 0 1 1 11 1 1抽樣、量化及編碼過程示意圖抽樣、量化及編碼過程示意圖246.2.1 量化n量化：用預(yù)先規(guī)定的有限種電平來表示抽樣值。抽樣后的信號(hào)仍是模擬信號(hào)！抽樣后的信號(hào)仍是模擬信號(hào)！ m3=2.9287325103V若用若用有限種電平有限種電平來近似表示模擬抽樣值，則可實(shí)現(xiàn)來近似表示模擬抽樣值，則可實(shí)現(xiàn)信號(hào)取值的離散化。信號(hào)取值的離散化。量化后的信號(hào)就是數(shù)字信量化后的信號(hào)就是

12、數(shù)字信號(hào)！號(hào)！ 2.9V256.2.1 量化n量化的效果如何？量化參數(shù)：n量化電平數(shù)：Mn量化噪聲m3=2.9287325103V量化量化mq3 =2.9 Vm3-mq3 =0.0287325103V=eq3量化噪聲量化噪聲量化誤差量化誤差信號(hào)失真！信號(hào)失真！可靠性下降！可靠性下降！對(duì)通信質(zhì)量的影響與噪聲類似對(duì)通信質(zhì)量的影響與噪聲類似26量化：量化：用有限個(gè)電平來表示模擬信號(hào)抽樣值。分層電平分層電平量化電平量化電平量化間隔量化間隔276.2.1 量化（4）量化的影響：引入量化噪聲）量化的影響：引入量化噪聲衡量方法：量化噪聲功率，量化信噪功率比（3）量化的方式：均勻量化，非均勻量化）量化的方式：

13、均勻量化，非均勻量化量化信噪功率比:22qqE mSNEmm（1）量化將模擬信號(hào)變成了數(shù)字信號(hào)。）量化將模擬信號(hào)變成了數(shù)字信號(hào)。（2）量化會(huì)引入誤差，最大量化誤差為）量化會(huì)引入誤差，最大量化誤差為/2，此誤，此誤差象噪聲一樣影響通信系統(tǒng)的質(zhì)量，因此也稱為差象噪聲一樣影響通信系統(tǒng)的質(zhì)量，因此也稱為量化量化噪聲。噪聲。量化噪聲一旦引入，無法消除。量化噪聲一旦引入，無法消除。28均勻量化和量化信噪功率比均勻量化特性及量化誤差曲線 n把輸入信號(hào)的取值域按等距離分割n每個(gè)量化區(qū)間的量化電平均取在各區(qū)間的中點(diǎn)n設(shè)輸入信號(hào)的幅度范圍是(a,b)，量化級(jí)數(shù)為M，則量化間隔為 =(b-a)/M29假設(shè)：假設(shè)：1

14、、模擬信號(hào)的取值范圍為；模擬信號(hào)的取值范圍為；2 2、信號(hào)均勻分布，即各個(gè)樣值出現(xiàn)的概率相等、信號(hào)均勻分布，即各個(gè)樣值出現(xiàn)的概率相等3 3、在信號(hào)取值范圍內(nèi)設(shè)置個(gè)電平，量化臺(tái)階為、在信號(hào)取值范圍內(nèi)設(shè)置個(gè)電平，量化臺(tái)階為。 )(tm),(aaM先求信號(hào)功率先求信號(hào)功率S2221212aaSxdxMa均勻量化的量化信噪功率比30再求噪聲功率再求噪聲功率qN量化噪聲在之間均勻分布。它也是一個(gè)連續(xù)隨機(jī)變量化噪聲在之間均勻分布。它也是一個(gè)連續(xù)隨機(jī)變量。概率密度為。量。概率密度為。x221)(xf01)()(2222dxxdxxfxxE1212222 dxxNq量化信噪比為：量化信噪比為：22221212

