数字通信系统的优点:
(1)抗干扰能力强
(2)传输差错可控
(3)便于现代化数字信号处理技术来对数字信息进行处理
(4)易于集成化
(5)易于加密处理,保密强度高
利用数字通信系统传输模拟信号一般需三个步骤:
(1)模拟信号数字化,即模数转换(A/D);
(2)进行数字方式传输;
(3)把数字信号还原为模拟信号,即数模转换(D/A)。
发端的A/D变换成为信源编码(作用:将模拟信号变换为数字信号,以实现模拟信号的数字化传播;压缩编码,减少码元数目和提高码元速率,提高有效性),而收端的D/A变换成为信源译码。
模拟信号数字化的方法大致可划分为波形编码、参量编码和混合编码两类。
补充:信道编码(对数码流进行相应的处理,增加冗余,也就是所谓的“抗干扰编码”,使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力,可极大地避免码流传送中误码的发生。)
(因此有效性和可靠性不可兼得)
波形编码是直接把时域波形变换为数字代码序列,比特率通常在16kb/s~64kb/s范围内,接收端重建信号质量好。常用的波形编码有PCM、 Δ M \Delta M ΔM(增量编码)
抽样是把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值的过程。(时间上离散,样值连续的模拟信号,与数字信号区分)
对一个频带有限的时间连续的模拟信号抽样,当抽样速率达到一定数值时,那么根据它的额抽样值就能重建原信号。
因此,抽样定理是模拟数字化的理论依据。
一个频带限制在 ( 0 , f H ) (0,f_H) (0,fH)Hz内的时间连续信号 m ( t ) m(t) m(t),如果以 T s ≤ 1 2 f H T_s \leq \frac{1}{2f_H} Ts≤2fH1秒的间隔对它进行等间隔抽样(均匀抽样),则 m ( t ) m(t) m(t)将被所得到的抽样值完全确定。
奈奎斯特间隔 T s T_s Ts:最大允许的抽样间隔
奈奎斯特速率 f S f_S fS:最小允许的抽样速率
经过抽样后,可经过一个理想低通滤波器得到原来的信号 m ( t ) m(t) m(t)
内插公式:
m ( t ) = ∑ n = − ∞ ∞ m ( n T s ) S a ( ω H t − n π ) m(t)=\sum_{n=-\infty}^{\infty} m(nT_s)Sa(\omega_Ht-n\pi) m(t)=n=−∞∑∞m(nTs)Sa(ωHt−nπ)
如果采用低通抽样定理的抽样速率 T s ≥ 1 2 f H T_s \geq \frac{1}{2f_H} Ts≥2fH1,对频率限制在 f L f_L fL和 f H f_H fH之间的带通型信号抽样,肯定能满足频谱不混叠的要求,但这样选择 f s f_s fs太高了,会使得频谱空隙得不到利用,降低信道的利用率。
带通信号 m ( t ) m(t) m(t),频率限制在 f L f_L fL和 f H f_H fH之间,带宽 B = f H − f L B=f_H-f_L B=fH−fL
抽样频率:
f s ≥ 2 f H m f_s \geq \frac{2f_H}{m} fs≥m2fH
m ( t ) m(t) m(t)可完全由其确定,其中 m = [ f H B ] m=[\frac{f_H}{B}] m=[BfH]
脉冲调制就是由于脉冲冲激序列在现实中无法实现,现实中以时间上离散的脉冲串(窄脉冲序列)代替理想的脉冲冲击序列,用模拟基带信号 m ( t ) m(t) m(t)去控制脉冲串的某参数,使其按 m ( t ) m(t) m(t)的规律变化。
注意:此处是模拟调制!!!
