《通信原理第六章》PPT课件
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通信原理(第六章 数字基带传输系统)图片公式
七、什么是眼图？眼图模型、说明什么问题？
八、时域均衡：基本原理、解决什么问题？如何衡量均 衡效果？
一、数字基带系统和频带系统结构
一、数字基带信号(电波形)及其频谱特性(1)
二元码：幅度取值只有两种“1”、“0”或“1”、 “-1”
单极性非归零码：用高低电平分别表示“1”和“0”， 如图6-1(a) 。一般用于近距离之间的信号传输 双极性非归零码：用正负电平分别表示“1”和“0”， 如图6-1(b)。应用广泛，适应于在有线和电缆信道中 传输。 单极性归零码：有电脉冲宽度比码元宽度窄，每个脉 冲都回到零电位。如图6-1(c)。利于减小码元间波形 的干扰和同步时钟提取。但码元能量小，匹配接收时 输出信噪比低些
二、基带传输码的常用码型（4）
HDB3特点：保持AMI码的优点，三元码，无直流分量，主 要功率集中在码速率fb的1/2出附近（如图）。 位定时频率分量为零，通过极性交替规律得到检错能力。 增加了使连0串减少到 至多3个的优点，而不管 信息源的统计特性如何。
对于定时信号的恢复 是十分有利的。广泛应 用于基带传输与接口码。
Pv (w) = 2p å
¥ m =-
Cn d (w - mws )
2
Pv ( f ) = å
2
Cn d ( f - mf s )
2
故稳态波的双边功率谱密度
Pv ( f ) = å
¥ m =-
f s [ PG1 (mf s ) + (1 - P)G2 (mf s )] ? d ( f
mf s )..(6.1 - 14)
代入(6.1-26)得单极性非归零波形的双边功率谱密度
Ps (w) = Ts 2 1 Sa (p fTs ) + d ( f )..(6.1 - 30) 4 4
通信原理第六章 数字信号的频带传输
通信原理ICommunication Theory安建伟北京科技大学通信工程系第六章 数字信号的频带传输6.1 引言 6.2 二进制数字信号正弦型载波调制 6.3 四相移相键控 6.4 M进制数字调制 6.5 恒包络连续相位调制第6章数字信号的频带传输6.1 引言1.数字信号的正弦型载波调制数字信号 d(t) 调制 频带信号 带通信道s ( t ) = A c o s ( 2 π ft + ϕ ) = F ( d ( t ))用数字基带信号去控制正弦型载波的某参量： ¾ 控制载波的幅度，称为振幅键控(ASK)； ¾ 控制载波的频率，称为频率键控(FSK)； ¾ 控制载波的相位，称为相位键控(PSK)。
3北京科技大学通信系第6章数字信号的频带传输2. 数字信号的分类 （1）二进制及M进制(M>2)； （2）按是否满足叠加原理分类： 线性调制及非线性调制； （3）按已调符号约束关系分类 无记忆调制及有记忆调制。
4北京科技大学通信系第6章数字信号的频带传输6.2 二进制数字信号的正弦载波调制1. 二进制通断键控（OOK或2ASK） 2. 二进制移频键控（2FSK） 3. 二进制移相键控（2PSK或BPSK） 4. 2PSK的载波同步 5. 差分移相键控（DPSK）5北京科技大学通信系第6章数字信号的频带传输 (OOK) 6.2.1 二进制通断键控二进制通断键控(OOK： On-Off Keying) 又名二进制振幅键(2ASK)，它是以单极性 不归零码序列来控制正弦载波的导通与关 闭。
即正弦载波的幅度随数字基带信号而 变化。
6北京科技大学通信系第6章数字信号的频带传输1. OOK信号的产生a) 模拟法n = −∞∑+∞a nδ ( t − nTb )b (t ) =a n = 0 或1脉冲成形 滤波器 冲激响应 g T ( t )n = −∞∑+∞a n g T ( t − nTb )sO O K (t ) A cos(2π f c t )b) 键控法载波 cosωct开关电路1 0KSOOK(t)b(t)7北京科技大学通信系第6章数字信号的频带传输¾时域表示b( t ) =n = −∞∑a∞ngT ( t − nTb )其中b(t)为单极性矩形不归零脉冲序列。
通信原理第六章
图6-28 调相法产生B方式4PSK信号
《通信原理课件》
《通信原理课件》
图6-29 相位选择法产生4PSK信号
《通信原理课件》
《通信原理课件》
图6-30 B方式4PSK信号相干解调原理框图
《通信原理课件》
《通信原理课件》
2、多进制的相对移相(MDPSK)
以四进制相对相移信号4DPSK为例进行讨论。
《通信原理课件》
a b c d e f
图6-11 2FSK信号的过零检测法
《通信原理课件》
6.2.3 二进制相移键控（2PSK）和 二进制差分移相键控（2DPSK）
相移键控是利用载波相位的变化来传递 数字信息，通常可以分为绝对相移键控 （2PSK）和相对相移键控（2DPSK）两 种方式，下面分别讨论。
波）和相干解调，分别如图6-9和图6-10 所示，其原理和2ASK解调时相同，只是这 里使用两套电路。
《通信原理课件》
图6-9 2FSK包络检波方框图