15、qMSMN用分貝表示為：用分貝表示為：()10lg20lgdBqqSSMNN均勻量化的量化信噪功率比312kM 量化電平數(shù)與表示每個(gè)樣點(diǎn)用的二進(jìn)制位數(shù)之間關(guān)系為量化電平數(shù)與表示每個(gè)樣點(diǎn)用的二進(jìn)制位數(shù)之間關(guān)系為量化信噪聲比也可寫成量化信噪聲比也可寫成()10lg20lg20lg26 (kdBqqSSMkNN分貝）意味著：編碼位數(shù)每增加一位，量化信噪比就提高意味著：編碼位數(shù)每增加一位，量化信噪比就提高6個(gè)分貝。個(gè)分貝。均勻量化的量化信噪功率比32其它常用信號(hào)量化信噪功率比 對(duì)于對(duì)于正弦信號(hào)正弦信號(hào)，取值較大的樣值出現(xiàn)概率大，取值較大的樣值出現(xiàn)概率大，量化信噪比為量化信噪比為 對(duì)于對(duì)于語音信號(hào)語音信

16、號(hào)，取值較小的樣值出現(xiàn)概率大，取值較小的樣值出現(xiàn)概率大，量化信噪比為量化信噪比為()62q dBS Nk()69qdBS Nkaa2/2/32/52/) 1(M2/2/32/52/) 1( Maa2/2/32/52/) 1(Q2/2/32/52/) 1( Q33輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍結(jié)論：量化信噪比隨輸入信號(hào)功率的下降而線性下降。結(jié)論：量化信噪比隨輸入信號(hào)功率的下降而線性下降。dBqdBqdBqqNSNS)()()(dBqqNS)(dBqS)(dBqqNS)(dBqS)(aa2/2/32/52/) 1(M2/2/32/52/) 1( M34信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍：信號(hào)的變化范圍為信號(hào)信號(hào)的變化范

17、圍為信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，語音信號(hào)的動(dòng)態(tài)約為的動(dòng)態(tài)范圍，語音信號(hào)的動(dòng)態(tài)約為40分分貝貝。量化器的動(dòng)態(tài)范圍量化器的動(dòng)態(tài)范圍：滿足一定量化信噪：滿足一定量化信噪比要求時(shí)所允許的輸入信號(hào)的比要求時(shí)所允許的輸入信號(hào)的 變化范變化范圍。圍。K8時(shí)量化器的動(dòng)態(tài)范時(shí)量化器的動(dòng)態(tài)范圍約為圍約為13分貝，分貝，K12時(shí)量化器的動(dòng)態(tài)范圍約時(shí)量化器的動(dòng)態(tài)范圍約為為37分貝。分貝。10203040506070-10-20 -30 -40-50-60-70dBSq/dBNSqq/)/(K K= =8 8K K= =1 12 20圖圖6 6. .9 9 語語音音信信號(hào)號(hào)量量化化信信噪噪比比隨隨信信號(hào)號(hào)功功率率變變化化曲曲線線2

18、6qS NdBS dB輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍35均勻量化的問題及解決辦法問題：1. 量化臺(tái)階與信號(hào)大小無關(guān)，對(duì)小信號(hào)不利2. 量化臺(tái)階與信號(hào)分布無關(guān)，對(duì)語音等不利解決辦法：1. 量化臺(tái)階隨信號(hào)大小而變2. 量化臺(tái)階隨信號(hào)分布而變非均勻量化36非均勻量化過程基本思想基本思想：大信號(hào)用大臺(tái)階，小信號(hào)用小臺(tái)階。大信號(hào)用大臺(tái)階，小信號(hào)用小臺(tái)階。適當(dāng)降低大適當(dāng)降低大信號(hào)時(shí)的量化信噪比，提高小信號(hào)時(shí)的量化信噪比信號(hào)時(shí)的量化信噪比，提高小信號(hào)時(shí)的量化信噪比，從而增，從而增加信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍加信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。在實(shí)踐中，利用壓擴(kuò)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)非均勻量化。在實(shí)踐中，利用壓擴(kuò)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)非均勻量化。 (壓縮均勻量化非均勻量化壓

19、縮均勻量化非均勻量化)aa1234432137（1）模擬壓擴(kuò)法）模擬壓擴(kuò)法n模擬壓擴(kuò)法就是先將采樣信號(hào)進(jìn)行壓縮，而后再進(jìn)行均勻量化。其效果就相當(dāng)于對(duì)信號(hào)進(jìn)行非均勻量化。n壓縮電路是一個(gè)非線性放大器，它對(duì)大信號(hào)的放大倍數(shù)小，而對(duì)小信號(hào)的放大倍數(shù)大，從而使大信號(hào)受到壓縮。擴(kuò)張電路的作用正好與壓縮相反。38律壓縮特性為：A律壓縮特性為：常用壓縮特性 1x0 ,)1ln()1ln(xy 1xA1ln1ln1A1x0ln1AAxAAxy39前2次課累積的問題n抽樣定理抽樣定理n低通信號(hào)抽樣定理低通信號(hào)抽樣定理（描述，fs 2fH）n抽樣后信號(hào)的頻譜抽樣后信號(hào)的頻譜（原信號(hào)頻譜進(jìn)行周期性重復(fù)）n語音信號(hào)實(shí)

