第五講-量化與編碼PPT課件.ppt

1、通信原理第九章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸(量化與編碼部分)1-2fs -fs 0 fs 2fsfs-fHfs+fH Ms(f)f抽樣頻率fs對(duì)頻譜Ms(f)的影響復(fù)習(xí)-低通模擬信號(hào)的抽樣定理低通信號(hào)的抽樣定理： 一個(gè)頻帶限制在0 fH內(nèi)的低通信號(hào)m(t)，如果抽樣頻率fs 2 fH，則可以由抽樣序列無(wú)失真地重建原始信號(hào)m(t) 。fs2fHf-2 f s - f s -fH 0 fH fs 2fs Ms(f)fs-fHfs+fHfs2fHfs=2fH -fH 0 fHM(f)f -2 f s - f s -fH 0 fH fs 2fs Ms(f)fM(f) -fH 0 fHfM(f) -fH 0 f

2、Hf2復(fù)習(xí)- 帶通模擬信號(hào)的抽樣定理設(shè)帶通模擬信號(hào)的頻帶限制在fL和fH之間，即其頻譜最低頻率大于fL，最高頻率小于fH，信號(hào)帶寬B = fH fL。此帶通模擬信號(hào)所需最小抽樣頻率為B2B3B4B3BB2B4B5B6BfL0fs3復(fù)習(xí)-PAM調(diào)制過(guò)程的波形和頻譜tAt(e)(c)0T2T3T-T-2T-3T(a)m(t)s(t)ms(t)fH-fHfM(f)(b)01/T0-1/Tfs|S(f)|(d)f(f)fs-fHf4第9章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸9.1 引言9.2 模擬信號(hào)的抽樣9.3 模擬脈沖調(diào)制9.4 抽樣信號(hào)的量化9.5 脈沖編碼調(diào)制9.6 差分脈沖編碼調(diào)制9.7 增量調(diào)制9.8 時(shí)

3、分復(fù)用和復(fù)接主要內(nèi)容59.4 抽樣信號(hào)的量化 量化的原因 抽樣后時(shí)間上信號(hào)離散,但幅度仍然連續(xù)變化 （幅度取值是無(wú)限的）接收時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確判定樣值。 解決辦法： 用有限的電平來(lái)表示抽樣值，且電平間隔比噪聲大，則可準(zhǔn)確恢復(fù)樣值。 69.4 抽樣信號(hào)的量化 9.4.1 量化原理 定義按預(yù)先規(guī)定的有限個(gè)電平表示模擬抽樣值的過(guò)程。 作用抽樣把時(shí)間連續(xù)信號(hào)變成時(shí)間離散的信號(hào)量化取值連續(xù)信號(hào)變成取值離散的信號(hào) 量化器量化器m(kT)mq(kT)79.4 抽樣信號(hào)的量化 量化過(guò)程d1d2d4d3d5q5q4q3q2q1T2T3T4T5T6T7Tt量化誤差信號(hào)實(shí)際值信號(hào)量化值m(t)m(6T)mq(6T)q6 信

4、號(hào)實(shí)際值 信號(hào)量化值89.4 抽樣信號(hào)的量化 量化的分類 均勻量化量化間隔是均勻的； 非均勻量化量化間隔是不均勻的。 量化噪聲（量化誤差）量化輸出電平和量化前信號(hào)抽樣值的差值。 信號(hào)量噪比99.4 抽樣信號(hào)的量化 9.4.2 均勻量化 5 4 3 2 1 0-1-2-3-4-5ui (v)uo(v)-5 -4 3 -2 -1 0 1 2 3 4 5量化特性-5 -4 3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 2 1 0 -1-2ui (v)e(v)量化誤差量化間隔都相等的量化稱為均勻量化mkqkaLaMv正常量化區(qū)限幅區(qū)限幅區(qū)空載區(qū)mM dM-1dk+1dkd2d1 d0判決電平量化值qM qM

5、-1qkq2q1 q0109.4 抽樣信號(hào)的量化量化誤差t 1 0-1e(v)信號(hào)幅度在 aL,aM之間t 5 4 3 2 1 0-1-2-3-4-5u(v)正常量化區(qū)aLaMv2119.4 抽樣信號(hào)的量化限幅區(qū)v2信號(hào)幅度進(jìn)入限幅區(qū)t 5 4 3 2 1 0-1-2-3-4-5u(v)量化誤差t 1 0-1e(v)aLaM129.4 抽樣信號(hào)的量化信號(hào)幅度 v/2，在判決電平dk上下波動(dòng)t 2 1 0u(v)量化誤差t 1 0-1e( v)量化誤差t 1 0-1e( v)空載區(qū)判決電平判決電平t 2 1 0u(v)信號(hào)幅度 Iw , ci =1Is Iw , ci = 0359.5 脈沖編碼

