通信原理韩庆文第三章模拟信号数字化传输

CCEE第三章模拟信号的数字化传输数字通信原理重庆大学通信工程学院数字通信原理主要内容3.1引言3.2模拟信号的抽样3.3信号的量化3.6数字复接技术3.5差分脉冲编码调制和增量调制3.4脉冲编码调制重庆大学通信工程学院数字通信原理3.4脉冲编码调制（PCM）PCM基本原理1编码规则2PCM编码器和译码器3PCM系统的噪声性能4脉冲编码调制(PCM，PulseCodeModulation，简称“脉码调制”）模拟信号经抽样、量化、再编成数字二进制串行码流的过程。PCM基本原理1）抽样频率：8000Hz，留出1200Hz的防卫间隔；2）量化：量化单元采用8比特A律或对数量化；每一路标准话路的等效比特速率为：特点3）编码：采用折叠码。8000864/srkbs重庆大学通信工程学院数字通信原理3.4脉冲编码调制（PCM）PCM基本原理1编码规则2PCM编码器和译码器3PCM系统的噪声性能4◆3位二进码表◆折叠二进码bn,bn-1,…,b1()还原编码规则重庆大学通信工程学院数字通信原理折叠码的特点对于双极性信号，可用它的最高位表示信号的正、负极性，而其余的码位则表示信号的绝对值；最高位令正极性为“1”，负极性为“0”外，其余码位的编码法是：正极性部分由下而上按自然二进制编码，负极性则由上而下按自然二进制编码。折叠码的最大优点——有利于小信号。信号为自然二进制码：小信号000错l位变成100——从第一个量化级变为第五个量化级。折叠二进码：小信号000变成100——差一个量化级。话音信号小幅度出现的概率比大幅度出现的概率大，在PCM通信中常用它编码重庆大学通信工程学院数字通信原理PCM编码13折线编码采用8位二进制码，对应256个量化级，即正、负输入幅度范围内各有128个量化级需要将13折线中的每个折线段再均匀划分16个量化级正、负输入的8个段落被划分成128个不均匀量化级8位码的安排◆8bit编码：12345678,,,,,,,DDDDDDDD极性码：1－正极性0－负极性段落码：第1~8段落段内码：第0~15级PCM编码重庆大学通信工程学院数字通信原理段落码与各段的关系重庆大学通信工程学院数字通信原理码位的选择和安排注意：在13折线编码方法中，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。第一、二段最短，只有归一化的1/128，再将它等分16小段，每一小段长度为1/2048，这是最小的量化级间隔，它仅有输入信号归一化值的1/2048，记为Δ，代表一个量化单位；第八段最长，每一小段归一化长度为1/32，包含64个最小量化间隔，记为64Δ。重庆大学通信工程学院数字通信原理码位的选择和安排假设：以非均匀量化时的最小量化间隔Δ=1/2048作为均匀量化的量化间隔从13折线的第一段到第八段所包含的均匀量化级数共有2048个均匀量化级非均匀量化只有128个量化级均匀量化需要编11位码，而非均匀量化只要编7位码可见在保证小信号时的量化间隔相同的条件下，7位非线性编码与11位线性编码等效例5.2语音信号的频率范围：0-4kHz,幅度范围为（-3.072V，+3.072V）,采用13折线法对其进行PCM编码，求当采样值为+1.23V时编码器的输出C0C1C2C3C4C5C6C7？正信号部分总的量化级数为2048，则每个量化级：Δ=3.072/2048=0.0015V◆1.23V相当于：X=1.23/0.0015=820Δ◆极性码：正→C0=1◆段落码：512ΔX1024Δ→C1C2C3=110◆段内码：X-512=308Δ；INT[308/32]=9→C4C5C6C7=1001◆编码输出为：11101001重庆大学通信工程学院数字通信原理3.4脉冲编码调制（PCM）PCM基本原理1编码规则2PCM编码器和译码器3PCM系统的噪声性能4重庆大学通信工程学院数字通信原理PCM编码器和译码器编码器译码器重庆大学通信工程学院数字通信原理编码原理逐次比较型编码器原理编码器的任务是根据输入的样值脉冲编出相应的8位二进代码。