20、際抽樣速率語音信號(hào)實(shí)際抽樣速率（8000Hz，物理含義）n帶通信號(hào)抽樣定理帶通信號(hào)抽樣定理（ fs 2fH/m，m不超過fH/B）n量化量化（均勻量化）n量化相關(guān)概念量化相關(guān)概念：用有限個(gè)電平表示抽樣值，分層電平、量化電平、量化間隔（臺(tái)階）概念n量化誤差量化誤差范圍-/2 /2，量化噪聲量化噪聲概念引入n均勻量化：均勻分布信號(hào)的量化信噪比量化信噪比S/Nq=6N (dB) 正弦信號(hào)： S/Nq=6N+2 (dB) 語音信號(hào)： S/Nq=6N-9 (dB)n輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍： 輸入信號(hào)功率S下降，S/Nq下降（Nq基本不變） 語音信號(hào)一般要求S/N 26dB40前2次課累積的

21、問題n非均勻量化非均勻量化n目標(biāo)目標(biāo)：提高輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍：提高輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍n思路思路：提高小信號(hào)時(shí)的量化信噪比，適當(dāng)降低大信提高小信號(hào)時(shí)的量化信噪比，適當(dāng)降低大信號(hào)時(shí)的量化信噪比。號(hào)時(shí)的量化信噪比。n方法方法：大信號(hào)用大臺(tái)階，小信號(hào)用小臺(tái)階：大信號(hào)用大臺(tái)階，小信號(hào)用小臺(tái)階n實(shí)施實(shí)施：壓擴(kuò)技術(shù)：壓擴(kuò)技術(shù) 壓縮均勻量化壓縮均勻量化-大信號(hào)用大臺(tái)階，小信大信號(hào)用大臺(tái)階，小信號(hào)用小臺(tái)階號(hào)用小臺(tái)階-非均勻量化非均勻量化（等效）（等效）n類型類型：A律和律和 律（模擬）律（模擬）nPCM量化編碼量化編碼n十三折線法（極性、段、級(jí)的架構(gòu)）十三折線法（極性、段、級(jí)的架構(gòu)）n編碼碼型（自然、格雷、折疊

22、二進(jìn)制碼）編碼碼型（自然、格雷、折疊二進(jìn)制碼）n編碼應(yīng)用編碼應(yīng)用41（2）數(shù)字壓擴(kuò)法）數(shù)字壓擴(kuò)法n數(shù)字壓擴(kuò)法就是用數(shù)字電路形成許多相連接的折線來近似模擬對(duì)數(shù)壓擴(kuò)法特性，從而直接對(duì)樣本信號(hào)進(jìn)行非均勻量化編碼。n兩種典型的數(shù)字壓縮特性： 律15折線壓縮特性（美國(guó)、加拿大、日本） A律13折線壓縮特性（歐洲、中國(guó)）42A=87.6的13折線壓擴(kuò)特性曲線43律15折線44二、二、PCM編碼編碼n模擬信號(hào)經(jīng)采樣、量化等處理后，就可以進(jìn)行編碼，使量化信號(hào)變?yōu)榫幋a信號(hào)，也就是PCM基帶信號(hào)。n在實(shí)際數(shù)字系統(tǒng)中，一個(gè)數(shù)字信號(hào)是用二進(jìn)制數(shù)來表示的。n在PCM中廣泛使用的二進(jìn)制碼有：自然二進(jìn)制碼，格雷碼，折疊碼。

23、45三種編碼方案的規(guī)律三種編碼方案的規(guī)律自然碼折疊碼格雷碼自然碼折疊碼格雷碼000001110000100010001100000101100001100110011101001001010011101010101111001101000010101110111110010000110110110011001010010100100111110111011011011000010101111011101001011100000100111111111000012345678910111213141546自然碼（NBC）n自然二進(jìn)制碼(Natural Binary Code)就是二進(jìn)制數(shù)的表示形

