通信原理—模擬信號的數(shù)字8講(新)

1、抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系第第4 4章章 模擬信號的數(shù)字傳輸模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系1抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系2上章內(nèi)容回顧1.1.掌握掌握模擬調(diào)制、載波、調(diào)制信號、已調(diào)信號、調(diào)模擬調(diào)制、載波、調(diào)制信號、已調(diào)信號、調(diào)制器的定義；制器的定義；2.2.掌握掌握調(diào)制的目的及模擬調(diào)制的分類；調(diào)制的目的及模擬調(diào)制的分類；3.3.掌握掌握線性調(diào)制器的原理模型，會分析線性調(diào)制器的原理模型，會分析AMAM、 DSBDSB、SSBSSB、VSBVSB調(diào)制與解調(diào)特性；調(diào)制與解調(diào)特性；4.4.掌握掌握非線性調(diào)制器的原理，及非線性已調(diào)信號的非線性調(diào)制器

2、的原理，及非線性已調(diào)信號的頻譜和帶寬特性。頻譜和帶寬特性。抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系1.1. 掌握掌握模擬信號的抽樣，了解模擬信號的抽樣，了解PAMPAM、PDMPDM、PPMPPM；2. 2. 掌握掌握抽樣信號的量化，包括均勻量化和非抽樣信號的量化，包括均勻量化和非均勻量化；均勻量化；3. 3. 掌握掌握脈沖編碼調(diào)制（脈沖編碼調(diào)制（PCMPCM）、差分脈沖編）、差分脈沖編碼調(diào)制（碼調(diào)制（DPCMDPCM）、增量調(diào)制（）、增量調(diào)制（DMDM）系統(tǒng)的）系統(tǒng)的原理及信號量噪比的分析。原理及信號量噪比的分析。3一、基本要求 基本要求抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的

3、數(shù)字傳輸電子技術(shù)系目標(biāo)要求二、重點、難點1. 1. 重點重點 抽樣定理的掌握、抽樣過程的波形和抽樣定理的掌握、抽樣過程的波形和頻譜特性分析；非均勻量化法中頻譜特性分析；非均勻量化法中A A律和律和律的原理、近似實現(xiàn)和壓縮特性的理解和律的原理、近似實現(xiàn)和壓縮特性的理解和掌握，信號量噪比定義的掌握；幾種編碼掌握，信號量噪比定義的掌握；幾種編碼調(diào)制方式的掌握。調(diào)制方式的掌握。 2. 2. 難點難點 PCM PCM 、DPCM DPCM 、DMDM系統(tǒng)信號量噪比的系統(tǒng)信號量噪比的分析。分析。 4重點和難點抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系模擬信號的數(shù)字傳輸 抽樣定理脈沖幅度調(diào)制（

4、PAM）脈沖編碼調(diào)制（PCM）自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）增量調(diào)制（M/DM）5抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系模擬信號的數(shù)字傳輸模擬信號的數(shù)字傳輸利用數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸模擬信號的步驟：利用數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸模擬信號的步驟：把模擬信號數(shù)字化，即模數(shù)轉(zhuǎn)換把模擬信號數(shù)字化，即模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)(A/D)； 進行數(shù)字方式傳輸；進行數(shù)字方式傳輸； 1.1. 把數(shù)字信號還原為模擬信號，即數(shù)模轉(zhuǎn)換把數(shù)字信號還原為模擬信號，即數(shù)模轉(zhuǎn)換(D/A)(D/A)。把發(fā)端的把發(fā)端的A/DA/D變換稱為變換稱為信源編碼信源編碼，而收端的，而收端的D/AD/A變換變換稱為稱為信源譯碼信源譯碼，

5、如語音信號的數(shù)字化叫做語音編碼。，如語音信號的數(shù)字化叫做語音編碼。 6抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系 模擬信號數(shù)字化的方法大致可劃分為模擬信號數(shù)字化的方法大致可劃分為波形編碼波形編碼和和參量編碼參量編碼兩類。兩類。波形編碼波形編碼是直接把時域波形變換是直接把時域波形變換為數(shù)字代碼序列，比特率通常在為數(shù)字代碼序列，比特率通常在16 kb/s 16 kb/s 64 kb/s64 kb/s范圍內(nèi)，接收端重建信號的質(zhì)量好。范圍內(nèi)，接收端重建信號的質(zhì)量好。參量編碼參量編碼是利是利用信號處理技術(shù)，提取語音信號的特征參量，再變用信號處理技術(shù)，提取語音信號的特征參量，再變換成數(shù)字代碼

