1、现代通信技术现代通信技术 第第2版版 电子教案(仅供参考) 谭中华 目目 录录第第1章章 现代通信技术概述 1 11 1 绪论绪论1 12 2 信号信号1 13 3 信道及其容量信道及其容量1 14 4 通信系统通信系统1 15 5 数字通信的发展与现状数字通信的发展与现状1 16 6 通信系统的主要性能指标通信系统的主要性能指标1.1 绪论l通信的发展通信的发展l信息高速公路信息高速公路 1.2 信号l信号的定义。信号的定义。 信号是随时间变化的某种物理量信号是随时间变化的某种物理量l信号传递方式信号传递方式。l信号的分类。信号的分类。 连续信号与离散信号连续信号与离散信号 确定信号和随机信
2、号确定信号和随机信号 周期信号与非周期信号周期信号与非周期信号1.3 信道及其容量l数字信道的容量数字信道的容量l模拟信道的容量模拟信道的容量)()1 (1log)1 (1log1222bitPPPPBCeeee)/()1 (log)1 (log21222sbNPBNPBC1.4 通信系统l终端设备。终端设备。 终端设备的主要功能是把待传送的信息和在信道终端设备的主要功能是把待传送的信息和在信道上传送的信号进行相互转换上传送的信号进行相互转换l传输链路。传输链路。 传输链路是连接源点和终点的媒介和通路传输链路是连接源点和终点的媒介和通路l交换设备。交换设备。 交换设备的基本功能是完成接入点链路
3、的汇集、交换设备的基本功能是完成接入点链路的汇集、转接和分配转接和分配 1.4.1 模拟通信模拟通信 模拟通信利用模拟信号来传递消息。模拟通信系统框图模拟通信利用模拟信号来传递消息。模拟通信系统框图如图如图1-11-1所示所示图图1-1 1-1 模拟通信系统模拟通信系统信源调制器信道解调器信宿调制器1.4.1 模拟通信模拟通信模拟通信系统的缺点是模拟通信系统的缺点是l传输的信号是连续的，混入噪声后不易清除，抗干扰能传输的信号是连续的，混入噪声后不易清除，抗干扰能力差力差l不易进行保密通信不易进行保密通信l设备不易大规模集成设备不易大规模集成l不能适应数据通信的要求不能适应数据通信的要求1.4.
4、2 数字通信数字通信 数字通信利用数字信号来传递消息。数字通信系统框图数字通信利用数字信号来传递消息。数字通信系统框图如图如图1-21-2所示所示信源编码信源信道编码调制器信道解调器信道译码信源译码信宿发端定时同步发端定时同步噪声图图1-2 1-2 数字通信系统模型数字通信系统模型1.4.3 数字通信系统的优缺点数字通信系统的优缺点数字通信系统的优点数字通信系统的优点l抗干扰能力强抗干扰能力强l容易实现高质量的远距离通信容易实现高质量的远距离通信l便于实现综合业务数字网便于实现综合业务数字网l便于加密便于加密l适于集成化、智能化适于集成化、智能化1.4.3 数字通信系统的优缺点数字通信系统的优
5、缺点数字通信系统的缺点数字通信系统的缺点l占用频带宽占用频带宽l系统和设备比较复杂系统和设备比较复杂1.5 数字通信的发展与现状l数字短波通信数字短波通信l数字移动通信数字移动通信l数字微波通信数字微波通信l数字卫星通信数字卫星通信 l数字光纤通信数字光纤通信1.6 通信系统的主要性能指标 一个通信系统往往有很多指标，这些指标从各一个通信系统往往有很多指标，这些指标从各高个方面评价了系统各方面的优劣。常用有效性和高个方面评价了系统各方面的优劣。常用有效性和可靠性两方面进行考虑。可靠性两方面进行考虑。1.6.1 1.6.1 模拟通信系统的基本参数模拟通信系统的基本参数l带宽带宽l可用时间可用时间
6、l最大容许功率范围最大容许功率范围1.6.2 1.6.2 数字通信系统的基本参数数字通信系统的基本参数l有效性有效性 系统的有效性主要从传输效率、功率利用率、和频带利系统的有效性主要从传输效率、功率利用率、和频带利用率三个方面用率三个方面l有效性有效性 在数字通信系统中衡量系统可靠性的重要指标是差错率。在数字通信系统中衡量系统可靠性的重要指标是差错率。另外，为了说明系统正确工作的能力，可靠性指标还包另外，为了说明系统正确工作的能力，可靠性指标还包括可靠度和中断率括可靠度和中断率 第第2章章 模拟通信 24 无线电发射机无线电发射机23 角度调制角度调制25 无线电接收机无线电接收机26 频分多
