華北電力大學(xué)_通信系統(tǒng)原理第5章

1、第第5 5章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸通信系統(tǒng)原理第第5章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸5.1 5.1 引言引言5.2 模擬信號(hào)的抽樣5.3 實(shí)際抽樣5.4 脈沖調(diào)制5.5 模擬信號(hào)的量化5.6 脈沖編碼調(diào)制5.7 差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）與自適應(yīng)差分脈沖 調(diào)制（ADPCM）5.8 增量調(diào)制（DM）5.9 時(shí)分多路復(fù)用和多路數(shù)字電話系統(tǒng) 基于微機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于微機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5.1 引言引言n在數(shù)字通信系統(tǒng)中信道傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)。但自然在數(shù)字通信系統(tǒng)中信道傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)。但自然界中，有些信源是以模擬形式出現(xiàn)的，如話音、圖界中，有些信源是以模擬形式出現(xiàn)的，如話

2、音、圖像等。因此在進(jìn)行數(shù)字通信時(shí)往往需先對(duì)信號(hào)（模像等。因此在進(jìn)行數(shù)字通信時(shí)往往需先對(duì)信號(hào)（模擬的）數(shù)字化。擬的）數(shù)字化。n 本章重點(diǎn)討論模擬信號(hào)數(shù)字化的基本方法。主要本章重點(diǎn)討論模擬信號(hào)數(shù)字化的基本方法。主要有有PCM 、M和和ADPCM 。模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸系統(tǒng)模擬信號(hào)源信宿數(shù)字通信系統(tǒng)m(t)模擬隨機(jī)信號(hào)sk數(shù)字隨機(jī)序列mk(t)skA/DD/A模擬信號(hào)數(shù)字化的過(guò)程一般分三步模擬信號(hào)數(shù)字化的過(guò)程一般分三步 抽樣抽樣：指抽取樣值，抽樣的：指抽取樣值，抽樣的多少以及快慢多少以及快慢對(duì)通信的對(duì)通信的性能指標(biāo)性能指標(biāo)有決定性的影響。在通信中抽樣點(diǎn)太少容易失真，太多時(shí)數(shù)據(jù)有決定性的影響。在通信中抽

3、樣點(diǎn)太少容易失真，太多時(shí)數(shù)據(jù)量大，傳輸時(shí)間長(zhǎng)，效率低。（帶寬大，因量大，傳輸時(shí)間長(zhǎng)，效率低。（帶寬大，因Rb大）。大）。 抽樣類似物理實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)曲線的描繪。抽樣類似物理實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)曲線的描繪。 量化：量化：抽樣值可以取無(wú)窮個(gè)，但量化電平值有限。抽樣值可以取無(wú)窮個(gè)，但量化電平值有限。 編碼：編碼：將抽樣值利用將抽樣值利用N個(gè)二進(jìn)制信號(hào)個(gè)二進(jìn)制信號(hào)表示表示第第5章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸5.1 引言5.2 5.2 模擬信號(hào)的抽樣模擬信號(hào)的抽樣5.3 實(shí)際抽樣5.4 脈沖調(diào)制5.5 模擬信號(hào)的量化5.6 脈沖編碼調(diào)制5.7 差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）與自適應(yīng)差分脈沖 調(diào)制（ADPCM

4、）5.8 增量調(diào)制（DM）5.9 時(shí)分多路復(fù)用和多路數(shù)字電話系統(tǒng) 5.2 模擬信號(hào)的抽樣模擬信號(hào)的抽樣5.2.1 5.2.1 低通抽樣定理低通抽樣定理1、定理描述、定理描述 Hf頻率受限于（0， ）的時(shí)間連續(xù)信號(hào)m(t) ,sfHf若抽樣頻率 不小于2 ，則m(t)可被其抽樣值完全確定。HsfT21。2.2.證明證明（包含兩個(gè)問(wèn)題）（包含兩個(gè)問(wèn)題）模型模型)()()(ttmtmsTs的值。于相應(yīng)抽樣時(shí)刻上秒的沖激序列，強(qiáng)度等為乘積的結(jié)果：均勻間隔周期性沖激函數(shù))(: )(tmTtsTs1)所有信息包含已抽離散樣值)()(tmtms頻率卷積nsTsTsnMMMss)()(21)()(21)()(

5、)(nsTsTnsnsssnMTM)(1)(問(wèn)題：如何確定抽樣頻率的選擇？問(wèn)題：如何確定抽樣頻率的選擇？利用圖解法解釋利用圖解法解釋 已抽樣信號(hào)已抽樣信號(hào)m ms s(t)(t)的頻譜的頻譜 是是無(wú)窮多個(gè)間隔為無(wú)窮多個(gè)間隔為 的的 相疊加而成。意味著相疊加而成。意味著 包含包含 的全部信息。的全部信息。)(MS)(MS)(M)(Ms已抽樣信號(hào)的頻譜已抽樣信號(hào)的頻譜nsssnMTM)(1)(抽樣定理的全過(guò)程：得到結(jié)論：HsHHsfT)f(T212222奈奎斯特間隔：奈奎斯特間隔：抽樣的最大時(shí)間間隔：抽樣的最大時(shí)間間隔：注意：注意： 當(dāng)抽樣間隔大于奈奎斯特間隔時(shí)，抽樣函數(shù)的頻譜會(huì)重疊。當(dāng)抽樣間隔大

6、于奈奎斯特間隔時(shí)，抽樣函數(shù)的頻譜會(huì)重疊。)2(Hsff 抽樣頻率不同時(shí)， 的變化如圖sM ( )2) 2) 如何利用抽樣值恢復(fù)原始信號(hào)如何利用抽樣值恢復(fù)原始信號(hào))(M)(GT)(M)(MT)(G)n(MT)(M)(G).(M)(MsssnnsssHsHHH22211所以：因此：頻譜的低通濾波器便可得到通過(guò)截止頻率為將HHHaHHsinth(t)S (t)t從時(shí)域上分析：)nTstSam)t(Sa)nTt (m)t (mn)t (m:m )nTt (m)t (m)t(Sa)t (m)t ( h)t (mT)t (mHnnnHsnnnnsnnnsHsss（個(gè)抽樣的第已知：濾波器濾波器的傳遞的傳遞函

7、數(shù)函數(shù)m(t)在時(shí)間域的表達(dá)式可以由抽樣值構(gòu)成，即將每個(gè)抽樣值和一個(gè)抽樣函數(shù)相乘后和一個(gè)抽樣函數(shù)相乘后得到的波形加起來(lái)就得到原信號(hào)m(t)?；赟ystemvue仿真500Hz抽樣恢復(fù)的波形抽樣恢復(fù)的波形已抽樣序列已抽樣序列原始波形原始波形100Hz抽樣恢復(fù)抽樣恢復(fù)的波形的波形200Hz抽樣恢抽樣恢復(fù)的波復(fù)的波形形問(wèn)題：帶通信號(hào)的抽樣 當(dāng)連續(xù)信號(hào)的頻帶不是限于0與fH之間，而是限制在 之間，其抽樣速率如何確定？)ff(HL5.2.2 帶通抽樣定理帶通抽樣定理1 .描述：描述：頻率受限于（ Lf，Hf）的模擬信號(hào)m(t),其最小抽樣頻率滿足：sminf=2BHfnB當(dāng)sminkf2B(1)n當(dāng)H

8、fnBkB0k1HLB=ff證明第（證明第（1 1）種情況）種情況n特點(diǎn)：該帶通信號(hào)的最高頻率和最低頻率是帶寬的特點(diǎn)：該帶通信號(hào)的最高頻率和最低頻率是帶寬的整數(shù)倍。整數(shù)倍。HfnB關(guān)于sminf=2BHfnB當(dāng)則：抽樣頻率為則：抽樣頻率為帶通信號(hào)帶寬帶通信號(hào)帶寬的兩倍。的兩倍。示意圖證明第（證明第（2 2）種情況）種情況n帶通信號(hào)的最高頻率fH不是帶寬B的整數(shù)倍。HfnBkB時(shí)，證明如下，這里n=5 取整|BfnH抽樣頻率的選取原則：已抽樣信號(hào)的頻譜不發(fā)生重疊。已抽樣信號(hào)的頻譜不發(fā)生重疊。按照頻率卷積定理頻率卷積定理6BT()5B4B2B6B4B2B6BM( )5B4B6B5B4B2BfH=n

