第4章模拟信号的数值化技术.pptVIP

第4章 模拟信号的数字化技术 重点： 理解模拟信号数值化的概念，包括采样、量化和编码过程； 掌握脉冲编码调制（PCM）和增量调制（△M）的基本原理和方法； 了解差分脉冲编码调制（DPCM） 主要内容 4.1 概述 4.2 采样 4.3 量化 4.4脉冲编码调制 4.5增量调制 4.6差分脉冲编码调制系统 4.1 概述 自然界中大部分信息是模拟信号；信源产生的和信宿接收的大部分也是模拟信号 数字通信系统具有模拟通信系统无可比拟的优越性，数字通信是今后发展主方向 A/D和D/A转换，奈斯特采样定理，模拟信号数字化，波形编码和参量编码。 波形编码：PCM（采样、量化和编码。）， △M 4.2 采样 模拟信号数字化：就是把时间上和幅度上都连续的模拟信号变换成时间上和幅度上都离散的数字信号。 1.采样的定义：对模拟信号在时间域上进行离散化的过程。 2.采样的过程：电子开关S的闭合和断开。 3.采样信号的数学表示 4.采样的分类： 根据采样过程中所使用的采样脉冲的不同。 理想采样：脉冲宽度τ足够小，趋于0 自然采样：在窄脉冲宽度τ持续期间，采样值随被采样信号的幅度变化 平顶采样：在τ期间，采样值不随被采样信号的幅度变化 5.采样定理 低通信号采样定理 奈斯特间隔：TN=1/2fH，最大采样间隔 奈斯特速率：fN=2fH，最小采样频率 4.3 量化 4.3.1 量化概述 1.量化的定义：是指对时间上离散、幅度上连续的样值信号在幅度取值上进行离散化的过程。 2.量化过程 确定量化范围 确定量化级数 确定量化电平 确定量化间隔（量化误差） 3.量化误差 两种量化取值的方法： 舍去（0.5，电路方便，实际电路常用） 四舍五入（1，电路复杂，理论分析常用） 量化误差（量化噪声）：随机产生，无法恢复，减小量化间隔来降低。 量化噪声的降低与信号数据量的减小是矛盾。 量化分为：均匀量化与非均匀量化 4.3.2 均匀量化：把输入信号的取值范围等间隔划分，所得量化间隔相等。 量化间隔△是个常数，量化噪声四舍五入时最大值0.5 △，舍去时最大值△。 通过减小量化间隔，能降低均匀量化的量化噪声。 绝对量化噪声来讲，均匀量化器对所有信号的量化噪声都是一样， 但相对量化噪声来讲，同样强度量化噪声对微弱信号的影响要比大幅度信号的影响大得多。 4.3.3 非均匀量化 1.非均匀量化的概念：为了使得大信号和小信号的信噪比比较接近，同时又不增加量化级，只能对大信号和小信号使用不同的量化间隔。大信号使用比较大的量化间隔，小信号使用比较小的量化间隔。 基本思想：△随信号幅度不同而不同，量化噪声对不同幅度的信号影响大致相同，以改善小信号的量化信噪比。 实现非均匀量化的方法：压缩器，均匀量化，扩张器。 压缩器：对大信号有比较小的放大倍数，对小信号有比较大的放大倍数（见图4-8） 扩张器：对大信号有比较大得放大倍数，对小信号有比较小的放大倍数（见图4-9） 2.A律和μ律压缩特性： 压缩特性采用对数压缩特性，分为μ律压缩和A律压缩。 μ律压缩： x，y分别为归一化输入和输出， μ为压缩系数， μ越大，压缩效果越好， μ为0时表示没有压缩，国际上通常取μ=255 A律压缩： Y= |x|≤1/A时，x为小信号， 1/A＜|x|≤1时x为大信号 3.A律13折线压缩特性： 实际通信设备中，常常采用折线来近似对数压缩特性曲线，有13折线A律压缩特性（A=87.6）和15折线μ律压缩特性（μ=255） A律13折的基本思想：是用13段折线逼近A=87.6的A律压缩特性。 划分13折线的具体方法： 把X（X0）划分为不均匀的8段， 把每段均匀划分为16等份 把y轴均匀划分为8段，每段均匀分为16份 X，Y轴相应段的交叉点连接起来，就有8段直线组成的折线。 正8段和负8段共16段，但正1、2和负1、2斜率相同，和为1段，少3段，就是13段折线。 压扩编码和线性编码相比，不仅缩短了编码位数，而且改变了信噪比特性，扩大了编码的动态范围。 非均匀量化相对均匀量化，两个优点： 输入信号非均匀分布时，其输出有比较高的平均信号量化噪声功率比 非均匀量化的量化噪声的强度基本上与信号采样值的幅度成比例关系，这就使得量化噪声对大信号和小信号的影响大致相同，从而改善了小信号的量化信噪比。 4.4 脉冲编码调制 脉冲编码调制过程：采样，量化后，得到离散信号，包含N个离散的量化电平值。编码是把N个离散信号变换为k位二进制数字信号（2k≥N），接收端用译码器再还原为离散信号。 编码就是用二进制或多进制表示量化电平值的过程。最常用的事二进制码组。 脉冲编码调制通过编码器来完成。 4.4.1 PCM通信系统 完整PCM通信系统的框图和波形：图4-12 信号的变