Transcript 第六章模拟信号的数字化传输

第六章 模拟信号的数字化传输
1. 模拟信号数字化的基本原理
2. 脉冲编码调制PCM
3. 增量调制DM
计算机网络通信原理——模拟信号的数字化
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模拟信号数字化传输通信系统
• 数字通信系统由于具有许多优点而成为当今通信的发展方
向。然而日常生活中大部分信号都是模拟信号。
• 若要利用数字通信系统传输模拟信号，实现模拟信号在数
字系统中的传输，则必须在发送端进行 A/D转换，在接收
端进行D/A转换。
• 由于A/D或D/A变换的过程通常由信源编（译）码器实现，
所以我们把发送端的A/D变换称为信源编码，而接收端的
D/A变换称为信源译码。
• 目前实用的编码方法有：脉冲编码调制(PCM)和增量调制
（ΔM）。
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脉冲编码调制(PCM)
• 采用PCM编码的数字传输系统如下图所示：
• 首先对模拟信息源发出的模拟信号进行采样，使其成为一
系列离散的采样值，然后将这些采样值进行量化并编码，
变换成数字信号。
• 在接收端，则将接收到的数字信号进行译码和低通滤波，
恢复原模拟信号。
模拟
数字
译码和
采样、量化
信息源 m(t)
和编码
{Sk(t)} 通信系统 {Sk(t)} 低通滤波 m(t)
模拟随机信号
模拟随机信号
数字随机序列
数字随机序列
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模拟信号的采样
• 采样是对模拟信号进行周期性的扫描， 把时间上连续的信
号变成时间上离散的信号。
• 具体地说，就是对某一时间连续信号f(t)，仅取f(t0)、f(t1)、
f(t2) …等各离散点数值，就变成了时间离散信号。这个对
时间连续信号取离散点数值的过程就叫做采样。
• 我们要求经过采样的信号应包含原信号的所有信息， 即能
无失真地恢复出原模拟信号。
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模拟信号的采样
PAM信号
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采样定理
• 模拟信号数字化的理论基础是采样定理。
• 采样频率的下限由采样定理确定。
• 根据信号是低通型的还是带通型的，采样定理分
低通采样定理和带通采样定理。
• 根据用来采样的脉冲序列是等间隔的还是非等间
隔的，又分均匀采样定理和非均匀采样。
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均匀采样定理
• 一个频带限制在0到fmax以内的低通信号x(t)，如果
以fs≥2fmax的采样频率进行均匀采样，则所得的样
值可以完全地确定原信号x(t) 。
• 最小采样频率fs=2fmax称为奈奎斯特速率。1/2fmax
这个最大采样间隔称为奈奎斯特间隔。
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语音信号的采样频率
• 【例】语音信号的最高频率限制在3400Hz，这时
满足采样定理的最低采样频率应为fs=6800Hz。
• 为了留有一定的保护带，原CCITT规定语音信号
的采样频率为fs=8000Hz，这样，就留出了8000–
6800=1200Hz作为滤波器的保护带。
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量化的基本原理：
• 模拟信号经采样得到的时间离散，幅度连续的信
号，通常叫PAM信号（脉冲调幅信号）。
• 利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号采样
值的过程称为量化。
• 量化便是使PAM信号的幅度离散化，量化通常由
量化器完成。
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信号的量化
• 量化是把信号在幅度域上连续取值变换为幅度域上离散取
值的过程。
• 具体的定义是，将幅度域连续取值的信号在幅度域上划分
为若干个分层，在每一个分层范围内的信号值用“四舍五
入”的办法取某一个固定的值来表示。
• 设x表量化前的信号幅度，y表示量化后的信号幅度，则量
化就是用N个量化电平值yk (k=1~N)来表示PAM信号的各
种幅度值。
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模拟信号数字化的基本原理
抽样
7
6
5
量化
4
3
2
编码
1
0
量化误差
000 011 011 100 100 101 110 111 111 111 111 110 101 011 010
0.5
-0.5
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均匀量化
• 把输入信号的取值域按等距离分割的量化称
为均匀量化。
• 均匀量化因量化阶距d为常数，所以有直观、
量化设备简单的优点
• 其量化间隔Δi取决于输入信号的变化范围和
量化电平数。若设输入信号的最小值和最大
值分别用a和b表示, 量化电平数为M，则均匀
量化时的量化间隔为： Δi=(b-a)/M
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均匀量化的应用
• 均匀量化器广泛应用于线性A/D变换接口，例如
在计算机的A/D变换中，N为A/D变换器的位数，
常用的有 8位、12位、 16位等不同精度。
• 另外，在遥测遥控系统、仪表、图像信号的数字
化接口等中，也都使用均匀量化器。
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均匀量化的不足
• 但在语音信号数字化通信（或叫数字电话通信）中，均匀量
化则有一个明显的不足：信号量化噪声比随信号电平的减小
而下降。
• 产生这一现象的原因就是均匀量化的分级间隔是固定值，它
不能随信号幅度的变化而变化，故大信号时信噪比大；小信
号时信噪比小。
• 解决这一问题的有效方法是要用非均匀分级，即非均匀量化。
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非均匀量化的特点
• 非均匀量化的特点是：
• 信号幅度小时，量化间隔小其量化误差也小；
• 信号幅度大时，量化间隔大，其量化误差也大。
• 采用非均匀量化可以改善小信号的量化信噪比，可
以做到在不增大量化级数N的条件下，使信号在较
宽的动态范围内的信号量化噪声比（S/Nq) dB达到
指标的要求。
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编码理论
• 由于二电平的二进制码可以经受较高的噪声电平的干扰，
并易于再生，因此在基带传输中一般采用二进制码。
• 已知l个二电平码可以构成2l个组合，所以一般量化级数都
取N=2l，这样各个量化值便可由l个二电平码来表示.
