【正文】 西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院 電路通信教研室 含弘光大 繼往開來 通信原理 主講教師：高 渤 Southwestern University 西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院 學(xué)習(xí)內(nèi)容 1 2 3 4 5 第九章 模擬信號的數(shù)字傳輸 脈沖編碼調(diào)制（ PCM） 模擬信號的抽樣 模擬脈沖幅度調(diào)制（ PAM） 抽樣信號的量化 增量調(diào)制（△ M或 DM） 時分復(fù)用（ TDM）和復(fù)接 差分脈沖編碼調(diào)制（ DPCM） 6 5 7通信原理【第九章 模擬信號的數(shù)字傳輸】 2 ?電路與通信教研室 高渤 Southwestern University 西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院 學(xué)習(xí)目標(biāo) ? 學(xué)習(xí)要點(diǎn) 抽樣定理； 自然抽樣和平頂抽樣； 均勻量化和非均勻量化； PCM原理， A律 13折線編 /譯碼； △ M原理，不過載條件和編碼范圍； PCM、 △ M系統(tǒng)的抗噪聲性能； PCM與 △ M的比較； 時分復(fù)用和多路數(shù)字電話系統(tǒng)原理。 通信原理【第九章 模擬信號的數(shù)字傳輸】 3 ?電路與通信教研室 高渤 Southwestern University 西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院 學(xué)習(xí)目標(biāo) ? 重點(diǎn) 概念： 低通和帶通信號抽樣定理；均勻量化和非均勻量化；逐次比較編碼器原理； △ M、 DPCM和 ADPCM基本原理； TDM原理和特點(diǎn)，多路數(shù)字電話的基本概念。 計算： 量化信噪比； A律 13折線編譯碼、譯碼和量化誤差；編碼信號的數(shù)碼率和傳輸帶寬； △ M系統(tǒng)的不過載條件和編碼范圍； PCM和 M系統(tǒng)的抗噪聲性能； PCM30/32基群、 PCM24基群的數(shù)碼率和幀結(jié)構(gòu)。 通信原理【第九章 模擬信號的數(shù)字傳輸】 4 ?電路與通信教研室 高渤 Southwestern University 西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院 學(xué)習(xí)目標(biāo) ? 難點(diǎn) 選 A=。 自然碼、折疊碼和格雷碼。 編碼電平、譯碼電平和量化誤差。 TDM與 FDM的區(qū)別。 通信原理【第九章 模擬信號的數(shù)字傳輸】 5 ?電路與通信教研室 高渤 Southwestern University 西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院 引 言 ? 數(shù)字化的三個步驟 ： 抽樣 、 量化 和 編碼 。 抽樣信號 抽樣信號 量化信號 t 011 011 011 100 100 100 100 編碼信號 通信原理【第九章 模擬信號的數(shù)字傳輸】 6 ?電路與通信教研室 高渤 Southwestern University 西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院 學(xué)習(xí)內(nèi)容 1 2 3 4 5 第九章 模擬信號的數(shù)字傳輸 脈沖編碼調(diào)制（ PCM） 模擬信號的抽樣 模擬脈沖幅度調(diào)制（ PAM） 抽樣信號的量化 增量調(diào)制（△ M或 DM） 時分復(fù)用（ TDM）和復(fù)接 差分脈沖編碼調(diào)制（ DPCM） 6 5 7通信原理【第九章 模擬信號的數(shù)字傳輸】 7 ?電路與通信教研室 高渤 Southwestern University 西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院 第一節(jié) 模擬信號的抽樣 證 明： 設(shè)有一個最高頻率小于 fH的 信號 m（ t） ，將這個信號和周期性單位沖激脈沖 ?T（ t） 相乘，其重復(fù)周期為 T，重復(fù)頻率為 fs = 1/T。 乘積就是抽樣信號 ，它 是一系列間隔為 T 秒的強(qiáng)度不等的沖激脈沖 。 抽樣定理： 設(shè)一個連續(xù)模擬信號 m（ t）中的最高頻率 fH，則以間隔時間為 T ? 1/2fH的周期性沖激脈沖對它抽樣時， m（ t）將被這些抽樣值所完全確定。 一、低通模擬信號的抽樣定理 通信原理【第九章 模擬信號的數(shù)字傳輸】 8 ?