模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸(已修改)
2025-05-11 12:14 本頁面
【正文】 第 4章 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸 引言 抽樣 量化 編碼 脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng) 自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng) 增量調(diào)制 ? 數(shù)字通信系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)而成為當(dāng)今通信的發(fā)展方向。 ? 然而自然界的許多信息經(jīng)各種傳感器感知后都是模擬量，例如電話、電視等通信業(yè)務(wù)，其信源輸出的消息都是模擬信號(hào)。 ? 若要利用數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸模擬信號(hào)，一般需 三 （ 1）把模擬信號(hào)數(shù)字化，即模 /數(shù)轉(zhuǎn)換（ A/D）； （ 2）進(jìn)行數(shù)字方式傳輸； （ 3）把數(shù)字信號(hào)還原為模擬信號(hào)，即數(shù) /模轉(zhuǎn)換（ D/A）。 引言 ? 由于 A/D或 D/A變換的過程通常由信源編（譯）碼器實(shí)現(xiàn)，所以我們把發(fā)端的 A/D變換稱為 信源編碼 ，而收端的 D/A變換稱為 信源譯碼 。 ? 如語音信號(hào)的數(shù)字化叫做語音編碼。 信源 信源編碼 信道編碼 調(diào)制器 信道 解調(diào)器 信道譯碼 信源譯碼 信宿 噪聲 模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸 模擬信息源抽樣、量化和編碼數(shù)字通信系統(tǒng)譯碼和低通濾波m ( t ) { sk} { sk} m ( t )模擬隨機(jī)信號(hào) 數(shù)字隨機(jī)序列 數(shù)字隨機(jī)序列 模擬隨機(jī)信號(hào) 模擬信號(hào)數(shù)字化的方法大致可劃分為 波形編碼 和 參量編碼 兩類。 波形編碼 是直接把時(shí)域波形變換為數(shù)字代碼序列，比特率通常在 16kb/s64kb/s范圍內(nèi)，接收端重建信號(hào)的質(zhì)量好。 參量編碼 是利用信號(hào)處理技術(shù)，提取語音信號(hào)的特征參量，再變換成數(shù)字代碼，其比特率在 ，但接收端重建 (恢復(fù) )信號(hào)的質(zhì)量不夠好。這里只介紹波形編碼。 PCM通信系統(tǒng)原理圖 PCM信號(hào)形成過程示意圖 PCM信號(hào)的形成是模擬信號(hào)經(jīng)過 “ 抽樣、量化、編碼 ” 三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)的。 抽樣 是指把模擬信號(hào)在時(shí)間上離散化，變成抽樣信號(hào)； 量化 是指把抽樣信號(hào)在幅度上離散化，變成有限個(gè)量化電平； 編碼 是指用二進(jìn)制碼元來表示有限個(gè)量化電平。 接收端的數(shù) /模變換包含了解碼和低通濾波器兩部分。 解碼 是編碼的反過程，它將接收到的 PCM信號(hào)還原為抽樣信號(hào)； 低通濾波 是抽樣的反變換，其作用是恢復(fù)或重建原始的模擬信號(hào)。 本章在介紹抽樣定理和脈沖幅度調(diào)制（ PAM)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)討論模擬信號(hào)數(shù)字化的兩種方式，即 PCM和 ΔM 的原理及性能 ，并簡要介紹它們的改進(jìn)型：差分脈沖編碼調(diào)制 (DPCM)、自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制 (ADPCM)和增量總和調(diào)制、數(shù)字壓擴(kuò)自適應(yīng)增量調(diào)制的原理。 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。 當(dāng)抽樣脈沖序列為單位沖激序列時(shí)，稱為理想抽樣。 一、低通信號(hào)的抽樣定理 fLfHfL低通信號(hào) 一個(gè)頻帶限制在 0fH內(nèi)的時(shí)間連續(xù)的模擬信號(hào) m(t)，如果抽樣頻率 fs ≥ 2f H，則可以通過低通濾波器由抽樣序列 ms(t)無失真地重建原始信號(hào) m(t) 。 