9、B+kB(n=5)時(shí)帶通信號(hào)的抽樣6B5B4B2B6B4B2B2fH2nB2fH- 2nB每次需多移 H2f2nBn，這樣原來(lái)只隔2B，再加上多移的 HsfnBf2B2nkB2B2nk2B(1)nHfnBkB其中：抽樣頻率與信號(hào)最低頻率抽樣頻率與信號(hào)最低頻率fL之間的關(guān)系之間的關(guān)系LHsffBnkBf)1 (2結(jié)論：結(jié)論：實(shí)際中的窄帶高頻信號(hào)，其抽樣頻率近似等于2B。因?yàn)檫@時(shí)n很大。 應(yīng)用應(yīng)用： FDM數(shù)字化，數(shù)字化，SBC子帶編碼子帶編碼例題例題5-11.某音頻信號(hào)頻率范圍是20-15000Hz，對(duì)其進(jìn)行抽樣，問(wèn)題：抽樣頻率為多少？為了降低抽樣頻率，讓信號(hào)先經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器，截止頻率為60

10、00Hz，問(wèn)抽樣頻率為13000Hz時(shí)，能否從樣值中無(wú)失真的恢復(fù)出來(lái)？如果抽樣頻率為11000Hz時(shí)，情況如何？2.某帶通信號(hào)，頻率范圍是2100Hz-2400Hz，那么，抽樣頻率最小為多少？思考：n抽樣定理的意義是什么？n對(duì)于同一信號(hào)，抽樣頻率的高低有什么影響？n舉例說(shuō)出抽樣定理的應(yīng)用實(shí)例第第5章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸5.1 引言5.2 模擬信號(hào)的抽樣5.3 5.3 實(shí)際抽樣實(shí)際抽樣5.4 脈沖調(diào)制5.5 模擬信號(hào)的量化5.6 脈沖編碼調(diào)制5.7 差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）與自適應(yīng)差分脈沖 調(diào)制（ADPCM）5.8 增量調(diào)制（DM）5.9 時(shí)分多路復(fù)用和多路數(shù)字電話系統(tǒng)

11、5.3 5.3 實(shí)際抽樣實(shí)際抽樣 前面抽樣定理用的前面抽樣定理用的周期性沖激序列周期性沖激序列實(shí)際上不易產(chǎn)生，實(shí)際上不易產(chǎn)生，通常用通常用窄脈沖串窄脈沖串來(lái)完成抽樣。具體試驗(yàn)方法又分為下面兩來(lái)完成抽樣。具體試驗(yàn)方法又分為下面兩種：種： 自然抽樣（曲頂）自然抽樣（曲頂） 瞬時(shí)抽樣（平頂）瞬時(shí)抽樣（平頂） 5.3.1 自然抽樣（曲頂）自然抽樣（曲頂）模型：模型：圖解法觀察過(guò)程如下：圖解法觀察過(guò)程如下：脈沖載波脈沖載波S Sp p(t)(t)由脈寬為由脈寬為 秒，重復(fù)周期為秒，重復(fù)周期為T(mén)sTs秒的矩形脈沖串秒的矩形脈沖串組成。組成。定義：已抽樣信號(hào)的脈沖定義：已抽樣信號(hào)的脈沖“頂部頂部”隨隨m(t

12、)變化的，即在頂部變化的，即在頂部保持了保持了m(t)的變化規(guī)律的變化規(guī)律。例5-2* 周期性矩形脈沖信號(hào)的頻譜復(fù)習(xí)矩形周期脈沖矩形周期脈沖的頻譜)2(1)(12222sastjnsTTtjnsnnSTAdtAeTdtetfTcssssssnssasnsnTnnSTAncF2)()2(2)(2)(從數(shù)學(xué)表達(dá)式數(shù)學(xué)表達(dá)式考慮：sp1M ( )M( ) S ( )2pskS (t)AG (tkT)t (S)t (m)t (mps因?yàn)橐阎阂驗(yàn)橐阎簁ssaskssasskMkSTAMkkSTAM)()2()( )()2()(sssskAM ( )SaM(k)T2（）已抽樣信號(hào)的頻譜為：采用矩形窄采

13、用矩形窄脈沖抽樣的脈沖抽樣的頻譜與沖激頻譜與沖激脈沖抽樣的脈沖抽樣的頻譜很類似，頻譜很類似，區(qū)別僅在于區(qū)別僅在于包絡(luò)按抽樣包絡(luò)按抽樣函數(shù)逐漸衰函數(shù)逐漸衰減減理想抽樣理想抽樣自然抽樣自然抽樣5.3.2 5.3.2 瞬時(shí)抽樣瞬時(shí)抽樣1.提出原因：提出原因：2.實(shí)現(xiàn)方法：實(shí)現(xiàn)方法：3、瞬時(shí)抽樣（平頂）模型)()(1 )()( )()()( )(1 )()(21)( )()()( snsssssnssssTsnMHTHMMHMnMTnMMttmtm的輸出：通過(guò)濾波器后 平頂抽樣信號(hào)的頻譜是由H()加權(quán)后加權(quán)后的周期性重復(fù)周期性重復(fù)的頻譜頻譜所組成，不能在接收端直接利用低通濾波器來(lái)濾出所需的基帶信號(hào)。這

14、種現(xiàn)象稱為孔徑失真孔徑失真.sM ( )M( )得到的 使原頻譜 產(chǎn)生頻率失真產(chǎn)生頻率失真依賴LPFLPF無(wú)法恢復(fù)無(wú)法恢復(fù)。所以，恢復(fù)模型變?yōu)椋核?，恢?fù)模型變?yōu)椋?抽樣化的信號(hào)為平頂，高度為抽樣時(shí)刻的瞬時(shí)值。下面比較三種抽樣 sm (t)，sM( )及恢復(fù)方法。 )n(M)(HT)(Msnss1已知： 內(nèi) 容類型抽樣模型 恢復(fù)模型 ms(t) Ms() 說(shuō)明 理想理想抽樣抽樣用低通濾波器可無(wú)失真恢復(fù)原模擬信號(hào)m(t) 自然自然抽樣抽樣用低通濾波器可無(wú)失真恢復(fù)原模擬信號(hào)m(t)瞬時(shí)瞬時(shí)抽樣抽樣 樣值信號(hào)產(chǎn)生了孔徑失真，收端需要采用型頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)才能無(wú)失真恢復(fù)原模擬信號(hào)m(t)備注 用到的付里葉

15、變換對(duì)：m(t)ms(t)T(t)(1sskMTm(t)ms(t)s p (t)()2(ssaskMkSTALPFms(t)m(t)LPFms(t)m(t)()(SkTtAGtm)()(SSkTtkTmm(t)ms(t)T(t)脈沖形成ms(t)()(SSkTtAGkTm),2()(),()2(2)()(, )(2)()(),()(assasspsSsTTsAtAGthkksTAkTtGAtskTkTttMtmSs）（脈沖形成)n(M)(HT)(Msnss1第第5章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸5.1 引言5.2 模擬信號(hào)的抽樣5.3 實(shí)際抽樣5.4 5.4 脈沖調(diào)制脈沖調(diào)制5.5