24、式。n優(yōu)點(diǎn)：與最普通的二進(jìn)制數(shù)相對(duì)應(yīng)，不僅編碼操作簡(jiǎn)便，而且譯碼也可逐位進(jìn)行，可簡(jiǎn)化譯碼器的結(jié)構(gòu)。n缺點(diǎn)：在編碼過程中，如果最高位判決有誤，將使譯碼后輸出所產(chǎn)生的幅度誤差達(dá)到最大幅度的1/2。0/23/25/27/29/211/213/215/2-3/2-5/2-7/2-9/2-11/2-13/2-15/2-/2000000010010001101000101011001111000100110101011110011011110111147折疊碼(FBC)n折疊碼（ Folded Binary Code）左邊第一位（最高位）表示正負(fù)號(hào)，第二位至最后一位表示幅度絕對(duì)值（NBC）。第一位用“1”

25、表示正值，用“0”表示負(fù)值。n優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于雙極性信號(hào)可以采用單極性編碼方法，因此可簡(jiǎn)化編碼電路；同自然二進(jìn)制碼相比，如果在傳輸過程中出現(xiàn)誤碼，則它對(duì)小信號(hào)影響較小。n缺點(diǎn)：大信號(hào)時(shí)誤碼對(duì)折疊碼影響較大。0/23/25/27/29/211/213/215/2-3/2-5/2-7/2-9/2-11/2-13/2-15/2-/2011101100101010000110010000100001000100110101011110011011110111148格雷碼（RBC）n格雷碼(Gray or Reflected Binary Code)的特點(diǎn)是任何相鄰電平的碼組，只有一位碼發(fā)生變化。n優(yōu)點(diǎn)：在編

26、碼過程中，如果判決有誤，使量階數(shù)產(chǎn)生的誤差較小。n缺點(diǎn)：譯碼電路比較復(fù)雜。譯碼時(shí)，不能逐位獨(dú)立進(jìn)行，需要轉(zhuǎn)換為自然二進(jìn)制碼后再譯碼。0/23/25/27/29/211/213/215/2-3/2-5/2-7/2-9/2-11/2-13/2-15/2-/2000000010011001001100111010101001100110111111110101010111001100049A=87.6的13折線壓擴(kuò)特性5013折線量化01 信號(hào)輸入范圍內(nèi)共有信號(hào)輸入范圍內(nèi)共有16個(gè)段；個(gè)段； 每段每段16等分，每個(gè)等分稱為一個(gè)級(jí)，共有等分，每個(gè)等分稱為一個(gè)級(jí)，共有1616256級(jí)；級(jí)； 每個(gè)級(jí)的中間

27、設(shè)置一個(gè)量化電平，共有每個(gè)級(jí)的中間設(shè)置一個(gè)量化電平，共有256個(gè)量化電平；個(gè)量化電平； 每個(gè)樣值量化后可用每個(gè)樣值量化后可用8位二進(jìn)制表示；位二進(jìn)制表示； 段內(nèi)均勻量化，段間非均勻量化段內(nèi)均勻量化，段間非均勻量化最小量化級(jí)用最小量化級(jí)用表示；最大電壓表示；最大電壓12048。特點(diǎn)：特點(diǎn)：5113折線正向8段的起止電平及量化級(jí)起電平起電平止電平止電平量化臺(tái)階量化臺(tái)階第第0段段 第第1段段 第第2段段 第第3段段 第第4段段第第5段段 第第6段段 第第7段段0161632326426412841282568256512161024512321024204864例設(shè)輸入信號(hào)的最大值為例設(shè)輸入信號(hào)的最

28、大值為5V，現(xiàn)有取樣值，現(xiàn)有取樣值3.6V，采用，采用13折線折線非均勻量化，求此樣值的量化電平（用非均勻量化，求此樣值的量化電平（用表示）及量化誤差。表示）及量化誤差。x:6 . 32048:5解：解：1745x3.764)10241475(余15042646471024291475150452A律PCM編碼規(guī)則在A律13折線編碼中，正負(fù)方向共有16個(gè)段落，在每一段落內(nèi)有16個(gè)均勻分布的量化間隔，因此總的量化間隔數(shù)L=256，編碼位數(shù)n=8。8位的排列如下： m1 m2 m3 m4 m5 m6 m7 m8具體安排：（1）第1位碼m1為極性碼極性碼，“1”代表正極性，“0”代表負(fù)極性。（2）第