電路與通信教研室 高渤 Southwestern University 西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院 這些 沖激脈沖的強(qiáng)度等于相應(yīng)時刻上信號的抽樣值 ?，F(xiàn)用ms（ t） = ?m（ kT）表示此抽樣信號序列。故有 )()()( ttmtm Ts ??第一節(jié) 模擬信號的抽樣 按照 頻率卷積定理 ， m（ t） ?T（ t）的傅里葉變換等于 M（ f）和 ??（ f）的卷積。因此， ms（ t）的傅里葉變換 Ms（ f）可以寫為： )()()( ffMfM s ????而 ?? （ f）是 周期性單位沖激脈沖的頻譜 ，它等于： ?????? ???nsnffTf )(1)( ?Tfs /1?式中， 通信原理【第九章 模擬信號的數(shù)字傳輸】 9 ?電路與通信教研室 高渤 Southwestern University 西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院 第一節(jié) 模擬信號的抽樣 將上式代入 Ms（ f）的卷積式，得到 ?????? ??? ?????nss nfffMTfM )()(1)( ?上式中的卷積，可以利用卷積公式： ???? ???? )()()()()( tfdtfttf ?????進(jìn)行計算，得到 ?? ??????????????? ??? )(1)()(1)(snss nffMTnfffMTfM ? 上式表明， M（ f nfs）是信號頻譜 M（ f）在頻率軸上平移了 nfs的結(jié)果，所以 抽樣信號的頻譜 Ms （ f）是無數(shù)間隔頻率為 fs 的原信號頻譜 M（ f）相疊加而成 。 通信原理【第九章 模擬信號的數(shù)字傳輸】 10 ?電路與通信教研室 高渤 Southwestern University 西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院 第一節(jié) 模擬信號的抽樣 （ a） m（ t） （ e） ms（ t） （ c） ?T（ t） 0 3T 2T T T 2T 3T fs 1/T 2/T 0 1/T 2/T ? ? （ f） f fH fH 0 fs |Ms（ f）| fH fH f | M（ f）| 通信原理【第九章 模擬信號的數(shù)字傳輸】 11 ?電路與通信教研室 高渤 Southwestern University 西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院 因?yàn)樾盘?m（ t）最高頻率小于 fH，所以若頻率間隔 fs ? 2fH ，則 Ms（ f）中包含的每個原信號 頻譜 M（ f）之間互不重疊 ，這樣就能夠從 Ms（ f）中 用一個低通濾波器分離出信號 m（ t）的頻譜M（ f） ，也就是能從抽樣信號中恢復(fù)原信號。 Hs ff 2?第一節(jié) 模擬信號的抽樣 即 ： 抽樣頻率 fs 應(yīng)不小于 fH的兩倍 ，最低抽樣速率 2fH 稱為奈奎斯特速率 ，與此相應(yīng)的最小抽樣時間間隔稱為 奈奎斯特間隔 。 這里，恢復(fù)原信號的條件是： 通信原理【第九章 模擬信號的數(shù)字傳輸】 12 ?電路與通信教研室 高渤 Southwestern University 西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院 ? 恢復(fù)原信號的方法 ： 從頻域來看 ，當(dāng) fs ? 2fH時，用一個截止頻率為 fH 的理想低通濾波器就能夠從抽樣信號中分離出原信號。 從時域來看 ，當(dāng)用抽樣脈沖序列沖激此理想低通濾波器時，濾波器的輸出就是一系列沖激響應(yīng)之和 ，如下圖所示。這些沖激響應(yīng)之和就構(gòu)成了原信號。 t 第一節(jié) 模擬信號的抽樣 通信原理【第九章 模擬信號的數(shù)字傳輸】 13 ?電路與通信教研室 高渤 Southwestern University 西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院 理想濾波器是不能實(shí)現(xiàn)的。實(shí)用濾波器的截止邊緣不可能做到如此陡峭。所以， 實(shí)用的抽樣頻率 fs必須比 2fH 大一些 。 第一節(jié) 模擬信號的抽樣 例如，典型電話信號的最高頻率通常限制在 3400 Hz，而抽樣頻率通常 采用 8000 Hz。 通信原理【第九章 模擬信號的數(shù)字傳輸】 14 ?電路與通信教研室 高渤 Southwestern University 西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院 二、帶通模擬信號的抽樣定理 fH f 0 fL fL fH )1(2 nkBf s ??