2023年模拟信号的数字传输和人工智能模型与智能系统的研究.doc

第 17 页 共 17 页 模拟信号的数字传输 模拟信号的数字传输是一种存在已久的想法，它对于电讯系统的设计者一定的要求。如果使信噪比维持为最小值，数字传输系统就几乎不会出错。这篇文章的目的是为还为熟悉该主题的数字通讯的设计者提供简要的指南，一些调制和多路技术将作为背景材料在文章的开头被提到。文章的重点介绍的是当今网络和通过微波调制技术的数字通信中发现的两种无线电通信的层次。 模拟脉冲的调制 在一个脉冲序列中，用脉冲幅值，宽度或位置的持续变化来表现信号信息叫做模拟脉冲的调制〔如图1〕。 这个例子分别表示脉冲幅度调制〔PAM〕，脉冲宽度调制〔PWM〕和脉冲位置调制〔PPM〕。这种调制形式在开始的脉冲调制方式中已经被用过，也应用于现有的无线电通信和遥感勘测网络。但是更重要的是PAM的调制是很多数字脉冲调制方式中的第一步。数字传输在能量不连续时，称为脉冲。这个概念是贝尔 实验室中的Henty Nyquist在采样理论中建立的。他将其简要的解释为一个信号f(t)带宽被限制在B HZ时，这时信号只能在最大频率为B HZ的范围内变化。他还更进一步的说明，如果这个信号的取样时间为1〔2B〕秒，信号就不会丧失。每秒最少采集2B样点的采样速率称为Nyquist采样速率，1/〔2B〕称为Nyquist采样间隔。图2说明了这个采样过程。 模拟脉冲的调制是很有用的，由于它很多数据处理应用就可以很容易地实现，而且一些调制方式如PWM和PPM说明信号噪音的改良就像可多频道播放的FM系统与AM系统相比的进步。 数字脉冲的调制 脉冲代码调制〔PCM〕和德尔塔调制〔DM〕是两种主要的数字脉冲调制方式。数字脉冲调制被描述成为的不连续量的信号表现。脉冲调制开始于采样信号〔PAM〕的量化以及将其编码为有限的位或字节。PCM的执行比模拟脉冲调制方式更加复杂，但是PCM的传输和再生能力更加好。图3描述了信号调制为PCM字节的次序。PCM的传输及再生能力在于携带信息的脉冲是否存在，而不是脉冲的多少及脉冲边缘的位置。模拟脉冲调制方式能经受住屡次重复噪声干扰，PCM方式对于有时间间隔的干扰有很好的免疫能力。信息传输无噪音的代价在于量化产生的失真及大系统要求的带宽〔如多频率的FM〕。 德尔塔调制是一种数字脉冲调制技术，因为它对系统传输率要求低而被军事部门所接受。它是一种微分技术。它传输一种在给定时间内与连续信号值差分相关的，与信号实际值相对的信号。这种差分信号Vd(t)(图4)是与通过把输入值相与估计输出值比较得来的。差分信号在取样时刻的极性决定传输脉冲Vout(t)的极性。差分信号就是这个信号的斜坡值。 德尔塔调制器如图4所示。这种脉冲发生器装有一个可重复产生固定幅值和极性的脉冲Vp(T)序列器。简单的说，这种脉冲是假定被激发的。这种调制器的运行可以由 图4的波形看出。图中t=0时产生一个脉冲。Vin(t)的初始值是2个单位，Vi(t)的初始值假定为0。这种差分信号的极性是正的，就传送了一个正脉冲。在下一个取样时刻，T，这个脉冲是正的，在2T脉冲是负的，因为这个完整的脉冲是2个单位，并且Vin(2t)的值小于2个单位，它为差分信号产生一个负极性。从图4的波形可以看出两点：〔1〕在斜坡的零点出现时，调制器输出的脉冲序列的极性是交互的。解调是由综合器和低通滤波器完成的。交互极性的脉冲序列会求出它的平均值的积分。如果没有信号输入，它的平均值将为零。〔2〕这种调制器不能快速响应幅值在两个取样点之间变化超过一个单位的信号。这在波形开始两个间隔非常明显。德尔塔调制如今在响应不和理的斜坡信号是用于改变它们的步幅值，它们可以快速响应幅值有大动态变化的信号。德尔塔调制另吸一个引人的特征是它电路比PCM电路容易实现。 通过多路技术加强应用 加强通讯通道应用的一个方法是在多路信号中共享通道。共享使用在相位，频率或时间，或其他的联合中。