《通信原理课件》
图6-10 2FSK相干解调方框图
《通信原理课件》
2FSK另外一种常用而简便的解调方法是过零 检波解调法，其解调原理框图及各点时间波形如 图6-11（a）和（b）所示。其基本原理是：二 进制移频键控信号的过零点数随载波频率不同而 异，通过检测过零点数从而得到频率的变化。在 图6-11中，输入信号经过限幅后产生矩形波，经 微分、整流、脉冲波形成形后得到与频率变化相 关的矩形脉冲波，再经低通滤波器滤除高次谐波， 便恢复出与原数字信号对应的数字基带信号。
（a）模拟调频法
（b）键控法
图6-7 2FSK信号的产生
《通信原理课件》
3、2FSK信号的功率谱及带宽
《通信原理课件》
《通信原理课件》
《通信原理课件》
图6-29 相位选择法产生4PSK信号
《通信原理课件》
《通信原理课件》
图6-30 B方式4PSK信号相干解调原理框图
《通信原理课件》
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2、多进制的相对移相(MDPSK)
以四进制相对相移信号4DPSK为例进行讨论。
《通信原理课件》
a b c d e f
图6-11 2FSK信号的过零检测法
《通信原理课件》
6.2.3 二进制相移键控（2PSK）和 二进制差分移相键控（2DPSK）
相移键控是利用载波相位的变化来传递 数字信息，通常可以分为绝对相移键控 （2PSK）和相对相移键控（2DPSK）两 种方式，下面分别讨论。
波）和相干解调，分别如图6-9和图6-10 所示，其原理和2ASK解调时相同，只是这 里使用两套电路。
《通信原理课件》
图6-9 2FSK包络检波方框图
《通信原理课件》
图6-10 2FSK相干解调方框图
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2FSK另外一种常用而简便的解调方法是过零 检波解调法，其解调原理框图及各点时间波形如 图6-11（a）和（b）所示。其基本原理是：二 进制移频键控信号的过零点数随载波频率不同而 异，通过检测过零点数从而得到频率的变化。在 图6-11中，输入信号经过限幅后产生矩形波，经 微分、整流、脉冲波形成形后得到与频率变化相 关的矩形脉冲波，再经低通滤波器滤除高次谐波， 便恢复出与原数字信号对应的数字基带信号。
（a）模拟调频法
（b）键控法
图6-7 2FSK信号的产生
《通信原理课件》
3、2FSK信号的功率谱及带宽
《通信原理课件》
通信原理讲义-第六章 数字信号的载波传输1二进制调制
数字信号的调制可以看成特殊调制信号 的模拟调制，类似模拟调制的情况，数 字调制也是用调制信号调制载波的三个 参数：振幅、频率、相位。 相应地称为：幅度键控、频率键控、相 位键控。
6.1 二进制数字调制
二进制数字调制是指调制信号为二进制 基带信号，这种调制信号仅有两种电平， 表示为“1”和“0”： 二进制数字调制又分为： 二进制幅度键控 二进制频率键控 二进制相位键控
数字基 带信号 二进制幅度键控s2ASK(t)
载波Acoswct
二进制幅度键控解调（非相干）
带通 滤波器
1 0.5 0 -0.5 -1 0 1 0.5 0 -0.5 -1 0 1 0.5 0 -0.5 -1 0 100 200 300 400 500 600 100 200 300 400 500 600 100 200 300 400 500 600
1 A1 0 0 0 1 ……
由调频理论，调制后信号的瞬时频率 w(t)=w0+KFMf(t) 而对单极性二元基带信号只有两种电平： f(t)=0或1， 故：w1= w0+KFM w2= w0。
二进制频率键控调制后的时域波形
1
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1
二进制差分相位键控的调制方法
二元单 极性码 输入 相对码 差分编码 二进制差分相位 键控DPSK输出
Acos(wct)
载波发生器
差分编码原理：
后一位与新生成的前一位码做模2和得到新生成的码
绝对码：1 0 0 1 0 1 1 0 相对码：1 1 1 0 0 1 0 0
二进制差分相位键控的解调（相干）
通信原理第6章 模拟信号的数字传输
可见：量化电平增加一倍，即编码位数每增加一位， 量化信噪比提高6分贝。
2020/1/25
第6章 模拟信号的数字传输
11
6.1.2 量化
对于正弦信号，大信号出现概率大，故量化信噪比近
似为
Sq Nq
dB
6k
2
(dB）
对于语音信号，小信号出现概率大，故量化信噪比近 似为
取样定理描述：一个频带限制在 0 ~ f H内的连续信
号
m(t ) ，如果取样速率
fs
2
f
，则可以由离散样值
H
序列ms (t)无失真地重建原模拟信号 m(t) 。
取样定理证明：
ms (t) m(t) Ts (t)
M s ( f ) M ( f ) Ts ( f )
Ts ( f )
第６章 模拟信号的数字传输
1、数字通信有许多优点:
抗干扰能力强，远距离传输时可消除噪声积累 差错可控，利用信道编码可使误码率降低。 易于和各种数字终端接口中； 易于集成化，使通信设备小型化和微型化 易于加密处理等。
