第5章-模拟信号数字化传输教学文案

第2章信道与噪声模拟信号数字化技术第5章5.25.15.45.3引 言模拟信号的抽样抽样信号的量化脉冲编码调制（PCM）5.5增量调制（DM）5.6差分脉冲编码（DPCM）5.7音视频编码技术目录5.1引 言•将模拟信号转换成数字信号要经过抽样（ sampling ，也称取样或采样）、量化（quantization）和编码（coding）三个过程。

•抽样的目的:实现时间的离散，但抽样后的信号（PAM信号）的幅度取值仍然是连续的，仍是模拟信号；•量化的目的:实现幅度的离散，故量化后的信号已经是数字信号，但它一般为多进制数字信号，不能被常用的二进制数字通信系统处理；•编码的目的:将量化后的多进制数字信号编码成二进制码。

5.2模拟信号的抽样假设模拟信号为f(t) ，梳状函数为δT (t)，抽样后信号为f s (t)。

则1．低通抽样定理假设模拟信号为f(t)的频谱为F(ω)，梳状函数的频谱为δT (ω)，抽样后信号为f s (ω)。

则1．低通抽样定理1．低通抽样定理1．低通抽样定理5.2.1 低通与带通抽样定理2．带通抽样定理可以证明：假设带通信号f(t)的下限频率为f L，上限频率为f H，带宽为B。

当抽样频率f s满足f(t)可以由抽样点值序列f s(nT s)完全描述。

n为商（f H/B）的整数部分，n＝l，2，…；k为商（f H/B）的小数部分，0<k<l。

1．自然抽样假设抽样脉沖序列为其中p(t)为任意形状的脉沖（脉冲宽度为τ），模拟信号为f(t)，抽样后的信号为f s(t)，则对于周期脉冲序列可利用傅里叶级数展开，即1．自然抽样1．自然抽样1．自然抽样1．自然抽样2．平顶抽样模拟信号f(t)和非常窄的周期性脉冲（近似冲激函数）δT(t)相乘，得到乘积f s(t)，然后通过一个冲激响应是矩形的保持电路，将抽样电压保持一定时间。

2．平顶抽样2．平顶抽样5.3抽样信号的量化5.3.1 量化的基本原理设模拟抽样信号的取值范围在－V～V之间，量化电平数为L，则在均匀量化时的量化间隔Δv为为量化区间的端点mi若输出的量化电平q取为量化间隔的中点，则i对于给定的信号最大幅度V，量化电平数L越多，量化区间Δv越小，量化误差（噪声）越小，量化噪声具体可表示为压缩特性曲线A律压缩特性曲线1．A律压缩特性2．A律压缩的近似算法——13折线法3．μ律压缩特性μ律压缩特性曲线3．μ律压缩特性5.4脉冲编码调制（PCM）5.4.1 脉冲编码调制的基本原理PCM系统的原理图三种4位二进制码组折叠二进制码与自然二进制码相比，有两个突出的优点：（1）对于双极性的信号，若信号的绝对值相同，而只是极性不同，折叠二进制码就可以采用单极性的编码方法，这样可以简化编码电路。

模拟信号的数字传输概述
一、教学目标：
知道模拟信号数字化传输的含意；
会描述模拟信号的数字传输过程。

二、教学重点、难点：
重点模拟信号的数字传输过程；
难点模拟信号的数字传输过程。

三、教学过程设计：
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，如图所示
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，但接收端重建信号的质量不够好。

四、课后作业或思考题：
1、思考为什么模拟信号要经过图中三个过程才能进行数字化传输？
五、本节小结：
本节内容主要介绍了模拟信号数字化传输的三个过程。

前言 (1)1模拟信号数字化传输系统 (3)1.1模拟信号数字化传输基本原理 (3)1.2模拟信号数字化传输系统仿真过程 (3)2模拟信号抽样 (5)2.1模拟信号抽样定义 (5)2.1.1模拟信号抽样定理 (5)2.1.2模拟信号抽样过程 (5)2.2模拟信号抽样仿真程序及仿真分析 (6)3模拟信号量化 (8)3.1模拟信号量化定义 (8)3.1.1均匀量化的基本原理 (8)3.1.2非均匀量化的基本原理 (9)3.2模拟信号量化仿真程序及仿真分析 (11)4 PCM编译码 (14)4.1脉冲编码调制 (14)4.1.1 13折线编码 (15)4.1.2 PCM的8位编码 (16)4.2 PCM编译码仿真程序及仿真分析 (17)5 DPCM编译码 (20)5.1 DPCM的基本原理 (20)5.2 DPCM编码及解码过程和原理 (21)5.3 DPCM编译码仿真程序及仿真分析 (21)6增量调制 (23)6.1增量调制的基本原理 (23)6.2 增量调制仿真程序及仿真分析 (23)7总结 (25)参考文献 (26)数字通信系统己成为当今通信的发展方向，然而自然界的许多信息通过传感器转换后，绝大部分是模拟量，脉冲编码调制(PCM)是把模拟信号变换为数字信号的一种调制方式，主要用于语音传输，在光纤通信、数字微波通信、卫星通信中得到广泛的应用，借助于MATLAB软件，可以直观、方便地进行计算和仿真。

