通信原理課-4模擬調(diào)制系統(tǒng)

1、第四章 模擬信號(hào)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(diǎn)，而實(shí)際上，由信息轉(zhuǎn)換成的原始電信號(hào)一般為模擬信號(hào)，它是時(shí)間和幅值都連續(xù)變化的信號(hào)。而在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，即時(shí)間和幅值都離散的信號(hào)。如何利用數(shù)字通信系統(tǒng)來傳輸模擬信號(hào)？利用數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸模擬信號(hào)，首先需要在發(fā)送端把模擬信號(hào)數(shù)字化，即模/數(shù)變換；再用數(shù)字通信的方式進(jìn)行傳輸；最后在接收端把數(shù)字信號(hào)還原為模擬信號(hào)，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(hào)形成過程示意圖44.2 抽樣所謂抽樣是把時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào)變成一系列時(shí)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(hào)與帶通信號(hào)的理想抽樣6圖4-4 理想抽樣的原理圖7一、低通信號(hào)的抽樣定理8圖4-5 理想抽樣信號(hào)波形及其頻譜9圖4-6 抽樣的恢復(fù)10圖4-7 混疊現(xiàn)象 11例4.2.112寬平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的抽樣定理13二、帶通信號(hào)的抽樣定理14例4.2.2 154.2.2實(shí)際抽樣理想抽樣：抽樣脈沖序列是理想沖激脈沖序列。實(shí)際抽樣：實(shí)際上真正的沖激脈沖串并不能實(shí)現(xiàn)，通常只能采用窄脈沖串來實(shí)現(xiàn)。脈沖調(diào)制：用時(shí)間上離散的脈沖串同樣可以作為載波，用基帶信號(hào)去

3、控制脈沖串的某個(gè)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(hào)去改變脈沖參量，雖然在時(shí)間上是離散的，但是仍然是模擬調(diào)制，因?yàn)槠浯硇畔⒌膮⒘咳匀皇沁B續(xù)變化的。16圖4-9 PAM、PDM、PPM信號(hào)波形17一、自然抽樣18圖4-10 自然抽樣信號(hào)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(shí)抽樣，從波形上看，它與自然抽樣的不同之處在于抽樣信號(hào)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(shí)抽樣值。在實(shí)際應(yīng)用中，平頂抽樣信號(hào)采用脈沖形成電路（也稱為“抽樣保持電路”）來實(shí)現(xiàn)，得到頂部平坦的矩形

4、脈沖。平頂抽樣PAM信號(hào)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(hào)與產(chǎn)生原理21 圖4-12 平頂抽樣信號(hào)的恢復(fù) 22 4.3 量化量化有什么樣的必要性？（1）抽樣信號(hào)幅度連續(xù)，有限位的數(shù)字信號(hào)不可能精確地表示；（2）噪聲會(huì)掩蓋信號(hào)的微弱變化，人的感官靈敏度有線。因此將PAM信號(hào)轉(zhuǎn)換成PCM信號(hào)之前，將幅度連續(xù)的PAM信號(hào)利用預(yù)先規(guī)定的有限個(gè)量化值（量化電平）來表示，這個(gè)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(hào)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(gè)間隔，則M稱為量化級(jí)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(hào)的變化范圍和量化級(jí)數(shù)。在均勻量化中，每個(gè)量化區(qū)間的量化電平通常取在各區(qū)間的中點(diǎn)。通過量化，無窮多個(gè)幅度的取值變成了有限個(gè)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(jí)數(shù)M的增加而提高。通常量化級(jí)數(shù)的選取應(yīng)根據(jù)對(duì)量化器的量化信噪比的要求來確定。均勻量化有什么特點(diǎn)，帶來了什么問題？均勻量化的特點(diǎn)：量化噪聲功率固定不變。帶來的問題：小信號(hào)的量化信噪比太小，不能滿足通信質(zhì)量要求，而大信號(hào)的量化信噪比較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地滿足要求。為了解決小信號(hào)的量化信噪比太小這個(gè)問題，若仍采用均勻量化，需要減小量化間隔，即增加量化級(jí)數(shù)，但是量化級(jí)數(shù)M過大