6、，其比特率在換成數(shù)字代碼，其比特率在16 kb/s16 kb/s以下，但接收端以下，但接收端重建重建( (恢復(fù)恢復(fù)) )信號的質(zhì)量不夠好。這里只介紹波形編信號的質(zhì)量不夠好。這里只介紹波形編碼。碼。 目前用的最普遍的波形編碼方法有脈沖編碼調(diào)制目前用的最普遍的波形編碼方法有脈沖編碼調(diào)制(PCM)(PCM)和增量調(diào)制和增量調(diào)制(M/DM)(M/DM)。模擬信號的數(shù)字傳輸7抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系圖 6 1 模擬信號的數(shù)字傳輸 在在PCMPCM中，首先對模擬信息源發(fā)出的模擬信號進中，首先對模擬信息源發(fā)出的模擬信號進行抽樣，使其成為一系列離散的抽樣值，然后將這行抽樣，使其

7、成為一系列離散的抽樣值，然后將這些抽樣值進行量化并編碼，變換成數(shù)字信號。些抽樣值進行量化并編碼，變換成數(shù)字信號。 這時信號便可用數(shù)字通信方式傳輸。在接收端，這時信號便可用數(shù)字通信方式傳輸。在接收端，則將接收到的數(shù)字信號進行譯碼和低通濾波，恢復(fù)則將接收到的數(shù)字信號進行譯碼和低通濾波，恢復(fù)原模擬信號。原模擬信號。模擬信號的數(shù)字傳輸模擬信息源抽樣、量化和編碼數(shù)字通信系統(tǒng)譯碼和低通濾波m(t)skskm(t)模擬隨機信號數(shù)字隨機序列數(shù)字隨機序列 模擬隨機信號8抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系抽樣定理 抽樣定理表明，如果對一個頻帶有限的時間連抽樣定理表明，如果對一個頻帶有限的時間

8、連續(xù)的模擬信號抽樣，當(dāng)續(xù)的模擬信號抽樣，當(dāng)抽樣頻率（抽樣速率）抽樣頻率（抽樣速率）達(dá)到達(dá)到一定數(shù)值時，那么根據(jù)它的抽樣值就能重建原信號。一定數(shù)值時，那么根據(jù)它的抽樣值就能重建原信號。也就是說也就是說，若要傳輸模擬信號，不一定要傳輸模擬，若要傳輸模擬信號，不一定要傳輸模擬信號本身，只需傳輸按抽樣定理得到的抽樣值即可。信號本身，只需傳輸按抽樣定理得到的抽樣值即可。因此，抽樣定理是模擬信號數(shù)字化的因此，抽樣定理是模擬信號數(shù)字化的理論依據(jù)理論依據(jù)。 根據(jù)信號是低通型的還是帶通型的，根據(jù)信號是低通型的還是帶通型的，抽樣定理分低抽樣定理分低通抽樣定理和帶通抽樣定理通抽樣定理和帶通抽樣定理；根據(jù)用來抽樣的脈

9、沖；根據(jù)用來抽樣的脈沖序列是等間隔的還是非等間隔的，又分序列是等間隔的還是非等間隔的，又分均勻抽樣定均勻抽樣定理和非均勻抽樣理和非均勻抽樣；根據(jù)抽樣的脈沖序列是沖擊序列；根據(jù)抽樣的脈沖序列是沖擊序列還是非沖擊序列，又可分還是非沖擊序列，又可分理想抽樣和實際抽樣理想抽樣和實際抽樣。 9抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系理想抽樣10抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系 一個頻帶限制在一個頻帶限制在(0, f(0, fH H) )內(nèi)的時間連續(xù)信號內(nèi)的時間連續(xù)信號m(t)m(t)，如果以如果以T Ts s1/(2f1/(2fH H) )秒的間隔對它進行等間隔秒

10、的間隔對它進行等間隔( (均勻均勻) )抽抽樣，則樣，則m(t)m(t)可由抽樣序列無失真地重建。可由抽樣序列無失真地重建。 此定理告訴我們：若此定理告訴我們：若m(t)m(t)的頻譜在某一角頻率的頻譜在某一角頻率H H以上為零，則以上為零，則m(t)m(t)中的全部信息完全包含在其間隔中的全部信息完全包含在其間隔不大于不大于1/(2f1/(2fH H) )秒的均勻抽樣序列里。秒的均勻抽樣序列里。換句話說換句話說，在信，在信號最高頻率分量的一個周期內(nèi)起碼應(yīng)抽樣兩次。號最高頻率分量的一個周期內(nèi)起碼應(yīng)抽樣兩次?；蛘呋蛘哒f說，抽樣速率，抽樣速率f fs s（每秒內(nèi)的抽樣點數(shù)）應(yīng)不小于（每秒內(nèi)的抽樣點

