1、模擬信號數(shù)字化人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術2.1 模擬通信和數(shù)字通信2.2 數(shù)字通信的特點及性能指標2.3 語聲信號數(shù)字化編碼2.4 時分多路復用2.5 高次群數(shù)字復接人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術2.1 模擬通信和數(shù)字通信 信道上傳輸?shù)氖悄M信號的通信系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)。 信道上傳輸?shù)氖菙?shù)字信號的通信系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。 模數(shù)變換設備將模擬電信號變換成數(shù)字信號，數(shù)字信號通常是采用二進制信號形式送至信道傳輸。 在接收端，數(shù)字信號再經(jīng)數(shù)模變換和電聲變換還原成聲音，送給接收者。人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術2.2 數(shù)字通信的特點及性能指標 一、數(shù)字通信的特點一、數(shù)字通信的特點 二、二、 數(shù)字通信系統(tǒng)的主

2、要性能指標數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 一、數(shù)字通信的特點一、數(shù)字通信的特點 1. 抗干擾能力強，無噪聲積累。 2. 便于加密處理。 3. 利于采用時分復用實現(xiàn)多路通信。 4. 設備便于集成化、小型化。 5. 占用頻帶寬。 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 二、二、 數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標 1. 有效性指標 (1) 信息傳輸速率 (2)符號傳輸速率 (3) 頻帶利用率 2. 可靠性指標 (1) 誤碼率 (2) 信號抖動 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 1. 有效性指標 (1) 信息傳輸速率 信道的傳輸速率是以每秒鐘所傳輸?shù)男畔⒘縼砗饬康摹?人民郵電出

3、版社現(xiàn)代通信技術 (2)符號傳輸速率 符號傳輸速率也叫碼元速率。它是指單位時間內所傳輸碼元的數(shù)目，其單位為“波特”(Bd) 這里的碼元可以是多進制的，也可以是二進制的。符號傳輸速率和信息傳輸速率是可以換算的。信息傳輸速率與符號傳輸速率的關系是 Rb=NB log2M 式中，Rb為信息傳輸速率(bits)；NB為符號傳輸速率(碼元秒或波特)；M為碼元(或符號)的進制數(shù)。人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 (3) 頻帶利用率 頻帶利用率是指單位頻帶內的傳輸速率。信系統(tǒng)占用的頻帶愈寬，傳輸信息的能力應該愈大。所以，用來衡量數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸效率(有效性)的指標應當是單位頻帶內的傳輸速率。人民郵電出版社現(xiàn)代通信

4、技術 2可靠性指標 衡量數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的主要指標是誤碼率和信號抖動。 (1) 誤碼率 在傳輸過程中發(fā)生誤碼的碼元個數(shù)與傳輸?shù)目偞a元數(shù)之比。 (2) 信號抖動 在數(shù)字通信系統(tǒng)中，信號抖動是指數(shù)字信號碼元相對于標準位置的隨機偏移。 2.3 語聲信號數(shù)字化編碼 2.3.1 語聲信號編碼的基本概念及分類 2.3.2 脈沖編碼調制 2.3.3 差值脈沖編碼調制 2.3.4 時分多路復用 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 2.3.1 語聲信號編碼的基本概念及分類 一、語聲信號編碼的概念一、語聲信號編碼的概念 二、二、 語聲信號編碼的分類語聲信號編碼的分類 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 一、語聲信號編碼的概念一

5、、語聲信號編碼的概念 一個簡單的語聲信號的脈沖編碼調制(PCM)的編碼、解碼過程說明語聲信號編 碼的概念，其示意圖如下圖所示。人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 圖中的AD變換包含三個部分：抽樣、量化和編碼。 (1)抽樣：是指將模擬信號在時間上離散化的過程 (2)量化：是指將模擬信號在幅度上離散化的過程。 (3) 編碼：編碼是指將每個量化后的樣值用一定的二進制代碼來表示。 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 二、二、 語聲信號編碼的分類語聲信號編碼的分類 (1) 波形編碼 (2) 參量編碼 (3) 混合編碼 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 2.3.2 脈沖編碼調制 一、概述一、概述 脈沖

6、編碼調制系統(tǒng)中的信號變換和處理過程如圖所示。 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 二、二、 抽樣抽樣 模擬信號數(shù)字化的第一步是在時間上對信號進行離散化處理，即將時間上連續(xù)的信號處理成時間上離散的信號，這一過程稱之為抽樣。 1抽樣定義及實現(xiàn)抽樣的電路模型 2抽樣定理 3與抽樣有關的誤差 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 1 抽樣定義及實現(xiàn)抽樣的電路模型 連續(xù)信號在時間上離散化的抽樣過程如圖所示。 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 具體地說，就是某一時間連續(xù)信號f(t)，僅取f(t0)、f(t1)、f(t2) 等各離散點數(shù)值，就變成了時間離散信號。這個取時間連續(xù)信號離散點數(shù)值的過程就叫做抽樣。人民郵電出版社現(xiàn)代通信技