16、模擬信號(hào)的量化5.6 脈沖編碼調(diào)制5.7 差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）與自適應(yīng)差分脈沖 調(diào)制（ADPCM）5.8 增量調(diào)制（DM）5.9 時(shí)分多路復(fù)用和多路數(shù)字電話系統(tǒng) 5.4 脈沖調(diào)制脈沖調(diào)制1 1、定義：、定義： 用基帶信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）去改變用基帶信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）去改變脈沖的某脈沖的某些參數(shù)些參數(shù)，稱為脈沖調(diào)制。，稱為脈沖調(diào)制。2 2、分類：、分類： 相應(yīng)有相應(yīng)有PAMPAM（脈幅調(diào)制）、（脈幅調(diào)制）、PDMPDM（脈寬調(diào)制）（脈寬調(diào)制）和和PPMPPM（脈位調(diào)制）。（脈位調(diào)制）。 第第5章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸5.1 引言5.2 模擬信號(hào)的抽樣5.3 實(shí)際抽樣5.4 脈

17、沖調(diào)制5.5 5.5 模擬信號(hào)的量化模擬信號(hào)的量化5.6 脈沖編碼調(diào)制5.7 差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）與自適應(yīng)差分脈沖 調(diào)制（ADPCM）5.8 增量調(diào)制（DM）5.9 時(shí)分多路復(fù)用和多路數(shù)字電話系統(tǒng) 5.5 模擬信號(hào)的量化模擬信號(hào)的量化提出原因： 模擬信號(hào)抽樣以后，抽樣值可以有無(wú)窮多個(gè)，如果用模擬信號(hào)抽樣以后，抽樣值可以有無(wú)窮多個(gè)，如果用N N個(gè)個(gè)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)表示該樣值的大小，只有有限個(gè)電平與之對(duì)表示該樣值的大小，只有有限個(gè)電平與之對(duì)應(yīng)，因此，抽樣值必須必須被劃分為應(yīng)，因此，抽樣值必須必須被劃分為M M個(gè)離散電平，即量化個(gè)離散電平，即量化電平。電平。一組二進(jìn)制碼：(an-

18、1, an-2, , a1, a0) 則 D=an-12n-1+an-22n-2+a121+a020便是其對(duì)應(yīng)的十進(jìn)數(shù)（表示量化電平值）。 這種“可加性可加性”可簡(jiǎn)化譯碼器的結(jié)構(gòu)。5.5.1 量化及其量化特性 1. 1. 量化定義：量化定義：2 .2 .量化信號(hào)量化信號(hào) 用預(yù)先規(guī)定的有限個(gè)電平預(yù)先規(guī)定的有限個(gè)電平來(lái)表示模擬抽樣值的過(guò) 程，如后圖。qSm (kT)量化器的輸出樣值 實(shí)際抽樣值 )(skTm量化過(guò)程示意圖m1等：量化區(qū)間的端點(diǎn)3. 量化電平量化電平 1q.MqqSim (kT )q指量化器可能的輸出電平，M為量化電平數(shù)。 4. 量化間隔量化間隔：為量化區(qū)間端點(diǎn)：為量化區(qū)間iiiii

19、mmmmmv),(11時(shí)當(dāng)isim)KT(mm15 .5 .量化誤差量化誤差 只能減小（量化電平個(gè)數(shù)多一點(diǎn)），無(wú)法消除，也稱量化噪聲量化噪聲，大小由個(gè)數(shù)及方法決定。 6 .6 .量化噪聲量化噪聲202qqE m(t)SNE m(t)m (t)量化信噪比量化信噪比是量化器的主要性能指標(biāo)之一 。)()(sqsqkTmkTme它要求它要求兩個(gè)方面兩個(gè)方面滿足要求：滿足要求： 取值大小 25dB以上動(dòng)態(tài)范圍 -545 或050dB以（a,b）或（-a，a）表示都滿足要求都滿足要求 PCM系統(tǒng)抗噪聲性能也主要由系統(tǒng)抗噪聲性能也主要由量化信噪比量化信噪比決定。決定。 7. 過(guò)載量化噪聲過(guò)載量化噪聲 當(dāng)實(shí)際

20、信號(hào)幅度超過(guò)量化范圍時(shí)，稱發(fā)生了過(guò)載，當(dāng)實(shí)際信號(hào)幅度超過(guò)量化范圍時(shí)，稱發(fā)生了過(guò)載，此時(shí)失真嚴(yán)重。此時(shí)失真嚴(yán)重。 量化器的工作要求：量化器的工作要求：5.5.2 均勻量化n把輸入信號(hào)的取值域等距離分割的量化為均勻量化。把輸入信號(hào)的取值域等距離分割的量化為均勻量化。n特點(diǎn)：特點(diǎn)：(1) 每個(gè)量化區(qū)間的每個(gè)量化區(qū)間的量化電平量化電平取取各個(gè)量化區(qū)間各個(gè)量化區(qū)間的中點(diǎn)。的中點(diǎn)。(2) 量化間隔量化間隔取決于輸入信號(hào)的變化范圍和量化電平數(shù)。取決于輸入信號(hào)的變化范圍和量化電平數(shù)。1.1.定義定義 v例如：當(dāng)信號(hào)的變化范圍和量化電平數(shù)確定后，量化間隔也確定。當(dāng)信號(hào)范圍當(dāng)信號(hào)范圍a，b, M個(gè)量化電平。個(gè)量化

21、電平。 MimmqiqviamimmkTsmmqmMabviiiiiiiiiq.3 , 2 , 12:)(,11，可表示為個(gè)量化區(qū)間的量化電平第個(gè)量化區(qū)間的終點(diǎn)，即第當(dāng)量化器的輸出：量化間隔：2vviaqi2 2、量化信噪比、量化信噪比n信號(hào)功率和量化噪聲功率之比是量化器的主要指標(biāo)信號(hào)功率和量化噪聲功率之比是量化器的主要指標(biāo)0qSN定義又分別求：按 Mimmibaqqqiidx)x(f)qx(dx)x(f)mx()mm(EN12221badxxfxtmES)()(220qNS0例例5-3 設(shè)一個(gè)設(shè)一個(gè)M個(gè)量化電平的均勻量化器，其輸入信號(hào)在區(qū)間個(gè)量化電平的均勻量化器，其輸入信號(hào)在區(qū)間-a,a具具

22、有均勻概率密度函數(shù)，求該量化器的信號(hào)量噪比。有均勻概率密度函數(shù)，求該量化器的信號(hào)量噪比。2311)1(212)(12112)(21)21()2()21()(1vvadxavviaxdxaqxNMiMiviaviaMimmiqii aM22022201221MNS)v(MdxaxSqaa0qN0qS()dB20lgMNM=2S()dB=6NNN增加1位，提高6dB。 信號(hào)功率信號(hào)功率要想提高要想提高 ，均勻量化只好提高，均勻量化只好提高M(jìn)，而，而M大了，相大了，相應(yīng)編碼位數(shù)應(yīng)編碼位數(shù)N大，數(shù)據(jù)速率高，有效性低。大，數(shù)據(jù)速率高，有效性低。0qSN20MNSq根據(jù)已得到的結(jié)論： 由上例可知，量化信噪

23、比隨由上例可知，量化信噪比隨量化電平數(shù)量化電平數(shù)M的增加而提高，的增加而提高， 信號(hào)的失真度越小。通常量化電平數(shù)應(yīng)根據(jù)對(duì)量化信噪比的信號(hào)的失真度越小。通常量化電平數(shù)應(yīng)根據(jù)對(duì)量化信噪比的要求來(lái)確定。要求來(lái)確定。 均勻量化器廣泛應(yīng)用于均勻量化器廣泛應(yīng)用于線性線性A/D變換變換接口，例如在計(jì)算接口，例如在計(jì)算機(jī)的機(jī)的A/D變換中，變換中，N為為A/D變換器的位數(shù)，常用的有變換器的位數(shù)，常用的有 8位、位、12位、位、 16位等不同精度。另外，在遙測(cè)遙控系統(tǒng)、儀表、圖像位等不同精度。另外，在遙測(cè)遙控系統(tǒng)、儀表、圖像信號(hào)的數(shù)字化接口等中，也都使用均勻量化器。信號(hào)的數(shù)字化接口等中，也都使用均勻量化器。 結(jié)

