通信技术基础 教学课件 作者鲜继清 第3章 信源数字化.ppt

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1、第3章信源数字化3.1引言3.2模拟信号的数字化3.3离散信源编码3.4传感器的数字化技术3.1引言现代通信已进入数字化时代，模拟通信越来越多地被先进的数字或数据通信所取代。但自然界很多信源是模拟形式的，如语音、图像（传真、电视）等，这些信源输出的原始电信号是在时间和幅度上均为连续的模拟信号；因此，要实现数字化传输和交换，首先要把模拟信号变成数字信号。也就是说，必须对信源输出的信息进行处理后才能在信道中有效传输。本章首先分析模拟信号的数字化原理，然后讨论对离散信源进行无失真信源编码的相关技术。最后简单介绍传感器的数字化技术。3.2模拟信号的数字化利用数字通信系统传输

2、模拟信号，首先需要在发送端把模拟信号数字化，即进行模/数变换；再用数字通信的方式进行传输；最后在接收端把数字信号还原为模拟信号，即进行数/模变换。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过程包括抽样、量化和编码3个步骤，由此构成的数字通信系统称为PCM通信系统，如图3-1所示。图3-1模拟信号的数字传输由图3-1可见，PCM主要包括抽样、量化和编码三个过程。抽样是把时间连续的模拟信号转换成时间离散但幅度仍然连续的抽样信号；量化是把时间离散、幅度连续的抽样信号转换成时间和幅度均离散的信号；编码是将量化后的信号编码形

3、成一个二进制码组输出。在具体实现上，编码与量化通常是同时完成的，换句话说，量化实际是在编码过程中实现的。国际标准化的PCM码组（电话语音）是八位码组代表一个抽样值。接收端的数/模变换包含了译码和低通滤波器两部分。译码是编码的反过程，它将接收到的PCM信号还原为抽样信号（实际为量化值，它与发送端的抽样值存在一定的误差，即量化误差）。低通滤波器的作用是恢复或重建原始的模拟信号。它可以看作是抽样的反变换。语音信号的数字化叫做语音编码，图像信号的数字化叫做图像编码，两者虽然各有特点，但基本原理是一致的。由于目前通信网中大量的业务为语音业务，故本节主要讨论语音信号的PCM编码

4、，并简要介绍语音和图像压缩编码的基本概念。3.2.1抽样定理所谓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序列的过程。1、低通信号抽样定理一个频带限制在（0，）内、时间连续的模拟信号，如果抽样频率≥，则可以通过低通滤波器由样值序列无失真地重建原始信号。这就是低通信号抽样定理。抽样与恢复的过程如图3-2所示。抽样器可以看作是相乘器，抽样过程相当于模拟信号对脉冲序列（载波）的调制过程，在收端，已抽样信号通过低通滤波还原成原来的模拟信号。图3-2抽样与恢复下面我们来证明低通抽样定理。设为低通模拟信号，抽样脉冲序列是一个周期性冲激函数，则抽样信号为（3.2-1）

5、式中的频谱为上式中，是抽样脉冲序列的基波角频率，为抽样间隔。根据频率卷积定理可得式（3.2-1）的频域表达式其中，为低通信号的频谱。上式表明，抽样后信号的频谱是无穷多个间隔为的相叠加而成。这就意味着中包含的全部信息。的频谱图如图3-3（f）所示。图3-3抽样定理的全过程频谱混叠现象如图3-4所示图3-4抽样频率时产生的混叠现象2、带通信号抽样定理带通信号的抽样定理指出：如果模拟信号是带通信号，频率限制在和之间，信号带宽，则其抽样频率满足带通信号的最低抽样频率3、模拟脉冲调制通常，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

6、制(PDM)和脉位调制(PPM)。其已调波形如图3-5所示。图3-5模拟脉冲调制3.2.2模拟信号的量化利用预先规定的有限个电平来表示模拟抽样值的过程称为量化。也就是说，量化是将取值连续的抽样变成取值离散的抽样，也就是对信号“分层”或“分级”的意思。量化的物理过程如图3-6所示。图3-6量化过程示意图我们将量化值（离散值）与抽样值（连续值）之间的误差称为量化误差，用表示。量化误差=

7、量化值－抽样值

8、=在衡量量化器性能时，单看绝对误差的大小是不够的，因为信号有大有小，同样大的量化噪声对大信号的影响可能不算什么，但对小信号却可能造成严重的后果，因此在衡量量化器性能时应看

9、信号功率与量化噪声功率的相对大小，用量化信噪比表示，即1、均匀量化若设输入信号的最小值和最大值分别用a和b表示,量化电平数为M，则均匀量化时的量化间隔为量化器输出为式中，表示第i个量化级的起始电平，；表示第i量化区间的量化电平，可表示为设模拟随机信号是均值为零，概率密度为的平稳随机过程，则信号功率为量化噪声功率为2、非均匀量化在实际应用中，非均匀量化的实现方法通常是采用压缩扩张技术，其特点是在发送端将抽样值进行压缩处理后再均匀量化，在接收端进行相应的扩张处理，采用压扩技术的PCM系统框图如图3-7所示。图3-7采用压扩技术的PCM系统框图在接收端将收到的相应信号