第一節(jié) 模擬信號的抽樣 設(shè)帶通模擬信號的頻帶限制在 fL 和 fH 之間，即其頻譜最低頻率大于 fL，最高頻率小于 fH， 信號帶寬 B = fH fL?？勺C明：此帶通模擬信號所需 最小抽樣頻率 fs 等于 B － 信號帶寬； n － fH / B的整數(shù)部分， n =1， 2， … ； k － fH / B的小數(shù)部分， 0 k 1。 通信原理【第九章 模擬信號的數(shù)字傳輸】 15 ?電路與通信教研室 高渤 Southwestern University 西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院 按照上式畫出的 fs 和 fL 關(guān)系曲線 示于下圖： 第一節(jié) 模擬信號的抽樣 B 2B 3B 4B 3B B 2B 4B 5B 6B fL 0 fs 通信原理【第九章 模擬信號的數(shù)字傳輸】 16 ?電路與通信教研室 高渤 Southwestern University 西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院 學(xué)習(xí)內(nèi)容 1 2 3 4 5 第九章 模擬信號的數(shù)字傳輸 脈沖編碼調(diào)制（ PCM） 模擬信號的抽樣 模擬脈沖幅度調(diào)制（ PAM） 抽樣信號的量化 增量調(diào)制（△ M或 DM） 時分復(fù)用（ TDM）和復(fù)接 差分脈沖編碼調(diào)制（ DPCM） 6 5 7通信原理【第九章 模擬信號的數(shù)字傳輸】 17 ?電路與通信教研室 高渤 Southwestern University 西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院 仍然是模擬調(diào)制 ，因?yàn)槠浯硇畔⒌膮⒘咳匀皇强梢赃B續(xù)變化的。 第二節(jié) 模擬脈沖調(diào)制 一、 模擬脈沖調(diào)制的種類 周期性脈沖序列 有 4個參量 ：脈沖重復(fù) 周期 、脈沖 振幅 、脈沖 寬度 和脈沖 相位 （位置）。 其中脈沖重復(fù)周期（抽樣周期）一般由抽樣定理決定，故只有其他 3個參量可以受調(diào)制 ，因此有 3種脈沖調(diào)制： 1）脈沖振幅調(diào)制（ PAM） 2）脈沖寬度調(diào)制（ PDM） 3）脈沖位置調(diào)制（ PPM） 通信原理【第九章 模擬信號的數(shù)字傳輸】 18 ?電路與通信教研室 高渤 Southwestern University 西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院 （ a）模擬基帶信號（ b） PAM信號 （ c） PDM信號（ d） PPM信號 第二節(jié) 模擬脈沖調(diào)制 模擬脈沖調(diào)制波形 通信原理【第九章 模擬信號的數(shù)字傳輸】 19 ?電路與通信教研室 高渤 Southwestern University 西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院 二、 PAM調(diào)制 第二節(jié) 模擬脈沖調(diào)制 PAM調(diào)制過程的波形和頻譜圖 t A t （ e） （ c） 0 T 2T 3T T 2T 3T （ a） m （ t ） s（ t） ms（ t） fH fH f M（ f） （ b） 0 1/T 0 1/T fs |S（ f） | （ d） f （ f ） fs fH f 通信原理【第九章 模擬信號的數(shù)字傳輸】 20 ?電路與通信教研室 高渤 Southwestern University 西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院 第二節(jié) 模擬脈沖調(diào)制 在上述 PAM調(diào)制中，得到的已調(diào)信號 ms（ t）的 脈沖頂部和原模擬信號波形相同 ，這種 PAM常稱為 自然抽樣 。 在實(shí)際應(yīng)用中，則常用 “ 抽樣保持電路 ” 產(chǎn)生 PAM信號。 自然抽樣和平頂抽樣 H（ f） m（ t） ?T（ t） mH（ t） ms（ t） Ms（ f ） MH（ f） 保持電路 通信原理【第九章 模擬信號的數(shù)字傳輸】 21 ?電路與通信教研室 高渤 Southwestern University 西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院 設(shè)保持電路的傳輸函數(shù)為 H（ f），則其輸出信號的頻譜 MH（ f）為： t 1）平頂抽樣輸出波形 )()()( fHfMfMsH ?第二節(jié)