24、論和應(yīng)用結(jié)論和應(yīng)用20MNSq小，信號(hào) 均勻量化有一個(gè)致命的缺點(diǎn)，就是不管信號(hào)幅度大小如何大時(shí) 0qSN大。 0qSNqN (t)始終不變，這導(dǎo)致信號(hào)小時(shí) 變化，其 所以實(shí)際中常采用非均勻量化，大信號(hào)量化間隔大，小信號(hào)時(shí)量化間隔隔小，使得0qSN趨于定值。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：但在語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化通信（或叫數(shù)字電話通信）中，均勻量化則有一個(gè)明顯的不足：量化噪比隨信號(hào)電平信號(hào)電平的減小而下降減小而下降。 5.5.3 非均勻量化非均勻量化出發(fā)點(diǎn)：出發(fā)點(diǎn)： 是根據(jù)信號(hào)的不同區(qū)間來(lái)確定量化間隔，目的是改是根據(jù)信號(hào)的不同區(qū)間來(lái)確定量化間隔，目的是改善小信號(hào)時(shí)的量化信噪比。善小信號(hào)時(shí)的量化信噪比。與均勻量化相比，優(yōu)點(diǎn)

25、：與均勻量化相比，優(yōu)點(diǎn)：（1 1）當(dāng)輸入信號(hào)具有非均勻分布的概率密度時(shí)，非均勻）當(dāng)輸入信號(hào)具有非均勻分布的概率密度時(shí)，非均勻量化器的輸出端可以得到較高的平均信號(hào)量化噪聲功率量化器的輸出端可以得到較高的平均信號(hào)量化噪聲功率比。比。（2 2）非均勻量化時(shí)，量化噪聲功率的均方根值基本上與）非均勻量化時(shí)，量化噪聲功率的均方根值基本上與信號(hào)的抽樣值成比例。信號(hào)的抽樣值成比例。 實(shí)現(xiàn)方法：實(shí)現(xiàn)方法： 實(shí)際中，非均勻量化的實(shí)現(xiàn)方法通常是將抽樣值實(shí)際中，非均勻量化的實(shí)現(xiàn)方法通常是將抽樣值通過(guò)壓縮再進(jìn)行均勻量化。所謂壓縮實(shí)際上是用一個(gè)通過(guò)壓縮再進(jìn)行均勻量化。所謂壓縮實(shí)際上是用一個(gè)非線性變換電路將輸入變量變換成另

26、一變量，即非線性變換電路將輸入變量變換成另一變量，即 非均勻量化就是對(duì)壓縮后的變量進(jìn)行均勻量化。非均勻量化就是對(duì)壓縮后的變量進(jìn)行均勻量化。接收端采用一個(gè)傳輸特性為接收端采用一個(gè)傳輸特性為 的擴(kuò)張器來(lái)恢復(fù)的擴(kuò)張器來(lái)恢復(fù) )x(fy )y(fx1通常采用對(duì)數(shù)壓擴(kuò)特性對(duì)數(shù)壓擴(kuò)特性1. 對(duì)數(shù)壓縮特性對(duì)數(shù)壓縮特性實(shí)際廣泛采用A律和律Axy1ln A10 xA（線性線性）1+lnAxy1ln A1x1A（對(duì)數(shù)）(1) A A律壓縮律壓縮 ：中國(guó)和歐洲采用中國(guó)和歐洲采用其中A=87.6（2）律壓縮：日本和北美采用律壓縮：日本和北美采用ln(1),01ln(1)xyx電壓壓縮器可能的最大輸出壓縮器的輸出電壓y

27、電壓壓縮器可能的最大輸入壓縮器的輸入電壓x常見(jiàn)壓擴(kuò)特性曲線， 對(duì)數(shù)壓縮特性 (a) 律； (b)A律y120010030 01x(a)y1y1b1ay1 lnAAxx1A1y11 lnA1y1 lnA1 lnAx(b)0 x小信號(hào)區(qū)域大信號(hào)區(qū)域0n實(shí)際中實(shí)際中 A A律壓縮實(shí)現(xiàn)不律壓縮實(shí)現(xiàn)不容易，因?yàn)槠骷姆蔷€容易，因?yàn)槠骷姆蔷€性不易產(chǎn)生，且壓縮與性不易產(chǎn)生，且壓縮與擴(kuò)張又不好完全一致。擴(kuò)張又不好完全一致。故實(shí)際上采用另一種折故實(shí)際上采用另一種折線法。線法。 2 2、折線近似法、折線近似法（1）13折線近似（折線近似（A律）律）方法：先把方法：先把x軸信號(hào)幅度作歸一化處理（最大幅度值為軸信號(hào)

28、幅度作歸一化處理（最大幅度值為1），），然后把然后把y軸信號(hào)幅度作歸一化處理。軸信號(hào)幅度作歸一化處理。X軸：軸：01范圍范圍 一分為二，中間點(diǎn)為一分為二，中間點(diǎn)為1/2，取，取1/21之間為第八段之間為第八段01/2范圍范圍 一分為二，中間點(diǎn)為一分為二，中間點(diǎn)為1/4,取取1/41/2為第七段為第七段01/4范圍范圍 一分為二，中間點(diǎn)為一分為二，中間點(diǎn)為1/8，取，取1/81/4為第六段為第六段01/8范圍范圍 一分為二，中間點(diǎn)為一分為二，中間點(diǎn)為1/16，取，取1/161/8為第五段為第五段01/16范圍 一分為二，中間點(diǎn)為1/32，取1/321/16為第四段01/32范圍 一分為二，中間點(diǎn)

29、為1/64，取1/641/32為第三段01/64范圍 一分為二，中間點(diǎn)為1/128，取1/1281/64為第二段01/128范圍 ，取01/128為第一段 而y軸01均勻分為八段，一到八段為01/8，1/82/8,112816413211618141211y1313折線折線A A律壓縮特性律壓縮特性計(jì)算各段的斜率計(jì)算各段的斜率4816163218164181128181128181第四段：第三段：第二段：第一段：41211221814181818116181第八段：第七段：第六段：第五段：n正方向八段，但一、二段斜率相同，實(shí)際是七段，n負(fù)方向也有八段（在第三象限），共負(fù)方向也有八段（在第三象限

30、），共14段，負(fù)一、二段，負(fù)一、二段與正一、二段斜率相同，故稱段與正一、二段斜率相同，故稱13折線，實(shí)際上有折線，實(shí)際上有16個(gè)線段。個(gè)線段。n將每個(gè)線段再均勻分為16個(gè)量化間隔（015），這樣共有16*16=256個(gè)量化級(jí)（話音）。分析13折線與A律的逼近程度：比較：兩種小信號(hào)時(shí)斜率比較：兩種小信號(hào)時(shí)斜率A律： Axy1lnAA161ln Adydx13折線：18161128yx值，計(jì)算當(dāng)xyeAxyxeAxAxyAAxyyeA)88,87.84,83,82()(1ln) 1(ln)ln(lnln1ln1ln1ln11其他段也基本相同很逼近。 Axy1ln A100“1” 0 C1 =1Is

31、0 C1 =1(2) (2) 段落碼段落碼 段落碼中的段落碼中的C2C2用來(lái)表示輸入信號(hào)抽樣值處于（前四、用來(lái)表示輸入信號(hào)抽樣值處于（前四、后四）段，取后四）段，取第五段起點(diǎn)電平第五段起點(diǎn)電平為基準(zhǔn)為基準(zhǔn) Iw=128Iw=128n C2：IS=1270128，則，則C21nC3用來(lái)確定它屬于用來(lái)確定它屬于56段，還是段，還是78段。段。 第第7段起點(diǎn)電平段起點(diǎn)電平Iw=512 IsIw C3 =1 在在78段段n C4確定是第確定是第7段還是第段還是第8段段 第第8段起點(diǎn)電平段起點(diǎn)電平Iw=1024 IsIw C4 =1 在第在第8段段C2C3C4=111確定段內(nèi)碼確定段內(nèi)碼(C5 C6 C