11、數(shù)）應(yīng)不小于2f2fH H，若抽樣速率若抽樣速率f fs s2f2fH H，則會產(chǎn)生失真，這種失真叫，則會產(chǎn)生失真，這種失真叫混疊混疊失真失真。 低通抽樣定理低通抽樣定理抽樣定理11抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系nsTnTtt)()(從頻域角度頻域角度來證明這個定理抽樣脈沖序列nssTTnTt)(2)()(FsssTf22式中式中nssTsnTtnTmttmtm)()()()()(抽樣后的信號的譜函數(shù)抽樣定理)(tT12抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系nssnssTsnMTnMTMM)(1)()(1)()(21)(抽樣后信號的頻譜抽樣后信號的頻

12、譜M Ms s()()由無限多個間隔為由無限多個間隔為s s的的M()M()相疊加而成，這意味著抽樣后的信號相疊加而成，這意味著抽樣后的信號m ms s(t)(t)包含了信包含了信號號m(t)m(t)的的全部信息全部信息。如果。如果s s22H H，即，即f fs s2f2fH H，也即也即T Ts s1/(2f1/(2fH H) )，則在相鄰的，則在相鄰的M()M()之間沒有重疊，而位之間沒有重疊，而位于于n=0n=0的頻譜就是信號頻譜的頻譜就是信號頻譜M() M() 本身。本身。抽樣定理13抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系圖 4-1 抽樣過程的時間函數(shù)及對應(yīng)頻譜圖抽

13、樣過程的時間函數(shù)及對應(yīng)頻譜圖m(t)tM()OHHT (t)tT ()T2tms(t)OMs()HHT2(a)(b)(c)(d)(e)(f )抽樣定理14抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系圖 4-2 混疊現(xiàn)象OMs()T2 如果抽樣間隔如果抽樣間隔T Ts s1/(2f1/(2fH H) )，則抽樣后信號的頻，則抽樣后信號的頻譜在相鄰的周期內(nèi)發(fā)生混疊，此時不可能無失真地重譜在相鄰的周期內(nèi)發(fā)生混疊，此時不可能無失真地重建原信號。建原信號。T Ts s=1/(2f=1/(2fH H) ) 是最大允許抽樣間隔，它被是最大允許抽樣間隔，它被稱為稱為奈奎斯特間隔奈奎斯特間隔，相對應(yīng)

14、的最低抽樣速率，相對應(yīng)的最低抽樣速率f fs s=2f=2fH H稱稱為為奈奎斯特速率奈奎斯特速率。 抽樣定理15抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系16例4.1抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系例：若一個信號為例：若一個信號為 。試問。試問最小抽樣頻率為多少才能保證其無失真地恢最小抽樣頻率為多少才能保證其無失真地恢復(fù)？在用最小抽樣頻率對其進行抽樣時，試復(fù)？在用最小抽樣頻率對其進行抽樣時，試問保存問保存3 3分鐘的抽樣，需要保存多少個抽樣分鐘的抽樣，需要保存多少個抽樣值？值？)()(2 cGtSacc個個分分鐘鐘有有個個抽抽樣樣值值，鐘鐘有有所所以以1

15、800036010031001s tttm314/ )314sin()( 可得信號可得信號S(t)S(t)的帶寬為的帶寬為314/2314/2=50Hz=50Hz所以其奈奎斯特頻率所以其奈奎斯特頻率fs=2fH=100Hz所以其奈奎斯特間隔所以其奈奎斯特間隔Ts=1/2fH=0.01s17抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系 實際中實際中遇到的許多信號是遇到的許多信號是帶通信號帶通信號。如果采用低。如果采用低通抽樣定理的抽樣速率通抽樣定理的抽樣速率f fs s2f2fH H，對頻率限制在，對頻率限制在f fL L與與f fH H之之間的帶通型信號抽樣，肯定能滿足頻譜不混疊的

16、要求。間的帶通型信號抽樣，肯定能滿足頻譜不混疊的要求。但這樣選擇但這樣選擇f fs s太高太高了，它會使了，它會使0-f0-fL L一大段頻譜空隙得不一大段頻譜空隙得不到利用，降低了信道的到利用，降低了信道的利用率利用率。 為了提高信道利用率，同時又使抽樣后的信號頻為了提高信道利用率，同時又使抽樣后的信號頻譜不混疊，那么譜不混疊，那么f fs s到底怎樣選擇呢？到底怎樣選擇呢？帶通信號的抽樣定帶通信號的抽樣定理理將回答這個問題。將回答這個問題。 帶通抽樣定理帶通抽樣定理抽樣定理18抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系圖 4-3 帶通信號的抽樣頻譜（fs=2fH）負(fù)頻譜 fH

17、 fLM()正頻譜fHfLT()O fsOfs正，2 fs負(fù)， fs fs fL正， fs負(fù)，fsOMs() fL fH fs fL正，零正，fs負(fù)，2fsf(a)(b)(c)ff負(fù)，零fLfHfs fLfs fL抽樣定理19抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系 在圖在圖4-44-4中，抽樣后信號的頻譜中，抽樣后信號的頻譜M Ms s()()既沒有混疊也沒有既沒有混疊也沒有留空隙，而且包含有留空隙，而且包含有m(t)m(t)的頻譜的頻譜M()M()圖中虛線所框的部分。圖中虛線所框的部分。這樣，采用帶通濾波器就能無失真恢復(fù)原信號，且此時抽樣速這樣，采用帶通濾波器就能無失真恢復(fù)