29、2至4位碼m2m3m4為段落碼段落碼，表示信號(hào)絕對(duì)值處在哪個(gè)段落，3位碼共表示8個(gè)段落，代表了8個(gè)段落的起始電平值(從小到大為000111）。（3）第5至8位碼m5m6m7m8為段內(nèi)碼段內(nèi)碼，表示任一段落內(nèi)的16個(gè)量化電平值(從小到大為00001111） 。5313折線編碼取樣一次編折線編碼取樣一次編8位碼，需經(jīng)三個(gè)步驟：位碼，需經(jīng)三個(gè)步驟： 確定樣值的極性；確定樣值的極性； 確定樣值的段號(hào)；確定樣值的段號(hào)； 確定樣值在某段內(nèi)的級(jí)號(hào)。確定樣值在某段內(nèi)的級(jí)號(hào)。 例例設(shè)某樣值為設(shè)某樣值為843843，若進(jìn)行若進(jìn)行13折線編碼，求所編的折線編碼，求所編的8位碼組。位碼組。 參考答案：量化電平位于第參

30、考答案：量化電平位于第7段第段第11級(jí)，級(jí)，8位碼組為位碼組為11101010起電平起電平止電平止電平量化臺(tái)階量化臺(tái)階第第0段段 第第1段段 第第2段段 第第3段段 第第4段段第第5段段 第第6段段 第第7段段0161632326426412841282568256512161024512321024204864PCM編碼步驟54三、PCM信號(hào)的碼元速率和帶寬語音信號(hào)頻帶：300Hz 3400Hz抽樣速率：fs = 8000Hz每樣點(diǎn)編碼數(shù)：8PCM碼速：8*8K = 64K bpsPCM所需最小帶寬：理想低通特性：32K Hz 升余弦特性： 64K Hz55四、PCM系統(tǒng)的抗噪聲性能誤碼噪聲

31、Error!量化噪聲56四、PCM系統(tǒng)的抗噪聲性能n 量化噪聲量化噪聲 （發(fā)端人為引入）（發(fā)端人為引入）n 誤碼噪聲誤碼噪聲 （信道引入）（信道引入）84811101010848（ ）量化編碼量化編碼數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)11101010848（ ）無誤碼噪聲無誤碼噪聲數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)1010101053（ ）（1 1）錯(cuò)誤位置不同，引起的誤差大小不同）錯(cuò)誤位置不同，引起的誤差大小不同（2 2）采用的編碼不同，引起的誤差大小也不同）采用的編碼不同，引起的誤差大小也不同850量化噪聲量化噪聲存在誤碼噪聲存在誤碼噪聲57四、PCM系統(tǒng)的抗噪聲性能222( )( )( )qeqeSSE m

32、 tNNNE ntE nt自然碼，均勻分布，均勻量化：222NqSMN14eeSNP222142NNeSNP證明：()()()()oqemtm tn tn t信號(hào)量化噪聲誤碼噪聲PCM系統(tǒng)接收端低通濾波器的輸出:58討論n以折疊二進(jìn)制碼為例，對(duì)比量化信噪比和誤碼信噪比nN=78時(shí)，量化信噪比n當(dāng)Pe=10-510-6時(shí)，誤碼信噪比n Pe=10-510-6時(shí)的誤碼信噪比與N=78時(shí)的量化信噪比相當(dāng)； 當(dāng)Pe10-5時(shí)，誤碼噪聲變成主要的噪聲。nPCM對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)提出了較高的要求，即要求傳PCM數(shù)字信號(hào)的數(shù)字系統(tǒng)其誤碼率應(yīng)小于10-6 。244216384 655361.6 10 6.6 10

33、NoqSN 451/(5)20000 2000002 10 2 10oeeSNP596-3 自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）nPCM的問題nPCM碼速：88k = 64kbpsnPCM帶寬：升余弦波形：64kHz 理想低通：32kHzn比標(biāo)準(zhǔn)話路帶寬（3.4kHz）高很多n改進(jìn)的思路n在保證質(zhì)量的前提下降低碼速n充分利用信號(hào)相鄰抽樣值之間的相關(guān)性：DPCM606-3 自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）n自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制可在32kb/s的比特率上達(dá)到64kb/s的PCM數(shù)字電話質(zhì)量。nADPCM已成為長(zhǎng)途傳輸中一種國(guó)際通用的語音編碼方法。 nADPCM是在差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）

