1、 電力工程學(xué)院電力工程學(xué)院譚譚 陽陽模擬信號的數(shù)字傳輸模擬信號的數(shù)字傳輸-模擬信號數(shù)字化后，用數(shù)字通信方式模擬信號數(shù)字化后，用數(shù)字通信方式傳輸。傳輸。系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖: :研究重點：研究重點：模擬信號數(shù)字化（模擬信號數(shù)字化（A/D）及反過程（）及反過程（D/A）。）。抽樣抽樣量化量化編碼編碼3.13.1引引 言言通信系統(tǒng)：通信系統(tǒng)：模擬通信系統(tǒng)；數(shù)字通信系統(tǒng)。模擬通信系統(tǒng)；數(shù)字通信系統(tǒng)。 PCMPCM信號形成過程示意圖信號形成過程示意圖3.2 3.2 抽樣抽樣 所謂抽樣是把時間上連續(xù)的模擬信號變成所謂抽樣是把時間上連續(xù)的模擬信號變成一系列時間上離散的樣值序列的過程。一系列時間上離散的樣值序列的

2、過程。t00tt0f (t)y (t)k (t) 抽樣概念示意圖抽樣概念示意圖 抽樣抽樣：不斷地以固定的時間間隔采集模擬信號當(dāng)時的瞬時值。：不斷地以固定的時間間隔采集模擬信號當(dāng)時的瞬時值。當(dāng)開關(guān)處于閉合狀態(tài)，開關(guān)的輸出就是輸入，即當(dāng)開關(guān)處于閉合狀態(tài)，開關(guān)的輸出就是輸入，即y y( (t t)=)=f f( (t t) )，若開關(guān)處在斷開位置，輸出若開關(guān)處在斷開位置，輸出y y( (t t) )就為零。就為零。 一頻帶限制在一頻帶限制在(0, fH)赫內(nèi)的時間連續(xù)信號赫內(nèi)的時間連續(xù)信號m(t)，若以，若以fs2fH速率對速率對m(t)等間隔（等間隔（Ts1/fs1/2fH）抽樣，則）抽樣，則m(

3、t)將被將被所得抽樣函數(shù)所得抽樣函數(shù)ms(t)完全確定。完全確定。3.2.13.2.1抽樣定理抽樣定理模擬信號數(shù)字化的理論基礎(chǔ)。模擬信號數(shù)字化的理論基礎(chǔ)。3.1 3.1 低通型連續(xù)信號的抽樣低通型連續(xù)信號的抽樣1.1.抽樣定理抽樣定理 若抽樣速率若抽樣速率fsfs2f2fH H，則會產(chǎn)生失真，這種失真叫，則會產(chǎn)生失真，這種失真叫混疊失真混疊失真。2.2.混疊失真混疊失真條件：條件：Ts1/2fH,或或fs2fH時，沒必要傳送時，沒必要傳送m(t)本身，就可恢復(fù)本身，就可恢復(fù)m(t)。原原 理理抽樣脈沖：抽樣脈沖：T(t)周期為周期為Ts的沖激序列。理想抽樣。的沖激序列。理想抽樣。fs=2fH奈

4、奎斯特頻率；奈奎斯特頻率；Ts1/2fH奈奎斯特間隔奈奎斯特間隔。 理想抽樣信號波形及其頻譜理想抽樣信號波形及其頻譜 實際應(yīng)用中一般要留有一定的防衛(wèi)帶，取實際應(yīng)用中一般要留有一定的防衛(wèi)帶，取fsfs 2f 2fH H。例如。例如話音信號的最高頻率被限制在話音信號的最高頻率被限制在3400Hz3400Hz，抽樣頻率應(yīng)大于，抽樣頻率應(yīng)大于2 23400=6800Hz3400=6800Hz，為了留有一定防衛(wèi)帶，為了留有一定防衛(wèi)帶，ITU-TITU-T規(guī)定話音信號規(guī)定話音信號的抽樣頻率為的抽樣頻率為 fs=8000Hz， Ts=1/8000=125 s。 抽樣頻率越高，對防止抽樣頻率越高，對防止頻譜混

