通信原理課-4模擬調(diào)制系統(tǒng)

1、第四章 模擬信號的數(shù)字傳輸4.1 引言4.2 抽樣4.3 量化 4.4 編碼4. 5 脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng) 4.6 語音壓縮編碼4.7 圖像壓縮編碼 14.1 引言數(shù)字通信系統(tǒng)具有許多優(yōu)點，而實際上，由信息轉(zhuǎn)換成的原始電信號一般為模擬信號，它是時間和幅值都連續(xù)變化的信號。而在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，即時間和幅值都離散的信號。如何利用數(shù)字通信系統(tǒng)來傳輸模擬信號？利用數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸模擬信號，首先需要在發(fā)送端把模擬信號數(shù)字化，即模/數(shù)變換；再用數(shù)字通信的方式進行傳輸；最后在接收端把數(shù)字信號還原為模擬信號，即數(shù)/模變換。 2脈沖編碼調(diào)制(PCM):抽樣量化編碼圖4-1 PCM通信系統(tǒng)原理圖3圖4

2、-2 PCM信號形成過程示意圖44.2 抽樣所謂抽樣是把時間上連續(xù)的模擬信號變成一系列時間上離散的樣值序列的過程：圖4-3 抽樣的輸入與輸出 54.2.1低通信號與帶通信號的理想抽樣6圖4-4 理想抽樣的原理圖7一、低通信號的抽樣定理8圖4-5 理想抽樣信號波形及其頻譜9圖4-6 抽樣的恢復10圖4-7 混疊現(xiàn)象 11例4.2.112寬平穩(wěn)隨機信號的抽樣定理13二、帶通信號的抽樣定理14例4.2.2 154.2.2實際抽樣理想抽樣：抽樣脈沖序列是理想沖激脈沖序列。實際抽樣：實際上真正的沖激脈沖串并不能實現(xiàn)，通常只能采用窄脈沖串來實現(xiàn)。脈沖調(diào)制：用時間上離散的脈沖串同樣可以作為載波，用基帶信號去

3、控制脈沖串的某個參量，使其按 規(guī)律變化的調(diào)制方式：脈幅調(diào)制(PAM)脈寬調(diào)制(PDM)脈位調(diào)制(PPM)。如果用模擬信號去改變脈沖參量，雖然在時間上是離散的，但是仍然是模擬調(diào)制，因為其代表信息的參量仍然是連續(xù)變化的。16圖4-9 PAM、PDM、PPM信號波形17一、自然抽樣18圖4-10 自然抽樣信號及其頻譜19比較理想抽樣和自然抽樣的異同 20二、平頂抽樣平頂抽樣又稱為瞬時抽樣，從波形上看，它與自然抽樣的不同之處在于抽樣信號中的脈沖均具有相同的形狀頂部平坦的矩形脈沖，矩形脈沖的幅度即為瞬時抽樣值。在實際應(yīng)用中，平頂抽樣信號采用脈沖形成電路（也稱為“抽樣保持電路”）來實現(xiàn)，得到頂部平坦的矩形

4、脈沖。平頂抽樣PAM信號在原理上可以看作由理想抽樣和脈沖形成電路產(chǎn)生。 圖4-11 平頂抽樣信號與產(chǎn)生原理21 圖4-12 平頂抽樣信號的恢復 22 4.3 量化量化有什么樣的必要性？（1）抽樣信號幅度連續(xù)，有限位的數(shù)字信號不可能精確地表示；（2）噪聲會掩蓋信號的微弱變化，人的感官靈敏度有線。因此將PAM信號轉(zhuǎn)換成PCM信號之前，將幅度連續(xù)的PAM信號利用預(yù)先規(guī)定的有限個量化值（量化電平）來表示，這個過程叫“量化”。23圖4-13 量化的輸入和輸出244.3.1均勻量化把輸入信號的取值域按等距離分割的量化稱為均勻量化。將取值域均勻等分為M個間隔，則M稱為量化級數(shù)或量化電平數(shù)。量化間隔（或量化階

