第三讲(脉冲编码调制).ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,数据通信原理 软件学院 2006,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第三讲 脉冲编码调制,熟悉数字通信系统的优点,掌握脉冲编码调制的工作过程,掌握低通抽样定理,掌握量化的基本方法,熟悉编码方法,熟悉非线性,PCM,的工作过程,了解增量调制的概念,数据通信原理 软件学院 2006,模拟通信系统与数字通信系统,按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可以把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。,数字通信是未来通信的发展方向。,数据通信原理 软件学院 2006,数字通信系统的优点,数字传输的抗噪声（或干扰）的能力强，尤其在中继时，数字信号还可以再生而消除噪声的积累，而模拟通信则会把噪声干扰和信号一起放大，增大噪声干扰。,传输中的差错可以设法控制，不但可以发现而且还能改正，因而大大提高了传输质量。,便于同计算机连接，采用现代计算机技术对数字信息进行处理，以便实现通信现代化、自动化。,数字信息易于加密且保密性强。,由于数字集成电路，特别是大规模集成电路技术日益成熟，数字设备越来越易于制造，而且成本低、体积小、可靠性高。,与模拟通信相比数字通信可以传输种类更多的消息，使通信系统变得通用、灵活。,数字通信的不足之处是比模拟通信占据更多的频带。,数据通信原理 软件学院 2006,信源编码,将模拟信号转换为数字信号的过程称为模拟信号数字化，它属于信源编码的内容。,信源编码是数字通信系统的重要组成部分，它有两方面的作用：一个是把信源消息的冗余信息去掉，降低数字信号的数据量，提高传输的有效性。一个是把信源发出的模拟信号转换成离散的数字信号，实现模拟信号数字化。,数据通信原理 软件学院 2006,脉冲编码调制,脉冲编码调制（,Pulse Code Modulation,，,PCM,）是模拟数据数字化的主要方法。,PCM,技术的典型应用是语音数字化。语音、图像信息必须数字化才能经计算机处理。,数据通信原理 软件学院 2006,脉冲编码调制分的步骤,PCM,的过程分为抽样、量化和编码三步。,抽样,把模拟信号在时间上离散化，变为脉冲幅度调制（,PAM,）信号。,量化,把,PAM,信号在幅度上离散化，变为量化值（共有,N,个量化值）。,编码,用二进码来表示,N,个量化值。,数据通信原理 软件学院 2006,PCM,通信系统,数据通信原理 软件学院 2006,抽样的概念,抽样是指对模拟信号在时间域上的离散化过程，即把一个时间上连续、幅度上也连续的模拟信号变换成时间上离散、幅度上连续的信号。抽样是由抽样门来完成的。,数据通信原理 软件学院 2006,抽样定理,对频带为,0,f,m,的模拟信号，其抽样频率,f,s,必须满足下列条件：,即,f,s,=2 f,m,（抽样定理）,应留有一定宽度的防卫带,f,s,2 f,m,数据通信原理 软件学院 2006,奈奎斯特间隔和奈奎斯特速率,所谓奈奎斯特间隔就是能唯一确定信号,f(t),的最大抽样间隔。,奈奎斯特速率是能够唯一确定信号,f(t),的最小抽样频率。,因此，奈奎斯特间隔,1/2f,m,奈奎斯特速率,2,f,m,数据通信原理 软件学院 2006,话音信号的抽样频率,话音信号频率范围：,300,3400Hz,，,f,m,=3400Hz,，这时满足抽样定理的最低的抽样频率应为,2f,m,6800Hz,，为了留有一定的防卫带，,CCITT,（,ITU-T,）规定话音信号的抽样频率为,8000Hz,，（防卫带为,8000,6800,1200Hz,），,T,125s,。,数据通信原理 软件学院 2006,量化,为了消除噪声积累，并且使得抽样值易于表示，我们要对幅度上连续的抽样值进行量化。,数据通信原理 软件学院 2006,量化的过程,把信号幅度划分为若干个区间（又称为量化级），取该区间预先规定的某个参考电平作为信号指，即利用预先规定的有限个电平来表示模拟抽样值的过程，称为量化。,数据通信原理 软件学院 2006,量化的有关概念,量化误差：信号值与信号量化后的取值之差。,量化间隔越小，量化误差越小，需要的量化级别越多，处理和传输就越复杂，所以，既要尽量减少量化级数，又要使量化失真尽可能的小。