第二章 模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸

1、2024/3/17,1,第二章 模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸,2.1 引言 2.2 脈沖編碼調(diào)制 2.3 增量調(diào)制 2.4 時(shí)分復(fù)用和多路數(shù)字電話系統(tǒng),2,2.1 引言,通信系統(tǒng)可以分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)兩類，本章在介紹抽樣定理和脈沖振幅調(diào)制的基礎(chǔ)上，將著重討論用來(lái)傳輸模擬語(yǔ)音信號(hào)常用的脈沖編碼調(diào)制(PCM)和增量調(diào)制(ΔM)原理及性能，并簡(jiǎn)要介紹時(shí)分復(fù)用與多路數(shù)字電話系統(tǒng)原

2、理的基本概念。,3,脈沖編碼調(diào)制的概念是1937年，由法國(guó)工程師Alec Reeres 最早出來(lái)的。1946年美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了第一臺(tái)PCM數(shù)字電話終端機(jī)。 1962年，晶體管PCM終端機(jī)大量應(yīng)用于市話網(wǎng)中 局間 中繼線，使市話電纜傳輸電話路數(shù)擴(kuò)大24－30倍。 70年代后期，超大規(guī)模集成電路的PCM編、解碼器的出現(xiàn)，使光纖通信、數(shù)字微波通信、衛(wèi)星通信獲得了更廣泛的應(yīng)用,4,2.2 脈沖編碼調(diào)制,模數(shù)轉(zhuǎn)換

3、要經(jīng)過(guò)抽樣、量化和編碼三個(gè)步驟。 抽樣：時(shí)間離散化 量化：幅度離散化 編碼：轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼,5,PCM單路抽樣、量化、編碼波形圖,6,一、抽樣定理,抽樣定理的具體內(nèi)容如下： 一個(gè)頻帶限制在(0，fH)內(nèi)的時(shí)間連續(xù)信號(hào)x(t)，如果以不大于（1/2fH)秒的間隔對(duì)它進(jìn)行等間隔抽樣(也就是fS≥2fH )，則x(t)將被所得到的抽樣值完全確定。 信號(hào)：

4、最高頻率f H ，限帶(0，f H)描述。 無(wú)失真恢復(fù)條件：,7,抽樣定理FLASH演示,8,關(guān)于抽樣的結(jié)論： （1） XS (ω)具有無(wú)窮大的帶寬；（2）只要抽樣頻率 fS≥2fH ， XS (ω) 中n值不同的頻譜函數(shù)就不會(huì)出現(xiàn)重疊的現(xiàn)象；（3） XS (ω) 中n = 0時(shí)的成分是 X (ω)/T ，因此只要用一個(gè)帶寬B 滿足的理想低通濾器，

5、就可以取出的成分，以 不失真地恢復(fù)x(t)的波形。,抽樣定理仿真演示,9,二、脈沖振幅調(diào)制(PAM),,10,脈幅調(diào)制的工作原理：就是脈沖載波的幅度隨基帶信號(hào)變化的一種調(diào)制方式。,11,三、模擬信號(hào)的量化 量化：用有限個(gè)電平來(lái)表示模擬信號(hào)抽樣值被 稱為量化。 量化誤差: 量化后的信號(hào)和原來(lái)信號(hào)存在誤差， 這種誤差被稱為量化誤差。 均勻量化：把原來(lái)信號(hào)的值域按等幅值分割的 量化

6、過(guò)程被稱為均勻量化。量化階的Q 值越大， 用以表述的二進(jìn)制碼組越長(zhǎng)，得到的量化信噪比 越大，信號(hào)的逼真度 就越好。,12,13,非均勻量化: 非均勻量化是根據(jù)信號(hào)的不同區(qū)間來(lái)確定量化間隔的。對(duì)于信號(hào)取值小的區(qū)間， 其量化間隔也小，反之，量化間隔就大。這樣可以提高小信號(hào)時(shí)的量化信噪比，適當(dāng)減小大信號(hào)時(shí)的信噪功率比。優(yōu)點(diǎn)： 適合于非均勻分布信號(hào)情況；量化噪聲對(duì)大、小信號(hào)的影響大

7、致相同，即改善了小 信號(hào)時(shí) 的量化信噪比。,14,四、編碼和譯碼 編碼、譯碼： 把量化后的信號(hào)電平值變換成二進(jìn)制碼組的過(guò)程稱為編碼，逆過(guò)程稱為解碼。  量化與編碼的組合稱為模/數(shù)變換器(A/D變換器), 譯碼與低通濾波的組合稱為數(shù)/模變換器(D/A變 換器)。,PCM編譯碼系統(tǒng)仿真演示,15,2.3 增量調(diào)制,一、編碼的基本思想,假設(shè)一個(gè)模擬信號(hào)x(t)，我們用一時(shí)間間隔為

