第二章 格式化和基帶調(diào)制.ppt

第二章格式化和基帶調(diào)制 格式化 格式化 formatting 信號處理的最基本步驟 其目的是使消息 源信號 適合于數(shù)字處理 2 1基帶系統(tǒng) 2 1基帶系統(tǒng) 數(shù)字信息 不再格式化文本信息 轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)模擬信息 經(jīng)過采樣 量化 編碼過程而被格式化格式化的結(jié)果均為二進(jìn)制數(shù)據(jù) 2 2格式化文本數(shù)據(jù) 字符編碼 常用的標(biāo)準(zhǔn)格式 美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)碼 ASCII 十進(jìn)制交換碼 EBCDIC 博多碼霍爾瑞斯碼 2 3消息 字符和碼元 數(shù)字化傳輸時(shí) 字符序列首先被編碼成比特序列 稱為比特流 bitstream 或基帶信號 basebandsignal 然后從有限的碼元組或M 個(gè)碼元的字符表中 將k比特的碼組組合成新的數(shù)字或碼元 使用碼元集大小為M的系統(tǒng)稱為M進(jìn)制系統(tǒng) M arysystem 2 3 1消息 字符和碼元的例子 2 4格式化模擬信息 2 4 1采樣定理模擬波形以及采樣信號之間的聯(lián)系由采樣過程確定 最常用的時(shí)采樣保持 sample andhold 采樣過程的輸出 脈沖幅度調(diào)制 PulseAmplitudeModulation PAM 持續(xù)的輸出間隔可以由一個(gè)幅度經(jīng)輸入波形樣值獲取的脈沖序列來描述 2 4 1采樣定理 采樣定理 頻譜不超過fm赫茲的帶限信號可以由其等間隔采樣值唯一確定 采樣間隔為 稱為奈奎斯特頻率 2 4 1 1沖激采樣 考慮使用一系列單位沖激函數(shù)進(jìn)行理想采樣 對x t 的采樣過程可視為將x t 與單位沖激序列相乘 2 4 1 1沖激采樣 可見 在時(shí)域?qū)B續(xù)時(shí)間信號進(jìn)行沖激串采樣 就相當(dāng)于在頻域?qū)⑦B續(xù)時(shí)間信號的頻譜以為周期進(jìn)行延拓 2 4 1 2自然采樣 自然采樣 中每個(gè)脈沖的頂部都保持了脈沖時(shí)間內(nèi)響應(yīng)的模擬部分的形狀 2 4 1 2自然采樣 2 4 2混疊 2 4 2混疊 2 4 2混疊 2 4 2混疊 2 5脈沖編碼調(diào)制 PCM PulseCodeModulation 在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中以PCM為代表的編碼調(diào)制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于模擬信號的數(shù)字傳輸 除PCM外 DPCM和ADPCM的應(yīng)用范圍更廣 PCM的主要優(yōu)點(diǎn)是 抗干擾能力強(qiáng) 失真小 傳輸特性穩(wěn)定 尤其是遠(yuǎn)距離信號再生中繼時(shí)噪聲不累積 而且可以采用壓縮編碼 糾錯(cuò)編碼和保密編碼等來提高系統(tǒng)的有效性 可靠性和保密性 另外 PCM還可以在一個(gè)信道上將多路信號進(jìn)行時(shí)分復(fù)用傳輸 PCM編碼通過抽樣 量化 編碼三個(gè)步驟將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼 PCM的量化方式 均勻量化與非均勻量化 為便于用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn) 其量化電平數(shù)一般為2的整數(shù)次冪 有利于采用二進(jìn)制編碼表示 采用均勻量化時(shí) 其抗噪聲性能與量化級數(shù)有關(guān) 每增加一位編碼 其信噪比增加約6dB 但實(shí)現(xiàn)的電路復(fù)雜程度也隨之增加 占用帶寬也越寬 因此實(shí)際采用的量化方式多為非均勻量化 通常使用信號壓縮與擴(kuò)張技術(shù)來實(shí)現(xiàn)非均勻量化 