項目3

模擬信號的數(shù)字化傳輸

任務(wù)3.1

構(gòu)建PAM系統(tǒng)

通信系統(tǒng)中信源直接產(chǎn)生的語音、圖像等信息都是模擬量。要實現(xiàn)這些模擬量在數(shù)字系統(tǒng)中的傳輸，就必須進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，即信源編碼。而模數(shù)轉(zhuǎn)換的第一步是要對模擬信號進行抽樣（即脈沖幅度調(diào)制，簡稱PAM），使其在時間上實現(xiàn)離散化。本節(jié)的任務(wù)是了解抽樣定理，掌握抽樣的方法和構(gòu)建PAM時分復(fù)用系統(tǒng)。子任務(wù)1：了解抽樣定理和理想抽樣子任務(wù)2：構(gòu)建基本PAM系統(tǒng)子任務(wù)3：構(gòu)建PAM時分復(fù)用系統(tǒng)任務(wù)要求：任務(wù)3.1

構(gòu)建PAM系統(tǒng)

任務(wù)3.1

構(gòu)建PAM系統(tǒng)子任務(wù)1：了解抽樣定理和理想抽樣任務(wù)3.1

構(gòu)建PAM系統(tǒng)

任務(wù)3.1

構(gòu)建PAM系統(tǒng)

任務(wù)3.1

構(gòu)建PAM系統(tǒng)

任務(wù)3.1

構(gòu)建PAM系統(tǒng)子任務(wù)2：構(gòu)建基本PAM系統(tǒng)

經(jīng)抽樣獲得的抽樣信號都是幅度隨模擬基帶信號的變化而變化的脈沖序列，因此，抽樣也是一種幅度調(diào)制，只是調(diào)制用的載波為脈沖序列，而不是正余弦波，所以抽樣也叫脈沖幅度調(diào)制（PAM），簡稱脈幅調(diào)制。

脈幅調(diào)制PAM屬于脈沖模擬調(diào)制，這是因為雖然已調(diào)信號（抽樣信號）在時間上是離散的，但在幅度上仍然是連續(xù)的，因此，仍然屬于模擬信號。其它的脈沖模擬調(diào)制還有用模擬基帶信號去改變脈沖序列寬度的脈沖寬度調(diào)制(PDM、PWM)和用模擬基帶信號去改變脈沖序列時間位置的脈沖位置調(diào)制(PPM)，它們在通信中一般只作為一種中間調(diào)制方式，而不構(gòu)成獨立的系統(tǒng)。

按照抽樣后脈沖頂部形狀的不同，一般將PAM分為自然抽樣脈沖幅度調(diào)制和平頂抽樣脈沖幅度調(diào)制兩種。任務(wù)3.1

構(gòu)建PAM系統(tǒng)

任務(wù)3.1

構(gòu)建PAM系統(tǒng)

任務(wù)3.1

構(gòu)建PAM系統(tǒng)子任務(wù)2：構(gòu)建基本PAM系統(tǒng)2、平頂抽樣脈幅調(diào)制

平頂抽樣與自然抽樣的不同之處在于其抽樣信號中脈沖頂部不隨被抽樣信號變化，而是都保持平坦的形狀，即平頂抽樣信號是由矩形脈沖序列構(gòu)成的，矩形脈沖的幅度是瞬時抽樣值。因此，平頂抽樣也稱為瞬時抽樣。

平頂抽樣是將基帶信號m(t)先進行理想抽樣，然后再將抽樣值通過一個脈沖形成電路，從而形成一系列幅度為抽樣瞬時值，同時具有一定寬度的脈沖序列的平頂抽樣信號。任務(wù)3.1

構(gòu)建PAM系統(tǒng)

任務(wù)3.1

構(gòu)建PAM系統(tǒng)

任務(wù)3.1

構(gòu)建PAM系統(tǒng)子任務(wù)3：構(gòu)建PAM時分復(fù)用系統(tǒng)

時分復(fù)用是將物理信道的使用時間劃分成若干的時間片斷（稱為時隙，簡稱TS），讓多路信號逐個輪流地占用這些時間片段，從而實現(xiàn)多路信號共用同一信道。也就是說，時分復(fù)用是按照一定的時序依次循環(huán)的傳輸各路消息。