2、实际中有待传输的许多信号是模拟信号
语音信号； 图像信号； 温度、压力等传感器的输出信号。
于前一个时刻的值上升一个台阶；每收到一个代码 “0”就下降一个台阶。 编码和译码器
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第6章 模拟信号的数字传输
25
6.2.2 △Ｍ系统中的噪声
采用△Ｍ实现模拟信号数字传输的系统称为△Ｍ系统
△Ｍ系统中引起输出与输入不同的主要原因是：量化 误差和数字通信系统误码引起的误码噪声。
2020/1/25
第6章 模拟信号的数字传输
《通信原理》(第3版)课件CH6
P2FSK ( f
)=
1 4Ps1(源自f+f1) + Ps1 ( f
−
f1
)
+
1 4
Ps2
(
f
+
f2 ) + Ps2 ( f
−
f2 )
P=1/2
P2FSK (
f
)
=
Tb
16
sin ( (f
f + f1)Tb + f1)Tb
2
+
sin ( f − f1)Tb ( f − f1)Tb
2
+
Tb
16
6.2 二进制数字调制原理
◼ 6.2.1 2ASK（Amplitude shift-keying) ◼ 6.2.2 2FSK(Frequency shift-keying) ◼ 6.2.3 2PSK(Phase shift-keying)
6.2.1 二进制振幅键控（2ASK）
s(t)
1
0
1
1
0
0
6.2.3 2PSK：功率谱
P2PSK ( f )
0
解决方法：二进制差分相位键控（2DPSK） differential
6.2.3 2PSK：2DPSK定义
（前后相邻码元相位差）=
0，
，
表示数字信息“0” 表示数字信息“1”
相对移相：以前后相邻 码元的载波相位的相对 变化来表示数字信息的
绝对码an与相对码bn间的关系为： bk=akbk−1
ak=bkbk−1
2
条件：1、0等概
P2ASK (
f
)
= Tb 16
sin ( (f
通信原理PPT
2
上式为双边的功率谱密度表示式。如果写成单边的，则有
PS ( f ) f S P(1 P) G1 ( f ) G2 ( f ) f s2 PG1 (0) (1 P)G2 (0) ( f )
2
2
2f
2 S
PG1 (m fS ) (1 P)G2 (m fS ) ( f m fS ) , f 0
序列s(t)的统计平均分量，它取决于每个码元内出现 g1(t)和
g2(t) 的概率加权平均，因此可表示成
v(t )
n
[ Pg (t nT ) (1 P) g
1 s
2
(t nTs )]
n
v
n
(t )
由于v(t)在每个码元内的统计平均波形相同，故v(t)是以Ts为 周期的周期信号。
5
第6章 数字基带传输系统
单极性归零(RZ)波形：信号电压在一个码元终止时刻前总要 回到零电平。通常，归零波形使用半占空码，即占空比为 50%。从单极性RZ波形可以直接提取定时信息 。 与归零波形相对应，上面的单极性波形和双极性波形属 于非归零(NRZ)波形，其占空比等于100％。 双极性归零波形：兼有双极性和归零波形的特点。使得接收 端很容易识别出每个码元的起止时刻，便于同步。
0
fs
3 fs
f
20
第6章 数字基带传输系统
从以上两例可以看出：
二进制基带信号的带宽主要依赖单个码元波形的频谱函数
G1(f)和G2(f) 。时间波形的占空比越小，占用频带越宽。
若以谱的第1个零点计算， NRZ( = Ts)基带信号的带宽为 BS = 1/ = fs ；RZ( = Ts / 2)基带信号的带宽为BS = 1/ =
通信原理第六章
设fH=(n+k)B，其中n为整数，0k<1，则
mn
fs
2 fH m
2B1
k n
2020年2月
西南交通大学电气工程学院
15
6.2 脉冲编码调制
特例： 当fH=nB时，m=n，则 fs=2fH/m=2B。
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16
例：已知
6.2 脉冲编码调制
编码位数每增加一位，量化信噪比就增加6分贝。
2020年2月
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24
6.2 脉冲编码调制
说明： 1）以上结论是在假设信号抽样值在量化范围内等概 出现时得到的。 对正弦信号，取值较大的样值出现概率大，取值较 小的样值出现概率较小。 对语音信号，由于取值较小的样值出现概率大，而 取值大的样值出现概率反而小。 所以，对正弦信号和语音信理
一个频带限制在0~ fH范围内的模拟信号，若取样速 率大于等于2 fH，则可由样值序列无失真地重建原 始信号。否则取样信号将出现频谱混叠，不能从中 恢复原始信号。
fs=2fH为奈奎斯特速率，它是取样的最低速率； Ts=1/fs=1/(2fH)为奈奎斯特取样间隔，它是所允许的
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2020年2月
1472 1504