除第一位极性码外，其他7位二进代码是通过类似天平称重物的过程来逐次比较确定的逐次比较型编码的原理与天平称重物的方法类似样值脉冲信号相当被测物，标准电平相当天平的砝码预先规定好一些作为比较标准的电流(或电压)——权值电流，用符号IW表示。IW的个数与编码位数有关。样值脉冲IS到来，用逐步逼近的方法有规律地用标准电流去和样值脉冲比较IS＞IW，出“l”码；反之出“0”码，直到和抽样值逼近为止，完成对输入样值的非线性量化和编码。目前用得较多重庆大学通信工程学院数字通信原理逐次比较编码器原理框图全波整流参考电源PAM信号US|US|UR极性判决D1比较码形成或门a2-a8a1PCM编码输出串/并变换记忆反馈码a2-a7D1D2D87/11变换M2M3M811位线性解码网络B1B2B11本地解码器重庆大学通信工程学院数字通信原理逐次比较编码器实现A律13折线压扩特性的逐次比较型编码器由整流器、极性判决、保持电路、比较器及本地译码电路等组成。极性判决比较器本地译码电路保持电路重庆大学通信工程学院数字通信原理极性判决极性判决电路用来确定信号的极性。输入PAM信号样值为正时，出“l”码；样值为负时，出“0”码；将该信号经过全波整流变为单极性信号。重庆大学通信工程学院数字通信原理逐次比较编码器实现A律13折线压扩特性的逐次比较型编码器由整流器、极性判决、保持电路、比较器及本地译码电路等组成。极性判决比较器本地译码电路保持电路重庆大学通信工程学院数字通信原理比较器比较器是编码器的核心。作用是通过比较样值电流IS和标准电流IW，对输入信号抽样值实现非线性量化和编码。每比较一次输出一位二进代码当IS＞IW时，出“l”码；当ISIW时，出“0”码。对一个输入信号的抽样值需要进行7次比较。重庆大学通信工程学院数字通信原理逐次比较编码器实现A律13折线压扩特性的逐次比较型编码器由整流器、极性判决、保持电路、比较器及本地译码电路等组成。极性判决比较器本地译码电路保持电路重庆大学通信工程学院数字通信原理本地译码器本地译码电路包括：记忆电路7／ll变换电路恒流源重庆大学通信工程学院数字通信原理记忆电路记忆电路用来寄存二进代码除第一次比较外，其余各次比较都要依据前几次比较的结果来确定标准电流值7位码组中的前6位状态均应由记忆电路寄存下来。重庆大学通信工程学院数字通信原理本地译码器本地译码电路包括：记忆电路7／ll变换电路恒流源重庆大学通信工程学院数字通信原理7/11变换电路7／11变换电路将7位非线性码转换成ll位线性码。其实质是完成非线性和线性之间的变换。13折线A律非线性码与线性码之间的关系重庆大学通信工程学院数字通信原理13折线A律非线性码与线性码之间的关系重庆大学通信工程学院数字通信原理本地译码器本地译码电路包括：记忆电路7／ll变换电路恒流源重庆大学通信工程学院数字通信原理恒流源恒流源也称11位线性解码电路或电阻网络，用来产生各种标准电流IW在恒流源中有11个基本的权值电流支路，每个支路都由一个控制开关。每次应该哪个开关接通形成比较用的标准电流IW，由前面的比较结果经变换后得到的控制信号来控制。重庆大学通信工程学院数字通信原理逐次比较编码器实现A律13折线压扩特性的逐次比较型编码器由整流器、极性判决、保持电路、比较器及本地译码电路等组成。极性判决比较器本地译码电路保持电路重庆大学通信工程学院数字通信原理保持电路保持电路的作用是在整个比较过程中保持输入信号的幅度不变。