5、疊頻譜混疊越有利，但將使越有利，但將使總碼速率總碼速率增高增高，給傳輸帶來不便。，給傳輸帶來不便。抽抽 樣樣理想抽樣與信號恢復(fù)理想抽樣與信號恢復(fù)m (t)ms(t)T (t)(a )低 通濾 波 器ms(t)m (t)(b )問題：問題：模擬信號進(jìn)行抽樣以后，其抽樣值還是隨信號模擬信號進(jìn)行抽樣以后，其抽樣值還是隨信號幅度連續(xù)變化的。幅度連續(xù)變化的。當(dāng)這些連續(xù)變化的抽樣值通過噪聲當(dāng)這些連續(xù)變化的抽樣值通過噪聲信道傳輸時，接收端不能準(zhǔn)確地估計所發(fā)送的抽樣。信道傳輸時，接收端不能準(zhǔn)確地估計所發(fā)送的抽樣。措施：措施：發(fā)送端用預(yù)先規(guī)定的發(fā)送端用預(yù)先規(guī)定的有限個電平有限個電平來表示來表示抽樣值抽樣值，且且

6、電平間隔比干擾噪聲大電平間隔比干擾噪聲大，則接收端將有可能準(zhǔn)確的，則接收端將有可能準(zhǔn)確的估值所發(fā)送的抽樣。因此，有可能消除隨機噪聲的影估值所發(fā)送的抽樣。因此，有可能消除隨機噪聲的影響。響。模擬信號的量化模擬信號的量化定義：定義：用有限個電平表示模擬抽樣值的過程稱之用有限個電平表示模擬抽樣值的過程稱之為量化。為量化。抽樣：抽樣：時間連續(xù)信號時間連續(xù)信號時間離散信號；時間離散信號；量化：量化：幅度連續(xù)信號幅度連續(xù)信號幅度離散信號可用數(shù)幅度離散信號可用數(shù)字信號表示。字信號表示。分類：分類：均勻量化均勻量化基礎(chǔ)；基礎(chǔ)；非均勻量化非均勻量化實用。實用。模擬信號的量化模擬信號的量化均勻量化均勻量化抽樣值（

7、真值）抽樣值（真值）m(kTs)量化值量化值mq(kTs)M量化級量化級:(a,b)模擬信號模擬信號m(t)的取值域。的取值域。Mabv量化器輸出量化器輸出1()()qSiiSimkTqmm kTm，imaiv式中式中mi-第第i個量化區(qū)間的終點個量化區(qū)間的終點量化器的輸入信號的量化器的輸入信號的取值域按取值域按等距離分割等距離分割的量化。的量化。每個每個量化電平量化電平取在各區(qū)間的中點。取在各區(qū)間的中點。量化間隔量化間隔（量化臺階）：（量化臺階）：圖圖3-3-3 量化值與量化誤差量化值與量化誤差均勻量化均勻量化量化誤差量化誤差信號量噪比信號量噪比均勻量化均勻量化可見，量化噪聲功率可見，量化噪

8、聲功率與與v成正比，成正比，與輸入信號大小與輸入信號大小無關(guān)無關(guān)。12)()()(222vdxxfqxmmENaaqq量化噪聲功率量化噪聲功率02qSMN020lg20lg 26dNqdBSMNBNvkTmkTmsqs21)()(maxiqv21max 時相應(yīng)的量化值相對誤差 絕對誤差絕對誤差: :相對誤差相對誤差: :小信號時，大！小信號時，大！n 量化器的輸出信噪比隨量化電平數(shù)的增加而提高。量化器的輸出信噪比隨量化電平數(shù)的增加而提高。n 無論信號大小如何，量化間隔無論信號大小如何，量化間隔都相等，量化噪聲功率都相等，量化噪聲功率N Nq q固定不變。固定不變。n 因此因此小信號時的量化信噪

9、比太小，難以達(dá)到給定的要求；小信號時的量化信噪比太小，難以達(dá)到給定的要求；而大信號的量化信噪比較高。而大信號的量化信噪比較高。n 通常，把滿足信噪比要求的輸入信號的取值范圍定義為通常，把滿足信噪比要求的輸入信號的取值范圍定義為動動態(tài)范圍態(tài)范圍。因此，均勻量化時輸入信號的動態(tài)范圍將受到較。因此，均勻量化時輸入信號的動態(tài)范圍將受到較大的限制。大的限制。均勻量化的特點均勻量化的特點非均勻量化非均勻量化好處：好處： 改善了小信號時的量化信噪比；改善了小信號時的量化信噪比； 輸入信號具有非均勻分布的輸入信號具有非均勻分布的 pdf 時時 ( (實際中，小信號實際中，小信號出現(xiàn)的概率大），可得到較高的平均