,量化误差又称为量化噪声，用信噪比来衡量。,数据通信原理 软件学院 2006,均匀量化,采用均匀量化级进行量化的方法称为均匀量化或线性量化。,缺点：大信号时信噪比大，,但小信号时，信噪比不足。,均匀量化适合信号是均匀分布（如图像信号）的情况。,数据通信原理 软件学院 2006,非均匀量化,如果使小信号时量化级间宽度小，而大信号时量化级间宽度大，就可以使小信号时和大信号时的信噪比趋于一致，这种非均匀量化级的安排称为非均匀量化或非线性量化。,数字电视，语音均采取非均匀量化。,数据通信原理 软件学院 2006,编码,把量化后的信号变换成代码的过程称为,编码,，其相反的过程称为译码。,编码是使用一组二进制代码来表示量化值。,数据通信原理 软件学院 2006,编码位数,若量化电平总数为,Q,，则二进制编码位数应,=log,2,Q,，才能保证编码不重复。为了提高编码效率，一般取,Q,2,n,（,n,为编码位数）,数据通信原理 软件学院 2006,常用二进制编码,样值脉冲极性,自然二进码,折叠二进码,格雷码,量化级,正极性部分,1111,1110,1101,1100,1011,1010,1001,1000,1111,1110,1101,1100,1011,1010,1001,1000,1000,1001,1011,1010,1110,1111,1101,1100,15,14,13,12,11,10,9,8,负极性部分,0111,0110,0101,0100,0011,0010,0001,0000,0000,0001,0010,0011,0100,0101,0110,0111,0100,0101,0111,0110,0010,0011,0001,0000,7,6,5,4,3,2,1,0,数据通信原理 软件学院 2006,非线性,PCM,先把模拟信号抽样值进行压缩，使小信号放大，大信号缩小，然后在均匀量化编码，即对大幅度的样值使用大的量化间隔，小幅度的样值采用小的量化间隔，接收端再相反处理，称为压缩扩张技术。,目前国际上广泛采用的两种对数压缩律是,压缩律和,A,压缩律。美国采用,压缩律，我国和欧洲各国均采用,A,压缩律。,数据通信原理 软件学院 2006,13,折线,A,律压缩,X,为输入信号，,Y,为输出信号。,除一、二段外，其他各段折线的斜率都不相同，当,x,、,y,在,-10,的第三象限中，压缩特性的形状同第,1,象限压缩特性的形状相同，且以原点为奇对称，所以负方向也有八段直线，合起来共有,16,个线段。由于正向一、二两段和负向一、二两段的斜率相同，这四段实际上为一条直线，因此，正、负双向的折线总共由,13,条直线,段构成，故称其为,13,折线。,数据通信原理 软件学院 2006,例：设输入信号抽样值为,+1260,（其中为一个量化单位,表示输入信号归一化值的,1/2048),采用逐次比较型编码器,按,A,律,13,折线编成,8,位码。,答案：,0,1110011,极性码,0,段落码,111,段内码,0011,数据通信原理 软件学院 2006,量化间隔,每段再均分成,16,个量化级，虽然各段内的,16,个量化级是均匀的，但因段落长度不等，故不同段落间的量化级是非均匀的。输入信号小时，段落短，量化级间隔小；反之，量化间隔大。,在,13,折线中，最小量化间隔为,1/2048,，最大量化间隔为,1/32,，共有,128,个量化级。,在均匀量化的情况下，若要达到最小量化间隔，需要,11,个码位，现在达到相同的信噪比，只要,7,个码位即可以实现,数据通信原理 软件学院 2006,13,折线,A,律编码,用第一位表示量化值的极性；,第二至第四位（称为段落码）的,8,种可能状态来分别代表,8,个段落的起点电平；,其他,4,位码（称为段内码）的,16,种可能状态用来分别代表每一段落的,16,个均匀划分的量化级。,结果是，,8,个段落被划分成,27,128,个量化级。,数据通信原理 软件学院 2006,增量调制,M,可视为,PCM,的特例，它只用一位编码，表示抽样时刻波形的变化趋向，,这一位码反映了相邻二抽样值的近似差值，即增量。,数据通信原理 软件学院 2006,增量调制的特点,当信号频率过高，或者说信号斜率陡变时，会出现本地译码器信号 跟不上信号变化的现象，称为“过载”,M,获得应用的主要原因,在比特率较低时，,M,量化信噪比高于,PCM,M,的抗误码性能好,M,的编译码器比,PCM,简单,数据通信原理 软件学院 2006,