18、原信號，且此時抽樣速率率(2B)(2B)遠(yuǎn)低于按低通抽樣定理時遠(yuǎn)低于按低通抽樣定理時f fs s=10B=10B的要求。的要求。 帶通均勻抽樣定理：一個帶通信號帶通均勻抽樣定理：一個帶通信號m(t)m(t)，其頻率限制在，其頻率限制在f fL L與與f fH H之間，帶寬為之間，帶寬為B=fB=fH H-f-fL L，如果抽樣速率，如果抽樣速率2f2fH H/(m+1)f/(m+1)fs s 2f2fL L/m/m，m m是一個不超過是一個不超過f fL L/B/B的最大整數(shù)，那么的最大整數(shù)，那么m(t)m(t)可由抽樣序可由抽樣序列無失真地重建。下面分兩種情況加以說明。列無失真地重建。下面分

19、兩種情況加以說明。 22HHsffmBfBm(1)抽樣定理20抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系圖 4-4 fH=nB時帶通信號的抽樣頻譜 fH fL3 fs2.5 fs2 fs fsOfs2fsfLfH2.5fs3fsf(a)3 fs2 fs fsOfs2fs3fsfO(b)M()s()3 fs2 fs fsMs()fs2fs3fsf(c)抽樣定理21抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系,0122()21HHsfmBkBkfmBkBkfBmmm 由圖由圖4-54-5可見，可見，f fs s在在2B2B 4B4B范圍內(nèi)取值，當(dāng)范圍內(nèi)取值，當(dāng)f fL L

20、BB時，時，f fs s趨趨近于近于2B2B。即當(dāng)。即當(dāng)m m很大，無論很大，無論f fH H是否為帶寬的整數(shù)倍，上式可簡是否為帶寬的整數(shù)倍，上式可簡化為化為 Bfs2 實際中應(yīng)用廣泛的高頻窄帶信號就符合這種情況，這是因?qū)嶋H中應(yīng)用廣泛的高頻窄帶信號就符合這種情況，這是因為為f fH H大而大而B B小，小，f fL L當(dāng)然也大，很容易滿足當(dāng)然也大，很容易滿足f fL LBB。由于帶通信號一。由于帶通信號一般為窄帶信號，容易滿足般為窄帶信號，容易滿足f fL LBB，因此帶通信號通常可按，因此帶通信號通?？砂?B2B速率速率抽樣。抽樣。 (2)抽樣定理22抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)

21、字傳輸電子技術(shù)系圖 4-5 fs與fL關(guān)系4B3B2BOn1n2Bn32B3Bn44Bn55B6Bn6n77BfLfs8B抽樣定理23抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系 順便指出，對于一個攜帶信息的基帶信號，可順便指出，對于一個攜帶信息的基帶信號，可以視為隨機基帶信號。若該以視為隨機基帶信號。若該隨機基帶信號隨機基帶信號是寬平穩(wěn)是寬平穩(wěn)的隨機過程，則可以證明：一個寬平穩(wěn)的隨機信號，的隨機過程，則可以證明：一個寬平穩(wěn)的隨機信號，當(dāng)其當(dāng)其功率譜密度函數(shù)功率譜密度函數(shù)限于限于f fH H以內(nèi)時，若以不大于以內(nèi)時，若以不大于1/(2f1/(2fH H) )秒的間隔對它進行均勻抽樣

22、，則可得一隨機秒的間隔對它進行均勻抽樣，則可得一隨機樣值序列。如果讓該隨機樣值序列通過一截止頻率樣值序列。如果讓該隨機樣值序列通過一截止頻率為為f fH H的低通濾波器，那么其輸出信號與原來的寬平的低通濾波器，那么其輸出信號與原來的寬平穩(wěn)隨機信號的穩(wěn)隨機信號的均方差均方差在統(tǒng)計平均意義下為零。也就在統(tǒng)計平均意義下為零。也就是說，是說，從統(tǒng)計觀點來看，從統(tǒng)計觀點來看， 對頻帶受限的寬平穩(wěn)隨對頻帶受限的寬平穩(wěn)隨機信號進行抽樣，也服從抽樣定理。機信號進行抽樣，也服從抽樣定理。抽樣定理24抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系25例4.2抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸

23、電子技術(shù)系 第第3 3章中討論的連續(xù)波調(diào)制是以連續(xù)振蕩的正弦章中討論的連續(xù)波調(diào)制是以連續(xù)振蕩的正弦信號作為載波。然而，正弦信號并非是惟一的載波信號作為載波。然而，正弦信號并非是惟一的載波形式，時間上離散的脈沖串，同樣可以作為載波。形式，時間上離散的脈沖串，同樣可以作為載波。脈沖調(diào)制就是以時間上離散的脈沖串作為載波，用脈沖調(diào)制就是以時間上離散的脈沖串作為載波，用模擬基帶信號模擬基帶信號m(t)m(t)去控制脈沖串的某參數(shù)，使其按去控制脈沖串的某參數(shù)，使其按m(t)m(t)的規(guī)律變化的調(diào)制方式。的規(guī)律變化的調(diào)制方式。通常，按基帶信號改通常，按基帶信號改變脈沖參量變脈沖參量( (幅度、寬度和位置幅度

24、、寬度和位置) )的不同，把脈沖調(diào)的不同，把脈沖調(diào)制又分為脈幅調(diào)制制又分為脈幅調(diào)制(PAM)(PAM)、脈寬調(diào)制、脈寬調(diào)制(PDM)(PDM)和脈位調(diào)和脈位調(diào)制制(PPM)(PPM)。雖然這三種信號在時間上都是離散的，但。雖然這三種信號在時間上都是離散的，但受調(diào)參量變化是連續(xù)的，因此也都屬于受調(diào)參量變化是連續(xù)的，因此也都屬于模擬信號模擬信號。脈沖振幅調(diào)制是脈沖編碼調(diào)制的基礎(chǔ)脈沖振幅調(diào)制是脈沖編碼調(diào)制的基礎(chǔ)。 脈沖振幅調(diào)制脈沖振幅調(diào)制(PAM)(PAM)26抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系圖 4-6 PAM、 PDM、 PPM信號波形x(t)Ot假設(shè)信號波形OtPAM波形

25、脈沖高度在變化tPDM波形脈沖位置不變寬度變化OO脈沖寬變不變脈沖位置在變化tPPM波形脈沖振幅調(diào)制脈沖振幅調(diào)制(PAM)(PAM)27抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系 脈沖振幅調(diào)制脈沖振幅調(diào)制(PAM)(PAM)是脈沖載波的是脈沖載波的幅度幅度隨基帶信號變隨基帶信號變化的一種調(diào)制方式。若脈沖載波是化的一種調(diào)制方式。若脈沖載波是沖激脈沖沖激脈沖序列，則前序列，則前面討論的抽樣定理就是脈沖振幅調(diào)制的原理。也就是說，面討論的抽樣定理就是脈沖振幅調(diào)制的原理。也就是說，按抽樣定理進行抽樣得到的信號按抽樣定理進行抽樣得到的信號m ms s(t)(t)就是一個就是一個PAMPAM信

26、號信號。 但是，用沖激脈沖序列進行抽樣是一種但是，用沖激脈沖序列進行抽樣是一種理想抽樣理想抽樣的的情況，是不可能實現(xiàn)的。即使能獲得，由于抽樣后信號情況，是不可能實現(xiàn)的。即使能獲得，由于抽樣后信號的頻譜為無窮大，對有限帶寬的信道而言也無法傳遞。的頻譜為無窮大，對有限帶寬的信道而言也無法傳遞。因此，在實際中通常采用因此，在實際中通常采用脈沖寬度脈沖寬度相對于相對于抽樣周期抽樣周期很很窄窄的窄脈沖序列近似代替沖激脈沖序列。這里介紹實際抽的窄脈沖序列近似代替沖激脈沖序列。這里介紹實際抽樣的兩種脈沖振幅調(diào)制方式：樣的兩種脈沖振幅調(diào)制方式：自然抽樣自然抽樣的脈沖調(diào)幅和的脈沖調(diào)幅和平平頂抽樣頂抽樣的脈沖調(diào)幅

27、。的脈沖調(diào)幅。 脈沖振幅調(diào)制脈沖振幅調(diào)制(PAM)(PAM)28抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系自然抽樣又稱曲頂抽樣，它是指抽樣后的脈沖幅度（頂部）隨被自然抽樣又稱曲頂抽樣，它是指抽樣后的脈沖幅度（頂部）隨被抽樣信號抽樣信號m(t)m(t)變化，或者說保持了變化，或者說保持了m(t)m(t)的變化規(guī)律。的變化規(guī)律。圖 4-7自然抽樣的PAM原理框圖理想低通m(t)s(t)ms(t)m(t)自然抽樣的脈沖調(diào)幅自然抽樣的脈沖調(diào)幅 脈沖振幅調(diào)制脈沖振幅調(diào)制(PAM)(PAM)29抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系圖 4-9 自然抽樣的PAM波形及頻譜m(