若抽樣速率 fs＜ 2fH，則會(huì)產(chǎn)生失真，這種失真叫 混疊失真 。 數(shù)學(xué)描述： 時(shí)域： 頻域： 理想抽樣信號(hào)波形及其頻譜 wm 0 wm M(w) w MS(w) 2ws ws 0 ws 2ws … … w wm 0 wm M(w) w 2ws ws wm 0 wm ws 2ws MS(w) … … w wm 0 wm M(w) w 2ws ws wm 0 wm ws 2ws MS(w) … w ws≥2wm wswm ws+wm ws2wm wswm ws+wm ws=2wm 頻譜重疊 實(shí)際應(yīng)用中一般要留有一定的防衛(wèi)帶，取fs 2fH。 例如 話音信號(hào)的最高頻率被限制在3400Hz，抽樣頻率應(yīng)大于 2 3400=6800Hz，為了留有一定防衛(wèi)帶， ITUT規(guī)定話音信號(hào)的抽樣頻率為 fs = 8000Hz， Ts=1/8000=125?s。 抽樣頻率越高，對防止頻譜混疊越有利，但將使總碼速率增高，給傳輸帶來不便。 fs = 2fH 是頻譜不出現(xiàn)重疊的最低抽樣頻率，稱之為 奈奎斯特抽樣頻率 。 理想抽樣與信號(hào)恢復(fù) m ( t ) ms( t )?T ( t )( a )低通濾 波 器ms( t ) m ( t )( b )二、帶通信號(hào)的抽樣定理 fL ≥ fHfL帶通信號(hào) 實(shí)際中遇到的許多信號(hào)是帶通型信號(hào)。如果采用低通抽樣定理的抽樣速率 fs≥2f H，肯定能滿足頻譜不混疊的要求。 但這樣選擇 fs太高了，它會(huì)使 0— fL 一大段頻譜空隙得不到利用，降低了信道 的利用率。 S(w) f 利用 低通 信號(hào)抽樣定理抽樣 … fm fL fS fs+fm fm fL fs+fL fsfL … fsfm 2fSfm 2fSfL 上 下 下 X(w) f fm fL fm fL 上下 下上 fm fL fS fs+fm 上 下 … … f 下 2fS 3fS 下 下 fm fL fsfL fsfm fs+fL 2fSfm 2fSfL 2fS+fm 2fS+fL 3fSfm 3fSfL S(w) 利用 帶通 信號(hào)抽樣定理抽樣 B 時(shí)，就可以無失真地恢復(fù)出原信號(hào)。 帶通信號(hào)抽樣定理：一個(gè)頻帶限制在fL fH之間的帶通信號(hào)，其抽樣頻率滿足 n是不超過 fL/B的最大整數(shù) nffnf LSH 212 ???例 試求 60路載波超群信號(hào)（ 312～ 552kHz)的抽樣頻率。 解：按帶通信號(hào)抽樣定理 k H zfk H zk H znfk H znfn。Bfk H zffBsLHLLH62455262413122255211552212240312552???????????????????若按低通信號(hào)抽樣定理，其抽樣頻率為 2fH=2 552=1104kHz 注意 ：如果 fL B，即 n=0，則帶通信號(hào)抽樣定理不再使用，此時(shí)應(yīng)按低通信號(hào)處理。如電話信號(hào)頻率為 3003400Hz， fL= 300Hz B=3100Hz ，故只能按低通信號(hào)處理。 帶通信號(hào)的最小抽樣頻率 理論上 ， 抽樣過程 ＝ 周期性單位 沖激脈沖 ? 模擬信號(hào) 實(shí)際上 ， 抽樣過程 ＝ 周期性單位 窄脈沖 ? 模擬信號(hào) 一、自然抽樣 自然抽樣又稱曲頂抽樣，它是指抽樣后的脈沖幅度（頂部）隨被抽樣信號(hào) m(t)變化，或者說保持了 m(t)的變化規(guī)律。 理想抽樣信號(hào)波形及其頻譜 自然抽樣與理想抽樣的頻譜非常相似，也是由無限多個(gè)間隔為 ω s的 M（ ω ）頻譜之和組成。 第一零點(diǎn)帶寬 B=1/τ 抽樣頻率也是按抽樣定理確定，接收端通過 LPF恢復(fù)出原始的模擬信號(hào)。 數(shù)學(xué)描述： 取 ωs=2ωH 比較采用矩形窄脈沖抽樣與采用沖激脈沖抽樣 (理想抽樣 )的過程和結(jié)果，可得： （ 1）它們調(diào)制 (抽樣 )與解調(diào) (信號(hào)恢復(fù) )過程相同，差別只是 采用的抽樣信號(hào)不同。 （ 2）矩形窄脈沖抽樣的包絡(luò)的總趨勢是隨|f|上升而下降，因此 帶寬是有限的； 而理想抽樣的帶寬是無限的。 （ 3） τ 的大小要兼顧通信中對帶寬和脈沖寬度這兩個(gè)互相矛盾的要求。 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
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