時分復(fù)用是建立在抽樣定理基礎(chǔ)上的。任務(wù)3.1

構(gòu)建PAM系統(tǒng)

任務(wù)3.1

構(gòu)建PAM系統(tǒng)子任務(wù)3：構(gòu)建PAM時分復(fù)用系統(tǒng)

設(shè)時分復(fù)用每路基帶信號經(jīng)過低通限帶后的頻率范圍為0

fm，則根據(jù)低通抽樣定理，其能夠無失真恢復(fù)原始信號的抽樣頻率應(yīng)該fs≥2fm。n路這樣的基帶信號進行時分復(fù)用，總的抽樣頻率為nfs，則應(yīng)有nfs≥2nfm。將此式用低通抽樣定理進行反推，其含義等價于：每秒有nfs個脈沖的脈沖序列能夠完全確定一個頻率范圍為0

nfm的模擬信號（帶寬為nfm）。也就是說，由每秒nfs個脈沖的脈沖序列構(gòu)成的時分復(fù)用信號所對應(yīng)的帶寬為：任務(wù)3.1

構(gòu)建PAM系統(tǒng)

任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)子任務(wù)1：構(gòu)建均勻量化PCM系統(tǒng)子任務(wù)2：構(gòu)建非均勻量化PCM系統(tǒng)子任務(wù)3：構(gòu)建PCM時分復(fù)用電話系統(tǒng)任務(wù)要求：

脈沖幅度調(diào)制PAM只是實現(xiàn)了模擬信號在時間上的離散化，還未真正轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。要實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化傳輸，必須要在抽樣的基礎(chǔ)上再進行量化和編碼。脈沖編碼調(diào)制（PCM）是模擬信號數(shù)字化的最常用方法，也是其他信源壓縮編碼的基礎(chǔ)。本節(jié)的任務(wù)是要掌握脈沖編碼調(diào)制的基本方法并了解我國PCM電話系統(tǒng)的組成和特點。任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)子任務(wù)1：構(gòu)建均勻量化PCM系統(tǒng)

脈沖編碼調(diào)制（PCM）是模擬信號數(shù)字化的最常用方法，它可以看成是以脈沖幅度調(diào)制（抽樣）為基礎(chǔ)的先量化后編碼的過程。任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)子任務(wù)1：構(gòu)建均勻量化PCM系統(tǒng)任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)子任務(wù)1：構(gòu)建均勻量化PCM系統(tǒng)

量化的任務(wù)是將抽樣后的信號在幅度上也離散化，這樣模擬信號就轉(zhuǎn)變成了數(shù)字信號。量化的做法是將PAM信號的幅度變化范圍劃分為若干個小區(qū)間，取每一個小區(qū)間的中間值作為量化電平，每一個抽樣樣值都按照“四舍五入”的原則盡量納入到離其最近的量化電平上。相鄰兩個量化電平之差叫做量化間隔或量化階距，用△表示。按照各個量化間隔△是否相同，可以將量化分為均勻量化和非均勻量化兩種。

把輸入信號的幅度變化范圍按等距離分割，因而各個量化間隔△都相等的量化稱為均勻量化。均勻量化的量化間隔△為常數(shù)，據(jù)其性質(zhì)可得其計算公式為：b和a分別為輸入信號幅度最大值和最小值，M為量化電平數(shù)。任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)

任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)子任務(wù)1：構(gòu)建均勻量化PCM系統(tǒng)量化誤差亦稱量化噪聲。中升型均勻量化器輸入/輸出關(guān)系及對應(yīng)的量化誤差：任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)子任務(wù)1：構(gòu)建均勻量化PCM系統(tǒng)中平型均勻量化器：

量化信噪比是指模擬輸入信號的功率與量化噪聲功率之比。據(jù)推算，當(dāng)均勻量化器的輸入為單頻余弦或語音信號且不過載的情況下，量化信噪比近似為：任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)子任務(wù)1：構(gòu)建均勻量化PCM系統(tǒng)案例分析：任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)子任務(wù)1：構(gòu)建均勻量化PCM系統(tǒng)案例分析：2、仿照表3-2，用列表列出圖3-19所示中平型量化器的輸入/輸出關(guān)系及對應(yīng)的量化誤差。解：