28、t)t(a)HHOM()s(t)ATt(b)O|S()|22H2H2tms(t)|Ms()|2O22H2H(c)(d)脈沖振幅調(diào)制脈沖振幅調(diào)制(PAM)(PAM)30抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系)()()(tstmtmsPAM信號nHHsnnSaTS)2()(2)(s(t)的頻譜信號此頻譜與理想抽樣的頻譜非常相似，也是由無限多個間此頻譜與理想抽樣的頻譜非常相似，也是由無限多個間隔為隔為s s=2=2H H的的M()M()頻譜之和組成。其中頻譜之和組成。其中, n=0, n=0的成分是的成分是(A/T(A/Ts s)M()M()，與原信號譜，與原信號譜M()M()只差

29、一個比例常數(shù)只差一個比例常數(shù)(A/T(A/Ts s) )，因而也可用低通濾波器從因而也可用低通濾波器從M Ms s()()中濾出中濾出M()M()，從而恢復(fù)出基，從而恢復(fù)出基帶信號帶信號m(t)m(t)。 )2()()()(21)(nHHSSnMnSaTASMM脈沖振幅調(diào)制脈沖振幅調(diào)制(PAM)(PAM)31抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系 比較上兩式，可以發(fā)現(xiàn)它們的不同之處是比較上兩式，可以發(fā)現(xiàn)它們的不同之處是: : 理想抽樣的理想抽樣的頻譜的包絡(luò)是條直線，因而信號帶寬為無窮大；自然抽樣頻頻譜的包絡(luò)是條直線，因而信號帶寬為無窮大；自然抽樣頻譜的包絡(luò)按譜的包絡(luò)按SaSa

30、函數(shù)隨頻率增高而下降，因而帶寬是有限的，函數(shù)隨頻率增高而下降，因而帶寬是有限的，且?guī)捙c脈寬且?guī)捙c脈寬有關(guān)。有關(guān)。越大，帶寬越小，這有利于信號的越大，帶寬越小，這有利于信號的傳輸，但傳輸，但大會導(dǎo)致時分復(fù)用的路數(shù)減小大會導(dǎo)致時分復(fù)用的路數(shù)減小，顯然，顯然的大小要的大小要兼顧帶寬和復(fù)用路數(shù)這兩個互相矛盾的要求。兼顧帶寬和復(fù)用路數(shù)這兩個互相矛盾的要求。 nsssnMTM)(1)()2()()(nHHSSnMnSaTAM脈沖振幅調(diào)制脈沖振幅調(diào)制(PAM)(PAM)32抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系 平頂抽樣又叫瞬時抽樣，它與自然抽樣的不同之處在于它平頂抽樣又叫瞬時抽樣，它

31、與自然抽樣的不同之處在于它抽樣后的信號中的脈沖均具有相同的形狀抽樣后的信號中的脈沖均具有相同的形狀頂部平坦頂部平坦的的矩形脈矩形脈沖沖，矩形脈沖的幅度即為瞬時抽樣值。原理框圖中的脈沖形成，矩形脈沖的幅度即為瞬時抽樣值。原理框圖中的脈沖形成電路的作用就是把沖激脈沖變?yōu)榫匦蚊}沖。電路的作用就是把沖激脈沖變?yōu)榫匦蚊}沖。 圖 4-10 平頂抽樣信號及其產(chǎn)生原理框圖mq(t)OTt tmm( (t t) )mms s( (t t) ) T T( (t t) )(a)脈沖形脈沖形成電路成電路mmq q( (t t) )(b)Q Q( ( ) ) 平頂抽樣的脈沖調(diào)幅平頂抽樣的脈沖調(diào)幅 脈沖振幅調(diào)制脈沖振幅調(diào)

32、制(PAM)(PAM)33抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系 nsssnTtnTmtm)()()( )2()(1)2()(1)()()(nHSnHssqnMQTnMQTQMMnssqnTtqnTmtm)()()()()(),()(qqMtmQtq平頂抽樣的平頂抽樣的PAMPAM信號頻譜信號頻譜M Mq q()()是由是由Q()Q()加權(quán)后的周期性加權(quán)后的周期性重復(fù)的重復(fù)的M()M()所組成，由于所組成，由于Q()Q()是是的函數(shù)，如果直接用低通的函數(shù)，如果直接用低通濾波器恢復(fù)，得到的是濾波器恢復(fù)，得到的是Q()M()/TQ()M()/Ts s，它必然存在失真（孔徑，它必然

33、存在失真（孔徑失真）。失真）。 脈沖振幅調(diào)制脈沖振幅調(diào)制(PAM)(PAM)34抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系圖 4-11 平頂抽樣PAM信號的解調(diào)原理框圖1 / Q()Mq()Ms()低 通濾波器M() 為了從為了從m mq q(t)(t)中恢復(fù)原基帶信號中恢復(fù)原基帶信號m(t)m(t)。要在濾波之前先用特。要在濾波之前先用特性為性為1/Q()1/Q()頻譜校正網(wǎng)絡(luò)頻譜校正網(wǎng)絡(luò)加以修正，則低通濾波器便能無失真加以修正，則低通濾波器便能無失真地恢復(fù)原基帶信號地恢復(fù)原基帶信號m(t)m(t)。 在實際應(yīng)用中，在實際應(yīng)用中，平頂抽樣信號采用抽樣保持電路來實現(xiàn)平頂抽樣信號采