8、Δt，幅度差為±σ的階梯波形x′(t)去逼近它， 如圖所示。只要Δt足夠小，即抽樣頻率fs=1/Δt足夠高， 且σ足夠小，則x′(t)可以相當(dāng)近似于x(t)。我們把σ稱作量階， Δt=Ts稱為抽樣間隔。,16,用階梯或鋸齒波逼近模擬信號(hào),17,二、譯碼的基本思想 收到“1”碼上升一個(gè)量化階，收到“0”碼下降一個(gè)量化階，這樣就可以把二進(jìn)制代碼經(jīng)過(guò)譯碼變成 這樣的階梯波。,三、簡(jiǎn)單增量調(diào)制系統(tǒng)框圖,判決器是用來(lái)

9、比較 x(t)與 x0(t) 大小，在定時(shí)抽樣時(shí)刻如果 x(t)-x0(t)＞0輸出’1’； x(t)-x0(t) ＜0輸出’0’。,18,三、簡(jiǎn)單增量調(diào)制系統(tǒng)框圖,增量調(diào)制系統(tǒng)仿真演示,19,四、脈碼增量調(diào)制(DPCM) 綜合了增量調(diào)制和脈沖編碼調(diào)制兩者特點(diǎn)的調(diào)制方法進(jìn)行編碼，這種編碼方式被簡(jiǎn)稱為脈碼增量調(diào)制。,20,2.4 時(shí)分復(fù)用和多路數(shù)字電話系統(tǒng),多路復(fù)用通信方式定義： 在一個(gè)信道上同時(shí)傳輸多個(gè)話音信號(hào)的

10、技術(shù)。復(fù)用技術(shù)有多種工作方式，例如頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用以及碼分復(fù)用等。一、 PAM時(shí)分復(fù)用原理,21,22,3 路時(shí)分復(fù)用波形(a) 第 1 路； (b) 第 2 路； (c) 第 3 路； (d) 3路合成的波形,23,二、 時(shí)分復(fù)用的PCM系統(tǒng),24,時(shí)分復(fù)用PCM系統(tǒng) FLASH演示,25,帶寬設(shè)計(jì)： TDM—PCM的信號(hào)代碼在每一個(gè)抽樣周期內(nèi)有Nk個(gè)，這里N表示復(fù)用路數(shù)，k表示每個(gè)抽樣值編碼的二進(jìn)制碼元位

11、數(shù)。 在32路PCM系統(tǒng)中，只計(jì)話音信息碼，它有30路，當(dāng) fs=8k，k＝8時(shí)，話音信息的碼元速率為：30×8×8000＝1920千波特。但是，當(dāng)考慮振鈴碼和同步碼后2048千波特，也就是相當(dāng)于32個(gè)話路。帶寬為2MHz。,26,三、 32路PCM的幀結(jié)構(gòu),27,從時(shí)間上講： 抽樣頻率為8KHz，抽樣周期125µS，這也就是PCM 30/32的幀周期； 一復(fù)幀由

12、16個(gè)幀組成，復(fù)幀周期為2ms； 一幀內(nèi)要時(shí)分復(fù)用32路，每時(shí)隙包含8位碼組。 從傳碼率上講： 每秒鐘傳送8000幀，每幀32×8＝256bit，總碼率為256比特/幀×8000幀/秒＝2048kb/s。,28,時(shí)隙分配: 在PCM 30/32路的制式中抽樣周期為125μs，125 μs為一幀。 一幀內(nèi)要時(shí)分復(fù)用32路，每路占用的時(shí)隙為13.9 μs，稱

13、為一個(gè)時(shí)隙。 因此一幀有32個(gè)時(shí)隙，按順序編號(hào)為TS0、TS1、……、 TS31。 時(shí)隙的使用分配為: ① TS1~TS15, TS17~TS31為30個(gè)話路時(shí)隙。  ② TS0為幀同步碼，監(jiān)視碼時(shí)隙。  ③ TS16為信令(振鈴、占線、摘機(jī)……等各種標(biāo)志信號(hào))時(shí)隙。,29,話路比特的安排。 每個(gè)話路時(shí)隙內(nèi)要將樣值編為8位二元碼，每個(gè)碼元占488 ns，