10、信號量化噪聲功率比。出現(xiàn)的概率大），可得到較高的平均信號量化噪聲功率比。實現(xiàn)方法：實現(xiàn)方法：將抽樣值先壓縮，再進(jìn)行均勻量化。在收端，相應(yīng)將抽樣值先壓縮，再進(jìn)行均勻量化。在收端，相應(yīng)地加有擴張器。地加有擴張器。模型：模型： 出發(fā)點：出發(fā)點：m(t)小時小時，v亦小；量化誤差亦小；量化誤差 m(t)大時，大時，v(量化間隔）量化間隔）亦大。亦大。2壓縮器的作用：壓縮器的作用：相當(dāng)于相當(dāng)于非線性放大器；非線性放大器；壓大補小壓大補小”如對數(shù)型特性。如對數(shù)型特性。擴張器的作用：擴張器的作用：特性與特性與壓縮器相反。壓縮器相反。結(jié)果：結(jié)果：提高小信號的提高小信號的Sq/Nq，減小大信號的減小大信號的Sq

11、/Nq；輸入；輸入動態(tài)范圍變大。動態(tài)范圍變大。 廣泛采用兩種廣泛采用兩種對數(shù)壓縮律對數(shù)壓縮律:壓縮律（美國）壓縮律（美國） A壓縮律壓縮律（中國、歐洲）（中國、歐洲）非均勻量化非均勻量化壓縮與擴張示意圖壓縮與擴張示意圖A A律壓擴特性律壓擴特性在實用中，選擇在實用中，選擇A A等于等于87.6 87.6 A A律壓縮律壓縮特性可用特性可用1313折線來折線來近似。近似。 式中式中A A為壓縮系數(shù)，表示為壓縮系數(shù)，表示壓縮程度。壓縮程度。 A A1 1時，時，y=xy=x，為，為無壓縮即均勻量化情況。無壓縮即均勻量化情況。A A值值越大，在小信號處斜率越大，越大，在小信號處斜率越大，對提高小信號

12、信噪比越有利。對提高小信號信噪比越有利。 1、模擬壓縮特性模擬壓縮特性-（A87.6/13PCM30/32路）路） （1 1）A A律律1313折線折線y均勻分均勻分8段。段。x非均分非均分8段，段，斜率：斜率： 1213456781/81/816,161/1281/1281/81/88,4,21/641/32111,24kkkkkkkkk13折線折線總段數(shù)總段數(shù)16。 13折線和折線和A律（律（A=87.6）曲線十分逼近。曲線十分逼近。2. 數(shù)字壓縮特性數(shù)字壓縮特性 v vi i不同：不同：每一段再做每一段再做16等等分量化（每一段分分量化（每一段分16個量化個量化級）。級）。最小量化間隔最

13、小量化間隔量化量化單位：單位：min1/1281162048v例：例：1/2可表示為可表示為1024，12048 ）。）。2. 數(shù)字壓縮特性數(shù)字壓縮特性（1 1）A A律律1313折線折線三、編碼三、編碼 編碼是用一定位數(shù)的二進(jìn)制碼元組合成不同的碼字來表編碼是用一定位數(shù)的二進(jìn)制碼元組合成不同的碼字來表示量化后的樣值。示量化后的樣值。1、線性編碼、線性編碼 對應(yīng)于均勻量化特性的編碼叫做線性編碼，如圖對應(yīng)于均勻量化特性的編碼叫做線性編碼，如圖3-9中，中，設(shè)量化級數(shù)為設(shè)量化級數(shù)為N8，則用，則用3位二進(jìn)制碼位二進(jìn)制碼a1a2a3表示（其中：表示（其中：a1為極性碼）。為極性碼）。圖圖3-9 編碼的

14、過程編碼的過程A A律律1313折線碼字安排折線碼字安排yx11/21/41/81/161/321/641/128 17/86/85/84/83/82/81/8 1 2345 678C5 C6 C7 C8C2 C3 C4C1段內(nèi)碼段落碼幅度碼極性碼碼位安排碼位安排每一量化段均勻分為每一量化段均勻分為16等分等分10248512725661285644323162161個數(shù)個數(shù)段號段號各各段段包包含含最最小小量量化化級級 的的個個數(shù)數(shù)正為正為1負(fù)為負(fù)為0 8 8 個非均個非均勻量化段勻量化段每段內(nèi)每段內(nèi)16個個均勻量化級均勻量化級2、非線性編碼、非線性編碼表表3-3-2 13折線折線A律編碼的電