5、距） 取決于輸入信號的變化范圍和量化級數(shù)。在均勻量化中，每個量化區(qū)間的量化電平通常取在各區(qū)間的中點。通過量化，無窮多個幅度的取值變成了有限個量化電平。25圖4-14 量化過程及量化誤差26例4.3.1 27可見，量化器的量化信噪比隨著量化級數(shù)M的增加而提高。通常量化級數(shù)的選取應(yīng)根據(jù)對量化器的量化信噪比的要求來確定。均勻量化有什么特點，帶來了什么問題？均勻量化的特點：量化噪聲功率固定不變。帶來的問題：小信號的量化信噪比太小，不能滿足通信質(zhì)量要求，而大信號的量化信噪比較大，遠遠地滿足要求。為了解決小信號的量化信噪比太小這個問題，若仍采用均勻量化，需要減小量化間隔，即增加量化級數(shù)，但是量化級數(shù)M過大

6、時，一是大信號的量化信噪比更大，二是使編碼復雜，三是使信道利用率下降。284.3.2非均勻量化非均勻量化根據(jù)信號的不同區(qū)間來確定量化間隔，即量化間隔與信號的大小有關(guān)。當信號幅度小時，量化間隔小，其量化誤差也?。划斝盘柗却髸r，量化間隔大，其量化誤差也大。實現(xiàn)非均勻量化的方法有兩種：模擬壓擴法和直接非均勻編解碼法。它們在原理上是等效的，但是從理論分析角度來看，前者簡便，而在實際應(yīng)用中通常采用后者，因此下面先介紹模擬壓擴法，再介紹直接非均勻編解碼法。29一、模擬壓擴法在發(fā)送端抽樣信號首先經(jīng)過壓縮器處理，然后進行均勻量化，最后進行編碼；在接收端，解碼后送入擴張器恢復原始信號。圖4-15 非均勻量化的

7、模擬壓擴法30壓縮器是對小信號進行放大，對大信號進行壓縮。而擴張器是對小信號進行壓縮，對大信號進行放大。圖4-16 壓縮器和擴張器的特性311、A律壓擴特性32圖4-17 A律壓縮特性332、律壓擴特性 34圖4-18 律壓縮特性35二、直接非均勻編解碼法實現(xiàn)非均勻量化一般采用直接非均勻編解碼法。所謂直接非均勻編解碼法就是：在編解碼過程中，并不經(jīng)過專門的壓擴過程，在發(fā)送端根據(jù)非均勻量化間隔的劃分直接對樣值進行二進制編碼；在接收端進行相應(yīng)的非均勻解碼。364.4 編碼PCM系統(tǒng)中的編碼是指用二進制代碼來表示有限個量化電平的過程；實際操作是，將量化級將量化電平排列起來，給每一個量化級分配一個碼字；

8、在語音信號的編碼中常用的二進制碼型有自然二進碼和折疊二進碼兩種。 4.4.1常用的二進制碼型37一、自然二進碼自然二進碼就是將量化級序號看作一般的十進制正整數(shù)，然后用二進制表示。簡單、好記；正負極性部分無相似之處。二、折疊二進碼除去最高位外，折疊二進碼的上半部分與下半部分呈倒影關(guān)系，即折疊關(guān)系。其幅度碼從小到大按自然二進碼規(guī)則編碼。只要正、負極性信號的絕對值相同，就可進行相同的編碼。與自然二進碼相比，折疊二進碼有哪些優(yōu)點？（1）對于雙極性信號，只要絕對值相同，用最高位碼表示極性后，則可以采用單極性編碼的方法，使編碼過程大大簡化。（2）在傳輸過程中出現(xiàn)誤碼，對小信號影響較小?；谝陨系脑颍赑