圖3-19所示中平型量化器的輸入/輸出關(guān)系及對應(yīng)的量化誤差如表所示。任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)子任務(wù)1：構(gòu)建均勻量化PCM系統(tǒng)案例分析：3、將表3-2所示中升型量化器的量化電平和表3-3所示中平型量化器的量化電平分別進行自然二進制編碼。解：

題目所述中升型量化器和中平型量化器的量化電平分別為8和7，根據(jù)公式3-9，二進制編碼的位數(shù)應(yīng)該都是3。由于量化電平有正有負(fù)，所以不妨用編碼碼組的最高位來表示正負(fù)，一般規(guī)定“1”表示“+”，“0”表示“-”。編碼碼組的另外兩位仍然依據(jù)自然二進制編碼的規(guī)律進行編碼。任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)

任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)子任務(wù)2：構(gòu)建非均勻量化PCM系統(tǒng)1、非均勻量化PCM原理

壓縮器和擴張器的特性曲線都是模擬信號形式，不易于用數(shù)字電路實現(xiàn)。為此，可以用多段折線近似平滑曲線的方法。中國采用A律13折線率（用13段折線段來近似模擬A律壓縮特性）。任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)子任務(wù)2：構(gòu)建非均勻量化PCM系統(tǒng)2、A律13折線PCM系統(tǒng)的量化編碼方案采用八位折疊二進制碼：歸一化后的段落起止電平、量化間隔及段落碼：任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)子任務(wù)2：構(gòu)建非均勻量化PCM系統(tǒng)2、A律13折線PCM系統(tǒng)的量化編碼方案歸一化后的各小段的起止電平及段內(nèi)碼：A律13折線PCM編碼步驟如下：任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)子任務(wù)2：構(gòu)建非均勻量化PCM系統(tǒng)3、A律13折線PCM編/譯碼器編碼器：譯碼器：任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)子任務(wù)2：構(gòu)建非均勻量化PCM系統(tǒng)4、A律13折線PCM系統(tǒng)的抗噪聲性能PCM系統(tǒng)的噪聲來自兩個方面：包括量化過程形成的量化噪聲和在傳輸過程中經(jīng)信道混入的加性高斯白噪聲。（1）量化噪聲對系統(tǒng)的影響A律13折線PCM系統(tǒng)中的量化信噪比近似為：

可見，PCM系統(tǒng)的量化信噪比與編碼位數(shù)成指數(shù)關(guān)系。要提高量化信噪比，可以增加編碼位數(shù)。但是編碼位數(shù)越多，對應(yīng)的頻率成分就越多，占用帶寬就越寬。因此，量化信噪比是用擴展帶寬為代價來換取的。任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)子任務(wù)2：構(gòu)建非均勻量化PCM系統(tǒng)4、A律13折線PCM系統(tǒng)的抗噪聲性能（2）加性噪聲對系統(tǒng)的影響經(jīng)計算可知，由信道加性噪聲所決定的PCM系統(tǒng)接收端輸出信噪比近似為：

可見，PCM系統(tǒng)中由信道加性噪聲所決定的輸出信噪比與單個碼元的誤碼率成反比。（3）PCM系統(tǒng)接收端輸出信號的總信噪比

由上分析可知，PCM系統(tǒng)輸出端總的信噪比為：

當(dāng)誤碼率較低時，例如Pe<10-6，PCM系統(tǒng)的輸出信噪比主要取決于量化信噪比S0/Nq。當(dāng)誤碼率Pe較高時，PCM系統(tǒng)的輸出信噪比主要取決于誤碼率，且隨誤碼率Pe的增大而減小。一般來說，Pe<10-6是很容易實現(xiàn)的，所以加性噪聲對PCM系統(tǒng)的影響往往可以忽略不計，這說明PCM系統(tǒng)抗加性噪聲的能力是非常強的。任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)

任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)

任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)

任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)

任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)