它是指抽样后的脉冲幅度(顶部)随被抽样信号 m ( t ) m(t) m(t)变化,或者说保持了 m ( t ) m(t) m(t)的变化规律
m s ( t ) m_s(t) ms(t)是自然抽样的PAM信号:
m s ( t ) = m ( t ) × s ( t ) m_s(t)=m(t)\times s(t) ms(t)=m(t)×s(t)
脉冲载波 s ( t ) s(t) s(t)是宽度为 τ \tau τ,周期为 T s T_s Ts,幅度为 A A A的矩形窄脉冲序列, s ( t ) = g ( t ) ∗ ∑ n = − ∞ ∞ δ ( t − n T s ) s(t)=g(t)*\sum_{n=-\infty}^{\infty}\delta(t-nT_s) s(t)=g(t)∗∑n=−∞∞δ(t−nTs)其频谱表达式为:
S ( ω ) = G ( ω ) [ ω s ∑ n = − ∞ ∞ δ ( ω − n ω s ) ] = [ A τ S a ( τ 2 ω ) ] [ 2 π T s ∑ n = − ∞ ∞ δ ( ω − n ω s ) ] = 2 π A τ T s ∑ n = − ∞ ∞ S a ( n ω H τ ) δ ( ω − 2 n ω H ) S(\omega)=G(\omega)[\omega_s \sum_{n=-\infty}^{\infty}\delta(\omega-n\omega_s)] \\ =[A\tau Sa(\frac{\tau}{2} \omega)] [\frac{2\pi}{T_s} \sum_{n=-\infty}^{\infty}\delta(\omega-n\omega_s)]\\ =\frac{2\pi A \tau}{T_s} \sum_{n=-\infty}^{\infty}Sa(n \omega_H \tau)\delta(\omega-2n\omega_H) S(ω)=G(ω)[ωsn=−∞∑∞δ(ω−nωs)]=[AτSa(2τω)][Ts2πn=−∞∑∞δ(ω−nωs)]=Ts2πAτn=−∞∑∞Sa(nωHτ)δ(ω−2nωH)
抽样后信号中的脉冲均具有相同的形状——顶部平坦的矩形脉冲,矩形脉冲的幅度即为瞬时抽样值。平定抽样PAM信号在原理上可以由理想抽样和脉冲形成电路产生,其中脉冲形成电路的作用就是把冲击脉冲变成矩形脉冲。
m s ( t ) = m ( t ) × δ T ( t ) = ∑ n = − ∞ ∞ m ( n T s ) δ ( t − n T s ) M s ( ω ) = 1 T s ∑ n = − ∞ ∞ M ( ω − n ω s ) M q ( ω ) = M s ( ω ) Q ( ω ) = 1 T s ∑ n = − ∞ ∞ M ( ω − n ω s ) Q ( ω ) m_s(t)=m(t)\times \delta_T(t)= \sum_{n=-\infty}^{\infty}m(nT_s)\delta(t-nT_s)\\ M_s(\omega)=\frac{1}{T_s} \sum_{n=-\infty}^{\infty}M(\omega-n\omega_s)\\ M_q(\omega)=M_s(\omega)Q(\omega)=\frac{1}{T_s} \sum_{n=-\infty}^{\infty}M(\omega-n\omega_s)Q(\omega) ms(t)=m(t)×δT(t)=n=−∞∑∞m(nTs)δ(t−nTs)Ms(ω)=Ts1n=−∞∑∞M(ω−nωs)Mq(ω)=Ms(ω)Q(ω)=Ts1n=−∞∑∞M(ω−nωs)Q(ω)
如何从 m q ( t ) m_q(t) mq(t)中恢复出 m ( t ) m(t) m(t)?
