武汉理工大学：《通信原理》课程教学资源（课件讲稿）第5章 模拟信号数字化

C第5章模拟信号数字化本节课主要内容：5.1概述5.2脉冲编码调制PCM5.3模拟信号的抽样5.4抽样信号的量化5.5量化信号的编码5.6PCM系统的抗噪声性能5.7差分脉冲编码调制DPCM5.8增量调制DM5.9PCM信号的时分复用和复接5.10顿同步2014/7/15

2014/7/15 2 2014/7/15 2 第5章 模拟信号数字化 本节课主要内容： 5.1 概述 5.2 脉冲编码调制PCM 5.3 模拟信号的抽样 5.4 抽样信号的量化 5.5 量化信号的编码 5.6 PCM系统的抗噪声性能 5.7 差分脉冲编码调制DPCM 5.8 增量调制DM 5.9 PCM信号的时分复用和复接 5.10 帧同步 2

C5.1概述数字通信系统具有模拟通信系统无可比拟的优越性，已成为主要的通信方式。通信信息源，无论是日常的语音、图像和视频信号，还是其它通过采集得到的各种信号，通常都是模拟信号。模拟信号若要通过数字通信系统传输，需要将其转换为数字信号，即A/D转换。在接收端，再还原为模拟信号，即D/A转换，从而实现模拟信号的数字传输。本章重点放在模拟信号和数字信号之间的转换问题，主要针对的是PCM电话通信系统。2014/7/15

2014/7/15 3 2014/7/15 3 数字通信系统具有模拟通信系统无可比拟的优越性，已 成为主要的通信方式。 通信信息源，无论是日常的语音、图像和视频信号，还 是其它通过采集得到的各种信号，通常都是模拟信号。 模拟信号若要通过数字通信系统传输，需要将其转换为 数字信号，即A/D转换。在接收端，再还原为模拟信号，即 D/A转换，从而实现模拟信号的数字传输。 本章重点放在模拟信号和数字信号之间的转换问题，主 要针对的是PCM电话通信系统。 3 5.1 概述

G5.2脉冲编码调制PCM5.2.1PCM系统模型PCM（Pulse Code Modulation）即脉冲编码调制，是一种将时间连续、取值连续的模拟信号变换成时间离散、抽样值离散的数字信号的过程。PCM系统包括编码器和译码器两部分，系统模型：模拟信号模拟信号输入抽样保持量化器编码器数字信道译码器低通滤波器输出周期冲激序列PCM译码器PCM编码器2014/7/15

2014/7/15 4 2014/7/15 4 5.2.1 PCM系统模型 PCM（Pulse Code Modulation）即脉冲编码调制，是一 种将时间连续、取值连续的模拟信号变换成时间离散、抽样 值离散的数字信号的过程。 PCM系统包括编码器和译码器两部分，系统模型： 4 5.2 脉冲编码调制PCM 抽样保持 量化器 编码器 数字信道 译码器 低通滤波器 周期冲激序列 模拟信号 输入 模拟信号 输出 PCM编码器 PCM译码器

C5.2.1PCM系统模型抽样是把模拟信号由时间上连续的信号变成时间上离散的信号。语音信号，其频带范围是300～3400Hz，抽样频率选择8kHz。量化是将抽样得到的幅度瞬时值离散化的过程，即将连续的瞬时抽样值近似为离散的电平值，以便对量化后的信号进行编码。编码是用二进制码组去表示每一个量化电平。若编码后二进制码组的位数用表示，则可以表示的量化电平数为个。通常量化和编码可以同时完成。2014/7/15

2014/7/15 5 2014/7/15 5 抽样是把模拟信号由时间上连续的信号变成时 间上离散的信号。语音信号，其频带范围是300～ 3400Hz，抽样频率选择8kHz。 量化是将抽样得到的幅度瞬时值离散化的过程， 即将连续的瞬时抽样值近似为离散的电平值，以便 对量化后的信号进行编码。 编码是用二进制码组去表示每一个量化电平。 若编码后二进制码组的位数用 表示，则可以表示的 量化电平数为 个。 通常量化和编码可以同时完成。 5 5.2.1 PCM系统模型