7、路复用频分多路复用21 模拟信号的传输方式模拟信号的传输方式22 幅度调制幅度调制2.1 模拟信号的传输方式l调制调制 l解调解调 l无线电发射机框图如图无线电发射机框图如图2-1l无线电接收机如图无线电接收机如图2-2 l模拟通信系统组成框图如图模拟通信系统组成框图如图2-3 2.1 模拟信号的传输方式模拟信号的传输方式天线天线载波产生器载波产生器调制器调制器功率放大器功率放大器基带信号基带信号图图2-1 发射机组成框图发射机组成框图2.1 模拟信号的传输方式模拟信号的传输方式天线天线选频放大器选频放大器解调器解调器基带信号基带信号图图2-2 接收机组成框图接收机组成框图2.1 模拟信号的传
8、输方式模拟信号的传输方式 信息源信息源 发射机发射机 信信 道道接收机接收机受信者受信者噪声和干扰源噪声和干扰源图图2-3 通信系统组成框图通信系统组成框图l提高频率，易于辐射提高频率，易于辐射l实现信道复用实现信道复用l改变信号占用的带宽改变信号占用的带宽l改善系统的性能改善系统的性能2.1.1 调制的作用调制的作用 2.1.2 噪声和干扰噪声和干扰 l乘性噪声乘性噪声 乘性噪声是由于通信系统的非理想传输特性而引起的，乘性噪声是由于通信系统的非理想传输特性而引起的，通常随着信号的消失而消失，它的存在将引起信号的各通常随着信号的消失而消失，它的存在将引起信号的各种畸变种畸变l加性噪声加性噪声
9、加性噪声是一种独立于信号而存在的噪声加性噪声是一种独立于信号而存在的噪声 2.2 幅度调制l幅度调制是指高频正弦波的幅度随调制信号作线性变化幅度调制是指高频正弦波的幅度随调制信号作线性变化的过程，是发送设备中不可或缺的不部分。与之对应，的过程，是发送设备中不可或缺的不部分。与之对应，接收设备中必须有振幅解调电路，称为检波器接收设备中必须有振幅解调电路，称为检波器 2.2.1 双边带调制双边带调制l常规双边带调制常规双边带调制 调幅过程可以看成两个输入端和一个输出端的调幅过程可以看成两个输入端和一个输出端的“黑盒黑盒子子”，如图，如图2-4所示所示l抑止载波的双边带调制抑止载波的双边带调制 常规
10、双边带调制信号中，载波不传送信息，因此，可常规双边带调制信号中，载波不传送信息，因此，可以只发送上、下两个边频，而不发送载波，这称为抑以只发送上、下两个边频，而不发送载波，这称为抑止载波的双边带调制止载波的双边带调制2.2.1 双边带调制双边带调制调幅器调幅器u uu uc cu u图图2-4 调幅器示意图调幅器示意图2.2.2 单边带调制单边带调制 l独立边带调制独立边带调制 独立边带调制可采用滤波法、移项法、移项滤波法实独立边带调制可采用滤波法、移项法、移项滤波法实现现l残留边带制残留边带制 单边带信号具有节省功率和频带的优点，但难于产生单边带信号具有节省功率和频带的优点，但难于产生单边带
11、信号，为解决此问题，提出残留边带调制单边带信号，为解决此问题，提出残留边带调制2.2.3 解调解调 从调幅波中不失真的检出调制信号称为解调，它是调从调幅波中不失真的检出调制信号称为解调，它是调制的逆过程，也是一种频谱搬移电路，如图制的逆过程，也是一种频谱搬移电路，如图2-5所示。所示。非线性器件非线性器件低通滤波器低通滤波器i图图2-5 振幅检波器组成方框图振幅检波器组成方框图2.3 角度调制角度调制 在角度调制中，已调信号的频谱不再保持原来基带在角度调制中，已调信号的频谱不再保持原来基带信号的频谱结构，而是基带信号与已调信号频谱之间存在信号的频谱结构，而是基带信号与已调信号频谱之间存在着非线
12、性关系。如果用调制信号去控制载波信号的频率，着非线性关系。如果用调制信号去控制载波信号的频率，使载波的频率随调制信号的规律变化而变化，则称为调频；使载波的频率随调制信号的规律变化而变化，则称为调频；如果用调制信号去控制载波信号的相位，使载波的相位随如果用调制信号去控制载波信号的相位，使载波的相位随调制信号的规律变化而变化，则称为调相。调制信号的规律变化而变化，则称为调相。2.3.1 调角波的数学表达式调角波的数学表达式 设调制信号表达式为：设调制信号表达式为： 载波信号的表达式为载波信号的表达式为 则调频波和调相波的表达式分别为：则调频波和调相波的表达式分别为：tuumcostUucmccos
13、2.3.1 调角波的数学表达式调角波的数学表达式l调频波的数学表达式调频波的数学表达式l调相波的数学表达式调相波的数学表达式tmcttdt0sin)coscos(costmtUUupcmm2.3.2 调角波的频谱结构与带宽调角波的频谱结构与带宽 l调角信号的频谱调角信号的频谱l调角信号的频谱为一贝塞尔函数调角信号的频谱为一贝塞尔函数 l调角信号的频谱宽度（宽度调制时）调角信号的频谱宽度（宽度调制时）2(1)2()Bm 2.3.2 调角波的频谱结构与带宽调角波的频谱结构与带宽l抗干扰性抗干扰性 在相同条件下，调频接收机输出端的信号噪声比要在相同条件下，调频接收机输出端的信号噪声比要比调幅接收机大