32、7 C8)：i) 前前8個(gè)，后個(gè)，后8個(gè)量化間隔（實(shí)際個(gè)量化間隔（實(shí)際計(jì)算量化區(qū)間計(jì)算量化區(qū)間） 權(quán)值電流第權(quán)值電流第8段起點(diǎn)電平加上段起點(diǎn)電平加上該段的該段的8個(gè)量化間隔個(gè)量化間隔 Iw=段落起點(diǎn)段落起點(diǎn)+8*（該段量化間隔）（該段量化間隔） =1024+8*64=1536個(gè)量化單位個(gè)量化單位（該段長(zhǎng)（該段長(zhǎng)1/2，分成，分成16份，每份份，每份1/32，折成量化單位），折成量化單位） Is Iw C5 =0 在在18量化間隔量化間隔第8段均勻分成16份，每份3211621是最小量化間隔是最小量化間隔1/2048的的64倍倍確定段內(nèi)碼：ii) 14 還是58 Iw=1024+4*64=128

33、0 Is Iw C7=1 在34iv) 3還是4 Iw=1024+3*64=1216 Is Iw C8=1 在第4量化間隔n碼位1 111 00 11 （非線性碼）結(jié)論：n它表示第它表示第8段第段第4量化間隔，量化間隔， 其其量化電平為量化電平為1216+32=1248個(gè)個(gè)量化單位量化單位（譯碼也譯成此值）（譯碼也譯成此值）問(wèn)題：?jiǎn)栴}：1）量化噪聲與）量化噪聲與1270的誤差為的誤差為22個(gè)量化單位，不可消除（量化個(gè)量化單位，不可消除（量化噪聲），噪聲），2）過(guò)載噪聲，當(dāng)信號(hào)幅度超出正常編碼范圍，此時(shí)過(guò)載，實(shí)）過(guò)載噪聲，當(dāng)信號(hào)幅度超出正常編碼范圍，此時(shí)過(guò)載，實(shí)驗(yàn)可觀察，嚴(yán)重失真。實(shí)驗(yàn)中可看到：

34、每個(gè)取樣值量化后驗(yàn)可觀察，嚴(yán)重失真。實(shí)驗(yàn)中可看到：每個(gè)取樣值量化后都存在量化噪聲，恢復(fù)出的結(jié)果與發(fā)端類似，但有抖動(dòng)。都存在量化噪聲，恢復(fù)出的結(jié)果與發(fā)端類似，但有抖動(dòng)。5.6.3 脈沖編碼調(diào)制（脈沖編碼調(diào)制（PCM）1.PCM1.PCM通信系統(tǒng)構(gòu)成：通信系統(tǒng)構(gòu)成： PCMPCM即將模擬信號(hào)的抽樣量化值變成代碼。即將模擬信號(hào)的抽樣量化值變成代碼。PCMPCM通信通信在現(xiàn)代社會(huì)中應(yīng)用廣泛，如數(shù)字微波、光纖、程控交換，在現(xiàn)代社會(huì)中應(yīng)用廣泛，如數(shù)字微波、光纖、程控交換，也可用于計(jì)算機(jī)、遙控、遙測(cè)領(lǐng)域。也可用于計(jì)算機(jī)、遙控、遙測(cè)領(lǐng)域。 系統(tǒng)組成如圖：系統(tǒng)組成如圖：抽樣量化編碼m(t)A/D譯碼低通濾波ms

35、q(t)D/A信道m(xù)sq(t)m(t)ms(t)干擾完成已抽樣序列信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的變換完成由數(shù)字信號(hào)到樣值序列信號(hào)的變換2.PCM系統(tǒng)的抗噪性能系統(tǒng)的抗噪性能 n系統(tǒng)框圖：抽樣量化編碼m(t)A/D譯碼低通濾波msq(t)D/A信道m(xù)sq(t)m(t)ms(t)干擾0m (t)為輸出信號(hào)，qn (t)為量化噪聲，en (t)信道加性噪聲(也稱為誤碼噪聲) 系統(tǒng)輸出端總信噪比定義：200220qeE m (t)SNE n (t)E n (t)一般關(guān)心最后輸出端，而輸出端為含信息的已恢復(fù)模擬信號(hào)， LPF輸出信號(hào)為：考慮n噪聲：噪聲： 量化噪聲量化噪聲 信道加性噪聲的影響信道加性噪聲的影響n角度：

36、角度： 兩類噪聲來(lái)源不同兩類噪聲來(lái)源不同 兩類噪聲互相獨(dú)立兩類噪聲互相獨(dú)立(1)(1)只考慮量化噪聲時(shí)的系統(tǒng)性能：只考慮量化噪聲時(shí)的系統(tǒng)性能：由抽樣 恢復(fù)知 ，信號(hào)功率為：kks)kTst ()t (m)t (m器輸出理想沖激抽樣，則抽樣：為量化誤差：量化器輸出信號(hào)表達(dá)式)t (e)kTst ()kTs(e)kTst ()kTs(m )kTst ()t (m)t (m)kTst (m(t) )kTst ()t (m)t (mqqkkqkkqsq量化噪聲的功率譜密度為：)(1)(2kTseETfGqseq不考慮信道加性噪聲的影響時(shí)，接收端輸出的量化噪聲功率譜密度輸出的量化噪聲功率譜密度為：2)(

37、)()(fHfGfGReqnq)( fGeq)( fHR設(shè)信道理想，譯碼不引入失真，LPF傳遞函數(shù)為：理想低通濾波器的傳輸特性：其他 ,ff ,)f(HHR012)f(H)f(G)f(GReqnq)kTs(eET)f(Gqseq21因?yàn)椋狠敵鲈肼暪β首V表達(dá)式：任務(wù)：求解（編）譯碼端的量化均方誤差：)kTs(eEq2 為了與均勻量化對(duì)比，輸入信號(hào)在區(qū)間-a,a具有均勻分布，并均勻量化，量化電平數(shù)為M，則量化噪聲功率為：1222)v()kTs(eEq)kTs(eET)f(Gqseq211212)v(Ts（編）譯碼端的量化噪聲功率譜為：（編）譯碼端的量化噪聲功率譜為：低通濾波器的輸出量化噪聲功率為：

38、低通濾波器的輸出量化噪聲功率為：121212122222)v(T f)v(T df)f(G)t (nEN)f(H)f(G)f(GsHsffnqqqReqnqHHHsff2根據(jù)抽樣定理的證明：)(M)(GT)(MssH2ms(t)LPFm(t)輸出信號(hào)的頻譜與已抽樣信號(hào)的頻譜之間的關(guān)系：接收端輸出信號(hào)的表達(dá)式：仍假設(shè)m(t)是均勻分布-a,a求解信號(hào)功率求解信號(hào)功率2N0qS2N結(jié)論：PCM系統(tǒng)輸出端平均信號(hào)量化噪聲功率比為：系統(tǒng)輸出端平均信號(hào)量化噪聲功率比為：NqqM)t (nE)t (mENS2222002（2）只考慮信道加性噪聲的影響時(shí)：）只考慮信道加性噪聲的影響時(shí)：假設(shè)誤碼率為假設(shè)誤碼率

