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福建工程学院国脉信息学院通信原理课程自学指导书郑文斌 林挺钊编2010 年 9 月第一章 绪论一、目的和要求通过本章的学习，掌握信息量和系统的有效性、可靠性的概念及传输速率计算方法；了解通信系统模型中各组成部分的功能；了解通信的不同方式；了解数字通信的优缺点；了解通信技术的发展状况。二、重点和难点重点：信息及其度量，码元传输速率和信息传输速率以及误码率和误信率的计算难点：码元传输速率和信息传输速率的转换关系 三、内容提要1、通信的定义：把利用电子等技术手段，借助电信号（含光信号）实现从一地向另一地进行消息的有效传递和交换称之为通信。2、通信系统模型信道信息源发送设备接收设备受信者噪声源发送端接收端图1.1 通信系统模型发送端： 信息源：将消息变成原始的电信号（基带信号）。 发送设备：将原始电信号变成适合在信道传输的形式。信道：信号传输的煤质，有有线信道和无线信道之分。接收端： 接收设备：将信道中送来的已调信号还原成原始电信号。 受信者：将原始电信号还原成消息。噪声源：信道中或通信系统中干扰的集中表示。说明：一般性的模型反映了通信系统的共性，当讨论的问题具体化石，系统模型的各个组成部分会变得更加具体。3、通信系统分类（1）按传输媒介分类：有线通信和无线通信。（2）按调制方式分类：基带传输和频带传输。（3）按信号特征分类：模拟通信和数字通信。（4）按通信的业务内容分类：（狭义）电话，电报，数据，图像通信等。 （广义）遥测，遥控，腰杆，遥调通信等。 （5）按工作频段分类：短波通信，中波通信，长波通信。4、通信方式分类（1）传送的方向和时间分单工通信 半双工通信 全双工通信单工通信：消息只能单方向进行传输例：广播、遥控，信号（消息）只从广播发射台、遥控器分别传到收音机、遥控对象上。半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的形式。 如：对讲机、收、发报机， 全双工通信：通信双方可同时进行双向传输消息的工作方式（双方可同时进行收发消息，因此通信的信道必须是双向的） 例：普通电话、各种手机（2）按数字信号排序分 串序传输：占通路少，时间长 并序传输：占通路多，时间短（3）按通信网络形式分 两点间直通方式、分支方式、交换方式5、信息及其度量（1） 概念： 消息：是指物体的客观运动和人们的主观思维，是以语言、文字或图象等方式来描述的。是信息的载体。 信息：消息中有意义的内容。 信息量：度量信息多少的量值，消息中所含信息量与消息出现的概率有关。消息中所含信息量与消息出现的概率之间的关系：1) 消息中所含信息量用I表示消息出现的概率用P(X)来表示则有如下关系：I = I P(X)2 ) 消息出现的概率愈小，它所含信息量愈大，反之，信息量愈小，且：P=1 时 I=0 P=0 时 I=无穷3）若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量等于各独立事件信息量的和，即： IP1(X)*P2(X)* = IP1(X) +IP2(X)+.可以看出I与P(X)之间有如下关系式： 信息量的单位与对数的底数a有关： a= 2 单位为比特（bit） a= e 单位为奈特（nat） a=10 单位为笛特a= r r进制单位通常使用比特。（2）平均信息量 定义：平均信息量等于各个符号的信息量乘以各自出现的概率再相加。 6、主要性能指标：有效性和可靠性（1）有效性1）码元传输速率 定义：码元速率是指单位时间（每秒钟）内传输码元的数目。用符号来表示。 单位：波特，用符号B来表示（注意，不能小写） 多进制N码元速率与二进制码元速率之间，在保证系统信息速率不变的情况下，可以互相转换。2）信息传输速率信息传输速率简称信息速率，又可称为传信率、比特率等。