任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)子任務(wù)3：構(gòu)建PCM時分復(fù)用電話系統(tǒng)1、PCM數(shù)字電話系統(tǒng)數(shù)字復(fù)接系列的組成：任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)子任務(wù)3：構(gòu)建PCM時分復(fù)用電話系統(tǒng)1、PCM數(shù)字電話系統(tǒng)我國PCM數(shù)字電話基群系統(tǒng)組成原理：任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)子任務(wù)3：構(gòu)建PCM時分復(fù)用電話系統(tǒng)1、PCM數(shù)字電話系統(tǒng)我國數(shù)字電話準(zhǔn)同步系列構(gòu)成：任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)子任務(wù)3：構(gòu)建PCM時分復(fù)用電話系統(tǒng)1、PCM數(shù)字電話系統(tǒng)我國的SDH基本復(fù)用映射結(jié)構(gòu)：任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)子任務(wù)3：構(gòu)建PCM時分復(fù)用電話系統(tǒng)1、PCM數(shù)字電話系統(tǒng)A律13折線PCM基群幀結(jié)構(gòu)：任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)子任務(wù)3：構(gòu)建PCM時分復(fù)用電話系統(tǒng)1、PCM數(shù)字電話系統(tǒng)（1）話路時隙基群中的話路時隙的形成過程：任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)子任務(wù)3：構(gòu)建PCM時分復(fù)用電話系統(tǒng)1、PCM數(shù)字電話系統(tǒng)（2）同步時隙

在PCM電話系統(tǒng)的基群幀結(jié)構(gòu)中，固定用TS0來傳輸幀同步信號。由圖3-29可見，TS0在傳輸奇數(shù)幀和偶數(shù)幀時其結(jié)構(gòu)組成是不同的。偶數(shù)幀時，傳輸幀同步碼組X0011011。接收端識別出該幀同步碼組后，即可建立正確的路序。奇數(shù)幀時，其第二位固定為1，用以與幀同步碼組相區(qū)別。其第三位“A1”是幀失步對告碼，本地幀同步時A1＝0，失步時A1＝1。奇數(shù)幀的其余位“X”保留不用。無論是奇數(shù)幀還是偶數(shù)幀，其第一位碼“X”保留，用于國際電話間通信。任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)

任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)子任務(wù)3：構(gòu)建PCM時分復(fù)用電話系統(tǒng)2、幀同步

在數(shù)字通信中，信息流的基本組成單位是碼元。通常還要把若干個碼元組成一組，形成一個更大的單位——幀。在接收端，不僅要確知每個碼元的起止時刻，即實現(xiàn)位同步，還要確知幀的起止時刻，獲得與幀的起止時刻相一致的定時脈沖序列，這就是幀同步，也稱群同步。

幀同步的實現(xiàn)方法通常有兩種：一種是在數(shù)字信息流中插入一些特殊碼組作為幀的頭尾標(biāo)記，接收端根據(jù)這些特殊碼組的位置就可以實現(xiàn)幀同步；另一種方法不需要外加特殊碼組，而是采用類似于載波同步和位同步中的自同步法，利用碼組本身彼此之間不同的特性來實現(xiàn)幀同步。后一種方法對碼組本身要求較高，不易實現(xiàn)，所以這里只介紹前一種插入特殊碼組實現(xiàn)幀同步法。該方法又可分為兩種：集中插入方式和分散插入方式。任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)子任務(wù)3：構(gòu)建PCM時分復(fù)用電話系統(tǒng)2、幀同步（1）集中插入同步法

所謂集中插入同步法是指將某個特殊的幀同步碼集中地插入到發(fā)送碼組中的某個固定位置上。A律13折線PCM數(shù)字電話系統(tǒng)采用的是這種集中插入幀同步法，它固定地在每幀的TS0時隙中傳輸幀同步碼。

具有尖銳的自相關(guān)函數(shù)的巴克（Barker）碼：任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)子任務(wù)3：構(gòu)建PCM時分復(fù)用電話系統(tǒng)2、幀同步（1）集中插入同步法巴克碼：任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)子任務(wù)3：構(gòu)建PCM時分復(fù)用電話系統(tǒng)2、幀同步（1）集中插入同步法七位巴克碼識別器及其輸入、輸出波形：任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)

任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)

