第9章 模拟信号的数字传输_20161130.ppt

通信原理 第9章 模拟信号的数字传输 9.1 引言 对于数字通信系统来说，如果输入是模拟信号，则在数字通信系统的信源编码部分需对输入的模拟信号进行数字化，或称为“模拟/数字”变换（A/D变换），将模拟输入信号变为数字信号。 模拟信号的数字传输方框图如下： 模拟信号的数字化过程包括三个步骤：抽样(sampling)、量化(quantization)和编码(coding) 9.1 引言 模拟信号的数字化三步骤 9.2 模拟信号的抽样 9.2.1 低通模拟信号的抽样定理 抽样过程可以看作是用周期性单位冲激脉冲和被抽样的模拟信号相乘。抽样结果得到的是一系列周期性的冲激脉冲。 9.2 模拟信号的抽样 9.2.1 低通模拟信号的抽样定理 抽样过程可以看作是用周期性单位冲激脉冲和被抽样的模拟信号相乘。抽样结果得到的是一系列周期性的冲激脉冲。 9.2 模拟信号的抽样 【问题】对低通模拟信号进行抽样，抽样间隔取多大？ 抽样值要能够完全代表原模拟信号，从而由这些离散的抽样值能够准确地恢复出原始模拟信号波形。 【抽样定理】设一个连续模拟信号m(t)频谱的最高频率为fH，则以间隔为T?1/(2fH )的周期性冲激脉冲对它抽样时，m(t)将被这些抽样值所完全确定。 9.2 模拟信号的抽样 【证明】设一个最高频率小于fH的信号m(t)，将m(t)与周期为T的单位冲激脉冲?T(t)相乘，得到抽样信号ms(t) 假设 则 9.2 模拟信号的抽样 Ms(f)是由M(f)在频率轴上平移nfs后进行叠加的结果。 由于m(t)的最高频率为fH，若抽样频率fs ? 2fH（间隔T?1/2fH ），则各个平移后的M(f﹣nfs)之间互不重叠。 可以用一个低通滤波器从中分离处信号m(t)的频谱M(f)，从而恢复原始信号m(t) 。 9.2 模拟信号的抽样 抽样定理告诉我们什么？ 抽样速率fs应不小于原信号最高频率fH的2倍。 最低抽样速率2fH称为奈奎斯特抽样速率。 最大抽样间隔T=1/ 2fH称为奈奎斯特抽样间隔。 如果抽样速率低于奈奎斯特抽样速率，则相邻周期的频谱间将发生频谱重叠(混叠)，因而将不能正确分离出原始信号频谱M(f)。 实际抽样速率的选取 由于 理想低通滤波器不可实现，实际应用中，抽样速率往往要选择的比 奈奎斯特抽样速率 2fH 大一些。 例如，典型电话信号的最高频率通常限制在3400Hz，而抽样速率通常采用8000Hz。 9.3 模拟脉冲调制 抽样定理中用冲激函数去抽样，但是理想的冲激脉冲在物理上不可实现，实际中用周期性窄脉冲代替冲激脉冲与模拟信号相乘。 9.3 模拟脉冲调制 设模拟基带信号的波形为m(t)，其频谱为M(f)。用一个周期性窄脉冲s(t) 对m(t) 抽样，得到抽样信号ms(t)。 设s(t)的周期为T，脉冲宽度为t，幅度为A，其频谱S(f)为 由于抽样信号ms(t)是m(t)与s(t)的乘积，即 则抽样信号ms(t)的频谱Ms(f)是两者频谱的卷积，即 9.3 模拟脉冲调制 周期性脉冲序列可看成是非正弦载波。这样，抽样可看作是用模拟信号对周期性的脉冲序列进行振幅调制。称为脉冲振幅调制(PAM)。 如果用模拟信号对周期性脉冲的 宽度 进行调制的话，称为 脉冲宽度调制(PDM)。 如果对其 位置 进行调制，则称为 脉冲位置调制(PPM)。 9.4 抽样信号的量化 9.4.1 量化原理 模拟信号抽样后变成 在时间上离散 的信号，但仍然是模拟信号，因此还需经过量化才成为数字信号。 设模拟信号的抽样值为m(kT)。若仅用 N 个不同的二进制数字码元来代表此抽样值的大小，则 N 个不同的二进制码元只能代表 M = 2N 个不同的抽样值。 因此，必须将抽样值的范围划分成 M 个区间（间隔），每个区间用一个电平表示。这样，共有M 个离散电平，它们称为量化电平。 用 M 个量化电平表示连续抽样值的方法称为量化 。 如果 M 个抽样区间是等间隔划分的，称为均匀量化 M 个抽样区间不均匀划分，称为非均匀量化。 9.4 抽样信号的量化 量化噪声与信号量噪比 量化噪声：量化输出电平和量化前信号的抽样值之间的误差。 信号量噪比：信号功率 与 量化噪声功率 之比。 对于给定的信号最大幅度，量化电平数越多，量化噪声越小，信号量噪比是衡量量化器的主要指标之一。 9.4 抽样信号的量化 9.4.2 均匀量化 1. 均匀量化的表示 设模拟信号的取值范围在 a 和 b 之间，量化电平数为 M，则在均匀量化时的量化间隔为 量化间隔的端点为 一般量化电平 qi 取为 量化间隔的中点，则 2. 均匀量化的平