信息传输速率指的是单位时间（每秒钟）内传输的信息量。用表示，单位为bit/s.3）与关系在二进制中，码元速率同信息速率在数值上相等，单位不同。在多进制中，与，有如下关系：在码元速率保持不变的情况下，二进制信息速率与多进制信息速率的关系为：（2）可靠性衡量数字通信系统的可靠性，用信号在传输过程中出错的概率来表述，即用差错率来衡量。差错率越大，可靠性就越差。差错率用码元差错率和信息差错率表示。1）码元差错率码元差错率也叫误码率，指接收错误的码元数在传送码元数中所占的比例。用Pe表示。 2）信息差错率信息差错率简称误信率，或误比特率。它是指接收错误的信息在传送信息总量中所占的比例。用Pb表示。 四、例题详解1、一个由字母A，B，C，D组成的字。对于传输的每一个字母用二进制脉冲编码，00代替A，01代替B，10代替C，11代替D，每个脉冲宽度为5ms。（1） 不同的字母是等可能出现时，试计算传输的平均信息速率；（2） 若每个字母出现的可能性分别为PA=1/5，PB=1/4，PC=1/4，PD=3/10试计算传输的平均信息速率。2、 国际莫尔斯电码用点和划的序列发送英文字母，划用持续3单位的电流脉冲表示，点用持续1单位的电流脉冲表示；且划出现的概率是点出现概率的1/3：（1） 计算点和划的信息量；（2） 计算点和划的平均信息量。3、对于二电平数字信号，每秒钟传输300个码元，问此传码率RB等于多少？若该数字信号0和1出现是独立等概的，那么传信率Rb等于多少？4、 如果二进独立等概信号，码元宽度为0.5ms，求RB和Rb；有四进制信号，码元宽度为0.5ms，求传码率RB和独立等概时的传信率Rb。五、习题 P20-21 1-7,1-9,1-14第二章 信号、信道及噪声一、目的和要求通过本章的学习，了解随机过程及白噪声的概念；掌握信道的数学模型，了解信道、信号对所传信号的影响；掌握信道容量的概念以及计算方法。 二、重点和难点重点：信道的数学模型；信道容量的概念以及计算方法难点：随机过程分析 三、内容提要1、 随机信号（1）定义 随机信号：信号中一个或者几个参数是不能预知或不能完全预知的信号。（2） 随机信号的分析工具方法：概率分布函数 概率密度函数（3） 随机过程：一种取值随机变化的时间函数，它不能用确切的时间函数来表示。可看成是随时间变化的随机变量的集合。2、信道的定义（1）狭义：信道指信号传输媒介的信道。 如：架空明线、电缆、光纤、波导、电磁波等即指接在发端设备和收端设备中间的传输媒介。（2）广义：在通信中，从研究消息传输的观点看，信道的范围可以扩大，它除了包括传输媒介外，还可能包括有关的转换器，如：馈线、天线、调制器，解调器等，把这种扩大范围的信道称广义的信道。3、信道的分类 狭义信道根据传输煤质，分为有线信道和无线信道。 广义信道分为：调制信道和编码信道。 4、信道模型 （1）调制信道模型 对于二对端的信道模型来说，它的输入和输出之间的关系式可表示成 根据k(t)的不同，调制信道又可以分为恒参信道和变参信道。恒参信道：即k(t)不随时间变化或变化极为缓慢的信道。 大部分有线信道为恒参信道。 变参信道：即k(t)随时间随机变化的信道。（2）编码信道模型5、恒参信道对所传信号的影响不随时间变化或基本不变，它可等效为一个非时变线性网络，网络的传输特性可以用幅度-频率特性及相位-频率特性来描述。（1）幅度-频率畸变是由信道的幅度-频率特性的不理想所引起的，又称为频率失真。（2）相位-频率畸变指信道的相位-频率特性偏离线性关系，可用群迟延-频率特性来衡量。群迟延频率特性：被定义为相位频率特性的导数，即若相位频率特性用()表示，则群迟延频率特性(通常称为群迟延畸变或群迟延)()为 6、随参信道具有三个特点：（1）对信号的衰耗随时间而变化；（2）传输的时延随时间而变化；（3）存在多径传播。 多径传播：指由发射点出发的电波可能经过多条路径到达接收点的现象。 