34、用抽樣保持電路來實現(xiàn)，得，得到的脈沖為矩形脈沖。在后面將講到的到的脈沖為矩形脈沖。在后面將講到的PCMPCM系統(tǒng)的編碼中，編碼系統(tǒng)的編碼中，編碼器的輸入就是經(jīng)抽樣保持電路得到的平頂抽樣脈沖。器的輸入就是經(jīng)抽樣保持電路得到的平頂抽樣脈沖。 脈沖振幅調(diào)制脈沖振幅調(diào)制(PAM)(PAM)35抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系 在實際應(yīng)用中，恢復(fù)信號的低通濾波器也不可在實際應(yīng)用中，恢復(fù)信號的低通濾波器也不可能是理想的，因此考慮到實際濾波器可能實現(xiàn)的特能是理想的，因此考慮到實際濾波器可能實現(xiàn)的特性，性，抽樣速率抽樣速率f fs s要比要比2f2fH H選的大一些選的大一些，一般，一

35、般 f fs s= =（2.5-32.5-3）f fH H。例如語音信號頻率一般為。例如語音信號頻率一般為 300-3400 300-3400 HzHz，抽樣速率，抽樣速率f fs s一般取一般取8000 Hz8000 Hz。 以上按自然抽樣和平頂抽樣均能構(gòu)成以上按自然抽樣和平頂抽樣均能構(gòu)成PAMPAM通信系通信系統(tǒng)，統(tǒng)， 也就是說可以在信道中直接傳輸抽樣后的信號，也就是說可以在信道中直接傳輸抽樣后的信號，但由于它們抗干擾能力差，目前很少實用。但由于它們抗干擾能力差，目前很少實用。 它已被它已被性能良好的性能良好的脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制(PCM)(PCM)所取代。所取代。 脈沖振幅調(diào)制脈沖振

36、幅調(diào)制(PAM)(PAM)36抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制(PCM)(PCM)簡稱脈碼調(diào)制，它是一簡稱脈碼調(diào)制，它是一種種用一組二進制數(shù)字代碼來代替連續(xù)信號用一組二進制數(shù)字代碼來代替連續(xù)信號的抽樣值的抽樣值，從而實現(xiàn)通信的方式。由于這，從而實現(xiàn)通信的方式。由于這種通信方式抗干擾能力強，它在光纖通信、種通信方式抗干擾能力強，它在光纖通信、數(shù)字微波通信、衛(wèi)星通信中均獲得了極為數(shù)字微波通信、衛(wèi)星通信中均獲得了極為廣泛的應(yīng)用。廣泛的應(yīng)用。 PCMPCM信號的形成是模擬信號經(jīng)過信號的形成是模擬信號經(jīng)過“抽樣、抽樣、量化、編碼量化、編碼”三個步驟實現(xiàn)的。

37、三個步驟實現(xiàn)的。脈沖編碼調(diào)制（脈沖編碼調(diào)制（PCMPCM）37抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系圖 4-12 PCM系統(tǒng)原理框圖抽樣m(t)量化編碼信道譯碼低通濾波ms(t)A / D變化mq(t)m(t)mq(t)干擾編碼后的編碼后的PCMPCM碼組的數(shù)字傳輸方式可以是直接的基碼組的數(shù)字傳輸方式可以是直接的基帶傳輸，也可以是對微波、光波等載波調(diào)制后的調(diào)帶傳輸，也可以是對微波、光波等載波調(diào)制后的調(diào)制傳輸。制傳輸。脈沖編碼調(diào)制（脈沖編碼調(diào)制（PCMPCM）38抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系圖 4-13 PCM信號形成示意圖脈沖編碼調(diào)制（脈沖編碼調(diào)制

38、（PCMPCM）39抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系 利用預(yù)先規(guī)定的有限個量化電平來表示模利用預(yù)先規(guī)定的有限個量化電平來表示模擬信號抽樣值的過程稱為量化擬信號抽樣值的過程稱為量化。時間連續(xù)的模。時間連續(xù)的模擬信號經(jīng)抽樣后的樣值序列，雖然在時間上離擬信號經(jīng)抽樣后的樣值序列，雖然在時間上離散，但在幅度上仍然是連續(xù)的，即抽樣值散，但在幅度上仍然是連續(xù)的，即抽樣值m(kT)m(kT)可以取無窮多個可能值，因此仍屬可以取無窮多個可能值，因此仍屬模擬信號模擬信號。 如果用如果用N N位二進制碼組來表示該樣值的大位二進制碼組來表示該樣值的大小，以便利用數(shù)字傳輸系統(tǒng)來傳輸?shù)脑?，那么?。?/p>