9、CM系統(tǒng)中廣泛采用折疊二進碼。384.4.2 A律13折線編碼一、A律13折線的壓縮特性39圖4-21 A律13折線壓擴特性40二、A律13折線的碼字安排編碼位數(shù)的選擇要考慮哪些因素？要兼顧通信質(zhì)量和傳輸帶寬。在信號變化范圍一定時，碼位數(shù)越多，量化級數(shù)越多，量化誤差越小，通信質(zhì)量當然就更好。但碼位數(shù)越多，設(shè)備越復雜，同時還會使總的傳碼率增加，傳輸帶寬加大。一般從語音信號的可懂度來說，采用34位非線性編碼即可，若增至78位時，通信質(zhì)量就比較理想了。41例4.4.1 424.4.3. 逐次比較型編解碼原理實現(xiàn)編碼的具體方法和電路很多，律13折線編碼器目前常采用逐次比較型編碼器。它由整流器、極性判決

10、、保持電路、比較判決器及本地解碼電路等組成，如下圖所示。43圖4-23 段落碼標準值的確定過程44例4.6 45二、A律13折線解碼器解碼器的作用是把收到的PCM信號還原成相應(yīng)的PAM樣值信號，即進行D/A變換。還原出的樣值信號電平為量化電平，它近似等于原始的PAM樣值信號，但存在一定的誤差，即量化誤差。A律13折線解碼器與逐次比較型編碼器中的本地解碼器基本相同，所不同的是增加了極性控制部分，并用帶有寄存器讀出的7/12位碼變換電路代替了本地解碼器中的7/11位碼變換電路。46圖4-24 解碼器的原理圖47例4.4.5 48 4.5 脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)PCM的產(chǎn)生包含抽樣、量化、編碼三個步驟。它

11、的功能是完成模/數(shù)變換，實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化。應(yīng)當強調(diào)指出，抽樣過程中，在滿足抽樣定理時，PCM系統(tǒng)能夠做到無失真的重建。而量化過程始終存在量化誤差，只不過誤差的大小可以通過選擇合適的量化方法和量化級數(shù)來控制。4.5.1 脈沖編碼調(diào)制（PCM）原理49圖4-25 PCM系統(tǒng)的原理圖50抽樣頻率為 ，量化級數(shù)為 。二進制編碼位數(shù)和量化級數(shù)滿足：通過抽樣、量化、編碼三個步驟，時間連續(xù)信號就用二進制代碼來表示。因此，一個抽樣周期 內(nèi)要編 位碼，每個二進制碼元寬度為 ：4.5.2 PCM信號的碼元速率和帶寬51根據(jù)碼元速率與碼元周期的關(guān)系可得，PCM信號的碼元速率為：4.5.2 PCM信號的碼元速率和

12、帶寬52當采用矩形脈沖傳輸時，令脈沖寬度為占空比：定義二進制碼元的占空比為二進制脈沖寬度 與二進制碼元寬度 的比值，即占空比為 第一過零點帶寬：以傳輸碼型功率譜的第一個過零點的頻率來定義其帶寬，忽略第一過零點以外的功率分量。4.5.2 PCM信號的碼元速率和帶寬53寬度為 的矩形脈沖的第一個過零點帶寬為：因此抽樣頻率為 ，量化等級為 的PCM信號，用占空比為 的矩形波傳遞，其第一過零點帶寬為：4.5.2 PCM信號的碼元速率和帶寬54例4.5.1 554.5.3 PCM系統(tǒng)的抗噪聲性能分析56574.6 語音壓縮編碼通常，人們把話路速率低于64kb/s的語音編碼方法稱為語音壓縮編碼技術(shù)。常見的

13、語音壓縮編碼有差值脈沖編碼調(diào)制（DPCM）、自適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）、增量調(diào)制（DM或M）、自適應(yīng)增量調(diào)制（ADM）、參量編碼、子帶編碼（SBC）等。4.6.1語音壓縮編碼技術(shù)的概念58如果對語音編碼進行分類，可以粗略地分為波形編碼、參量編碼和混合編碼三類。波形編碼是直接對信號波形的抽樣值或抽樣值的差值進行編碼。PCM、DPCM、ADPCM、DM、ADM等都屬于波形編碼 。參量編碼是直接提取語音信號的一些特征參量，比如聲源、聲道的參數(shù)，對其進行編碼。參量編碼通常是對數(shù)字化后的信號進行分析，再提取其特征參量，這些參量攜帶著原信號的主要信息，對它們編碼只需較少的比特數(shù)，可以大大地壓縮信

