精品课件-通信原理(第二版)(黄葆华)-第6章

第6章 模拟信号的数字传输
图6.1.1 模拟信号的数字传输系统
第6章 模拟信号的数字传输
电话业务是最早发展起来的，到目前还依然在通信中占有最 大的业务量，所以语音信号的数字化(通常称为语音编码)在模拟 信号的数字化中占有重要的地位。现有的语音编码技术大致可分 为波形编码和参量编码两类。波形编码是直接把时域波形变换为 数字代码序列，数据速率通常在16~64 kb/s范围内，接收端重建 信号的质量好。参量编码是利用信号处理技术，提取语音信号的 特征参量，再将它们变换为数字代码，在接收端用这些特征参数 去控制语音信号的合成电路，合成出发送端发送的语音信号。其 数据速率在16 kb/s以下，最低可达1 kb/s左右，但接收端重建信
(3) 如果满足上述三点，m(t)
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下面我们从频域对取样定理进行证明，从而进一步理解取
设Ts (t)
为周期性冲激脉冲序列，其周期为Ts； ms(t)
为取样的信号，根据取样过程，有
ms (t) m(t) Ts (t)
(6-2-1)
式(c中)所，示m(。t那)、么图Ts (6t.)2.3(c)所示、的ms(样t)值分序别列如中图是6.否2.包3(含a)有、原(b信)、号
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图6.2.3 取样过程的时间函数和对应的频谱图
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由上述分析可知，为使取样后的信号中包含原模拟信号的全 部信息，或者说为了能从取样后信号的频谱Ms(f)中恢复M(f)， 取样频率必须大于或等于信号最高频率的2倍，即fs≥2fH。通常 称fs=2fH为奈奎斯特速率，它是取样的最低速率；称Ts=1/fs为奈
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2. 实际的取样和信号恢复与理想情况有一定差距，需注意以下
(1) 理想取样时的取样函数 Ts (t) 是周期性冲激脉冲序列，
但在实际应用中，这是不可能实现的。因此，一般都用高度有限， 宽度很窄的脉冲代替。当窄脉冲的宽度远小于其周期Ts时，可近似
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6.2 脉冲编码调制(PCM)
脉冲编码调制(PCM)是波形编码中最重要的一种。PCM在光纤通 信、数字微波通信、卫星通信中均获得了极为广泛的应用。
图6.2.1是采用PCM的模拟信号数字传输系统，以后简称为PCM 系统。PCM包括取样、量化和编码三个步骤：取样是把在时间上连 续的模拟信号m(t)转换成一系列时间上离散的取样值；量化是把幅 度上连续的模拟信号转换成幅度上离散的量化信号；编码是把时间 离散且幅度离散的量化信号用若干位二进制表示，由此得到的二进 制序列称为PCM信号。PCM信号经数字通信系统传输到达接收端，接 收端对它们进行适当的分组，重建量化值，然后经低通滤波器，便 可得到重建信号m′(t)
m(t)
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将式(6-2-1)两边进行傅氏变换得到
M s ( f ) M ( f ) Ts ( f )
我们知道周期冲激序列Ts (的f 频) 谱T1为s n
(
f
nfs )
(6-2-2)
将式(6-2-3)代入式(6-2-2)，得到取样后信号的频谱为 (6-2-3)
M s ( f
)
1 Ts
M(f
n
nfs )
(6-2-4)
式(6-2-4)说明：取样后信号的频谱Ms(f )是由无穷多个间隔
为如f图s的6.T21s.3M(d()f、)频(e谱)、叠(加f 而) 成的。M(f)、Ts ( f ) 、 Ms(f )频谱
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从图6.2.3(f) (1) 当fs≥2fH时，Ms(f)中周期重复出现的M(f)频谱之间不 会产生混叠，此时我们可利用低通滤波器很方便地从Ms(f)中滤波 出M(f)频谱(低通滤波器传输特性如图6.2.3中虚线所示)，从而 恢复出原模拟信号m(t) (2) 但当fs<2fH时，Ms(f)中周期重复出现的M(f)频谱之间会 产生混叠，如图6.2.4所示。此时已无法从Ms(f)中提取出M(f)频 谱，所以也就无法恢复原模拟信号m(t)
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图6.2.2 取样、量化及编码过程
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6.2.1 1. 低通信号的取样定理：一个频带限制在0~fH内的连续信号
m(t)，如果取样速率fs大于或等于2fH，则可以由样值序列 {m(nTs)}无失真地重建原始信号m(t)
(1) m(t)是低通信号，最高频率为fH (2) 取样速率fs≥2fH，fs的单位为次/秒，有时fs也被称为
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图6.2.1 PCM系统原理框图
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取样、量化及编码过程如图6.2.2所示。设取样间隔为Ts，即 每隔Ts对信号取样一次，得到一个取样值。又设模拟信号的变化 范围为-4 V~4 V，将此范围等间隔分成8个区间，正、负电压方向 各4个区间(如图6.2.2中v－t图中实线所示)，将每个区间的中间 电压值设置为量化电平(如图6.2.2中v－t图虚线所示)，共有8个 量化电平。每个量化电平用3位二进制表示，第一位表示量化电平 的极性，正用“1”表示，负用“0”表示；后二位表示量化电平 的绝对值。这样，每个取样值经量化、编码后都可表示成3位二进 制信号。如在t=0时刻对模拟信号取样，得到取样值 -3.3 V，最接近它的量化电平是-3.5 V，将取样值-3.3 V量化为 -3.5 V，由于量化电平-3.5 V的代码是011，所以，取样值经量化、 编码后可用011来表示。由此可见，模拟信号经取样、量化及编码
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6.1 引言 6.2 脉冲编码调制(PCM) 6.3 增量调制(ΔM) 6.4 时分复用(TDM) 本章小结 习题
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6.1 引 言
数字通信系统有许多优点，然而很多原始信号都是模拟信 号，如语音信号、图像信号、温度、压力等传感器的输出信号， 它们在时间和幅度上通常都是连续的，要想在数字通信系统上传 输模拟信号，就必须将模拟信号转换成数字信号。这种模拟信号 经过数字化后在数字通信系统中的传输，称为模拟信号的数字传 输，相应的系统称为模拟信号的数字传输系统，如图6.1.1所示。