任務(wù)3.2

構(gòu)建PCM系統(tǒng)子任務(wù)3：構(gòu)建PCM時分復(fù)用電話系統(tǒng)案例分析：3、若將二進制序列0101000111001010…輸入巴克碼識別器中，試根據(jù)其工作原理，判別同步脈沖輸出的位置。將此輸入和判別過程列表如下：由表可見，當(dāng)七位巴克碼剛好完全輸入到識別器中時，識別器輸出同步脈沖。在識別器輸出正脈沖后的兩位碼元應(yīng)視為待接收的數(shù)據(jù)碼。

任務(wù)3.4了解模擬信號的數(shù)字化壓縮技術(shù)子任務(wù)1：了解模擬語音信號的數(shù)字化壓縮技術(shù)子任務(wù)2：了解圖像信號的數(shù)字化壓縮技術(shù)任務(wù)要求：

通信系統(tǒng)中的模擬信號主要包括語音信號和圖像信號兩種。為了提高傳輸效率，這兩種信號除了要采用前述方法進行模數(shù)轉(zhuǎn)換外，還要根據(jù)自身的特點分別采用不同的技術(shù)進行數(shù)據(jù)壓縮。本節(jié)的任務(wù)就是要了解這兩種信號的各種壓縮技術(shù)。子任務(wù)1：了解模擬語音信號的數(shù)字化壓縮技術(shù)

自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）是其中復(fù)雜度較低的一種編碼方法，它可在32kb/s的傳輸速率上達到與64kb/s的PCM相同的數(shù)字電話質(zhì)量。ADPCM早已成為長途傳輸中一種成熟的國際通用的語音編碼方法。

ADPCM是在差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。利用相鄰抽樣樣值之差值進行的PCM編碼稱為差分PCM（DPCM）。ADPCM以DPCM為基礎(chǔ)，充分利用了線性預(yù)測的高效編碼方式，是一種自適應(yīng)的智能化系統(tǒng)。ADPCM的原理框圖與DPCM的相似，區(qū)別在于用自適應(yīng)量化取代固定量化，用自適應(yīng)預(yù)測取代固定預(yù)測。自適應(yīng)量化是指量化階距隨信號的變化而變化，使量化誤差減??；自適應(yīng)預(yù)測指預(yù)測器的系數(shù)可以隨信號的統(tǒng)計特性而自適應(yīng)調(diào)整，提高了預(yù)測信號的精度，從而得到高預(yù)測增益。通過這兩點改進，可以大大提高輸出信噪比和編碼的動態(tài)范圍。任務(wù)3.4了解模擬信號的數(shù)字化壓縮技術(shù)子任務(wù)2：了解圖像信號的數(shù)字化壓縮技術(shù)

圖像數(shù)據(jù)中存在著冗余，主要表現(xiàn)為：圖像中相鄰像素間的相關(guān)性引起的空間冗余；圖像序列中不同幀之間存在相關(guān)性引起的時間冗余；不同彩色平面或頻譜帶的相關(guān)性引起的頻譜冗余。為了提高系統(tǒng)的有效性，必須采取圖像壓縮編碼（簡稱圖像壓縮）技術(shù)，以減少或消除圖像中的冗余，也即減少代表圖像的數(shù)據(jù)比特數(shù)。簡言之，圖像壓縮的主要目標(biāo)就是在給定傳輸速率或者壓縮比的情況下實現(xiàn)最好的圖像質(zhì)量。

按照壓縮還原效果是否存在失真，圖像壓縮分為無損壓縮和有損壓縮兩種。任務(wù)3.4了解模擬信號的數(shù)字化壓縮技術(shù)子任務(wù)2：了解圖像信號的數(shù)字化壓縮技術(shù)

無損壓縮指壓縮過程中信息沒有損失，過程是可逆的，即從壓縮后的數(shù)據(jù)可以完全恢復(fù)原來的圖像，一般用于文本圖像的壓縮，其壓縮率比較?。ㄒ话銥?:1至5:1），常用的算法有行程長度編碼、熵編碼法等。

無損壓縮的基本原理是相同的顏色信息只需保存一次。壓縮圖像的軟件首先會確定圖像中哪些區(qū)域是相同的，哪些是不同的。包括了重復(fù)數(shù)據(jù)的圖像就可以被壓縮，如藍天，只有藍天的起始點和終結(jié)點需要被記錄下來。但是藍色可能還會