多径传播的危害会造成信号包络的衰减和频率弥散，还可能发生频率选择性衰落。改善多径传播对所传信号的影响可以采用分集接收技术。分集的方式有：空间分集、频率分集、角度分集、极化分集；各分散的信号合并的方法有：最佳选择式、等增益相加式、最大比值相加式。7、常见的几种噪声白噪声：是指它的功率谱密度函数在整个频率域(-+)内是常数，即服从均匀分布。高斯(Gaussian)噪声：是指它的概率密度函数服从高斯分布(即正态分布)的一类噪声。高斯白噪声：是指噪声的概率密度函数满足正态分布统计特性，同时它的功率谱密度函数是常数的一类噪声。 8、信道容量信道容量：单位时间内信道中无差错传输的最大信息量。即指信道可能传输的最大信息速率，也就是信道能达到的最大的传输能力，有时也称为“无差错传输的最大信息速率”。离散信道容量：对于一切可能的信息源概率分布来说，信道传输信息的速率R的最大值称为信道容量(量度信道的传输能力)。连续信道的信道容量：设信道(调制信道)的输入端加入单边功率谱密度为n0(W/Hz)的加性高斯白噪声，信道的带宽为B(Hz)，信号功率为S(W)，则通过这种信道无差错传输的最大信息速率C为 四、例题详解 1、具有6.5MHz的某高斯信道，若信道中的信号功率与噪声功率谱密度之比为45.5MHz，试求其信道容量。 2、设有一幅图象要在电话线路中实现传真传输，大约要传输个象素，每个象素有12个亮度等级。假设所有亮度等级都是等概率的电话电路具有3kHZ带宽和30dB信噪比，试求在该标准线路上传真一张传真图片需要的最小时间。（）解：信息/象素 信息/每幅图 信道容量 最大信息速率为： 传真一张图所需要的最小时间为： 五、习题P60-61 2-10，2-18，2-24，2-29，2-30第三章 模拟信号的调制与解调本章在高频电子线路中学习过，故不做要求。第四章 数字信号的基带传输一、目的和要求通过本章的学习，掌握无码间串扰系统的条件及滚降无串扰系统特性的分析方法；掌握时域均衡的分析方法；了解基带传输系统特性； 掌握主要传输码型差分码、 AMI 、 HDB 3 的编码规则及特点； 了解部分响应系统编码方法；了解眼图的含义及作用。二、重点和难点重点：数字基带信号的产生及其特点，无码间串扰系统的条件及滚降无串扰系统特性的分析方法 , 时域均衡的分析方法。难点：无码间串扰系统的条件及滚降无串扰系统特性的分析方法 , 时域均衡的分析方法。三、内容提要1、基带传输系统的定义和基本结构不使用调制和解调装置而直接传送基带信号的系统，称为基带传输系统。基本结构如图所示。2、数字基带信号常用码型及其频谱特性 （1）基带传输码型应具有的特性：1) 码型中应无直流分量，低频和高频分量应尽量少。2) 码型中应包含定时信息，以便定时提取。3) 码型变换的设备要简单可靠。4) 码型具有一定得检错能力。5) 码型的传输效率要高。6) 码型适应信息源的变化。（2）基带传输常用的码型1) 单极性二进制：不归零（NRZ）；归零（RZ） 2) 双极性二进制：不归零；归零 3) 差分码波形“1”差分码：电位改变“1”，不变“0” “0”差分码：电位改变“0”，不变“1”4) 信号交替反转码（AMI码）a.编码原则：二进制“0” 编为“0”二进制“1” 交替变为“+1”“-1”b.例：NRZ 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 AMI 1 0-1 1 0 0 0 0 0-1 0 1-1c.优点：) 没有直流分量，低频成份少，高频成份少。 ) 过高的高频少。 ) 有一定检错能力。 ) 虽没有成份，但有成份，便于提取。 缺点：) 连“0”码多时，不利于定时提取，造成时钟漂移。5) 三阶高密度双极性码（HDB3码）a.特点：保持了AMI码所有的优点，克服了其缺点。但有误码增值的现象。b.