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6.2 脉冲编码调制
➢编码 编码：将抽样量化后的离散信号电平值转换为二进 制码组来表示。 译码：将二进制码组再恢复为离散信号电平。
量化电平序号 编码 量化电平序号 编码
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2020年11月
西南交通大学电气工程
38
学院
6.2 脉冲编码调制
常用的二进制编码（码型）
抽样值极性 负极性
正极性
自然码
折叠二进制码
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15西0南4交通大学电气工6程4
学院
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6.2 脉冲编码调制
➢编码 编码：将抽样量化后的离散信号电平值转换为二进 制码组来表示。 译码：将二进制码组再恢复为离散信号电平。
量化电平序号 编码 量化电平序号 编码
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量化级 ✓ 折叠码在传输过程中
0
1
的误码对小信号的影
M (f)
0
2 2.
5
f/kHz
fs=5 kH
z
0
2 2. 3
fs
7 7.5 f/kH
5
z
Ms(f )
fs=1 kHz
-2020年1-1月 321
0 西南1交通大2学电气工3程 学院
f/kH 17
z
6.2 脉冲编码调制
➢量 化
所谓量化，就是用预先规定的有限个电平来表示 取样值。这些预先规定的电平称为量化电平。相 邻两个量化电平之间的间隔称为量化台阶(或称为 量化间隔)。 量化的具体过程是：将取样值与各个量化电平比 较，用最接近于取样值的量化电平来表示此取样 值。
SNRdB 6k + 2 (dB)； SNRdB 6k -
9 (dB) 2020年11月
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6.2 脉冲编码调制
2）实际应用中，信号峰值达不到量化器所设计的最
大值，此时Sq/Nq要下降。
SNRdB
Sq Nq
dB
10 lg
Sq Nq
10 lg Sq
10 lg Nq
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)
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4
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6.2 脉冲编码调制
Ts
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5
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6.2 脉冲编码调制
➢取样（采样、抽样）
取样：将模拟信号与取样
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6.2 脉冲编码调制
说明：
1）以上结论是在假设信号抽样值在量化范围内等概
出现时得到的。
对正弦信号，取值较大的样值出现概率大，取值较
小的样值出现概率较小。
对语音信号，由于取值较小的样值出现概率大，而
取值大的样值出现概率反而小。
所以，对正弦信号和语音信号， 应分别修正为
第6章 模拟信号的数字化传输
主要内容 ➢抽样的基本概念及抽样定理 ➢量化、均匀和非均匀量化及量化噪声分析 ➢PCM编码的方法及量化信噪比 ➢频分复用、时分复用与数字复接技术
2020年11月
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1
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6.1 引 言
模拟信号的数字传输系统 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，一般需经三个步骤： ① 把模拟信号数字化，即模数转换(A/D)； ② 进行数字方式传输； ③ 把数字信号还原为模拟信号，即数模转换(D/A)。
带通信号的低通取样
2020年11月
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学院
6.2 脉冲编码调制
由图6.2.5 (1)可以用低通信号取样定理所规定的取样频率对带
通信号进行取样，所不同的是，恢复原带通信号m(t)
时要用带通滤波器(带通滤波器的传输特性如图6.2.5 频谱图中虚线所示)，而不是低通滤波器。由于带通
信号的最高频率fH通常很高，所以此时的取样速率fs ≥2fH非常高，实现起来相当困难，甚至无法实现。
m(t)
脉冲信号相乘。
Ts
ms (t) m(t)Ts (t)
(t)
M s ( f ) M ( f ) *Ts ( f )