14、息速率 ?；旌暇幋a是在參量編碼的基礎(chǔ)上引入了一些波形編碼的特征，在編碼率增加不多的情況下，較大幅度地提高了傳輸語音質(zhì)量。594.6.2差分脈沖編碼調(diào)制PCM是對波形的每個樣值都獨立進行量化編碼，這樣，樣值的整個幅值編碼需要較多位數(shù)，比特率較高，造成數(shù)字化的信號帶寬大大增加。但是語音信號相鄰的抽樣值之間存在很強的相關(guān)性，信號的一個抽樣值到相鄰的一個抽樣值不會發(fā)生迅速的變化，這說明信源本身含有大量的冗余成份。語音樣值可以分為兩種成份，一種與過去的樣值有關(guān)，因而是可以預(yù)測的，可預(yù)測的成份是由過去的一些適當數(shù)目的樣值加權(quán)后得到的；另一種是不可預(yù)測的，可以看作預(yù)測誤差。利用語音信號的相關(guān)性，根據(jù)過去的信

15、號樣值預(yù)測當前時刻的樣值，并僅把樣值與預(yù)測值的差值（預(yù)測誤差）進行量化、編碼，這種方法稱為差分脈沖編碼調(diào)制。604.7 圖像壓縮編碼4.7.1圖像的描述614.7.2模擬圖像的數(shù)字化624.7.3圖像壓縮編碼技術(shù)從圖像信息本身來說，數(shù)據(jù)壓縮是可能的。首先，原始信源數(shù)據(jù)存在大量冗余，如運動視頻內(nèi)像素間的空域相關(guān)和幀間相關(guān)都形成了很大的信源冗余；其次，對每秒顯示25幀圖像的視頻信號而言，前后相鄰的圖像之間一般也具有很強的相似性，表現(xiàn)為時間上的冗余；另外，圖像信號離散化后，只要這些離散值出現(xiàn)的概率不相等，就還存在統(tǒng)計冗余，將這些冗余去除或降低可以大大壓縮數(shù)據(jù)量。另外，通過分析人類視覺的生理特性知，人

16、類視覺器官具有某種不敏感性，如人眼的掩蓋效應(yīng)（對邊緣變化不敏感），以及對亮度信息敏感而對顏色分辨力弱等，基于這些不敏感性，可以對某些非冗余信息進行壓縮，從而大幅度地提高壓縮比。一般而言，通過選擇適當?shù)臄?shù)據(jù)壓縮技術(shù)，圖像數(shù)據(jù)量可以壓縮到原來的1/21/60。63幾種常用的圖像壓縮編碼方法 1、預(yù)測編碼常用的預(yù)測編碼是差分編碼調(diào)制（DPCM），其目的是利用鄰近像素之間的相關(guān)性來壓縮數(shù)碼率，以去除圖像數(shù)據(jù)間的空域冗余度和時間冗余度。它既可在一幀圖像內(nèi)進行幀內(nèi)預(yù)測編碼，也可在多幀圖像間進行幀間預(yù)測編碼。由于圖像信號是二維的，一個像素與上下左右的像素都有相關(guān)性，因此預(yù)測是二維的。而對于活動圖像，相鄰幀之間也有相關(guān)性，故可以進行三維預(yù)測。642、變換編碼變換編碼也是一種降低信源空間冗余度的壓縮方法。它利用變換域參數(shù)分布特征來實現(xiàn)壓縮編碼。常用的編碼有卡南洛伊夫變換（KLT）、離散傅里葉變換、離散余弦變換和Walsh變換等正交變換。由于變換所產(chǎn)生的變換域系數(shù)之間的相關(guān)性很小，可以分別獨立地對其進行處理；而且經(jīng)變換后，大