34、的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。61差分PCM（DPCM） q對(duì)相鄰樣值的差值進(jìn)行編碼。q根據(jù)前面的k個(gè)樣值預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)刻的樣值。對(duì)當(dāng)前樣值與預(yù)測(cè)值之間的差量化編碼。 62ADPCM n有自適應(yīng)系統(tǒng)的DPCMn自適應(yīng)量化n自適應(yīng)預(yù)測(cè)nADPCM比PCM可改善1621dB，相當(dāng)于編碼位數(shù)可以減少3位到4位。因此，在維持相同的語音質(zhì)量下，ADPCM允許用32kb/s比特率編碼636-4 增量調(diào)制系統(tǒng)(M)n與PCM方式不同，M是將模擬信號(hào)變換成僅有一位二進(jìn)制碼組成的數(shù)字信號(hào)序列，來表示相鄰信號(hào)的相對(duì)大小，通過相鄰抽樣值的相對(duì)變化反映模擬信號(hào)的變化規(guī)律。nDPCM的特例n預(yù)測(cè)值直接參考上次的抽樣值n對(duì)差值只編一位

35、碼64M編碼波形示意圖 65M編譯碼器原理框圖0:10:0簡(jiǎn)單M系統(tǒng)框圖之一 661 01 01 0 11111101010101111110M 編碼過程原信號(hào)原信號(hào)抽樣及量化抽樣及量化編碼編碼671 01 01 0 11111101010101111110M 譯碼過程脈沖產(chǎn)生脈沖產(chǎn)生積分積分低通濾波低通濾波原信號(hào)原信號(hào)68M系統(tǒng)框圖之二 預(yù)測(cè)器為延遲單元預(yù)測(cè)器為延遲單元69二、M系統(tǒng)中的量化噪聲M系統(tǒng)中量化噪聲有兩種：系統(tǒng)中量化噪聲有兩種：過載量化噪聲過載量化噪聲和和一般量化噪聲一般量化噪聲（a）一般量化噪聲；（b）過載量化噪聲 701、過載量化噪聲、過載量化噪聲模擬信號(hào)變化很快時(shí)，譯碼恢復(fù)

36、的信號(hào)跟不上原模擬信號(hào)模擬信號(hào)變化很快時(shí)，譯碼恢復(fù)的信號(hào)跟不上原模擬信號(hào)的變化。此時(shí)會(huì)出現(xiàn)很大的誤差，此誤差稱為過載誤差或過的變化。此時(shí)會(huì)出現(xiàn)很大的誤差，此誤差稱為過載誤差或過載量化噪聲。載量化噪聲。階階梯梯近近似似信信號(hào)號(hào)模模擬擬信信號(hào)號(hào)過過載載失失真真)(tm)(tm圖圖6 6. .1 16 6 系系統(tǒng)統(tǒng)過過載載量量化化噪噪聲聲MM系統(tǒng)中的量化噪聲71跟蹤斜率：跟蹤斜率：ssfTk不發(fā)生過載的條件是：跟蹤斜率大于等于信號(hào)的最大斜率。即不發(fā)生過載的條件是：跟蹤斜率大于等于信號(hào)的最大斜率。即sfdttdmmax)(討論討論：增大增大可使跟蹤斜率增大，會(huì)減小發(fā)生過載的可能性，能減小可使跟蹤斜率增

37、大，會(huì)減小發(fā)生過載的可能性，能減小過載量化噪聲，但會(huì)使一般量化噪聲增大。過載量化噪聲，但會(huì)使一般量化噪聲增大。提高抽樣頻率也可使發(fā)生過載的可能性減小，但會(huì)使數(shù)字信號(hào)提高抽樣頻率也可使發(fā)生過載的可能性減小，但會(huì)使數(shù)字信號(hào)的碼元速率增大，占有更多的系統(tǒng)帶寬。的碼元速率增大，占有更多的系統(tǒng)帶寬。72例設(shè)輸入模擬信號(hào)例設(shè)輸入模擬信號(hào) ，抽樣速率為，量化，抽樣速率為，量化臺(tái)階為臺(tái)階為。求不發(fā)生過載時(shí)所允許的最大信號(hào)幅度。求不發(fā)生過載時(shí)所允許的最大信號(hào)幅度。 )2cos()(0tfAtmsf參考答案：參考答案：02ffAs問題：當(dāng)上述正弦信號(hào)的幅度小于問題：當(dāng)上述正弦信號(hào)的幅度小于/2時(shí)，求編碼器的輸出。