滤波前先用特性为 1 Q ( ω ) \frac{1}{Q(\omega)} Q(ω)1频谱校正网络加以修正,则低通滤波器便能无失真地恢复基带信号 m ( t ) m(t) m(t)
理想抽样:
M s ( ω ) = 1 T s ∑ n = − ∞ ∞ M ( ω − n ω s ) M_s(\omega)=\frac{1}{T_s} \sum_{n=-\infty}^{\infty}M(\omega-n\omega_s) Ms(ω)=Ts1n=−∞∑∞M(ω−nωs)
自然抽样:
M s ( ω ) = A τ T s ∑ − n = ∞ ∞ S a ( n τ ω H ) M ( ω − n ω s ) M_s(\omega)=\frac{A\tau}{T_s}\sum_{-n=\infty}^{\infty}Sa(n \tau \omega_H)M(\omega-n\omega_s) Ms(ω)=TsAτ−n=∞∑∞Sa(nτωH)M(ω−nωs)
脉冲编码调制(PCM)是一种用一组二进制数字代码代替连续信号的抽样值,从而实现通信的方式。PCM信号的形成是模拟信号经过“抽样、量化、编码”三个步骤实现的。
抽样是按抽样定理把时间上连续的模拟信号转换成时间上离散的抽样信号(变成时间上离散,样值连续的一个模拟信号,成为抽样序列信号);
量化是把幅度上仍连续(无穷多个取值)的抽样信号进行幅度离散,即制定M个(有限个)规定的电平,把抽样值用最接近的电平表示:对模拟抽样值的量化过程会产生误差,成为量化误差,通常用均方误差来度量。由于这种误差影响也是随机的,它像噪声一样影响通信质量,故又称为量化噪声。
编码是用二进制码组表示量化后的M个样值脉冲。
利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值的过程
把输入信号的取值域按等距离分割的量化成为均匀量化。
量化信噪比 S N q = M 2 \frac{S}{N_q}=M^2 NqS=M2随信号电平的减小而下降。
产生这一现象的原因是均匀量化的量化间隔 Δ \Delta Δ为固定值,量化噪声功率 N q = Δ 2 12 N_q=\frac{\Delta^2}{12} Nq=12Δ2固定不变。
这样,小信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求。通常,把满足信噪比要求的输入信号的取值范围定义为动态范围。
因此,均匀量化时输入信号的动态范围将收到较大的限制。
非均匀量化是一种在整个动态范围内量化间隔不相等的量化。
非均匀量化是根据输入信号的概率密度函数来分布量化电平,以改善量化性能。
量化电平必须集中在概率密度高的区域。在出现频率高的低幅度语音信号处,运用小的量化间隔,而在不经常出现的高幅度语音信号处,运用大的量化间隔。
实现非均匀量化的方法之一是把输入量化器的信号 x x x先进行压缩处理(非线性),再把压缩的信号 y y y进行均匀量化。
所谓压缩器就是一个非线性变换定路(常用对数量化器),微弱的信号被放大,强的信号被压缩。
通常使用的压缩器中,大多采用对数式压缩广泛采用的两种对数压扩特性是 μ \mu μ律压扩和 A A A律压扩,美国、日本和韩国等国家采用u压扩,我国和欧洲各国均采用A律压
在PCM中常用的二进制码型有三种:
为什么语音编码用折叠二进码?