• 通常把量化后的多电平信号变成二电平信号的过程叫编码。
• 常用的二进制码有：自然二进制码、反射二进制码和折叠
二进制码。
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自然二进码
• 自然二进码用（an，an-1，…a1）表示，每个码元
只有二种状态，取“1”或“0”，一组自然二进码代
表的量化电平为
Ｑ=an2n-1+an-12n-2+…+a120
式中n为二进码位数。
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反射二进码（格雷Grag码）
• 反射二进码的特点是相邻两组代码间的码距为1，
因此如果传输中出了一位错产生的误差较小。
• 设反射二进码为（cn，cn-1，…，c1），且各码元
取“1”或“0”，则对应的量化电平值为
Ｑ=cn(2n-1)±cn-1(2n-1－1)±…±c1(21－1)
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折叠二进码
• 折叠二进码用（Cn，Cn-1，…，C1）表示，它可由自然二
进码变换而得。
• 其编码规则为：
cn  an , ci  an  ai
• 折叠二进码的电平值可利用以下关系还原为自然二进制码
再求电平值：
an  cn , ai  cn  ci
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第四章 模拟信号的数字化传输
1. 模拟信号数字化的基本原理
2. 脉冲编码调制PCM
3. 增量调制DM
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脉冲编码调制系统（PCM）
• 将模拟信号采样量化再编成数字代码，就称为脉
冲编码调制(PCM)，简称为脉码调制。
• 脉码调制是将模拟信号变成数字信号的重要方法
之一。它已广泛地应用于通信系统中。
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电话通信系统中的脉码调制
• 电话通信系统中的脉码调制采用比较简单的非线性瞬时压
扩方法，它不需要复杂的信号处理技术就可以实现数据等
效比特率的压缩，而无任何信号迟延。
• 它是基于对话路频带信号的波形抽样的瞬时处理，因此不
仅使话音有高质量的信噪比，而且现有模拟通信网话路通
道中传送的所有信号，都可不受影响地进行编码传输。
• 也就是说，PCM调制方式可保持原有话路的透明性。
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PCM系统原理方框图
• 语音通信中的PCM调制系统的原理方框图如下：
非均匀量化器
对f(t) 采样得到对∑f(kTs)进行非 将∑f’(kTs)变成
线性变换
数字代码
∑f(kTs)
重建的量化样值
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PCM系统的代价
• PCM系统之所以能够提供高的通信质量，在于它采用了
大的编码位数，为此在频带方面付出了很大的代价。
• 例如，一路数字电话的频带大约为64kHz，这将严重地限
制PCM在己经相当拥挤的那些频段中的应用。
• 随着PCM技术的日益成熟和设备的大量生产，这一矛盾
显得愈来愈尖锐了。
• 因而，压缩PCM系统所占用的频带宽度成为人们密切关
注的问题。DPCM(DifferentialPCM)就是为了达到这个目
的而提出的。
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多次群
系统类型
欧洲体制
(含中国)
北美体制
一次群
二次群
三次群
四次群
五次群
符号
E1
E2
E3
E4
E5
话路数
30
120
480
1920
7680
数据速率kb/s
2048
8448
34368
139264
565148
符号
T1
T2
T3
T4
话路数
24
96
672
4032
数据速率kb/s
1544
6312
44736
274176
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1. 模拟信号数字化的基本原理
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增量调制ΔM
• 增量调制就是利用一位二进制码来传送采样点信息的通信
方式。
• 显然，一位二进制码只能代表两种状态，当然不可能直接
去表示模拟信号的采样值，但是它却可以表示相邻采样值
的相对大小，而相邻采样值的相对变化同样可反映出模拟
信号的变化规律；
• 因此采用一位二进制码去描述模拟信号是完全可能的。
• 增量调制是一种可采用较低速率(16~32kb/s),且极易实现的
调制方式，由于电路简单，而语音质量也能满足一般要求，
因此常被用在军事通信及一些特殊通信中。
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增量调制ΔM示例
• 对模拟信号进行幅度采样，用1位数据表示相邻采样值的
相对大小。
•连续的样本总
是相差±1
数字化线
15
•当信号变化快时，编码不
能很好表示信号的变化
10
5
0
•发送的比
特串
1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1
时间
样本间隔
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