在保持信號固有的動態(tài)范圍前提下 在量化前將小信號進(jìn)行放大而對大信號進(jìn)行壓縮 通常的壓縮方法有13折線A律和 律兩種標(biāo)準(zhǔn) 國際通信中多采用A律 采用信號壓縮后 用8位編碼實(shí)際可以表示均勻量化11位編碼時(shí)才能表示的動態(tài)范圍 能有效提高小信號時(shí)的信噪比 非均勻量化 對小信號采用小的量化間隔 對大信號采用大的量化間隔 這樣可以用較少的位數(shù)編碼 對大信號來說 雖然絕對量化誤差較大 但是因?yàn)?1 大信號出現(xiàn)的機(jī)會不多 2 信噪比 相對誤差 與小信號是一致的 所以對總的話音質(zhì)量影響不大 非均勻量化也是一種壓縮 律壓擴(kuò)與A律壓擴(kuò) m律 m Law 壓擴(kuò) G 711 主要用在北美和日本等地區(qū)的數(shù)字電話通信中 x為輸入信號 規(guī)格化為 1 x 1m為確定壓縮量的參數(shù) 它反映最大量化間隔和最小量化間隔之比 取100 m 500 律壓擴(kuò)與A律壓擴(kuò) 0 x 1 A 1 A x 1 A律 A Law 壓擴(kuò) G 711 主要用在歐洲和中國大陸等地區(qū)的數(shù)字電話通信中 對于采樣頻率為8kHz 樣本精度為13位 14位或者16位的輸入信號 使用m律壓擴(kuò)編碼或者使用A律壓擴(kuò)編碼 經(jīng)過PCM編碼器之后每個(gè)樣本的精度為8位 輸出的數(shù)據(jù)率為64kb s 這個(gè)數(shù)據(jù)就是CCITT推薦的G 711標(biāo)準(zhǔn) 差分脈沖編碼調(diào)制 DPCM 關(guān)鍵在于預(yù)測器與量化器的設(shè)計(jì) 量化器 預(yù)測器 xk ek e k x k x k 自適應(yīng)預(yù)測 逆量化器 e k 產(chǎn)生誤差 差分脈沖編碼調(diào)制 DPCM 逆量化器 預(yù)測器 e k e k x k x k 譯碼過程 預(yù)測方程式 線性預(yù)測 如果ai是常數(shù) 則為時(shí)不變線性預(yù)測 否則為自適應(yīng)線性預(yù)測最簡單的預(yù)測方程 最簡單的DPCM 增量調(diào)制 M 增量調(diào)制 deltamodulation DM 是一種預(yù)測編碼技術(shù) 是對實(shí)際的采樣信號與預(yù)測的采樣信號之差的極性進(jìn)行編碼 將極性變成 0 和 1 這兩種可能的取值之一 如果實(shí)際的采樣信號與預(yù)測的采樣信號之差的極性為 正 則用 1 表示 相反則用 0 表示 DM編碼系統(tǒng)又稱為 1位系統(tǒng) 自適應(yīng)增量調(diào)制 ADM CVSD 連續(xù)可變斜率增量調(diào)制 如果編碼器的輸出連續(xù)出現(xiàn)三個(gè)相同的值 量化階就加上一個(gè)大的增量 反之 就加一個(gè)小的增量 自適應(yīng)脈沖編碼調(diào)制 APCM APCM是一種根據(jù)輸入信號幅度大小自動改變量化階大小的一種波形編碼技術(shù) 自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制 自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制 ADPCM 綜合了APCM的自適應(yīng)特性和DPCM系統(tǒng)的差分特性 自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制 ADPCM是利用樣本與樣本之間的高度相關(guān)性和量化階自適應(yīng)來壓縮數(shù)據(jù)的一種波形編碼技術(shù) CCITT為此制定了G 721推薦標(biāo)準(zhǔn) 這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)叫做32kb sADPCM 在此基礎(chǔ)上還制定了G 721的擴(kuò)充推薦標(biāo)準(zhǔn)G 723 使用該標(biāo)準(zhǔn)的編碼器的數(shù)據(jù)率可降低到40kb s