6、時(shí)，一是大信號(hào)的量化信噪比更大，二是使編碼復(fù)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(hào)的不同區(qū)間來確定量化間隔，即量化間隔與信號(hào)的大小有關(guān)。當(dāng)信號(hào)幅度小時(shí)，量化間隔小，其量化誤差也??；當(dāng)信號(hào)幅度大時(shí)，量化間隔大，其量化誤差也大。實(shí)現(xiàn)非均勻量化的方法有兩種：模擬壓擴(kuò)法和直接非均勻編解碼法。它們?cè)谠砩鲜堑刃У模菑睦碚摲治鼋嵌葋砜?，前者?jiǎn)便，而在實(shí)際應(yīng)用中通常采用后者，因此下面先介紹模擬壓擴(kuò)法，再介紹直接非均勻編解碼法。29一、模擬壓擴(kuò)法在發(fā)送端抽樣信號(hào)首先經(jīng)過壓縮器處理，然后進(jìn)行均勻量化，最后進(jìn)行編碼；在接收端，解碼后送入擴(kuò)張器恢復(fù)原始信號(hào)。圖4-15 非均勻量化的

7、模擬壓擴(kuò)法30壓縮器是對(duì)小信號(hào)進(jìn)行放大，對(duì)大信號(hào)進(jìn)行壓縮。而擴(kuò)張器是對(duì)小信號(hào)進(jìn)行壓縮，對(duì)大信號(hào)進(jìn)行放大。圖4-16 壓縮器和擴(kuò)張器的特性311、A律壓擴(kuò)特性32圖4-17 A律壓縮特性332、律壓擴(kuò)特性 34圖4-18 律壓縮特性35二、直接非均勻編解碼法實(shí)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(kuò)過程，在發(fā)送端根據(jù)非均勻量化間隔的劃分直接對(duì)樣值進(jìn)行二進(jìn)制編碼；在接收端進(jìn)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(jìn)制代碼來表示有限個(gè)量化電平的過程；實(shí)際操作是，將量化級(jí)將量化電平排列起來，給每一個(gè)量化級(jí)分配一個(gè)碼字；

8、在語音信號(hào)的編碼中常用的二進(jìn)制碼型有自然二進(jìn)碼和折疊二進(jìn)碼兩種。 4.4.1常用的二進(jìn)制碼型37一、自然二進(jìn)碼自然二進(jìn)碼就是將量化級(jí)序號(hào)看作一般的十進(jìn)制正整數(shù)，然后用二進(jìn)制表示。簡(jiǎn)單、好記；正負(fù)極性部分無相似之處。二、折疊二進(jìn)碼除去最高位外，折疊二進(jìn)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(jìn)碼規(guī)則編碼。只要正、負(fù)極性信號(hào)的絕對(duì)值相同，就可進(jìn)行相同的編碼。與自然二進(jìn)碼相比，折疊二進(jìn)碼有哪些優(yōu)點(diǎn)？（1）對(duì)于雙極性信號(hào)，只要絕對(duì)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(jiǎn)化。（2）在傳輸過程中出現(xiàn)誤碼，對(duì)小信號(hào)影響較小。基于以上的原因，在P

9、CM系統(tǒng)中廣泛采用折疊二進(jìn)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(kuò)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(hào)變化范圍一定時(shí)，碼位數(shù)越多，量化級(jí)數(shù)越多，量化誤差越小，通信質(zhì)量當(dāng)然就更好。但碼位數(shù)越多，設(shè)備越復(fù)雜，同時(shí)還會(huì)使總的傳碼率增加，傳輸帶寬加大。一般從語音信號(hào)的可懂度來說，采用34位非線性編碼即可，若增至78位時(shí)，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(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(hào)還原成相應(yīng)的PAM樣值信號(hào)，即進(jìn)行D/A變換。還原出的樣值信號(hào)電平為量化電平，它近似等于原始的PAM樣值信號(hào)，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(gè)步驟。它