7、術 2抽樣定理 設時間連續(xù)信號f(t)，其最高截止頻率為fM。如果用時間間隔為Ts1/2fM的開關信號對f f( (t) )進行抽樣，則f(t) 就可被樣值信號fs(t)=f(nTs)來惟一地表示?；蛘哒f，要從樣值序列無失真地恢復原時間連續(xù)信號，其抽樣頻率應選為fs2fM。這就是著名的奈奎斯特抽樣定理、簡稱抽樣定理。 語聲信號的最高頻率限制在3400Hz，這時滿足抽樣定理的最低抽樣頻率應為fsmm=6800Hz,為了留有一定的防衛(wèi)帶，原CCITT規(guī)定語音信號的抽樣頻率為fs=8000Hz，這樣，就留出了80006800=1200Hz作為濾波器的防衛(wèi)帶。 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 3與抽樣有關

8、的誤差 對語聲信號帶寬的限制是充分的； 實行抽樣的開關函數(shù)是單位沖激脈沖序列，即理想抽樣； 通過理想低通濾波器恢復原語聲信號。 (1) 抽樣的折疊噪聲 如果前置低通濾波器性能不良，或抽樣頻率不能滿足f fs2f fM的條件，都會產(chǎn)生折疊噪聲。 (2) 抽樣展寬的孔徑效應失真。 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 三、三、 量化量化 1量化定義及描述 2均勻量化及量化噪聲計算 3非均勻量化及壓縮擴張技術 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 1量化定義及描述 量化是把信號在幅度域上連續(xù)取值變換為幅度域上離散取值的過程。具體的定義是，將幅度域連續(xù)取值的信號在幅度域上劃分為若干個分層，在每一個分層范圍內的信號值用“四

9、舍五入”的辦法取某一個固定的值來表示。 這一近似過程一定會產(chǎn)生誤差。量化誤差就是指量化前后信號之差，通常用功率來表示，稱之為量化噪聲。返回人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 2均勻量化及量化噪聲計算 量化可以分為均勻量化與非均勻量化兩種方式。 各量化分級間隔相等的量化方式即為均勻量化。 均勻量化時在整個輸入信號的幅度范圍內量化級的大小都是相等的。 在非過載區(qū)內，量化值隨輸入信號的變化而離散地變化，并且量化誤差總是限制在一定的范圍之內。 在過載區(qū)內，量化輸出就不再隨輸入信號的變化而變化，而是保持在輸出的最大量化值上，故量化誤差將隨著信號的增加而增大。量化噪聲有非過載量化噪聲和過載量化噪聲。 人民郵電出版

10、社現(xiàn)代通信技術 對于均勻量化則是將-U+U范圍內均勻等分為N個量化間隔，則N N稱為量化級數(shù)。設量化間隔為，則 =2U/N 如量化值取于每一量化間隔的中間值，在非過載區(qū)內的最大量化誤差為： e ema (u)=/2 但在過載區(qū)內的量化誤差，即過載量化誤差則會大于/2。人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 非過載區(qū)內量化噪聲功率應為： 或 2)(12122322NU人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 根據(jù)信噪比的定義，我們可求得量化信噪比，即信號功率與量化噪聲功率之比，可表示為： 其中S S= u ue2 為信號功率eeueuNUuNquqNSee2222223/人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 如前所述，N為量化分級

11、數(shù)。在二進制數(shù)字信號編碼中，編碼碼組的碼位數(shù)l與量化分級數(shù)N的關系是： N=2l 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 當過載電壓取得足夠大將使過載概率很小，這時主要考慮非過載項，則有 對通信系統(tǒng)提出如下要求：在信號動態(tài)范圍40dB的條件下，量化信噪比不應低于26dB。 264.8+6l - 40 則可得l11返回eedBqXNXNNSlg20)3lg(2031lg10)/(22人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術3非均勻量化及壓縮擴張技術(1)非均勻量化及實現(xiàn)(2)律和A律壓縮特性返回人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 (1) 非均勻量化及實現(xiàn) 采用均勻分級量化時其量化信噪比隨信號電平的減小而下降。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因就