多路技术就是信号中的通信通道共享，在通讯中，多路系统常用来实现频率或周期。 通讯通道共享在频率根底中的应用叫频率分割〔FDM〕。在宽带中的每个信号一般是3KHZ，在FDM中，每个信号都被预先分配一个频谱区来传输。传输是通过SSB技术实现的，因为SSB方式允许信号在没有多余信号或载波的情况下传输。FDM的第一步将产生一个包含12通道的合成信号，它们被分为一组。传送前，这些组通常用FCM原理合并成较大的集合，这叫超级组，专家组和超级专家组。 TDM通过通道共享应用于通讯传输中。如果采样时间可以减少〔图5〕，为了使传送的脉冲不失真而需要增加带宽。顶端的信号f1(t)图6中，将被图5图中的信号所取代。信号是脉冲序列，在这里比率称为‘义务周期’，脉冲持续时期到采样间隔为低。如果相同脉冲持续时期的更多脉冲在一个低‘义务周期’内被传送，传送通道的使用将因为采样间隔而被增加。为了使一个低‘义务周期’脉冲信号的传输不产生失真，对宽带的要求而导致通道使用的增加。图6中两个相连的采样间隔出现在传输通道的合成信号中，当采样信号来自于另外三个数据源时，〔f2(t)-f4(t),合成信号和顶端采样信号会被分开。在一个来自多信号源的合成信号号中，为了增加传输介质的利用而增加带宽就形成了TDM在通讯中的应用根底。允许脉冲持续时间减少的三个结果是：〔1〕更宽的传输带宽；〔2〕由于传输带宽不能无限的宽，而会发生脉宽延伸，这要求产生规那么的新脉冲；〔3〕脉冲必须保持在一定的时间窗口内，为了保持同步，还必须增加额外的电路。图6中的数据信号源表示采样信号，为了更具说明性，，它必以相同的速率采样，每一个信号的采样电路对于主要的数据源时钟是同步的。为了是使f2(t)从数据源二传到数据接收器二，图6中的数据源转接器也是同步的，他是一个电子开关，用于形成多路技术。在最简单的场合，这个主要数据库时钟以分散的形式传送到数据接收器。在传输端与接收端TDM系统中更普通更具破坏性的模式与同步的丧失相关。 脉冲代码的调制 脉冲代码的调制包括三个过程，第一个是BLI〔bandlimited information signals〕息信号的采样到PAM信号的生成。声音信号一般被限制在3300HZ，每秒钟采样8000个点。第一个过程的结果是形成一个采样间隔是125毫秒的PAM信号。第二个过程是模拟PAM信号通过量化形成PAM数字信号。第三个过程是代码化的过程。被量化的样点被转换成数据字节。在一个n位的字节系统中存有2的n次方个量化值；那就是一个7位字节的值是128，8位字节的值是256。 量化会在实际值和量化值之间产生一个误差。从PCM系统的接收端只能接收到与量化值相应的二进制字，这样就会在采样的原始量和重建量中产生误差。在收到的信号这个误差表现为一个有层理的噪声。这个噪声称为量化失真，主要的失真源是在PCM中。可能存在的最大的错误与利用等间隔量化级别的系统的采样级别相同。这种信号到量化的失真在低级别的信号中比在高级别的信号中更严重，这是指对于小间隔的低级别的信号和大间隔的高级别的信号，对于所有在输入范围内的信号失真的比率可以接近一个恒定量。声音信号的动态范围是40dB,所以无论对于低级别的信号还是高级别的信号，有一个恒定的信号失真率都是很重要的。一个对数译码规律被应用到大多数系统中；它的主要特征是它的噪声的信号失真率是恒定的。图7描述了对数译码规律用于BELL 系统PCM代码中的一个例子。基于对数的代码在代码输入及扩展中有压缩信号的效果，在这种译码过程中信号代码的量是相等的。这种压缩与扩展的过程被称为电子压缩扩展，它被用于声音信号传输系统中来改良低级别声频信号的信噪比。早期的PCM系统使用了一种实时的电子扩展器来执行一种与对数规律相应的功能。由于执行的问题，大多数新的PCM系统都使用了非线性代码，这种代码为对数编码规律生成一种被分段的近似值。 PCM通道层 第一种用于数字通信的商业系统被定为一种叫做D1通道层的装配设备，它可以传 送24个音频通道和一个数字信号到T1转发器的传输线上。