14、得多。比调幅接收机大得多。l信号频谱宽度信号频谱宽度 在宽度调角中，调角信号得频谱宽度高于调幅信号在宽度调角中，调角信号得频谱宽度高于调幅信号得频谱宽度。得频谱宽度。l设备利用率设备利用率 调角系统的设备利用率高于调幅系统。调角系统的设备利用率高于调幅系统。2.3.3 调频方法调频方法 l直接调频直接调频 直接调频是指用调制信号直接去控制振荡器的振荡直接调频是指用调制信号直接去控制振荡器的振荡频率。如某典型的调频电路如图频率。如某典型的调频电路如图2-6所示。所示。图图2-6 变容管直接调频电路变容管直接调频电路2.3.3 调频方法调频方法l间接调频间接调频 间接调频就是先将调制信号积分，然后
15、对载波进行调相，间接调频就是先将调制信号积分，然后对载波进行调相，从而间接获得调频。某典型的间接调频电路如图从而间接获得调频。某典型的间接调频电路如图2-7所所示。示。图图2-7 单级回路变容二极管调相电路单级回路变容二极管调相电路2.3.4 解调解调l斜率鉴频斜率鉴频l相位鉴频相位鉴频l脉冲计数式鉴频脉冲计数式鉴频l利用门电路或锁相环进行鉴利用门电路或锁相环进行鉴频频2.4 无线电发射机无线电发射机 l无线电发射机的作用是产生一个功率足够大的高频振荡无线电发射机的作用是产生一个功率足够大的高频振荡信号送给发射天线，通过天线转换成电磁波传送到接收信号送给发射天线，通过天线转换成电磁波传送到接收
16、端。端。l衡量发射机优劣的技术指标有：衡量发射机优劣的技术指标有： 输出功率、频率范围与频率间隔、频率准确度与频率稳输出功率、频率范围与频率间隔、频率准确度与频率稳定度、邻道频率、寄生辐射、调制特性等。定度、邻道频率、寄生辐射、调制特性等。2.4.1 调幅发射机调幅发射机调幅发射机的组成框图如图调幅发射机的组成框图如图2-8所示：所示：天线天线振荡器振荡器中间放大器中间放大器输出放大器输出放大器调制器调制器图图2-8 调幅发射机组成方框图调幅发射机组成方框图2.4.1 调幅发射机调幅发射机l在调幅发射机中，为节约频谱资源，提高能量利用率，在调幅发射机中，为节约频谱资源，提高能量利用率，往往采用
17、单边带发射机。某单边带发射机的框图如图往往采用单边带发射机。某单边带发射机的框图如图2-9所示所示:图图2-9 单边带发射机组成方框图单边带发射机组成方框图频率变换部分频率变换部分音音 频频放大器放大器平平 衡衡调制器调制器混混 频频器器放放 大大器器末末 级级放大器放大器边边 带带滤波器滤波器天线天线ALCALC本本 机机振荡器振荡器载载 波波振荡器振荡器单边调制部分单边调制部分2.4.2 调频发射机调频发射机l使用调频调制方式的发射机称为调频发射机。其组成框使用调频调制方式的发射机称为调频发射机。其组成框图如图图如图2-10所示所示晶晶 体体振荡器振荡器频频 率率调制器调制器倍倍 频频器器
18、倍倍 频频器器倍倍 频频器器音音 频频放大器放大器IDCIDC回回 路路音音 频频放大器放大器话话筒筒缓缓 冲冲放大器放大器功功 率率放大器放大器12.14MH12.14MHZ Z图图2-10 调频发射机组成方框图调频发射机组成方框图322145.68MHZ145.68MHZ2.4.2 调频发射机调频发射机l调频发射机与调幅发射机比较，具有如下特点：调频发射机与调幅发射机比较，具有如下特点： 占用频带宽占用频带宽 具有较强的抗干扰性能具有较强的抗干扰性能 功率利用率功率利用率高高2.5 无线电接收机无线电接收机 l接收无线电信号的设备称为无线电接收机。接收无线电信号的设备称为无线电接收机。l衡
19、量接收机性能的主要性能指标有：衡量接收机性能的主要性能指标有： 灵敏度灵敏度 选择性选择性 失真度失真度 波段覆盖波段覆盖 工作稳定性工作稳定性2.5.1 调幅接收机调幅接收机 l直接放大式直接放大式 直接放大式接收机称为调谐方法式，其结构方框图如图直接放大式接收机称为调谐方法式，其结构方框图如图2-11所示所示高频放大器高频放大器检波器检波器音频放大器音频放大器本机振荡器本机振荡器图图2-11 直接放大式接收机组成方框图直接放大式接收机组成方框图2.5.1 调幅接收机调幅接收机l超外差接收机超外差接收机 典型超外差接收机框图如图典型超外差接收机框图如图2-12所示所示高高 频频放大器放大器混