12、是均勻量化的分級間隔是固定值，它不能隨信號幅度的變化而變化，故大信號時信噪比大；小信號時信噪比小。解決這一問題的有效方法是要用非均勻分級，即非均勻量化。 非均勻量化的特點是：信號幅度小時，量化間隔小其量化誤差也??；信號幅度大時，量化間隔大，其量化誤差也大。采用非均勻量化可以改善小信號的量化信噪比，可以做到在不增大量化級數(shù)N N的條件下，使信號在較寬的動態(tài)范圍內的（S/Nq) dB達到指標的要求。 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 實現(xiàn)非均勻量化的方法之一是采用壓縮擴張技術。 壓縮特性是：在最大信號時其增益系數(shù)為1，隨著信號的減小增益系數(shù)逐漸變大。信號通過這種壓縮電路處理后就改變了大信號和小信號之間的

13、比例關系大信號時比例基本不變或變化較小，而小信號則相應按比例增大。 返回人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 (2) 律和A律壓縮特性 律壓擴特性 律壓縮特性表示式為： A律壓擴特性 以A為參量的壓擴特性叫做A律特性。 A律特性的表示式為 )1ln()1ln(1XyAXAAXy10ln111lm1ln1XAAXAy人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 A律13折線壓擴特性 目前應用較多的是以數(shù)字電路方式實現(xiàn)的A律特性折線近似。具體實現(xiàn)的方法是：對x軸在01(歸一化)范圍內以1/2遞減規(guī)律分成8個不均勻段，其分段點是1/2，1/4，1/8，1/16，1/32，1/64和1/128。對y軸在01(歸一化)范圍內以均勻

14、分段方式分成8個均勻段，其分段點是1/8，2/8，3/8，4/8，5/8，6/8，7/8和1。將x軸和y軸對應的分段線在x-y平面上的相交點相連接的折線就是有8個線段的折線。 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 可以看出，對應同一y值的兩種情況計算所得的x值基本上相等，這說明按遞減規(guī)律進行非均勻分段的折線與A87.6的A律特性是十分逼近的。 通常就稱為A律13折線壓縮特性。 A律13折線壓擴時量化信噪比也可用計算改善量的方法進行計算，有 (S/Nq)A.dB=(S/Nq)Db +QA.dB (均)返回人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 四、四、 編碼與解碼編碼與解碼 通常記作A/D；

15、解碼過程是數(shù)模變換，通常記作DA。 1.二進制碼組及編碼的基本概念 2.線性編碼與解碼 3.非線性編碼與解碼 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 1.二進制碼組及編碼的基本概念 目前使用的二進制碼組的編碼關系有3種： 一般二進制碼 循環(huán)二進制碼 折疊二進制碼 編碼是把模擬信號樣值變換成對應的二進制碼組。從概念上講，編碼過程可以用天平稱某一物體重量的過程類比。 編碼的過程自然完成了量化。 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 2.線性編碼與解碼 對應于均勻量化特性的編碼電路叫作線性編碼電路。線性編碼的碼組中各碼位的權值是定數(shù)，它不隨輸入信號幅度的變化而變化。 (1) 級聯(lián)逐次比較型編碼電路 (2) 反饋型線性編碼

16、器 (3) 加權求和解碼網(wǎng)絡 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 3. 非線性編碼與解碼 具有均勻量化特性的編碼叫做線性編碼，與之對應的具有非均勻量化特性的編碼就叫做非線性編碼。非線性編碼的碼組中各碼位的權值不是固定的，而是隨著輸入信號幅度的變化而改變的。 (1) A律13折線編碼的碼字安排 (2) A律13折線編碼方法 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 (1) A律13折線編碼的碼字安排 采用A律13折線編碼時所需的碼位數(shù)是8， 其具體安排是： a1 a2a3a4 a5a6a7a8 極性碼 段落碼 段內電平碼 例例：HT設A律13折線8位碼的碼字為11011011，試計算碼字電平Ic。 例例：求抽樣電平幅

17、度+107時所對應的編碼碼字。 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術(2) A律13折線編碼方法 判定值的確定規(guī)律和提供方法 編碼方法 逐次漸近型編碼器 編碼端量化誤差的分析 A律13折線解碼 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 判定值的確定規(guī)律和提供方法 極性碼的判決 段落碼的判決 段內電平碼的判決 返回人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 編碼方法 A律13折線編碼采用逐次反饋編碼，其編碼過程舉例如下。 例：假設輸入樣值IS+444，按A律13折線編8位碼，求具體碼字。 返回人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 A律13折線解碼 數(shù)字擴張部分由711變換變?yōu)?12變換。 該解碼器采用線性解碼網(wǎng)絡，需要將非線性碼變換成線性碼。為