15、平范圍及其段落碼列表律編碼的電平范圍及其段落碼列表段內(nèi)碼編碼規(guī)則：段內(nèi)碼編碼規(guī)則：段內(nèi)量化級序號段內(nèi)量化級序號段內(nèi)碼段內(nèi)碼c5 c6 c7 c8段內(nèi)量化級序號段內(nèi)量化級序號段內(nèi)碼段內(nèi)碼c5 c6 c7 c870 1 1 1151 1 1 160 1 1 0141 1 1 050 1 0 1141 1 0 140 1 0 0121 1 0 030 0 1 1111 0 1 120 0 1 0101 0 1 010 0 0 191 0 0 100 0 0 081 0 0 0目的：目的：將數(shù)字基帶信號變成適于信道傳輸?shù)臄?shù)字頻帶信號，將數(shù)字基帶信號變成適于信道傳輸?shù)臄?shù)字頻帶信號，用載波調(diào)制方式進(jìn)行傳輸

16、。用載波調(diào)制方式進(jìn)行傳輸。同于模擬，匹配。同于模擬，匹配。載波選取：載波選取：高頻正弦波。高頻正弦波。調(diào)制信號：調(diào)制信號：數(shù)字、離散。數(shù)字、離散。原理：原理：同于模擬，但特殊：高頻載波的離散狀態(tài)攜帶信息。同于模擬，但特殊：高頻載波的離散狀態(tài)攜帶信息。數(shù)字調(diào)制可以看成是模擬線性調(diào)制和角調(diào)制的特殊情數(shù)字調(diào)制可以看成是模擬線性調(diào)制和角調(diào)制的特殊情況。況。 引引 言言分類：分類：數(shù)字幅度調(diào)制幅度鍵控（數(shù)字幅度調(diào)制幅度鍵控（ASK）；）； 數(shù)字頻率調(diào)制頻移鍵控（數(shù)字頻率調(diào)制頻移鍵控（FSK）；）； 數(shù)字相位調(diào)制相移鍵控（數(shù)字相位調(diào)制相移鍵控（PSK）。）。 分別對應(yīng)于用正弦波的幅度、頻率和相位來傳分別對

17、應(yīng)于用正弦波的幅度、頻率和相位來傳遞數(shù)字基帶信號。遞數(shù)字基帶信號。特別：特別：調(diào)制信號為二進(jìn)制數(shù)字信號時，相應(yīng)的調(diào)制調(diào)制信號為二進(jìn)制數(shù)字信號時，相應(yīng)的調(diào)制稱為二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制。稱為二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制。在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，載波在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，載波的幅度、頻率或相位只有兩種變化狀態(tài)。的幅度、頻率或相位只有兩種變化狀態(tài)。 引引 言言二進(jìn)制幅度鍵控二進(jìn)制幅度鍵控（2ASK） 幅度鍵控（幅度鍵控（ASK）屬于數(shù)字幅度調(diào)制，二進(jìn)制調(diào)制時記）屬于數(shù)字幅度調(diào)制，二進(jìn)制調(diào)制時記作作2ASK。 1. 定義：定義：2ASK是利用代表數(shù)字信息是利用代表數(shù)字信息“0”或或“1”的基帶矩形的基帶矩形脈沖去鍵控一個連續(xù)的載波

18、，使載波脈沖去鍵控一個連續(xù)的載波，使載波時斷時續(xù)時斷時續(xù)地輸出。有載地輸出。有載波輸出時表示發(fā)送波輸出時表示發(fā)送“1”，無載波輸出時表示發(fā)送，無載波輸出時表示發(fā)送“0”。波形：波形：“1”通通/ /fc，“0”斷斷/ /0。OOK信號信號一般原理與實現(xiàn)方法一般原理與實現(xiàn)方法 2. 2ASK信號時域表達(dá)式：信號時域表達(dá)式：其中，其中，s(t)為單極性為單極性NRZ矩形脈沖序列：矩形脈沖序列： 3. 2ASK信號的產(chǎn)生方法（調(diào)制方法）信號的產(chǎn)生方法（調(diào)制方法）模擬法；鍵控法。模擬法；鍵控法。 問：問：2ASK調(diào)制屬于調(diào)制屬于DSB調(diào)制？調(diào)制？OOK二進(jìn)制頻移鍵控（二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK2FSK）

19、2FSK調(diào)制原理與實現(xiàn)方法調(diào)制原理與實現(xiàn)方法 1.1.定義：定義：頻移鍵控（頻移鍵控（FSK）屬于數(shù)字頻率調(diào)制，是用載）屬于數(shù)字頻率調(diào)制，是用載波的頻率不同來傳送數(shù)字消息，即用所傳送的數(shù)字消息控制波的頻率不同來傳送數(shù)字消息，即用所傳送的數(shù)字消息控制載波的頻率。載波的頻率。 二進(jìn)制頻移鍵控記作二進(jìn)制頻移鍵控記作2FSK，此時，此時 “1” f1 “0” f22.2.2FSK信號的產(chǎn)生方法（調(diào)制方法）信號的產(chǎn)生方法（調(diào)制方法）模擬法；鍵控法。模擬法；鍵控法。 圖中，圖中，s(t)為二進(jìn)制矩形脈沖序列。為二進(jìn)制矩形脈沖序列。模擬調(diào)頻法：模擬調(diào)頻法：利用矩形脈沖序列對載波進(jìn)行調(diào)頻。利用矩形脈沖序列對載