6、調(diào)制編碼表 量化值c1c2c300001001201030114100510161107111369.5 脈沖編碼調(diào)制9.5.2 自然二進(jìn)制碼和折疊二進(jìn)制碼 碼字：在編碼時(shí)，每個(gè)量化級(jí)都是用一定位數(shù)的二進(jìn)制碼來(lái)表示的，這一組二進(jìn)制碼就稱為碼字。 碼型：碼字中碼位的整體編排方式稱為碼型。 PCM中常用的碼型： 自然二進(jìn)碼 折疊二進(jìn)碼 循環(huán)二進(jìn)碼(格雷碼）379.5 脈沖編碼調(diào)制量化電平序號(hào)信號(hào)極性自然二進(jìn)碼c1 c2 c3 c4折疊二進(jìn)碼c1 c2 c3 c4循環(huán)二進(jìn)碼c1 c2 c3 c415正極性部分1 1 1 11 1 1 11 0 0 0141 1 1 01 1 1 01 0 0 113

7、1 1 0 11 1 0 11 0 1 1121 1 0 01 1 0 01 0 1 0111 0 1 11 0 1 11 1 1 0101 0 1 01 0 1 01 1 1 191 0 0 11 0 0 11 1 0 181 0 0 01 0 0 01 1 0 07負(fù)極性部分0 1 1 10 0 0 00 1 0 060 1 1 00 0 0 10 1 0 150 1 0 10 0 1 00 1 1 140 1 0 00 0 1 10 1 1 030 0 1 10 1 0 00 0 1 020 0 1 00 1 0 10 0 1 110 0 0 10 1 1 00 0 0 100 0 0

8、00 1 1 10 0 0 0三種常用的二進(jìn)碼型38 自然二進(jìn)碼 將量化器的輸出從負(fù)的最大值到正的最大值按照自然二進(jìn)制碼的規(guī)律依次賦予0000，0001，0010，0011，這就是自然二進(jìn)制碼的編碼方案。自然碼的第一位可以看作是符號(hào)位，正極性時(shí)為1，負(fù)極性時(shí)為0。 自然二進(jìn)制碼易記，由于絕對(duì)值相同的正、負(fù)兩個(gè)碼字的幅度不同，在編碼時(shí)比較麻煩。 對(duì)于自然碼而言，任何碼字如果第1位出了錯(cuò)誤，就會(huì)產(chǎn)生8級(jí)誤差。例如：由0111錯(cuò)為1111，則由第7級(jí)錯(cuò)為第15級(jí)。 折疊二進(jìn)碼 折疊碼在表示正值時(shí)，碼的編排方式與自然而進(jìn)碼完全一致。在表示負(fù)值時(shí)，碼字除了符號(hào)位是和正電平碼形成鏡像排列。就好像從零電平處

9、“折疊”過(guò)來(lái)一樣?？梢圆捎脝螛O性編碼方式，使編碼過(guò)程大大簡(jiǎn)化。同樣是第1位發(fā)生錯(cuò)誤，其差錯(cuò)程度與信號(hào)的大小成正比。由于小信號(hào)出現(xiàn)的概率大，所以著眼點(diǎn)在于小信號(hào)傳輸。39 循環(huán)二進(jìn)碼（格雷碼） 和折疊碼一樣，格雷碼的第一位可以看作是符號(hào)位，正極性時(shí)為1，負(fù)極性時(shí)為0。格雷碼的一個(gè)重要特點(diǎn)是相鄰碼字之間只有一位碼元不同，即相鄰碼距恒為1（碼字的漢明距離為1），為單位距離碼。當(dāng)出現(xiàn)1位誤碼時(shí)，只產(chǎn)生1級(jí)誤差。 格雷碼的編碼電路比較復(fù)雜，信源編碼時(shí)一般不采用。注：所謂漢明距離是指兩個(gè)碼字之間對(duì)應(yīng)位碼元不相同的總個(gè)數(shù)。 通過(guò)以上三種碼型的比較，在PCM編碼中折疊碼比自然碼和格雷碼優(yōu)越，它是A律13折線P