18、了保證接收端解碼后的量化誤差不超過(1/2)i ，在接收端應加入(1/2)i的補差項，所以要進行712變換，最后由變換后的線性碼B1B12來控制12位線性解碼網(wǎng)絡。返回人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 五、五、 單片集成單片集成PCM編解碼器編解碼器 大規(guī)模集成的單片編解碼器已商品化生產(chǎn)。 常把編碼和解碼集成在一塊芯片中，稱為單路PCM編解碼器。人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術2.3. 3 差值脈沖編碼調制 一、 差值脈沖編碼調制原理及實現(xiàn) 二、 自適應差值脈沖編碼調制人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 一、一、 差值脈沖編碼調制原理及實現(xiàn)差值脈沖編碼調制原理及實現(xiàn) 差值脈沖編碼調制(DPCM)就是考慮利用語聲信

19、號的相關性找出可反映信號變化特征的一個差值量進行編碼的。根據(jù)相關性原理，這一差值的幅度范圍一定小于原信號的幅度范圍。 因此，在保持相同量化誤差的條件下，量化電平數(shù)就可以減少，也就是壓縮了編碼速率。 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 二、二、 自適應差值脈沖編碼調制自適應差值脈沖編碼調制 為了能進一步提高DPCM方式的質量還需采取一些輔助措施，即自適應措施。為了能在相當寬的變化范圍內仍能得到最佳的性能，DPCM也需要自適應系統(tǒng)，這里的自適應包括自適應預測和自適應量化，稱為ADPCM。 自適應量化的基本思想是：讓量化間隔(t) 的變化，與輸入信號方差相匹配，即量化器階距隨輸入信號的方差而變化，它正比于量

20、化器輸入信號的方差。 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 2. 3. 4 子帶編碼的基本概念及工作原理 子帶編碼是首先將輸入信號分割成幾個不同的頻帶分量，然后再分別進行編碼，這類編碼方式稱為頻域編碼。 頻域編碼將信號分解成不同頻帶分量的過程去除了信號的冗余度，得到了一組互不相關的信號。 這同DPCM方式的機理雖然不同，但從去除冗余度的角度來說這兩者又是相似的。 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術2.4 時分多路復用 2.4.1 時分多路復用的概念及構成 2.4.2 時分復用系統(tǒng)中的幀同步 2.4.3 PCM3032路系統(tǒng) 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 2.4.1 時分多路復用的概念及構成 為了提高信道利用率，在

21、傳輸過程中一般采用多路復用的傳輸方式多個信號在同一條信道上傳輸。 目前應用較多的是頻分多路復用(FDM)和時分多路復用(TDM)。前者適用于時間連續(xù)信號的傳輸，后者適用于時間離散信號的傳輸，如前面討論的PCM系統(tǒng)就是采用時分多路復用的方式傳輸?shù)摹?人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 下圖給出了一個時分復用系統(tǒng)的示意圖。人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 時分多路復用系統(tǒng)中收、發(fā)兩端的同步應包括兩個方面： (1) 時鐘頻率的同步 (2) 幀時隙的同步 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 2.4.2 時分復用系統(tǒng)中的幀同步 一、一、 幀同步電路的工作原理幀同步電路的工作原理 二、二、 幀同步系統(tǒng)中的保護電路幀同步系統(tǒng)中的

22、保護電路 三、三、 對幀同步系統(tǒng)的要求對幀同步系統(tǒng)的要求 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 一、一、 幀同步電路的工作原理幀同步電路的工作原理 為完成同步功能，在接收端還需有兩種裝置： 一是同步碼識別裝置，識別接收的PCM信號序列中的同步標志碼的位置； 二是調整裝置，當收、發(fā)兩端同步標志碼位置不對應時，需對收端進行調整使其兩者位置相對應，這些裝置統(tǒng)稱為幀同步電路。 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 二、二、 幀同步系統(tǒng)中的保護電路幀同步系統(tǒng)中的保護電路 由同步碼誤碼引起的誤判失步叫做“假失步”。為了減少系統(tǒng)工作中出現(xiàn)假失步的現(xiàn)象，避免誤判，一般系統(tǒng)中并不是將一次比較結果就作為是否失步的判決依據(jù)，而是連續(xù)觀察幾次，如幾次都不能對準信號序列中的同步碼時才確認是真正失步。 在系統(tǒng)進入同步引入過程之后，為了避免由于假同步碼的出現(xiàn)而誤判為同步，在電路設計中加入一個核對保護電路。這個電路的作用是在同步引入狀態(tài)中連續(xù)幾幀的同步檢測均檢測到同步碼才確認為同步，這一段時間稱為后方保護時間。 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 三、三、 對幀同步系統(tǒng)的要求對幀同步系統(tǒng)的要求 人民郵電出版社現(xiàn)代通信技術 2.4.3 PCM3032路