因为语音这样的双极性信号,只要绝对值相同,则可以采用单极性编码的方法,使编码过程大大简化;在传输过程中出现误码,对小信号影响较小
逐次比较型编码器由极性判决(确定信号的极性)、整流器(变为单极性信号)、保持电路,比较器(核心:7次比较)及本地译码电路组成(译码的作用时把收到的PCM信号还原成相应的PAM样值信号,即进行D/A变换)。
本地译码:记忆电路(寄存)、7/11变换电路(非线性和线性地变换)和恒流源
由于PCM要用N位二进制代码表示一个抽样值,即一个抽样周期 T s T_s Ts内要编 N N N位码,因此每个码元宽度为 T s N \frac{T_s}{N} NTs,码位越多,码元宽度越小,占用带宽越大。
(1)码元速率
f b = f S log 2 M = f s N f_b=f_S\log_2M=f_sN fb=fSlog2M=fsN
(2)传输PCM信号所需的最小带宽
无码间串扰和采用理想低通传输特性时,所需最小传输带宽(奈奎斯特带宽):
B = R B 2 = N f s 2 = N f H B=\frac{R_B}{2}=\frac{Nf_s}{2}=Nf_H B=2RB=2Nfs=NfH
实际中用余弦滚降,所需传输带宽为:
B = ( 1 + α ) R B 2 = ( 1 + α ) N f H B=(1+\alpha)\frac{R_B}{2}=(1+\alpha)Nf_H B=(1+α)2RB=(1+α)NfH
若采用升余弦滚降,所需传输带宽为:
B = ( 1 + 1 ) R B 2 = R B = N f s B=(1+1)\frac{R_B}{2}=R_B=Nf_s B=(1+1)2RB=RB=Nfs
分析PCM的系统性能将涉及两种噪声:量化噪声;信道加性噪声。
由于这两种噪声的产生机理不同,故可认为他们是互相独立的。
(1)仅考虑量化噪声的系统性能
量化信噪比:
S o N q = M 2 = 2 2 N = 2 2 B f H \frac{S_o}{N_q}=M^2=2^{2N}=2^{\frac{2B}{f_H}} NqSo=M2=22N=2fH2B
(2)信道加性噪声的影响
误码率为:
P i = C n i P e P_i=C_n^iPe Pi=CniPe
通常只需要考虑仅有1位误码的码组错误
TIPS:自然码、均匀量化以及输入信号为均匀分布的前提下得到的
定义:用样点之间的差值的编码来代替样值本身的编码,可以在量化台阶不变的情况(即量化噪声不变),编码位数显著减少,信号带宽大大压缩。这种利用差值的PCM编码成为差分PCM(DPCM)。
如何实现:差分编码的一个好办法是根据前面的k个样值预测当前时刻的样值编码信号只是当前样值与预测值(前一个样值)之间的差值的量化编码。
优点:信号带宽减小、量化信噪比增加
改进方法(ADPCM):(语音信号动态范围较大,由于编码位数减少,信号带宽大大压缩)为了能在相当宽的变化范围获得最佳的性能,只有在DPCM基础上引入自适应系统。有自适应系统的DPCM成为自适应差分脉冲编码调制,简称ADPCM。
主要特点:自适应量化取代固定,自适应预测取代固定预测。
通过这两改进,可大大提高输出信噪比和编码动态范围。
PCM与增量调制的本质区别:
增量调制对于PCM的优点:
简单 Δ M \Delta M ΔM系统方框图
发送端编码器是:相减器、判决器(抽样定时)、脉冲发生器及积分器组成的一个闭环反馈电路
输入模拟信号 m ( t ) m(t) m(t)斜率陡变时,本地译码器输出信 m ′ ( t ) m'(t) m′(t)跟不上信号 m ( t ) m(t) m(t)的变化, m ( t ) m(t) m(t)与 m ′ ( t ) m'(t) m′(t)之间误差明显增大,引起译码后信号的严重失真,这种现象叫过载现象,产生的失真称为过载失真,或称过载噪声。
K = σ Δ t = σ ⋅ f s ∣ d m ( t ) d t ∣ max ≤ σ ⋅ f s K=\frac{\sigma}{\Delta t}=\sigma \cdot f_s\\ |\frac{dm(t)}{dt}|_{\max} \leq \sigma \cdot f_s K=Δtσ=σ⋅fs∣dtdm(t)∣max≤σ⋅fs
增大量阶,一般量化误差也大。
【简答】增量调制系统中的抽样速率为什么比PCM系统中的抽样速率高?