38、時(shí)，求編碼器的輸出。73M極限參數(shù)sskTf最大跟蹤斜率：最小振幅：min2Amax02sffA最大振幅：022sAff動(dòng)態(tài)范圍：maxmaxminmin20lgcc dBAADDAA74當(dāng)不發(fā)生過載時(shí)，原模擬信號(hào)與譯碼器恢復(fù)信號(hào)之間的差稱當(dāng)不發(fā)生過載時(shí)，原模擬信號(hào)與譯碼器恢復(fù)信號(hào)之間的差稱為一般為一般量化噪聲量化噪聲。 假設(shè)量化噪聲假設(shè)量化噪聲e(t)在（在（ ， ）內(nèi)均勻分布，則量化噪聲內(nèi)均勻分布，則量化噪聲功率為功率為2、一般量化噪聲、一般量化噪聲此噪聲功率在此噪聲功率在 內(nèi)均勻分布，所以噪聲功率譜密度為內(nèi)均勻分布，所以噪聲功率譜密度為sf0則低通濾波器輸出端的噪聲功率為則低通濾波器輸出

39、端的噪聲功率為為低通截止頻率，為低通截止頻率，mfHz 3000mf3)21(22deeNqsseffffP0 3)(2smqffN3275dB )14lg10lg20lg30()/(0maxmsqofffNSufs信噪比 。抽樣速率提高一倍，量化信噪比提抽樣速率提高一倍，量化信噪比提高高9dB，記為記為9dB/倍頻程；倍頻程；ufk信噪比 。信號(hào)頻率提高一倍，量化信噪比下降信號(hào)頻率提高一倍，量化信噪比下降6dB，記為記為6dB/倍頻程。倍頻程。 M語音高頻段的量化信噪比語音高頻段的量化信噪比下降。下降。u抽樣速率在抽樣速率在3232kHzkHz時(shí)，量化信噪比約為時(shí)，量化信噪比約為26dB，只

40、能滿只能滿足一般通信質(zhì)量的要求足一般通信質(zhì)量的要求。22222max82ksoffASmksqofffNS2304. 02、一般量化噪聲、一般量化噪聲76誤碼噪聲的分析較為復(fù)雜，給出結(jié)論如下：誤碼噪聲的分析較為復(fù)雜，給出結(jié)論如下：1222ffPNsee是輸出端低通濾波器的低端是輸出端低通濾波器的低端截止頻率。截止頻率。Hz 3001f3、誤碼噪聲、誤碼噪聲77補(bǔ)充：M系統(tǒng)的改進(jìn)n -M總和增量調(diào)制02ffAssfA判決判決積分積分積分積分脈沖形成脈沖形成數(shù)字基帶信號(hào)數(shù)字基帶信號(hào)m(t) +-定時(shí)脈沖定時(shí)脈沖脈沖形成脈沖形成積分積分低通濾波低通濾波微分微分?jǐn)?shù)字基帶信號(hào)數(shù)字基帶信號(hào)m(t)78n

41、-M總和增量調(diào)制n數(shù)字檢測(cè)音節(jié)壓擴(kuò)總和增量調(diào)制nCVSD（連續(xù)可變斜率增量調(diào)制）判決判決積分積分脈沖形成脈沖形成數(shù)字基帶信號(hào)數(shù)字基帶信號(hào)m(t) +-定時(shí)脈沖定時(shí)脈沖脈沖形成脈沖形成低通濾波低通濾波數(shù)字基帶信號(hào)數(shù)字基帶信號(hào)m(t)M系統(tǒng)的改進(jìn)79相減器相減器判決器判決器本地譯碼器本地譯碼器定時(shí)脈沖定時(shí)脈沖M信號(hào)輸出信號(hào)輸出例例簡(jiǎn)單增量調(diào)制系統(tǒng)原理方框圖如圖簡(jiǎn)單增量調(diào)制系統(tǒng)原理方框圖如圖6.176.17所示，其中輸入信號(hào)所示，其中輸入信號(hào)，抽樣速率為，量化臺(tái)階為，抽樣速率為，量化臺(tái)階為。 （1）試求的最大跟蹤斜率試求的最大跟蹤斜率k k。 （2）若要使系統(tǒng)不出現(xiàn)過載現(xiàn)象并能正常編碼，求輸入信號(hào)的