39、以便利用數(shù)字傳輸系統(tǒng)來傳輸?shù)脑挘敲? , N N位二進制碼組只能同位二進制碼組只能同M=2M=2N N個電平值相對應(yīng)，而個電平值相對應(yīng)，而不能同無窮多個可能取值相對應(yīng)。這就需要把不能同無窮多個可能取值相對應(yīng)。這就需要把取值無限的抽樣值劃分成有限的取值無限的抽樣值劃分成有限的M M個離散電平，個離散電平，此電平被稱為此電平被稱為量化電平量化電平。 量化量化脈沖編碼調(diào)制（脈沖編碼調(diào)制（PCMPCM）40抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系量化的物理過程isiisqmkTmmqkTm)(,)(1sssqqTktkTkTmtm) 1(,)()(脈沖編碼調(diào)制（脈沖編碼調(diào)制（PCMP

40、CM）41抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系 量化后的信號量化后的信號m mq q(t)(t)是對原來信號是對原來信號m(t)m(t)的近似，的近似，當(dāng)抽樣速率一定，量化級數(shù)目（量化電平數(shù)）增加當(dāng)抽樣速率一定，量化級數(shù)目（量化電平數(shù)）增加并且量化電平選擇適當(dāng)時，可以使并且量化電平選擇適當(dāng)時，可以使m mq q(t)(t)與與m(t)m(t)的的近似程度提高。近似程度提高。 m mq q(kT(kTs s) )與與m(kTm(kTs s) )之間的誤差稱為之間的誤差稱為量化誤差量化誤差。對。對于語音、圖像等隨機信號，量化誤差也是隨機的，于語音、圖像等隨機信號，量化誤差也是隨

41、機的，它像噪聲一樣影響通信質(zhì)量，因此又稱為它像噪聲一樣影響通信質(zhì)量，因此又稱為量化噪聲量化噪聲，通常通常用均方誤差來度量用均方誤差來度量。為方便起見，假設(shè)。為方便起見，假設(shè)m(t)m(t)是是均值為零，概率密度為均值為零，概率密度為f(x)f(x)的平穩(wěn)隨機過程。的平穩(wěn)隨機過程。脈沖編碼調(diào)制（脈沖編碼調(diào)制（PCMPCM）42抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系 在給定信息源的情況下，在給定信息源的情況下，f(x)f(x)是已知的。因此，是已知的。因此，量化誤差的平均功率與量化間隔的分割有關(guān)量化誤差的平均功率與量化間隔的分割有關(guān)，如何使，如何使量化誤差的平均功率最小或符合一定

42、規(guī)律，量化誤差的平均功率最小或符合一定規(guī)律， 是量化是量化器的理論所要研究的問題。器的理論所要研究的問題。 dxxfmxmmENqqq)()()(22量化噪聲的均方誤差量化噪聲的均方誤差( (即平均功率即平均功率) )為為MimmiqiidxxfqxN121)()(對于多個量化間隔對于多個量化間隔脈沖編碼調(diào)制（脈沖編碼調(diào)制（PCMPCM）43抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系 把輸入信號的把輸入信號的取值域取值域按按等距離等距離分割的量化稱為分割的量化稱為均均勻量化勻量化。在均勻量化中，每個量化區(qū)間的量化電平均在均勻量化中，每個量化區(qū)間的量化電平均取在各區(qū)間的中點。其量化

43、間隔取在各區(qū)間的中點。其量化間隔i i取決于輸入信號取決于輸入信號的變化范圍的變化范圍a,ba,b和量化電平數(shù)和量化電平數(shù)M M。Mabi 量化間隔量化間隔iiiqmmmqm1,M,i,mmqiii2121 量化器輸出量化器輸出量化電平量化電平 均勻量化均勻量化iami分層電平分層電平脈沖編碼調(diào)制（脈沖編碼調(diào)制（PCMPCM）44抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系相對量化誤差的大小反映了量化器的性能相對量化誤差的大小反映了量化器的性能，通常用量化信，通常用量化信噪比來衡量。噪比來衡量。絕對量化誤差絕對量化誤差qqmme相對量化誤差相對量化誤差mmmmeqq22)(qqmmEmENS量化信噪比量化信噪比MimmibaqqqiidxxfqxdxxfmxmmEN12221)()()()()(計算量化噪聲計算量化噪聲脈沖編碼調(diào)制（脈沖編碼調(diào)制（PCMPCM）45抽樣PAMPCMADPCMM模擬信號的數(shù)字傳輸電子技術(shù)系一般來說，量化電平數(shù)一般來說，量化電平數(shù)M M很大，量化間隔很大，量化間隔很小，很小，因而可認(rèn)為概率密度在因而可認(rèn)為