11、的功能是完成模/數(shù)變換，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字化。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)指出，抽樣過程中，在滿足抽樣定理時(shí)，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(jí)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(jí)數(shù)為 。二進(jìn)制編碼位數(shù)和量化級(jí)數(shù)滿足：通過抽樣、量化、編碼三個(gè)步驟，時(shí)間連續(xù)信號(hào)就用二進(jìn)制代碼來表示。因此，一個(gè)抽樣周期 內(nèi)要編 位碼，每個(gè)二進(jìn)制碼元寬度為 ：4.5.2 PCM信號(hào)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(hào)的碼元速率為：4.5.2 PCM信號(hào)的碼元速率和

12、帶寬52當(dāng)采用矩形脈沖傳輸時(shí)，令脈沖寬度為占空比：定義二進(jìn)制碼元的占空比為二進(jìn)制脈沖寬度 與二進(jìn)制碼元寬度 的比值，即占空比為 第一過零點(diǎn)帶寬：以傳輸碼型功率譜的第一個(gè)過零點(diǎn)的頻率來定義其帶寬，忽略第一過零點(diǎn)以外的功率分量。4.5.2 PCM信號(hào)的碼元速率和帶寬53寬度為 的矩形脈沖的第一個(gè)過零點(diǎn)帶寬為：因此抽樣頻率為 ，量化等級(jí)為 的PCM信號(hào)，用占空比為 的矩形波傳遞，其第一過零點(diǎn)帶寬為：4.5.2 PCM信號(hào)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(duì)語音編碼進(jìn)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(duì)信號(hào)波形的抽樣值或抽樣值的差值進(jìn)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(hào)的一些特征參量，比如聲源、聲道的參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行編碼。參量編碼通常是對(duì)數(shù)字化后的信號(hào)進(jìn)行分析，再提取其特征參量，這些參量攜帶著原信號(hào)的主要信息，對(duì)它們編碼只需較少的比特?cái)?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(duì)波形的每個(gè)樣值都獨(dú)立進(jìn)行量化編碼，這樣，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)字化的信號(hào)帶寬大大增加。但是語音信號(hào)相鄰的抽樣值之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，信號(hào)的一個(gè)抽樣值到相鄰的一個(gè)抽樣值不會(huì)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(cè)的，可預(yù)測(cè)的成份是由過去的一些適當(dāng)數(shù)目的樣值加權(quán)后得到的；另一種是不可預(yù)測(cè)的，可以看作預(yù)測(cè)誤差。利用語音信號(hào)的相關(guān)性，根據(jù)過去的信

15、號(hào)樣值預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)刻的樣值，并僅把樣值與預(yù)測(cè)值的差值（預(yù)測(cè)誤差）進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(duì)每秒顯示25幀圖像的視頻信號(hào)而言，前后相鄰的圖像之間一般也具有很強(qiáng)的相似性，表現(xiàn)為時(shí)間上的冗余；另外，圖像信號(hào)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(jì)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(duì)邊緣變化不敏感），以及對(duì)亮度信息敏感而對(duì)顏色分辨力弱等，基于這些不敏感性，可以對(duì)某些非冗余信息進(jìn)行壓縮，從而大幅度地提高壓縮比。一般而言，通過選擇適當(dāng)?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(cè)編碼常用的預(yù)測(cè)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(shí)間冗余度。它既可在一幀圖像內(nèi)進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼，也可在多幀圖像間進(jìn)行幀間預(yù)測(cè)編碼。由于圖像信號(hào)是二維的，一個(gè)像素與上下左右的像素都有相關(guān)性，因此預(yù)測(cè)是二維的。而對(duì)于活動(dòng)圖像，相鄰幀之間也有相關(guān)性，故可以進(jìn)行三維預(yù)測(cè)。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(shí)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(dú)立地對(duì)其進(jìn)行處理；而且經(jīng)變換后，大