通信原理 (2)

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1、第四章模拟信号的数字传输4.1引言4.2抽样4.3量化4.4编码4.5脉冲编码调制系统4.6语音压缩编码4.7图像压缩编码4.1引言模/数变换的方法采用得最早而且目前应用得比较广泛的是脉冲编码调制(PCM)。它对模拟信号的处理具体包括抽样、量化和编码三个步骤，由此构成的数字通信系统称为PCM通信系统，如图4-1所示。通过PCM编码后得到的数字基带信号可以直接在系统中传输（即基带传输）；也可以将基带信号的频带搬移到适合光纤、无线信道等传输频带上再进行传输（即频带传输）。数字信号的基带传输和频带传输将分别在第5章和第6

2、章中介绍。图4-1PCM通信系统原理图由图4-1可见，PCM基带传输系统由以下三部分组成。1、模/数变换（A/D变换）模/数变换包含抽样、量化和编码三个步骤。（1）抽样是指把模拟信号在时间上离散化，变成抽样信号。（2）量化是指把抽样信号在幅度上离散化，变成有限个量化电平。（3）编码是指用二进制码元来表示有限个量化电平。PCM信号形成的过程如图4-2所示，由图可见，经过抽样、量化、编码三个步骤，将一个时间和幅值都连续变化的模拟信号变换成了二进制数字序列，即PCM信号。4.2抽样所谓抽样是把时间上连续的模拟信号变成一系

3、列时间上离散的样值序列的过程，如图4-3所示。图4-3抽样的输入与输出4.2.1低通信号与带通信号的理想抽样图4-4理想抽样的原理图一、低通信号的抽样定理图4-5理想抽样信号波形及其频谱图4-6抽样的恢复图4-7混叠现象[例4.2.1]宽平稳随机信号的抽样定理二、带通信号的抽样定理图4-8带通信号的最小抽样频率4.2.2实际抽样抽样定理中要求的抽样脉冲序列是理想冲激脉冲序列，称为理想抽样。但是，实际上真正的冲激脉冲串并不能实现，通常只能采用窄脉冲串来实现。第3章中讨论的模拟调制是以正弦信号作为载波。然而，正弦信号并

4、非是唯一的载波形式，时间上离散的脉冲串同样可以作为载波。脉冲调制就是以时间上离散的脉冲串作为载波，用基带信号去控制脉冲串的某个参量，使其按的规律变化的调制方式。通常，按基带信号改变脉冲参量（幅度、宽度和位置）的不同，脉冲调制分为脉幅调制(PAM)、脉宽调制(PDM)和脉位调制(PPM)。如果用模拟信号去改变脉冲参量，虽然在时间上是离散的，但是仍然是模拟调制，因为其代表信息的参量仍然是连续变化的。三种模拟脉冲调制信号波形如图4-9所示。图4-9PAM、PDM、PPM信号波形一、自然抽样图4-10自然抽样信号及其频谱比

5、较理想抽样和自然抽样的异同二、平顶抽样平顶抽样又称为瞬时抽样，从波形上看，它与自然抽样的不同之处在于抽样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，如图4-11（a）所示。在实际应用中，平顶抽样信号采用脉冲形成电路（也称为“抽样保持电路”）来实现，得到顶部平坦的矩形脉冲。平顶抽样PAM信号在原理上可以看作由理想抽样和脉冲形成电路产生，如图4-11（b）所示。图4-11平顶抽样信号与产生原理图4-12平顶抽样信号的恢复4.3量化抽样信号在时间上是离散的，但它的幅度是连续的，在一定

6、范围内可取任意值，有限位的数字信号不可能精确地表示它。而实际上也没有必要精确地等于它，因为信号在传送过程中存在的噪声会掩盖信号的微弱变化，而且接收信号的最终器官——耳朵（对声音而言）和眼睛（对图像而言）区分信号细微变化的灵敏度也是有限的。因此将PAM信号转换成PCM信号之前，将幅度连续的PAM信号利用预先规定的有限个量化值（量化电平）来表示，这个过程叫“量化”。如图4-13所示。图4-13量化的输入和输出4.3.1均匀量化把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化。设均匀等分为个间隔，称为量化级数或量化电平数

7、。量化间隔（或量化阶距）取决于输入信号的变化范围和量化级数。在均匀量化中，每个量化区间的量化电平通常取在各区间的中点。通过量化，无穷多个幅度的取值变成了有限个量化电平。图4-14量化过程及量化误差4.3.2非均匀量化非均匀量化根据信号的不同区间来确定量化间隔，即量化间隔与信号的大小有关。当信号幅度小时，量化间隔小，其量化误差也小；当信号幅度大时，量化间隔大，其量化误差也大。实现非均匀量化的方法有两种：模拟压扩法和直接非均匀编解码法。它们在原理上是等效的，但是从理论分析角度来看，前者简便，而在实际应用中通常采用后者，

8、因此下面先介绍模拟压扩法，再介绍直接非均匀编解码法。一、模拟压扩法模拟压扩法中非均匀量化的实现方法通常是将抽样值通过压缩后再进行均匀量化。也就是说，在发送端，抽样信号首先经过压缩器处理，然后进行均匀量化，最后进行编码。在接收端，为了还原，解码后送入扩张器恢复原始信号。模拟压扩法的方框图如图4-15所示。图4-15非均匀量化的模拟压扩法压缩器和扩张器的特性刚好