20、混 频频 器器中中 频频放大器放大器检检 波波 器器音音 频频放大器放大器本本 机机振荡器振荡器图图2-12 超外差式接收机方框图超外差式接收机方框图2.5.2 单边带接收机单边带接收机 l单边带接收机也是一个频率的搬移过程单边带接收机也是一个频率的搬移过程l单边带接收机设有只准单边带接收机设有只准SSB信号通过的带同滤波器信号通过的带同滤波器2.5.3 调频接收机调频接收机 l接收调频信号的接收机称为调频接收机接收调频信号的接收机称为调频接收机l典型的调频接收机框图如图典型的调频接收机框图如图2-13所示所示高高 频频放大器放大器第第 一一混频器混频器限限 幅幅器器第第 二二混频器混频器第二
21、中第二中频放大频放大器器第一中第一中频放大器频放大器天线天线第二本第二本机振荡器机振荡器第一本第一本机振荡器机振荡器图图2-13 调频接收机组成方框图调频接收机组成方框图扬扬 声声器器鉴鉴 频频器器音音 频频放大器放大器静静 噪噪电电 路路2.6 频分多路复频分多路复用用 l若干路信息在同一信道中传送称为多路复用。若干路信息在同一信道中传送称为多路复用。l按频率分割信号的方法称为频分复用。按频率分割信号的方法称为频分复用。l在频分多路复用中，信道的可用频带被分割成若干互不在频分多路复用中，信道的可用频带被分割成若干互不交叠的频段，每路信号占据其中一个频段，以实现多路交叠的频段，每路信号占据其中
22、一个频段，以实现多路复用的复用的FDM信号在同一信道中传输。信号在同一信道中传输。l频分多路复用的框图如图频分多路复用的框图如图2-14所示。所示。2.6 频分多路复用频分多路复用CHCH2 2CHCHN NCHCH1 1LPFLPF调制器调制器BPFBPFBPFBPF解调器解调器LPFLPFLPFLPF解调器解调器BPFBPFLPFLPF调制器调制器BPFBPFLPFLPFBPFBPF调制器调制器BPFBPFLPFLPF解调器解调器信信 道道输出输出CHCH1 1CHCH2 2CHCHN N信信号号2cf1cfcnf图图2-14 频分多路复用原理方框图频分多路复用原理方框图第第3章章 数字通
23、信数字通信 3.1 绪论绪论3.2 信源编码信源编码3.3 时分多路复用时分多路复用3.4 数据压缩技术简介数据压缩技术简介3.1 绪论绪论 l通信系统按传输的信号形式可分为模拟通信系统和数字通信系统按传输的信号形式可分为模拟通信系统和数字通信系统通信系统l按传输媒介可分为有线通信系统和无线通信系统按传输媒介可分为有线通信系统和无线通信系统l按通信业务可分为电话、电报、传真、电视按通信业务可分为电话、电报、传真、电视等等3.1.1 数字信号数字信号l信号是信息的表现形式信号是信息的表现形式l基带信号和频带信号基带信号和频带信号 基带信号是指含有低频成分甚至直流成分的信号，通常，基带信号是指含有
24、低频成分甚至直流成分的信号，通常，原始信号都是基带信号原始信号都是基带信号 频带信号的中心频率相对较高，因而相对带宽窄频带信号的中心频率相对较高，因而相对带宽窄3.1.1 数字信号数字信号 l模拟信号模拟信号 模拟信号是指时间和状态都连续的信号模拟信号是指时间和状态都连续的信号l数字信号数字信号 数字信号是指时间和状态都离散的信号数字信号是指时间和状态都离散的信号l典型的数字信号波形如图典型的数字信号波形如图3-1所示所示3.1.1 数字信号数字信号 图图3-1 数字信号波形数字信号波形3-1a 二进制数字信号二进制数字信号 图图3-1b 四进制数字信号四进制数字信号 a）b）1 0 1 0
25、11 0 1 0 1 00 01 10 00 01 10 11 11 01013.1.2 数字通信系统的模型数字通信系统的模型 典型数字通信的模型如图典型数字通信的模型如图3-2所示所示图图3-2 数字通信系统的模型数字通信系统的模型 同步同步 信信源源信信源源编编 码码信信道道编编 码码调调制制信信道道解解调调信信道道解解 码码信信源源解解码码干干 扰扰 同同 步步3.1.3 数字通信系统的主要性能指标数字通信系统的主要性能指标 l比特比特l概率概率l码元码元l信息量信息量l传信率传信率l传码率传码率l误码率误码率l频带利用率频带利用率3.1.4 数字通信的特点数字通信的特点 l抗干扰能力强