39、為 （每個(gè)碼出錯(cuò)概率）（每個(gè)碼出錯(cuò)概率） eP一個(gè)碼組中一個(gè)碼組中錯(cuò)一位錯(cuò)一位的概率為（即碼組錯(cuò)）為的概率為（即碼組錯(cuò)）為8 8eP計(jì)算：計(jì)算： 一個(gè)碼組由于一個(gè)碼組由于誤碼在譯碼器輸出端誤碼在譯碼器輸出端造成的平均誤差功率。造成的平均誤差功率。每個(gè)碼組代表一個(gè)抽樣值，當(dāng)錯(cuò)一個(gè)碼時(shí)，每個(gè)碼組代表一個(gè)抽樣值，當(dāng)錯(cuò)一個(gè)碼時(shí)，如：一個(gè)自然碼組：一個(gè)碼組由于誤碼在譯碼器輸出端造成的平均誤差功率：一個(gè)碼組由于誤碼在譯碼器輸出端造成的平均誤差功率：n求錯(cuò)誤碼組的平均間隔時(shí)間求錯(cuò)誤碼組的平均間隔時(shí)間)(fHR信道信道加性加性噪聲噪聲誤碼誤碼錯(cuò)碼組間的平均間隔為錯(cuò)碼組間的平均間隔為 ：esaNPTT1一個(gè)周期

40、內(nèi)，錯(cuò)誤碼元平均間隔一個(gè)周期內(nèi)，錯(cuò)誤碼元平均間隔 個(gè)碼元個(gè)碼元.eP1錯(cuò)誤碼組之間的平均間隔為：錯(cuò)誤碼組之間的平均間隔為：個(gè)碼元個(gè)碼元eNP1譯碼器輸出端的誤差功率譜密度誤差功率譜密度為：222)(321)(vNTNPQETfPNseatho低通濾波器輸出誤差功率低通濾波器輸出誤差功率222222)(32 2)(32 )()(vTPfvNTNPdffPtnENseNHNseffthoeeHH)(fHR信道信道加性加性噪聲噪聲誤碼誤碼)( fPtho最后： 結(jié)論結(jié)論2 2：由誤碼引出的：由誤碼引出的PCMPCM系統(tǒng)系統(tǒng) 信噪比與誤碼率成反比。信噪比與誤碼率成反比。接收端的信號(hào)22232)v(TP

41、NseNe僅考慮加性噪聲時(shí)的僅考慮加性噪聲時(shí)的PCM系統(tǒng)輸出信噪比：系統(tǒng)輸出信噪比：12)(1)(1)(1)(22222vMTtmTStmTtmssoso（3 3）總信噪比）總信噪比: :討論：ePNeNeqoooPtnEtnEtmENS222222412)()()(很小， 以量化噪聲為主 i) 大信噪比時(shí)，ooNS結(jié)論結(jié)論3 3： PCMPCM系統(tǒng)抗噪性能通常用量化器的量化信噪比決定系統(tǒng)抗噪性能通常用量化器的量化信噪比決定22N考慮ii）小信噪比時(shí)， 很大， eP以加性噪聲為主。 實(shí)際中，6eP10很容易實(shí)現(xiàn)故PCM抗噪聲性能按 結(jié)論結(jié)論4 4：PCMPCM系統(tǒng)輸出信噪比與系統(tǒng)帶寬成指數(shù)關(guān)系

42、系統(tǒng)輸出信噪比與系統(tǒng)帶寬成指數(shù)關(guān)系 系統(tǒng)需要的最小總帶寬為：系統(tǒng)需要的最小總帶寬為：的最小帶寬總傳輸碼率HbfNR2討論：討論：HfBNqNS22022已知：NqNS202第第5章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸5.1 引言5.2 模擬信號(hào)的抽樣5.3 實(shí)際抽樣5.4 脈沖調(diào)制5.5 模擬信號(hào)的量化5.6 脈沖編碼調(diào)制5.7 5.7 差分脈沖編碼調(diào)制（差分脈沖編碼調(diào)制（DPCMDPCM）與自適應(yīng)差分脈沖）與自適應(yīng)差分脈沖 調(diào)制（調(diào)制（ADPCMADPCM）5.8 增量調(diào)制（DM）5.9 時(shí)分多路復(fù)用和多路數(shù)字電話系統(tǒng) 5.7 差分脈沖編碼調(diào)制差分脈沖編碼調(diào)制DPCM） 64kb/s64

43、kb/s的的A A律或律或律的對(duì)數(shù)壓擴(kuò)律的對(duì)數(shù)壓擴(kuò)PCMPCM編碼已經(jīng)在大容量的光纖通信系編碼已經(jīng)在大容量的光纖通信系統(tǒng)和數(shù)字微波系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)統(tǒng)和數(shù)字微波系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。用。 但但PCMPCM信號(hào)占用頻帶要比模擬通信號(hào)占用頻帶要比模擬通信系統(tǒng)中的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)話路帶寬（信系統(tǒng)中的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)話路帶寬（3.1 3.1 kHzkHz）寬很多倍，這樣，對(duì)于大容量）寬很多倍，這樣，對(duì)于大容量的長(zhǎng)途傳輸系統(tǒng)，尤其是的長(zhǎng)途傳輸系統(tǒng)，尤其是衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信，采用采用PCMPCM的經(jīng)濟(jì)性能很難與模擬通信的經(jīng)濟(jì)性能很難與模擬通信相比。衛(wèi)星的通信資源相對(duì)光纖要少相比。衛(wèi)星的通信資源相對(duì)光纖要少得多得多. .

44、 以較低的速率獲得高質(zhì)量編碼，一直是語(yǔ)音編碼追求的目標(biāo)。通常，以較低的速率獲得高質(zhì)量編碼，一直是語(yǔ)音編碼追求的目標(biāo)。通常，人們把話路速率低于人們把話路速率低于64kb/s64kb/s的語(yǔ)音編碼方法，的語(yǔ)音編碼方法， 稱為語(yǔ)音壓縮編碼技術(shù)。稱為語(yǔ)音壓縮編碼技術(shù)。 在在PCM中，每個(gè)波形樣值都獨(dú)立編碼，與其他樣值無(wú)關(guān)，中，每個(gè)波形樣值都獨(dú)立編碼，與其他樣值無(wú)關(guān)， 這這樣，樣值的整個(gè)幅值編碼需要較多位數(shù)，比特率較高，樣，樣值的整個(gè)幅值編碼需要較多位數(shù)，比特率較高， 造成數(shù)字造成數(shù)字化的信號(hào)帶寬大大增加。然而，大多數(shù)以奈奎斯特或更高速率抽化的信號(hào)帶寬大大增加。然而，大多數(shù)以奈奎斯特或更高速率抽樣的信源

45、信號(hào)在相鄰抽樣間表現(xiàn)出很強(qiáng)的相關(guān)性，樣的信源信號(hào)在相鄰抽樣間表現(xiàn)出很強(qiáng)的相關(guān)性， 利用信源的這利用信源的這種相關(guān)性，一種比較簡(jiǎn)單的解決方法是對(duì)相鄰樣值的差值而不是種相關(guān)性，一種比較簡(jiǎn)單的解決方法是對(duì)相鄰樣值的差值而不是樣值本身進(jìn)行編碼。由于相鄰樣值的差值比樣值本身小，可以用樣值本身進(jìn)行編碼。由于相鄰樣值的差值比樣值本身小，可以用較少的比特?cái)?shù)表示差值。這樣，用樣點(diǎn)之間差值的編碼來(lái)代替樣較少的比特?cái)?shù)表示差值。這樣，用樣點(diǎn)之間差值的編碼來(lái)代替樣值本身的編碼，值本身的編碼， 可以在量化臺(tái)階不變的情況下（即量化噪聲不可以在量化臺(tái)階不變的情況下（即量化噪聲不變），編碼位數(shù)顯著減少，信號(hào)帶寬大大壓縮。這種利