提高抽样速率 f s f_s fs对减小一般量化误差和减小过载噪声都有利。因此,系统中的抽样速率要比PCM系统中的抽样速率高的多。
编码的动态范围定义为:最大允许编码电平 A max A_{\max} Amax与最小编码电平 A min A_{\min} Amin之比
假设输入的模拟信号为 m ( t ) = A s i n ( ω k t ) m(t)=Asin(\omega_k t) m(t)=Asin(ωkt)
其斜率为:
d m ( t ) d t = A ω k c o s ( ω k t ) \frac{dm(t)}{dt}=A\omega_kcos(\omega_kt) dtdm(t)=Aωkcos(ωkt)
为了不发生过载失真
A ω k ≤ σ ⋅ f s A\omega_k \leq \sigma \cdot f_s Aωk≤σ⋅fs
则临界过载振幅为
A max = σ ⋅ f s ω k = σ ⋅ f s 2 π f k A_{\max}=\frac{\sigma \cdot f_s}{\omega_k}=\frac{\sigma \cdot f_s}{2\pi f_k} Amax=ωkσ⋅fs=2πfkσ⋅fs
增量调制系统的抗噪声性能——输出信噪比
接收端低通滤波器的截止频率为 f m f_m fm,则经低通滤波器后输出的量化噪声功率为:
N q = σ 2 f m 2 f s N_q=\frac{\sigma^2f_m}{2f_s} Nq=2fsσ2fm
Δ M \Delta M ΔM系统输出的量化噪声功率与量化台阶 σ \sigma σ及比值 f m f s \dfrac{f_m}{f_s} fsfm有关,而与输入信号幅度无关——未过载
量化信噪比:
S o N q ≈ 0.04 f s 3 f k 2 f m \frac{S_o}{N_q} \approx 0.04\frac{f_s^3}{f_k^2f_m} NqSo≈0.04fk2fmfs3
【结论】
本质区别:PCM是对样值本身编码, Δ M \Delta M ΔM是对相邻样值的差值的极性(符号)编码
(1)抽样速率
PCM系统:
抽样速率 f s f_s fs是根据抽样定理来确定。若信号哦最高频率为 f m f_m fm,则 f s ≥ 2 f m f_s \geq 2f_m fs≥2fm。对语音信号,取 f s = 8 k H z f_s=8kHz fs=8kHz
Δ M \Delta M ΔM系统:
传输不是不是信号本身的样值,而是信号的增量, f s f_s fs不能根据抽样定理来确定,在相同的信噪比的情况下,其远远高于PCM系统。
(2)带宽
PCM系统:
R B = N f s R_B=Nf_s RB=Nfs
Δ M \Delta M ΔM系统:
R B = f s R_B=f_s RB=fs
PCM系统的传码率为64kHz, Δ M \Delta M ΔM系统的传码率为100kHz。 Δ M \Delta M ΔM系统占用带宽比PCM系统宽
(3)量化信噪比
PCM系统:
S o N q = M 2 = 2 2 N ≈ 6 N ( d B ) \frac{S_o}{N_q}=M^2=2^{2N} \approx 6N(dB) NqSo=M2=22N≈6N(dB)
Δ M \Delta M ΔM系统:
S o N q ≈ 0.04 f s 3 f k 2 f m ≈ 10 lg [ 0.32 N 3 ( f m f k ) 2 ] ( d B ) \frac{S_o}{N_q} \approx 0.04\frac{f_s^3}{f_k^2f_m} \approx 10 \lg[0.32N^3(\frac{f_m}{f_k})^2](dB) NqSo≈0.04fk2fmfs3≈10lg[0.32N3(fkfm)2](dB)
在相同的信道带宽(即相同码元速率)下:
在码元速率较低时,增量调制性能优越(相比之下有编译码设备简单、量化信噪比高、抗误码特性好等优点);
在编码位数多,码元速率较高时,PCM性能优越。
PCM量化信噪比与编码位数N成线性关系;增量调制的量化信噪比与N成对数关系。
误码对PCM系统的影响要比增量调制系统严重些;PCM编码设备复杂,但质量较好;增量调制设备简单。但很少用。