逐次比较型编码器编7位码(极性码除外)需要在一个抽样周期Ts以内完成IS与IW的7次比较，在整个比较过程中都应保持输入信号的幅度不变要求将样值脉冲展宽并保持重庆大学通信工程学院数字通信原理编码举例【例】设输入信号抽样值Is=+1270Δ（其中Δ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C1C2C3C4C5C6C7C8重庆大学通信工程学院数字通信原理确定极性码C1输入信号抽样值IS为正，C1＝1重庆大学通信工程学院数字通信原理第一次比较结果确定段落码C2C3C4段落码C2用来表示输入信号抽样值IS处于13折线8个段落中的前四段还是后四段可见IS处于后四段（5－8段）重庆大学通信工程学院数字通信原理第二次比较结果确定段落码C2C3C4段落码C3用来进一步确定IS处于5－6段还是7－8段，故确定C3标准电流：可见IS处于7－8段重庆大学通信工程学院数字通信原理第三次比较结果确定段落码C2C3C4同理确定C4的标准电流：可见IS处于第8段C2C3C4为111起始电平为1024Δ重庆大学通信工程学院数字通信原理因此确定段内码C5C6C7C8段内码是进一步表示在该段落的哪一量化级（量化间隔）。第8段的16个量化间隔均为：可见IS处于前八级（0－7量化间隔）第四次比较结果重庆大学通信工程学院数字通信原理确定段内码C5C6C7C8确定C6的标准电流可见IS处于前四级（0－4量化间隔）第五次比较结果重庆大学通信工程学院数字通信原理确定段内码C5C6C7C8确定C7的标准电流可见IS处于2－3量化间隔第六次比较结果重庆大学通信工程学院数字通信原理确定段内码C5C6C7C8确定C8的标准电流可见IS处于序号为3的量化间隔第七次比较结果重庆大学通信工程学院数字通信原理经过七次比较，对于模拟抽样值+1270Δ编出的PCM码组为11110011它表示输入信号抽样值处于第八段3量化级，其量化电平为1216Δ，量化误差为54Δ。7位非线性码11110011对应的11位线性码为10011000000原理框图及时间波形重庆大学通信工程学院数字通信原理原理框图全波整流参考电源PAM信号US|US|UR极性判决D1比较码形成或门a2-a8a1PCM编码输出串/并变换记忆反馈码a2-a7D1D2D87/11变换M2M3M811位线性解码网络B1B2B11本地解码器重庆大学通信工程学院数字通信原理时间波形图D1D1D7D8D8D1D1D2D3D4D5D6D7重庆大学通信工程学院数字通信原理时间波形图|US|URD1D8D8D1D2D3D4D5D6D7D8’D1’D2’D3’D4’D5’D6’D7’D8’Di’D1’Di|US|=1270UR2=128Δ512ΔUR31024ΔUR41536ΔUR51280ΔUR61152ΔUR71216ΔUR8UR2=128Δ下一路下权比较器输出码形成a3a2a4a5a6a7a81110011重庆大学通信工程学院数字通信原理PCM编码器和译码器编码器译码器重庆大学通信工程学院数字通信原理译码原理定义译码的作用是把收到的PCM信号还原成相应的PAM样值信号，即进行D/A变换A律13折线译码器译码举例重庆大学通信工程学院数字通信原理A律13折线译码器记忆电路时钟脉冲D1D2D8...7/12变换C2C8...寄存读出B1B12...12位线性解码电路B1’B12’...PAMPCM码流极性控制C1A律13折线译码器与逐次比较型编码器中的本地译码器基本相同，只是增加了极性控制部分和带有寄存读出的7/12位码变换电路重庆大学通信工程学院数字通信原理A律13折线译码器记忆电路时钟脉冲D1D2D8...7/12变换C2C8...寄存读出B1B12...12位线性解码电路B1’B12’...PAMPCM码流极性控制C1串/并变换记忆电路的作用是将加进的串行PCM码变为并行码，并记忆下来，与编码器中译码电路的记忆作用基本相同重庆大学通信工程学院数字通信原理A律13折线译码器记忆电路时钟脉冲D1D2D8...7/12变换C2C8...寄存读出B1B12...12位线性解码电路B1’B12’...PAMPCM码流极性控制C1极性控制部分的作用是根据收到的极性码是“1”还是“0”来控制译码后PAM信号的极性，恢复原信号极性。重庆大学通信工程学院数字通信原理A律13折线译码器记忆电路时钟脉冲D1D2D8...7/12变换C2C