46、用差值的變），編碼位數(shù)顯著減少，信號(hào)帶寬大大壓縮。這種利用差值的PCM編碼稱為差分編碼稱為差分PCM（DPCM）。）。 如果將樣值之差仍用如果將樣值之差仍用N位編碼傳送，則位編碼傳送，則DPCM的量化信噪比的量化信噪比顯然優(yōu)于顯然優(yōu)于PCM系統(tǒng)。系統(tǒng)。5.7.1DPCM原理原理 實(shí)現(xiàn)差分編碼的一個(gè)好辦法是根據(jù)前面的k個(gè)樣值預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)刻的樣值。編碼信號(hào)只是對(duì)當(dāng)前樣值與預(yù)測(cè)值之間的差值值的量化編碼。 DPCM系統(tǒng)的框圖如圖所示。圖中，xn表示當(dāng)前的信源樣值，預(yù)測(cè)器的輸入代表重建語(yǔ)音信號(hào)。預(yù)測(cè)器的輸出為 差值 作為量化器輸入，eqn代表量化器輸出，量化后的每個(gè)預(yù)測(cè)誤差eqn被編碼成二進(jìn)制數(shù)字序列，通

47、過(guò)信道傳送到目的地。 該誤差eqn同時(shí)被加到本地預(yù)測(cè)值 而得到 。 inaxKii1nxnxxennnxnx DPCM系統(tǒng)原理框圖量化器編碼預(yù)測(cè)器解碼預(yù)測(cè)器xneneqncnxnxncneqnxnxn編碼器解碼器1. DPCM系統(tǒng)原理inaxKii1nxnxxenn重建語(yǔ)音重建語(yǔ)音信號(hào)信號(hào) 在接收端裝有與發(fā)送端相同的預(yù)測(cè)器，在接收端裝有與發(fā)送端相同的預(yù)測(cè)器， 它的輸出是它的輸出是 與與eqn相加產(chǎn)生。信號(hào)既是所要求的相加產(chǎn)生。信號(hào)既是所要求的預(yù)測(cè)器的激勵(lì)信號(hào)預(yù)測(cè)器的激勵(lì)信號(hào)，也是所，也是所要求的要求的解碼器輸出的重建信號(hào)解碼器輸出的重建信號(hào)。在無(wú)傳輸誤碼的條件下，解碼。在無(wú)傳輸誤碼的條件下，解

48、碼器輸出的重建信號(hào)器輸出的重建信號(hào) 與編碼器中的與編碼器中的 相同。相同。 DPCM系統(tǒng)的總量化誤差應(yīng)該定義為輸入信號(hào)樣值系統(tǒng)的總量化誤差應(yīng)該定義為輸入信號(hào)樣值xn與解與解碼器輸出樣值碼器輸出樣值xn之差，即之差，即 由上式可知，這種由上式可知，這種DPCMDPCM的總量化誤差的總量化誤差n nq q僅與差值信號(hào)僅與差值信號(hào)e en n的的量化誤差有關(guān)。量化誤差有關(guān)。 2. DPCM量化噪聲分析nxqnnqnnnnnnqeeexxexxn)()(nxnx以一 個(gè)四電平量化為例說(shuō)明mm)kT(ekksqk)kT(esqk對(duì)誤差 進(jìn)行四電平量化”表示用“當(dāng)”表示用“當(dāng)”表示用“當(dāng)”表示用“當(dāng)量化電

49、平輸出023123102200 )kTs(e 1 )kTs(e 0 )kTs(e 10 )kTs(e qkqkqkqk5.7.2 量化與預(yù)測(cè)改為自適應(yīng)為量化與預(yù)測(cè)改為自適應(yīng)為ADPCM16級(jí)量化 4位碼 bsRf N32kb/s G.721 其他數(shù)字化方法其他數(shù)字化方法celp( (碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)）碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)） bR1 6 k b / s G.728 利用利用自適應(yīng)量化器自適應(yīng)量化器取代取代固定量化固定量化，自適應(yīng)預(yù)測(cè)自適應(yīng)預(yù)測(cè)取代取代固定預(yù)測(cè)，就是固定預(yù)測(cè)，就是ADPCM，它可以大大提高輸出信噪比，它可以大大提高輸出信噪比和編碼動(dòng)態(tài)范圍。和編碼動(dòng)態(tài)范圍。第第5章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬

50、信號(hào)的數(shù)字傳輸5.1 引言5.2 模擬信號(hào)的抽樣5.3 實(shí)際抽樣5.4 脈沖調(diào)制5.5 模擬信號(hào)的量化5.6 脈沖編碼調(diào)制5.7 差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）與自適應(yīng)差分脈沖 調(diào)制（ADPCM）5.8 5.8 增量調(diào)制（增量調(diào)制（DMDM）5.9 時(shí)分多路復(fù)用和多路數(shù)字電話系統(tǒng) 5.8 增量調(diào)制（M）與與PCM區(qū)別區(qū)別 PCM碼表示樣值大小，用碼表示樣值大小，用N位碼表示。位碼表示。M代碼表示相鄰樣值的關(guān)系，用一位碼表示。代碼表示相鄰樣值的關(guān)系，用一位碼表示。5.8.1 M 基本原理基本原理1 .1 .編碼：編碼： 被量化成二個(gè)電平)t (eqDM波形示意模擬信號(hào)模擬信號(hào)m(t)m(t)階梯波

51、形階梯波形m(t)m(t)逼近。逼近。討論接收端如何由二進(jìn)制碼序列恢復(fù)出階梯波形討論接收端如何由二進(jìn)制碼序列恢復(fù)出階梯波形n輸入端是0、1序列 積分器輸出雖已接近原來(lái)模擬信號(hào)，但包含高次諧波高次諧波，需低通濾波器平滑低通濾波器平滑。得到數(shù)字序列：得到數(shù)字序列：1111000重新討論增量調(diào)制的工作原理重新討論增量調(diào)制的工作原理接收端接收端：發(fā)送端：發(fā)送端： 簡(jiǎn)單M系統(tǒng)框圖判決器(比較器)消息信號(hào)m(t)e(t)積分器脈沖發(fā)生器發(fā)送端編碼器p(t)抽樣定時(shí)增量調(diào)制信號(hào)輸出c(t)脈 沖發(fā)生器c(t)積分器EE低 通濾波器消息信號(hào)m(t)接收端譯碼器m1(t)分為： 正常的量化噪聲量化噪聲 過(guò)載量化

52、噪聲過(guò)載量化噪聲5.8.2 M存在的問(wèn)題存在的問(wèn)題1. 1. 過(guò)載過(guò)載（a)過(guò)載的概念：過(guò)載的概念： 當(dāng)模擬信號(hào)斜率陡變時(shí)，由于臺(tái)階當(dāng)模擬信號(hào)斜率陡變時(shí)，由于臺(tái)階a a是固定的，而且每是固定的，而且每秒內(nèi)臺(tái)階數(shù)也是確定的，此時(shí)秒內(nèi)臺(tái)階數(shù)也是確定的，此時(shí)階梯電壓階梯電壓就跟不上就跟不上信號(hào)的變化信號(hào)的變化，形成了很大失真的階梯電壓波形，這樣的失真稱為形成了很大失真的階梯電壓波形，這樣的失真稱為過(guò)載現(xiàn)象過(guò)載現(xiàn)象，相應(yīng)噪聲為過(guò)載噪聲。相應(yīng)噪聲為過(guò)載噪聲。 ( )( )( )qqn tm tm t統(tǒng)稱量化噪聲。 誤差誤差eq(t)=m(t)-m(t)表現(xiàn)為兩種形式：表現(xiàn)為兩種形式： 一種稱為過(guò)載量化誤

53、差，一種稱為過(guò)載量化誤差， 另一種稱為另一種稱為一般量化誤差。一般量化誤差。 當(dāng)輸入模擬信號(hào)當(dāng)輸入模擬信號(hào)m(t)斜率陡變時(shí)，本地譯碼器輸出信號(hào)斜率陡變時(shí)，本地譯碼器輸出信號(hào)m(t)跟不上信號(hào)跟不上信號(hào)m(t)的變化，如圖所示。這時(shí)，的變化，如圖所示。這時(shí)， m(t)與與m(t)之間的誤差明顯增大，引起譯碼后信之間的誤差明顯增大，引起譯碼后信號(hào)的嚴(yán)重失真，號(hào)的嚴(yán)重失真， 這種現(xiàn)象叫這種現(xiàn)象叫過(guò)載現(xiàn)象過(guò)載現(xiàn)象，產(chǎn)生的失真稱為過(guò)載失真，產(chǎn)生的失真稱為過(guò)載失真， 或稱過(guò)或稱過(guò)載噪聲。這是在正常工作時(shí)必須而且可以避免的噪聲。載噪聲。這是在正常工作時(shí)必須而且可以避免的噪聲。 m(t)m (t)eq(t)