10、CM30/32路集群設(shè)備中所采用的碼型。409.5 脈沖編碼調(diào)制 折疊碼的優(yōu)點(diǎn) 編碼電路和編碼過(guò)程簡(jiǎn)單； 誤碼對(duì)于小電壓的影響較小，有利于減 小語(yǔ)音信號(hào)的平均量化噪聲。 在語(yǔ)音通信中，通常采用8位的PCM編碼就能 夠保證滿意的通信質(zhì)量。 碼位排列方法x5 x6 x7 x8x2 x3 x4x1段內(nèi)碼段落碼幅度碼極性碼碼位安排419.5 脈沖編碼調(diào)制 段落碼編碼規(guī)則段落序號(hào)段落碼c2 c3 c4段落范圍（量化單位）81 1 11024204871 1 0512102461 0 125651251 0 012825640 1 16412830 1 0326420 0 1163210 0 001642

11、9.5 脈沖編碼調(diào)制 段內(nèi)碼編碼規(guī)則量化間隔段內(nèi)碼 c5 c6 c7 c8151 1 1 1141 1 1 0141 1 0 1121 1 0 0111 0 1 1101 0 1 091 0 0 181 0 0 070 1 1 160 1 1 050 1 0 140 1 0 030 0 1 120 0 1 010 0 0 100 0 0 0439.5 脈沖編碼調(diào)制9.5.3 電話信號(hào)的編譯碼器 編碼器原理c2. c8極性判決整流保持比較判決記憶7/11變換11位線性解碼網(wǎng)絡(luò)ICIS位時(shí)鐘脈沖D2 D3 . D8M2 M3 . M8B2 B3 . B8本地譯碼器位時(shí)鐘脈沖D1抽樣值PAM+PCM

12、碼流逐次反饋型編碼器c1 將雙極性信號(hào)變成單極性信號(hào)正時(shí)為“1”，負(fù)時(shí)為“0”449.5 脈沖編碼調(diào)制【例】設(shè)輸入電話信號(hào)抽樣值的歸一化動(dòng)態(tài)范圍在-1至+1之間，將此動(dòng)態(tài)范圍劃分為4096個(gè)量化單位，即將1/2048作為1個(gè)量化單位。當(dāng)輸入抽樣值為+1270個(gè)量化單位時(shí)，試用逐次比較法編碼將其按照13折線A律特性編碼?！窘狻吭O(shè)編出的8位碼組用c1 c2 c3 c4 c5 c6 c7 c8表示，則：1) 確定極性碼c1：因?yàn)檩斎氤闃又?1270為正極性，所以c1 = 1。2) 確定段落碼c2 c3 c4：由段落碼編碼規(guī)則表可見(jiàn)，c2值決定于信號(hào)抽樣值大于還是小于128，即此時(shí)的權(quán)值電流Iw128

13、?，F(xiàn)在輸入抽樣值等于1270，故c21。 在確定c21后，c3決定于信號(hào)抽樣值大于還是小于512，即此時(shí)的權(quán)值電流Iw512。因此判定c31。同理，在c2 c311的條件下，決定c4的權(quán)值電流Iw1024。將其和抽樣值1270比較后，得到c41。這樣，就求出了c2 c3 c4111，并且得知抽樣值位于第8段落內(nèi)。459.5 脈沖編碼調(diào)制3) 確定段內(nèi)碼c5 c6 c7 c8：段內(nèi)碼是按量化間隔均勻編碼的，每一段落均被均勻地劃分為16個(gè)量化間隔。 由編碼規(guī)則表可見(jiàn)，決定c5等于“1”還是等于“0”的權(quán)值電流值在量化間隔7和8之間，即有Iw = 1536?，F(xiàn)在信號(hào)抽樣值Is = 1270，所以c5

14、=0。同理，決定c6值的權(quán)值電流值在量化間隔3和4之間，故Iw = 1280，因此仍有Is Iw，所以c7=1。最后，決定c8值的權(quán)值電流Iw = 1216，仍有Is Iw，所以c8=1。這樣編碼得到的8位碼組為c1 c2 c3 c4 c5 c6 c7 c8 11110011，它表示的量化值應(yīng)該在第8段落的第3間隔中間，即等于(1280-1216)/2 = 1248（量化單位）。將此量化值和信號(hào)抽樣值相比，得知量化誤差等于1270 1248 = 22（量化單位）。抽樣值12701024153620481152128001234567891011121314151216469.5 脈沖編碼調(diào)制 逐次比較法譯碼原理c2. c8極性判決整流保持比較判決記憶7/1