26、抗干扰能力强l通信效率高通信效率高l保密性能好保密性能好l便于构成综合数字网和综合业务数字网便于构成综合数字网和综合业务数字网l占用频带宽占用频带宽3.2 信源编码信源编码 信源编码的任务包含两个方面：信源编码的任务包含两个方面： 将输入信号变换成适于在数字通信系统处理和传输的将输入信号变换成适于在数字通信系统处理和传输的数字信号。数字信号。 通过信源编码提高数字信号的有效性，尽可能减小信通过信源编码提高数字信号的有效性，尽可能减小信号中的多余度，进行压缩信号带宽的编码，使单位时间单号中的多余度，进行压缩信号带宽的编码，使单位时间单位系统频带上所传输的信息量最大。位系统频带上所传输的信息量最大
27、。3.2.1 脉冲编码调制（脉冲编码调制（ PCM ）l取样取样 取样也称为抽样，它是把时间连续的模拟信号转换为时取样也称为抽样，它是把时间连续的模拟信号转换为时间离散的信号的过程，取样示意图如图间离散的信号的过程，取样示意图如图3-3所示。所示。3.2.1 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM）s(t)s(t)PAMPAMms(t)ms(t)m(t)m(t)t tt tt tK K图图3-3 取样过程示意图取样过程示意图3.2.1 脉冲编码调制脉冲编码调制（PCM） 对于上限频率对于上限频率为为Fh的限带信号，如果用的限带信号，如果用Fs 2Fh的信的信号对它进行取样，则原信号将被所得到的取样
28、值完全地确号对它进行取样，则原信号将被所得到的取样值完全地确定。或者可以通过截止频率为定。或者可以通过截止频率为Fh的理想低通滤波器完全地的理想低通滤波器完全地恢复原信号。这就是著名的奈奎斯特取样定理恢复原信号。这就是著名的奈奎斯特取样定理 。3.2.1 脉冲编码调制脉冲编码调制（PCM） 取样时，由于模拟信号取样时，由于模拟信号m(t)的值是连续变化的，取样的值是连续变化的，取样后，取样器输出的脉冲顶部是变化的，为获得近似不变的后，取样器输出的脉冲顶部是变化的，为获得近似不变的准确的取样值，要求准确的取样值，要求s(t)的脉冲宽度的脉冲宽度 应尽可能窄。应尽可能窄。另一方面，在后面的量化过程
29、中，为保证量化编码的另一方面，在后面的量化过程中，为保证量化编码的要求，取样值必须保持一段时间，这一过程称为取样保持。要求，取样值必须保持一段时间，这一过程称为取样保持。3.2.1 脉冲编码调制脉冲编码调制（PCM） l量化量化 取样后的取样后的PAM信号幅度仍是连续变化的，不能进行信号幅度仍是连续变化的，不能进行编码。因此，还必须进行数字化的第二步编码。因此，还必须进行数字化的第二步幅度离散幅度离散化处理，即量化化处理，即量化 量化分为：量化分为： 均匀量化均匀量化 非均匀量化非均匀量化3.2.1 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM） 均匀量化：均匀量化： 对对PAM信号的样值幅度进行量化处
30、理，也称为分层或信号的样值幅度进行量化处理，也称为分层或分级。在数字技术中，量化过程实际上是将样值信号的最分级。在数字技术中，量化过程实际上是将样值信号的最大幅度范围（设大幅度范围（设为为-um+um）划分为）划分为2n个区间，即可用个区间，即可用2n个离散值来表示个离散值来表示PAM的样值幅度变化，并且经量化后，每的样值幅度变化，并且经量化后，每一个样值都将被这些离散值所取代，这些电平被称为量化一个样值都将被这些离散值所取代，这些电平被称为量化电平，用量化电平取代每个取样值的过程称为量化，分层电平，用量化电平取代每个取样值的过程称为量化，分层区间电平是一致的，因此称为区间电平是一致的，因此称
31、为均匀量化均匀量化。 3.2.1 脉冲编码调制脉冲编码调制（PCM） 非均匀量化：非均匀量化： l取样信号量化后的信噪比与量化比特数取样信号量化后的信噪比与量化比特数n成正比。成正比。n每增加或减小每增加或减小1bit，信噪比将相应变化，信噪比将相应变化6dB。l随输入信号幅度的下降，信噪比将严重恶化。因随输入信号幅度的下降，信噪比将严重恶化。因为在量化器确定后，为在量化器确定后，N和和 确定，随输入信号幅度确定，随输入信号幅度的下降，相当于被量化的级数小于的下降，相当于被量化的级数小于N，使量化误差，使量化误差增大，噪声增大增大，噪声增大 。l为克服均匀量化过程中造成的小信号量化信噪比为克服