20、波進(jìn)行調(diào)頻。VCO鍵控法：鍵控法：利用受矩形脈沖序列控制的開關(guān)電路對兩個不同的利用受矩形脈沖序列控制的開關(guān)電路對兩個不同的獨立頻率源進(jìn)行選通。獨立頻率源進(jìn)行選通。 “1” f1 ; “0” f2（1）波形特點）波形特點 “1” f1 ; “0” f2特點：特點：基帶信號基帶信號s(t)為單極性為單極性NRZ信號；信號；一路一路2FSK信號可視為兩路信號可視為兩路2ASK信號的之合成！信號的之合成！3.3.2FSK信號表達(dá)式信號表達(dá)式2FSK信號表達(dá)式信號表達(dá)式其中其中: :基帶信號表達(dá)式基帶信號表達(dá)式（單極性單極性NRZ）分別是第分別是第n個信號碼元的初相位。個信號碼元的初相位。 （2）時域表

21、達(dá)式）時域表達(dá)式6.4 6.4 二進(jìn)制相移鍵控二進(jìn)制相移鍵控 相移鍵控屬于數(shù)字相位調(diào)制又稱，是利用高頻載波相位的變相移鍵控屬于數(shù)字相位調(diào)制又稱，是利用高頻載波相位的變化來傳送數(shù)字信息的。二進(jìn)制相移鍵控記作化來傳送數(shù)字信息的。二進(jìn)制相移鍵控記作2PSK。 根據(jù)載波相位表示數(shù)字信息的方式不同，數(shù)字調(diào)相分為絕對根據(jù)載波相位表示數(shù)字信息的方式不同，數(shù)字調(diào)相分為絕對相移（相移（PSK）和相對相移（）和相對相移（DPSK）兩種。）兩種。6.4.1 6.4.1 二進(jìn)制相移鍵控二進(jìn)制相移鍵控（2PSK） 1. 1. 一般原理及實現(xiàn)方法一般原理及實現(xiàn)方法 （1 1）定義）定義 絕對相移：絕對相移：利用載波的相位

22、（初相）直接表示數(shù)字信號利用載波的相位（初相）直接表示數(shù)字信號的相移方式。的相移方式。 相位選擇原則：相位選擇原則：易于實現(xiàn)；相位間距盡可能大。二進(jìn)制易于實現(xiàn)；相位間距盡可能大。二進(jìn)制相移鍵控中：相移鍵控中：A方式：方式：0和和；B方方式：式：/2和和-/2。（2）時域表達(dá)式時域表達(dá)式A方式方式2PSK已調(diào)信號的已調(diào)信號的時域表達(dá)式時域表達(dá)式為為（6.4-1） 其中：與其中：與2ASK及及2FSK時不同，時不同， s(t)為雙極性為雙極性NRZ基帶信號：基帶信號：注：注：此處之所以可以把相位攜帶信息的此處之所以可以把相位攜帶信息的2PSK信號寫成式（信號寫成式（6.4-1）所示的幅度調(diào)制形式，是因為在任一個碼元持續(xù)時間所示的幅度調(diào)制形式，是因為在任一個碼元持續(xù)時間Tb內(nèi)，有內(nèi)，有問：問：2PSK調(diào)制也是調(diào)制也是AM調(diào)制？調(diào)制？ 二進(jìn)制相移鍵控二進(jìn)制相移鍵控（2PSK） （6.4-1） 討論：討論： 不難看出，由于不難看出，由于s(t)的均值為的均值為0，所以，所以2PSK屬于屬于DSB調(diào)調(diào)制制! 相位調(diào)制本質(zhì)上是一種非線性調(diào)制，但在數(shù)字調(diào)相中，相位調(diào)制本質(zhì)上是一種非線性調(diào)制，但在數(shù)字調(diào)相中，由于表征信息的相位變化只有有限的離散取值，因此，可以由于表征信息的相位變化只有有限的離散取值，因此，可以把相位變化歸結(jié)為幅度變化把相位變化歸結(jié)為幅