因此可以通过运行结果，分析系统特性。

MATLAB是美国Math Works公司开发的一套面向理论分析研究和工程设计处理的系统仿真软件，Simulink是MATLAB提供的实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它让用户把精力从编程转向模型的构造，为用户省去了许多重复的代码编写工作；Simulink 的每个模块对用户而言都是透明的，用户只须知道模块的输入、输出以及模块的功能，而不必管模块内部是怎么实现的，于是留给用户的事情就是如何利用这些模块来建立模型以完成自己的仿真任务；至于Simulink 的各个模块在运行时是如何执行，时间是如何采样，事件是如何驱动等细节性问题，用户可以不去关心，正是由于Simulink 具有这些特点，所以它被广泛的应用在通信仿真中，通过仿真展示了PCM编码实现的设计思路及具体过程，并加以进行分析。

通信原理课程设计前言1837年，莫尔斯完成了电报系统，此系统于1844年在华盛顿和巴尔迪摩尔之间试运营，这可认为是电信或者远程通信，也就是数字通信的开始。

数字化可从脉冲编码调制开始说起。

1937年里夫提出用脉冲编码调制对语声信号编码，这种方法优点很多。

例如易于加密，不像模拟传输那样有噪声积累等。

但在当代代价太大，无法实用化；在第二次世界大战期间，美军曾开发并使用24路PCM系统，取得优良的保密效果。

但在商业上应用还要等到20世纪70年代。

才能取代当时普遍采用的载波系统。

我国70代初期决定采用30路的一次群标准，80年代初步引入商用，并开始了通信数字化的方向。

数字化的另一个动向是计算机通信的发展。

随着计算机能力的强大，并日益被利用，计算机之间的信息共享成为进一步扩大其效能的必需。

60年代对此进行了很多研究，其结果表现在1972年投入使用的阿巴网。

由此可见，通信系统中的信息传输已经基本数字化。

在广播系统中，当前还是以模拟方式为主，但数字化的趋向也已经明显，为了改进质量，数字声频广播和数字电视广播已经提前到日程上来，21世纪已经逐步取代模拟系统。

尤为甚者，设备的数字化，更是日新月异。

近年来提出的软件无线电技术，试图在射频进行模数，把调制解调和锁相等模拟运算全部数字化，这使设备超小型化并具有多种功能，所以数字化进程还在发展。

Simulink工具是MATLAB软件提供的可以实现动态系统建模和仿真的软件包，它让用户把精力从语言编程转向仿真模型的构造，为用户省去了很多重复的代码编写工作。

Simulink中的每个模块对我们来说都是透明的，我们只须知道模块的输入、输出和每个模块的功能，而不需要关心模块内部是如何实现的，留给我们的事情就是如何利用这些模块来建立仿真模型以完成自己的任务。

至于Simulink 中的各个模块在运行时是如何执行，时间是如何采样的，事件是如何驱动的等问题，我们可以不去关心。

正是由于Simulink具有这些特点，所以它被广泛应用在通信仿真中。

135第七章 模拟信号的数字传输7.1 引 言前几章已讨论了模拟信号在模拟通信系统中的传输和数字信号在数字通信系统中的传输。

本章将要讨论的是模拟信号经过数字化以后在数字通信系统中的传输，简称模拟信号的数字传输。

数字传输随着微电子技术和计算机技术的发展，其优越性日益明显，优点是抗干扰强、失真小、传输特性稳定、远距离中继噪声不积累、还可以有效编码、译码和保密编码来提高通信系统的有效性，可靠性和保密性。

另外，还可以存储，时间标度变换，复杂计算处理等。

模拟信号用得多的是语音信号，把语音信号数字化后，在数字通信系统中传输，称为数字电话通信系统。

模拟信号的数字传输的方框图见下图：图中，)(t m 、∧)(t m ：模拟随机信号，{}k s 、{}∧k S ：数字随机序列。

模拟信号的数字传输分三个步骤进行： ① A/D 把模拟信号变成数字信号 ② 数字信号传输③ D/A 把数字信号还原成模拟信号第二步骤在第5章，第6章已经论述。

因此，本章仅讨论第一和第三步骤。

模拟信号数字输入的关键是模拟信号和数字信号的互相转换。

A/D 转换步骤示意如下图：A/D 转换 D/A 转换136本章主要内容：1、抽样（介绍模拟信号数字化的理论基础之一：抽样定理）2、量化（介绍模拟信号的量化）3、编码和译码4、PCM （脉冲编码调制）（模拟信号抽样、量化、编译码的一种常用方式）系统5、m （增量调制）系统（模拟信号数字化的另一种常用方式）6、DPCM 系统7、数字电话通信系统（简要介绍模拟电话信号的数字传输）（一个例子）7.2抽样定理将模拟信息源信号转变成数字信号叫做A/D 转换，A/D 转换中有三个基本过程：抽样、量化、编码。

抽样是A/D 转换的第一步。

A/D 转换时，抽样间隔越宽，量化越粗，信号数据处理量少，但精度不高，甚至可能失掉信号最重要的特征。

抽样间隔如何确定？（抽样速率如何确定？） 举正弦波信号抽样的例子：t 抽样 量化1tt 100e编码 A/D 转换步骤示意图137抽样定理告诉我们：一个频带限制在（0，H f ）HZ 内的时间连续信号m(t)，如果以1/2H f 秒的间隔对它进行等间隔抽样，则m(t)将被变得到的抽样值完全确定。