32、均匀量化过程中造成的小信号量化信噪比恶化的缺点，提出了非均匀量化，所谓非均匀量恶化的缺点，提出了非均匀量化，所谓非均匀量化，指当信号幅度小时，量化台阶也小，信号幅化，指当信号幅度小时，量化台阶也小，信号幅度大时，量化台阶也大。度大时，量化台阶也大。3.2.1 脉冲编码调制脉冲编码调制（PCM） l非均匀量化一般采用非均匀量化一般采用13折线折线A率压扩特性，可采用逐次反馈比较型率压扩特性，可采用逐次反馈比较型PCM编编码器，其组成框图如图码器，其组成框图如图3-4所示所示PAMPAM取样器取样器整流器整流器保持电路保持电路比较器比较器本地译码器本地译码器极性码极性码图图3-4 逐次反馈比较型逐
33、次反馈比较型PCM编码器编码器3.2.2 预测编码预测编码 所谓预测编码，是根据上一时刻的信号样值预测所谓预测编码，是根据上一时刻的信号样值预测下一个样值，并仅把预测值与当前的实际样值之差下一个样值，并仅把预测值与当前的实际样值之差（即预测误差）加以量化、编码后进行传输的方式。（即预测误差）加以量化、编码后进行传输的方式。也可以说，预测编码是利用信号的相关性，根据当前也可以说，预测编码是利用信号的相关性，根据当前和过去的信号值来预测未来的信号值。这样，预测误和过去的信号值来预测未来的信号值。这样，预测误差信号与原信号相比，功率减小，幅度范围减小，但差信号与原信号相比，功率减小，幅度范围减小，但
34、原信号所包含的信息仍保持完整。如果解调，在量化原信号所包含的信息仍保持完整。如果解调，在量化噪声相同的情况下，传输预测误差所需的量化比特数噪声相同的情况下，传输预测误差所需的量化比特数将比将比PCM方式的要少，这就有效地去除了多余信息，方式的要少，这就有效地去除了多余信息，达到了压缩频带、提高效率地目的达到了压缩频带、提高效率地目的 。3.2.2 预测编码预测编码 l简单增量调制简单增量调制（ M ）l总和增量调制（总和增量调制（ - M ）l自适应增量调制自适应增量调制（ADM）l差值脉码调制差值脉码调制（DPCM）l自适应预测编码自适应预测编码（ADPCM）l霍夫曼编码霍夫曼编码 （属于最
35、佳的不等长编码，即按信号的大小配置不同的码元，从而属于最佳的不等长编码，即按信号的大小配置不同的码元，从而提高编码效率，压缩频带）提高编码效率，压缩频带） 3.3 时分多路复用（TDM） 为了提高通信系统的传输速率，充分利用设备，绝为了提高通信系统的传输速率，充分利用设备，绝大多数数字通信系统都采用时分多路复用技术（大多数数字通信系统都采用时分多路复用技术（TDM）。）。在时分多路传输系统中，各路信号轮流在不同的时隙传在时分多路传输系统中，各路信号轮流在不同的时隙传输，每一路所占的频带相同。输，每一路所占的频带相同。 对采用对采用PCM方式的数字电话而言，采用时分多路复方式的数字电话而言，采用
36、时分多路复用是很适合的用是很适合的 。 3.3.1 时分多路复用的基本概念时分多路复用的基本概念 在时分多路复用时，每路信号脉冲重复出现的周期在时分多路复用时，每路信号脉冲重复出现的周期称为帧。一帧的时间是称为帧。一帧的时间是125us，一帧内包含了每路信号，一帧内包含了每路信号的一个样值脉冲。的一个样值脉冲。 图图3-5 时分多路复用示意图时分多路复用示意图3.3.2 30/32路路PCM通信系统的帧结构通信系统的帧结构30/32路路PCM基群的帧结构示意图如图基群的帧结构示意图如图3-6所示：所示： 同步时隙同步时隙话路时隙话路时隙标志时隙标志时隙话路时隙话路时隙1 1帧帧=32=32个时
37、隙个时隙=256=256比特比特=125u=125us s TS0 TS1 TS2 TS0 TS1 TS2 TS15TS16TS17 TS15TS16TS17 TS29TS3TS31 TS29TS3TS31 图图3-6 30/32路路PCM通信系统的帧结构通信系统的帧结构3.4 数据压缩技术简介数据压缩技术简介 l为了存储、处理和传输这些数据，必须进行压缩。相比为了存储、处理和传输这些数据，必须进行压缩。相比之下，语音的数据量较小，且基本压缩方法己经成熟，之下，语音的数据量较小，且基本压缩方法己经成熟，目前的数据压缩研究主要集中于图像和视频信号的压缩目前的数据压缩研究主要集中于图像和视频信号的