42、幅度范圍。若要使系統(tǒng)不出現(xiàn)過載現(xiàn)象并能正常編碼，求輸入信號(hào)的幅度范圍。 （3）若本地譯碼器采用理想積分器，系統(tǒng)輸出信號(hào)為若本地譯碼器采用理想積分器，系統(tǒng)輸出信號(hào)為111-1-11-111, 試畫出本地譯碼器輸出信號(hào)的波形（設(shè)初始電平為零）。試畫出本地譯碼器輸出信號(hào)的波形（設(shè)初始電平為零）。 )2cos()(0tfAtmsf例題例題801、碼元速率、帶寬、碼元速率、帶寬的比較的比較PCM系統(tǒng)系統(tǒng))26()/(kNSdBqoM系統(tǒng)系統(tǒng)msdBqofffNS20304. 0lg10)/( 四、PCM和M系統(tǒng)性能的比較2、量化信噪比的比較、量化信噪比的比較sbff M碼元速率為碼元速率為2/minsM

43、fBPCM碼元速率為碼元速率為sbkff 2/minsPCMkfB81PCM和M系統(tǒng)性能的比較相同信道帶寬時(shí)量化信噪比結(jié)論結(jié)論：當(dāng)當(dāng)k=45時(shí)，兩種系統(tǒng)量化時(shí)，兩種系統(tǒng)量化信噪比差不多；信噪比差不多；當(dāng)當(dāng)k5時(shí)，時(shí)，PCM的量化信噪的量化信噪比優(yōu)于比優(yōu)于M系統(tǒng)的量化信噪比。系統(tǒng)的量化信噪比。823、誤碼信噪比的比較、誤碼信噪比的比較ePCMeoPNS41)/(PCM系統(tǒng)系統(tǒng)bf與無關(guān)與無關(guān)20116)/(fPffNSesMeoM系統(tǒng)系統(tǒng)bsff 與成正比，因?yàn)榕c成正比，因?yàn)閎fHz 3001fHz 8000fkbpsfb5 . 8當(dāng)，時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)的誤碼當(dāng)，時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)的誤碼信噪比相同。信噪比相

44、同。討論：討論：5 . 8bf當(dāng)當(dāng) kpbs時(shí)，時(shí)，M的誤碼信噪比優(yōu)于的誤碼信噪比優(yōu)于PCM系統(tǒng)。即在抗系統(tǒng)。即在抗誤碼噪聲方面，誤碼噪聲方面，M優(yōu)于優(yōu)于PCM。M要求數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼率小于等于就可以了，而要求數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼率小于等于就可以了，而PCM要求數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼率小于。要求數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼率小于。310510PCM和M系統(tǒng)性能的比較83n一、時(shí)分復(fù)用（TDM）原理 在數(shù)字通信中, PCM和M或其它模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸,一般都采用時(shí)分復(fù)用方式來提高信道的傳輸效率。時(shí)分復(fù)用的主要特點(diǎn)是利用不同時(shí)隙在同一信道傳輸各路不同信號(hào)。6-5 時(shí)分復(fù)用和多路數(shù)字電話系統(tǒng)84三路時(shí)分復(fù)用的波形85時(shí)分復(fù)用信號(hào)特點(diǎn)特點(diǎn)特點(diǎn)：合路后的信號(hào)在時(shí)間域是兩兩分離的；合路后的信號(hào)在時(shí)間域是兩兩分離的；合路后的信號(hào)在頻域是重疊在一起的；合路后的信號(hào)在頻域是重疊在一起的；各路取樣值之間也需留有一定的保護(hù)時(shí)間；各路取樣值之間也需留有一定的保護(hù)時(shí)間；收、發(fā)兩端應(yīng)有嚴(yán)格的同步；收、發(fā)兩端應(yīng)有嚴(yán)格的同步；合路后信號(hào)的二進(jìn)制碼元速率是每路信