D1通道层和T1转发器传输线路是BELL系统在1962年时提出的。通道层主要实现一种多元化功能。通道层用作FDM的目的是使非多元化信号多元化为一种合成的FDM信号。通道层用作PCM来携带音频信号并且生成一种时间不连续的多元化的数字信号。D1通道层采样24个音频通道的信号，使用µ=100的编码规律，为每个样点生成一个7位的数字字节。这个合成信号就是用这24个数字字节建立起来的，这24个数字字节是以一个字节到一个字节的原那么交叉存取的。西方电气公司是BELL 系统在主要制造商，它把至少三种主要的通道层做成了商品。主要指的是通道层在一端把音频通道分层，在另一端产生数字信号。这些数字信号处于层级中的主要层，也就是它们的译码规律所在层。西方电气公司的三个通道层是D1，D2和D3通道层。它们之间的主要区别在于译码规那么的使用或通道数的处理，或两者都有区别。西方电气公司的三个通道层使用的是一种称为µ-law的译码规那么。D1层使用µ=100，而D2，D3层使用µ=255的译码原那么。图7和图8分别描述了µ=100和µ=255两种译码原那么。D1层接收24个音频通道信号和一个数字通道的信号。D2层处理96〔4x6〕个音频通道并产生四个数字通道。D3层的通道数和D1相同。西方电气公司通道层中的数字信号的存取与释放称为一次DS1信号。这种信号被它的比特率和特性确定为双极信号。这种多元化的数据流之所以被修正成双极信号的原因有两个：一从它的频谱中除去直流成分，使得T1-型的线缆能承受复原转换器的直流供电电源；二，增加存在于标号转化中的时钟信息。标号指的是一种描述逻辑电频的信号，在西方电气公司中这种标号大约是3伏，空指的是逻辑零。双极脉冲流使用交互极性的脉冲作为标号，它可以增加转换的数量。转换数量的增加可以帮助转换器恢复时钟信息以便于它们能与数据流相同步。图9描述了这三种波形：顶部的波形是表示原始数据流可能出现的方式，中部和底部的波形把数据流的特性描述成%100周期和%50周期的双极波形。一个%50的周期被使用在西方电气公司通道层是因为它有能在等频率到半比特率之间确定传输信号的能量频谱中心的特性。还有，在双极性传输中，空被编码为无脉冲，标号被编码为正负交互的脉冲，正负交替出现在每个标号出现时刻。这种传输模式也称为标号的交替倒置〔AMI〕。 PCM 传输 PCM的数字传输不同于带宽效应，这是因为脉冲传输的要求，这跟主要的模拟技术FDM-FM一样。在信号中含有20dB的信噪比的时候，PCM信号的数字传输会有优势，它的运行几乎不会出错。当PCM信号以数字形式传输的时候，它们可以以声音频率〔VF〕在电缆上传送，或者以微波的频率利用调制技术传送。以PCM信号通过音频电缆传输的双极脉冲流格式用来从传输的数据流的频谱上消除直流成分，及提高再生中继器的运行能力。有限的电磁频谱资源要求PCM信号通过规那么的大气层传输，这种规那么的目的在于限制要求带宽的量。这要求使用数字调制技术，数字调制技术可以用来增加来自像联邦通信协会〔FCC〕19311号文件规那么的光谱效率。这些规那么为数字微波系统设定了远行参数。FCC为低于15GHz的微波传输器建立了权威的RF带宽，这种带宽为每层每秒每Hz。其他国家也有类似的规那么，加拿大的一种在响应上经过改良的系统到达了每秒每HZ2.25比特的效率。 比特效率的调制 主要的数字调制技术经常联合起来用，当使用可行的滤波一种调制技术可以通过包含符号间的干预控制的来得到一个较高的光谱效率。这种技术被称为局部信号响应〔PRS〕。另一种技术是积分放大调制〕〔QAM〕。把PRS和QAM联合在一起就叫做积分局部响应信号〔QPRS〕，Bell Canada 使用这种技术传输到达了每秒每HZ2.25比特的效率。 QAM规那么可以独立地调制两种相同频率不同相位的载波。这两种载波分别称为I〔相位〕载波和Q〔积分〕载波。在