C5.2.2PCM术语说明DSB、SSB、VSB和FM等，它们都是以余弦或正弦波作为载波信号，统称为余弦载波实际上还有一类应用非常广泛的脉冲载波信号：它是周期性的矩形脉冲序列。若对脉冲幅度进行调制，称为PAM-PulseAmplitude Modulation。若对脉冲宽度进行调制，称为PDM-PulseDuration Modulation或PWM-Pulse Width Modulation若对脉冲相位（即脉冲的位置）进行调制，称为PPM (Pulse Position Modulation) 。三种已调信号都属模拟调制2014/7/15

2014/7/15 6 2014/7/15 6 DSB、SSB、VSB和FM等，它们都是以余弦或正 弦波作为载波信号，统称为余弦载波。 实际上还有一类应用非常广泛的脉冲载波信号， 它是周期性的矩形脉冲序列。 若对脉冲幅度进行调制，称为PAM-Pulse Amplitude Modulation。 若对脉冲宽度进行调制，称为PDM-Pulse Duration Modulation或PWM-Pulse Width Modulation。 若对脉冲相位（即脉冲的位臵）进行调制，称为 PPM（Pulse Position Modulation）。 三种已调信号都属模拟调制。 6 5.2.2 PCM术语说明

C5.2.2PCM术语说明(a）模拟基带信号(b）PAM信号(c）PDM信号平顶PAM信号波形图Inn(d）PPM信号模拟脉冲调制波形图

2014/7/15 7 2014/7/15 7 5.2.2 PCM术语说明 (a) 模拟基带信号 (b) PAM信号 t t t t (c) PDM信号 (d) PPM信号 t 模拟脉冲调制波形图 平顶PAM信号波形图

C5.2.3PCM系统的奈奎斯特带宽对一路模拟信号而言，在抽样周期内完成抽样、量化和编码在前后两个抽样周期之间还留有大片的时间间隙，这些时间间隙是可以用来处理其它通道的模拟信号。以时间作为分割参量，使对各路信号的处理与传输在时间轴上互不重叠的方式称为时分复用2014/7/15

2014/7/15 8 2014/7/15 8 对一路模拟信号而言，在抽样周期内完成抽样 、量化和编码。 在前后两个抽样周期之间还留有大片的时间间 隙，这些时间间隙是可以用来处理其它通道的模拟 信号。 以时间作为分割参量，使对各路信号的处理与 传输在时间轴上互不重叠的方式称为时分复用。 5.2.3 PCM系统的奈奎斯特带宽

G5.2.3PCM系统的奈奎斯特带宽信源1输出1数字PCMPCM量化信源2输出2译码信道与编码..信源no输出n同步合路分路时分复用示意图2014/7/15

2014/7/15 9 2014/7/15 9 时分复用示意图 5.2.3 PCM系统的奈奎斯特带宽

C5.2.3PCM系统的奈奎斯特带宽设模拟信号的抽样频率为f，每个样值编码位数为N，则PCM信号的码元速率为R=Nf，。k 路复用，PCM系统的码元速率为kNf,。根据奈奎斯特准则，在无码间串扰的情况下，奈奎斯特带宽是指理想低通传输系统所需的最小带宽，为kNf,/2。当采用升余弦系统传输时，所需带宽为kNf，。2014/7/15

2014/7/15 10 2014/7/15 10 设模拟信号的抽样频率为 ，每个样值编码位 数为 ，则PCM信号的码元速率为 。 路复用，PCM系统的码元速率为 。 根据奈奎斯特准则，在无码间串扰的情况下， 奈奎斯特带宽是指理想低通传输系统所需的最小带 宽，为 。 当采用升余弦系统传输时，所需带宽为 。 s f N R Nf B s  k s kNf / 2 s kNf s kNf 5.2.3 PCM系统的奈奎斯特带宽

G5.3模拟信号的抽样抽样定理5.3.1m(t)m.(t)1.抽样器的模型。S.(t)m(t)为模拟信号;S.(t)为抽样信号m.(t）为已抽样信号。当抽样信号为周期性冲激序列时，称为理想抽样当抽样信号为周期性矩形脉冲序列时，称为自然抽样。2014/7/15

2014/7/15 11 2014/7/15 11 5.3 模拟信号的抽样 5.3.1 抽样定理 1.抽样器的模型。 为模拟信号； 为抽样信号； 为已抽样信号。 m t( ) ( ) m t s ( ) T  t 当抽样信号为周期性冲激序列时，称为理想抽样； 当抽样信号为周期性矩形脉冲序列时，称为自然抽 样。 m t( ) ( ) T  t ( ) m t s