1 Ts
M(f
n
nfs )
ms(t)
Ts：取样间隔；
m(t) ：模拟信号
fs =1/Ts ：取样频率。 Ts(t)：取样脉冲
2020年11月
m t( ) ： 西南交通大s学电气工程 取样信
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6.2 脉冲编码调制
非均匀量化
均匀量化
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29
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6.2 脉冲编码调制
实现的基本原理 非均匀量化可以采用“压缩+均匀量化”的方法来实 现。即先对要量化的取样值进行压缩处理，然后再对 处理后的样值进行均匀量化。 压缩器的作用是对小信号进行放大，对大信号不放大
(2)取样后的频谱图上有许多空隙没有充分利用，也
就是说，fs没有必要选得那样高，只要取样后的频谱
不出现重叠2并020年能11月用滤波器取西出南交原通大信学电号气工的程 频谱即可。14
学院
6.2 脉冲编码调制
带通取样定理
一个带通信号m(t)具有带宽B和最高频率fH，如果取 样频率fs=2fH/m， m是一个不超过fH/B的最大整数， 那么m(t)可以用取样值m(kTs)
期Ts时，可近似为周期冲激序列。
(2) 在实际应用中，接收端用于恢复原模拟信号的 低通滤波器不可能是理想的。为能较好地恢复信号，
要求发端取样器的取样频率fs>2fH（理论上fs=2fH就
可以了），否则会使信号失真。考虑到实际滤波器
的可实现特性，一般 fs=2.5fH~3fH。
2020年11月
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6.2 脉冲编码调制
压缩器的压缩特性
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6.2 脉冲编码调制
放大小信号，压缩大信号
压缩器输入输出仿真波形
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6.2 脉冲编码调制
对数压缩特性（A律压缩特性）
y
Ax
11
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6.2 脉冲编码调制
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Q=4：量化电平数
=1V：量化间隔 Q=4V：量化范围
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6.2 脉冲编码调制
由图6.2.7 (1) 量化将取值连续的样值序列变成取值离散(只
有有限几种)的样值序列，所以量化将模拟信号
(2) 量化后的信号是对取样信号的近似。量化电平
0 -10 -20 -60 2020年11月
-30
-40Sq西-/南5d0交B通大学电气工程
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6.2 脉冲编码调制
非均匀量化
非均匀量化的基本思想是：不等间隔地设置量化电 平，大信号时用大台阶，小信号时用小台阶。 这样，在保持量化电平数不变的情况下，提高了小 信号时的量化信噪比，扩大了量化器的动态范围。 当然，由于大信号时采用了较大的台阶，所以使大 信号时的量化信噪比有所下降。
定义为Sq/Nq，Sq代表量化信号功率； Nq代表量化噪 声功率。只要分别求出Sq和Nq，便能确定量化信噪比。
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6.2 脉冲编码调制
量化信号及功率
量化电平共有离散的 Q 个取值，即
1 , 3 , , Q 1
22
2
设各量化电平等概，则取各量化电平的概率为1/Q。
SNRdBmax 6k 9
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6.2 脉冲编码调制
3）动态范围—— 达到一定量化信噪比（一般取为26dB）要求所
允许的输入信号功率的变化范围。
SNRdB
26
为扩大动态范围，可以增 加编码位数。但将使信息
速率 Rs = k fs 增大，提
高对系统带宽的要求。
2020年11月
西南交通大学电气工程
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6.2 脉冲编码调制
2020年图116月.2.1 PCM系西统南交原通理大学框电气图工程
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6.2 脉冲编码调制
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。
2
x
f
(
x)dx
2
x
1
dx
0
2
2
功率(方差)为 Nq 2020年11月