54、(a)m(t)m (t)tt(b)eq(t) (a) 一般量化誤差； (b) 過(guò)載量化誤差（b)不過(guò)載的條件：不過(guò)載的條件： 信號(hào)實(shí)際斜率信號(hào)實(shí)際斜率信m(t) dtk 信 即sf m(t)dt也就是要求和sf到達(dá)一定數(shù)值。到達(dá)一定數(shù)值。也稱為譯碼器的最大跟蹤斜率也稱為譯碼器的最大跟蹤斜率，則 不過(guò)載條件為： 若2 .2 .變化幅度過(guò)?。ㄈ绶逯敌∮谧兓冗^(guò)小（如峰值小于 ）也不能正確編碼，只）也不能正確編碼，只能出能出10101010交替，恢復(fù)出直流。交替，恢復(fù)出直流。 因此，量化噪聲的大小和因此，量化噪聲的大小和 有關(guān)，大有關(guān)，大 雖然雖然減少減少過(guò)載噪聲過(guò)載噪聲，但是增大了，但是增大了量

55、化噪聲量化噪聲。tsinA)t (mmtcosAdt)t (dmmmmsmsmfAfAAf/max5.8.3 M5.8.3 M抗噪性能抗噪性能臨界條件時(shí) maxmsfA輸出 222220max222mm1S228fssffA)e-( ,)e(f:),(-q21為則噪聲的概率密度函數(shù)上均勻分布假設(shè)噪聲在區(qū)間3)()()(222eqqqdefeteEte的平均噪聲功率：但該噪聲功率不是系統(tǒng)最終輸出的量化噪聲功率。考慮誤差 的周期性)t (eq誤差的平均功率被認(rèn)為均勻地分布在 頻率之內(nèi))f ,(s0)( fPessqeffteEfP3)()(22接收端接收端積分器輸出的噪聲功率譜密度積分器輸出的噪聲

56、功率譜密度為Hf為L(zhǎng)PF濾波器帶寬，mf為信號(hào)頻率sf為32KHz以上。M的量化噪聲功率 23qN2 有關(guān)，臺(tái)階越大，與質(zhì)量越差。：抽樣頻率，PCM與與DM的比較的比較第第5章章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸5.1 引言5.2 模擬信號(hào)的抽樣5.3 實(shí)際抽樣5.4 脈沖調(diào)制5.5 模擬信號(hào)的量化5.6 脈沖編碼調(diào)制5.7 差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）與自適應(yīng)差分脈沖 調(diào)制（ADPCM）5.8 增量調(diào)制（DM）5.9 5.9 時(shí)分多路復(fù)用和多路數(shù)字電話系統(tǒng)時(shí)分多路復(fù)用和多路數(shù)字電話系統(tǒng) 提出原因提出原因5.9 5.9 時(shí)分復(fù)用（時(shí)分復(fù)用（TDMTDM）和多路數(shù)字電話系統(tǒng)）和多路數(shù)字電話系

57、統(tǒng)5.9.1 TDM 原理時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用：把時(shí)間幀劃分為若干時(shí)隙若干時(shí)隙和各路信號(hào)占有各自時(shí)隙各自時(shí)隙。實(shí)現(xiàn)在同一信道上傳輸多路信號(hào)。與頻分復(fù)用頻分復(fù)用的區(qū)別：TDM在時(shí)域上各路信號(hào)是分離的，在頻域上各路信號(hào)頻譜是重疊。FDM：在頻域上各路信號(hào)是分離的，但在時(shí)域上各路信號(hào)是混疊的。三路三路TDM示意圖示意圖可以看出，可以看出，TDMTDM技術(shù)包含幾個(gè)基本要點(diǎn)：技術(shù)包含幾個(gè)基本要點(diǎn)：n各路信號(hào)的數(shù)據(jù)輪流占用不同時(shí)隙，在傳輸中互不影響。各路信號(hào)的數(shù)據(jù)輪流占用不同時(shí)隙，在傳輸中互不影響。n各信號(hào)的時(shí)隙組成一個(gè)確定的結(jié)構(gòu)，稱為幀結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱各信號(hào)的時(shí)隙組成一個(gè)確定的結(jié)構(gòu)，稱為幀結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱幀幀(fram

58、e)(frame)。幀是。幀是TDMTDM信號(hào)的最小組成單元。幀中各個(gè)時(shí)信號(hào)的最小組成單元。幀中各個(gè)時(shí)隙與信號(hào)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是固定的。隙與信號(hào)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是固定的。n收發(fā)雙方必須同步工作。這種同步工作稱為幀同步收發(fā)雙方必須同步工作。這種同步工作稱為幀同步(frame synchronization)(frame synchronization)，其目的是正確地定位各幀的，其目的是正確地定位各幀的起始位置，以便正確地放置與取出各路信號(hào)的數(shù)據(jù)。起始位置，以便正確地放置與取出各路信號(hào)的數(shù)據(jù)。1. 幀幀：設(shè)有k路語(yǔ)音輸入信號(hào)，每路最高頻率 ，若k=3，旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)順序接通3路信號(hào)實(shí)現(xiàn)順序抽樣，該Hf開(kāi)關(guān)每秒

59、旋轉(zhuǎn) sf次，并且在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)對(duì)各路信號(hào) 都抽一次。這樣，在一個(gè)周期 sT內(nèi)有3個(gè)脈沖構(gòu)成一幀，每路占 sT3長(zhǎng)度為 sT時(shí)隙長(zhǎng)度，各路數(shù)據(jù)在一幀的排列，稱幀結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)周期旋轉(zhuǎn)周期單路單路信號(hào)抽樣周期信號(hào)抽樣周期涉及到的概念涉及到的概念5.9.2 復(fù)用信號(hào)的傳輸帶寬與路數(shù)復(fù)用信號(hào)的傳輸帶寬與路數(shù)3 3路推廣到路推廣到N N路，路，N N個(gè)時(shí)隙的總時(shí)間在術(shù)語(yǔ)上稱一幀個(gè)時(shí)隙的總時(shí)間在術(shù)語(yǔ)上稱一幀 。每一幀的時(shí)間是每一幀的時(shí)間是sT，必經(jīng)符合必經(jīng)符合抽樣定理抽樣定理要求要求。 如對(duì)語(yǔ)音信號(hào)sf8KHz，一幀時(shí)間為125s。 每時(shí)隙 NTTssc說(shuō)明：對(duì)時(shí)隙內(nèi)容的分配 這里每個(gè)時(shí)隙可以是一個(gè)抽樣值，如這里每個(gè)時(shí)隙可以是一個(gè)抽樣值，如PAM，時(shí)隙時(shí)間為：，時(shí)隙時(shí)間為：NTTssc 也可以是已量化編碼的PCM或m，ADPCM信號(hào)，若一時(shí)隙傳PCM信號(hào)，對(duì)語(yǔ)音8位。每位二進(jìn)制碼占用時(shí)間寬度為每位二進(jìn)制碼占用時(shí)間寬度為 對(duì)于每個(gè)碼元，若用 表示可以用非歸零碼和歸零碼表示歸零碼：81NTTssbn如果sb1T2 稱占空比為稱占空比為50%50%，注意這里的空可以理解為傳，注意這里的空可以理解為傳“0”0”碼（即不傳碼）的時(shí)間，將來(lái)計(jì)算帶