38、压缩方面方面 l数据压缩方法种类繁多，可以分为无损压缩和有损压缩数据压缩方法种类繁多，可以分为无损压缩和有损压缩两大类两大类 3.4 数据压缩技术简介数据压缩技术简介 l无损压缩利用数据的统计冗余进行压缩，可完全恢复原无损压缩利用数据的统计冗余进行压缩，可完全恢复原始数据而不引入任何失真，但压缩率受到数据统计冗余始数据而不引入任何失真，但压缩率受到数据统计冗余度的理论限制，一般为度的理论限制，一般为2:1到到5:1 。l损压缩方法利用了人类视觉对图像中的某些频率成分不损压缩方法利用了人类视觉对图像中的某些频率成分不敏感的特性，允许压缩过程中损失一定的信息；虽然不敏感的特性，允许压缩过程中损失一
39、定的信息；虽然不能完全恢复原始数据，但是所损失的部分对理解原始图能完全恢复原始数据，但是所损失的部分对理解原始图像的影响较小，却换来了大得多的压缩比。有损压缩广像的影响较小，却换来了大得多的压缩比。有损压缩广泛应用于语音、图像和视频数据的压缩。泛应用于语音、图像和视频数据的压缩。 3.4 数据压缩技术简介数据压缩技术简介lJPEG静止图像压缩标准静止图像压缩标准lMPEG运动图像压缩编码运动图像压缩编码lH.261视频通信编码标准视频通信编码标准第第4章章 数字信号的基带传输数字信号的基带传输 4.1 数字基带传输系统数字基带传输系统4.2 数字基带数字基带信号的再生中继信号的再生中继传输传输
40、4.3 中继传输性能的分析中继传输性能的分析4.4 基带传输的常用码基带传输的常用码型型4.5 扰码与解扰扰码与解扰4.6 PCM中继传输系统的测量中继传输系统的测量4.7 差错控制编码差错控制编码4.1 数字基带传输系统数字基带传输系统基带传输系统主要由波形变换器、发送滤波器、信基带传输系统主要由波形变换器、发送滤波器、信道、接收滤波器和取样判决器等组成。其组成框图如图道、接收滤波器和取样判决器等组成。其组成框图如图4-1所示所示 。接收滤波器接收滤波器基带信号输出基带信号输出基带信号输入基带信号输入波形变波形变换器换器发送发送滤波滤波器器信信道道匹配滤匹配滤波器波器取样取样判决判决器器均均
41、衡衡器器干扰干扰取样定时取样定时图图4-1 数字基带传输示意图数字基带传输示意图4.1.1 限带信道传输对信号波形的影响限带信道传输对信号波形的影响 单位冲击响应的特点单位冲击响应的特点l响应响应h(t)在在t=0时有最大的输出，随时间的推移，输出响时有最大的输出，随时间的推移，输出响应的幅度逐渐减小，波形形成一种拖尾现象应的幅度逐渐减小，波形形成一种拖尾现象 l在时间轴上有很多的零点，相邻的两个零点的距离为在时间轴上有很多的零点，相邻的两个零点的距离为（除低频部分）（除低频部分）l在冲击响应的波形图上有很多的峰值点，但随着时间的在冲击响应的波形图上有很多的峰值点，但随着时间的推移，峰值越来越
42、小。所以，冲击响应的主要能量集中推移，峰值越来越小。所以，冲击响应的主要能量集中在低端在低端 4.1.2 无码间串扰的条件无码间串扰的条件 如信号传输速率如信号传输速率f=2fc(fc为信道带宽为信道带宽)，各码元，各码元的间隔为的间隔为 ，则该数字序列就可以做到无码间，则该数字序列就可以做到无码间干扰传输。其中称干扰传输。其中称fc为奈奎斯特带宽；为奈奎斯特带宽；T为奈奎斯特为奈奎斯特间隔；间隔； 响应波形为奈奎斯特脉冲响应波形为奈奎斯特脉冲 。ttsincccf21T4.1.3 无码间干扰的滚降系统特性无码间干扰的滚降系统特性 虽然数字基带传输系统的理想低通滤波特性达到了虽然数字基带传输系
43、统的理想低通滤波特性达到了有效性能的极限，但这种特性实现起来不容易。而且即有效性能的极限，但这种特性实现起来不容易。而且即便获得了相当逼近理想的特性，但由于便获得了相当逼近理想的特性，但由于h(t)的的“尾巴尾巴”，在判决时刻出现偏差时，码间串扰仍可能达到很大的值。在判决时刻出现偏差时，码间串扰仍可能达到很大的值。所以，实际的通信系统一般不采用这种特性，而采用具所以，实际的通信系统一般不采用这种特性，而采用具有升余弦传输特性有升余弦传输特性的的H（j ） 。4.1.4 部分响应基带传输系统部分响应基带传输系统l合成的部分响应信号带宽为合成的部分响应信号带宽为 ，在相同进制的条件下，在相同进制的
44、条件下，其频带的利用率与理想低通特性传输系统的频带利用率其频带的利用率与理想低通特性传输系统的频带利用率相同相同 。l部分响应可以改善理想低通特性传输系统的拖尾幅度。部分响应可以改善理想低通特性传输系统的拖尾幅度。 l用部分响应信号的脉冲波形作为系统的传输波形，当以用部分响应信号的脉冲波形作为系统的传输波形，当以码元宽度为间隔进行判决时，只在相邻的两个码元之间码元宽度为间隔进行判决时，只在相邻的两个码元之间发生串扰，其它判决时刻不会发生发生串扰，其它判决时刻不会发生串扰串扰 。T4.2 数字基带信号的再生中继传输数字基带信号的再生中继传输 l传输信道传输信道l再生中继系统再生中继系统4.2.1
45、 PCM信号基带传输信道信号基带传输信道 传输距离越长，波形失真越严重。当传输距离增加传输距离越长，波形失真越严重。当传输距离增加到一定长度时，接收到的信号很难识别。因此，到一定长度时，接收到的信号很难识别。因此，PCM数数字信号的传输距离将受到限制，为了延长通信距离，在字信号的传输距离将受到限制，为了延长通信距离，在传输通道的适当位置应设置再生中继设备，把已失真的传输通道的适当位置应设置再生中继设备，把已失真的信号整形后再向更远的距离传输，这就是信号整形后再向更远的距离传输，这就是PCM的再生中的再生中继传输继传输 。4.2.2 再生中继系统和再生中继器再生中继系统和再生中继器 再生中继器的
46、作用是：再生中继器的作用是： 经过一段距离的传输，当信噪比变差时，及时识别经过一段距离的传输，当信噪比变差时，及时识别判决以防止信道误码。只要不误判，经过再生中继器后判决以防止信道误码。只要不误判，经过再生中继器后的输出脉冲，会恢复成和原来一样的标准脉冲波形的输出脉冲，会恢复成和原来一样的标准脉冲波形 再生中继器包括：再生中继器包括： 均衡放大、定时和判决再生，其组成框图如图均衡放大、定时和判决再生，其组成框图如图4-2所所示示 。4.2.2 再生中继系统和再生中继器再生中继系统和再生中继器判决再生判决再生时钟提取时钟提取均放均放抽样判决抽样判决码形成码形成微分微分整流整流调谐调谐相位调整相位
47、调整限幅整形限幅整形图图4-2 再生中继器方框图再生中继器方框图4.2.2 再生中继系统和再生中继器再生中继系统和再生中继器 为了在正确的最佳的时刻识别判决均衡波是为了在正确的最佳的时刻识别判决均衡波是“1”码码还是还是“0”码，并把它恢复成一定宽度和幅度的脉冲，各码，并把它恢复成一定宽度和幅度的脉冲，各再生中继器必须具有与发送定时绝对同步的定时电路。再生中继器必须具有与发送定时绝对同步的定时电路。通常有外同步定时法和自同步定时法两种办法来产生接通常有外同步定时法和自同步定时法两种办法来产生接收端的定时时钟信号收端的定时时钟信号 。4.2.2 再生中继系统和再生中继再生中继系统和再生中继器器
48、l外同步定时法：发送端在发送外同步定时法：发送端在发送PCM信号序列的同时用另信号序列的同时用另外的信道同时发送时钟信号，以供各中继器和接收端使外的信道同时发送时钟信号，以供各中继器和接收端使用。此方法可在各中继器和接收端获得与发端完全同频用。此方法可在各中继器和接收端获得与发端完全同频同相的定时时钟，但需要有一条附加的信道，所以在实同相的定时时钟，但需要有一条附加的信道，所以在实际中很少采用际中很少采用 。l自同步定时法：从传送的自同步定时法：从传送的PCM信号序列中提取定时信号，信号序列中提取定时信号，由于不需要附加信道传送定时信号，所以，目前一般采由于不需要附加信道传送定时信号，所以，目
49、前一般采用这种方法用这种方法 。4.2.2 再生中继系统和再生中继器再生中继系统和再生中继器 l再生判决由判决和脉冲形成两部分组成，其功能有三个：再生判决由判决和脉冲形成两部分组成，其功能有三个： 1）在最佳门限带电压下判决）在最佳门限带电压下判决 2）在最佳判决时刻取样）在最佳判决时刻取样 3）再生形成所需要的码型）再生形成所需要的码型 4.3 中继传输性能的分析中继传输性能的分析 数字信号传输系统中反映传输质量的指标是误码和数字信号传输系统中反映传输质量的指标是误码和时钟抖动，这两者是由于数字信号传输时信道特性的不时钟抖动，这两者是由于数字信号传输时信道特性的不理想以及信道中的噪声和干扰造
50、成的。关于信道的特性理想以及信道中的噪声和干扰造成的。关于信道的特性已在前面讨论过，这里要讨论的是信道噪声和干扰特性已在前面讨论过，这里要讨论的是信道噪声和干扰特性及其对传输性能的影响。及其对传输性能的影响。 4.3.1 信道噪声及干扰信道噪声及干扰 电缆信道中的传输噪声和干扰主要有两个方面：电缆信道中的传输噪声和干扰主要有两个方面：信道噪声；信道噪声；电缆线对之间的相互电缆线对之间的相互串扰串扰 4.3.2 误码率及误码率的积累误码率及误码率的积累 PCM系统中的误码主要发生在传输信道（含再生中系统中的误码主要发生在传输信道（含再生中继器）中，产生的原因是多方面的，包含噪声、干扰、继器）中，