编码原则将连“0”码个数控制在3个以内，超出3个时，每4连零用取代节（000V或B00V）代替。V，B：附加传号码 连“0”码个数不超过3个时，仍按AMI码处理。 遇到连“0”为4个以上时，每4个为一组，用取代节000V或B00V代替。V的与前面的信号同极性，之后传号交替反转，V本身也极性交替。 当V不满足极性交替时，即相邻V之间有偶数个“1”，就用B00V代替，B和前面的传号码反极性。c.例1：NRZ： 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1HDB3：1 0-1 0 0 0 V-0 0 0V-0-1 0 0 0 V-1 B+00V+例2：NRZ： 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1HDB3：1 0 1 0 0 0 V B 0 0 V 0 1 0 0 0 V1 0-1 0 0 0 V-B+0 0V+0-10 0 0 V-例3：NRZ： 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1HDB3：1 0-1 0 0 0V-0 1 0 0 0V+-1+1-10+1B-0 0V-0 1d. 解码识别 V与前相邻传号同极性。 B与V有相对关系：V前面第三位是传号则为B码；V前面第三位是零号为0码。 e. HDB3码的特点优点： 没有直流分量，低频成份少，高频成份少。 有一定检错能力。 即使长串连0码时，也能提取位同步信号 缺点：编译码电路设备比较复杂。（3）数字基带信号的频谱特性假设随机脉冲序列为 由随机脉冲的双边功率谱可以得到其单边功率谱密度为：功率谱各项的含义： 第一项：产生离散谱，它的存在与否表示该信号中是否包含位同步信息。 第二项：包含众多频率成分，由该项可以看出信号的频谱分布规律，确定信号的带宽。 第三项：直流成分功率谱密度。3、基带传输系统模型令，则上图可简化为假定输入基带信号的基本脉冲为单位冲击(t)，这样发送滤波器的输入信号可以表示为 则式中h(t)是H()的傅氏反变换，是系统的冲击响应，可表示为 nR(t)是加性噪声n(t)通过接收滤波器后所产生的输出噪声。 抽样判决器对y(t)进行抽样判决，以确定所传输的数字信息序列ak。为了判定其中第j个码元aj的值，应在t=jTb+t0瞬间对y(t)抽样，这里t0是传输时延，通常取决于系统的传输函数H()。 显然，此抽样值为： 可见：实际的抽样值是由三个部分组成的，第一部分是当前码元信号在t0时刻的取值，第二项是其他码元在当前时刻的取值，第三项是噪声的影响在当前时刻的取值。4、码间串扰（1）码间串扰定义：由于噪声和系统传输特性的不良影响，使数字信号相邻脉冲间出现拖尾叠加，使接收端判决困难的现象。（2）无码间串扰的条件：1) 基带信号经过传输后在抽样点上无码间串扰， 也即瞬时抽样值应满足： 2) h(t)尾部衰减快。 从理论上讲，以上两条可以通过合理地选择信号的波形和信道的特性达到。5、理想低通传输特性 理想基带传输系统的传输特性具有理想低通特性， 其传输函数为 如图4-12(a)所示，其带宽B=(b/2)/2=fb/2(Hz)，对其进行傅氏反变换得 图 4 12 理想基带传输系统的H()和h(t)由理想基带传输系统的特性，得到如下结论：(1) LPF的输出波形具有很长的拖尾，但幅度逐渐衰减，且具有很多零点。 (2) 输出波形的第一个零点在t=1/2B处，以后各点的间隔都是1/2B。可利用这些波形的零点来传输数字信号并可得到最高的传码率。 (3) 若一系列信号通过LPF，则输出形成一系列抽样函数波形，如图b示，每个抽样函数的最大幅度均相隔1/2B，且他们正好位于相邻抽样函数的各零点处。如果每隔t=1/2B处逐点进行抽样判决，可以正确地区分各个码元。(4) 最高传码率：各信号码元的间隔为1/2B，因此每秒内能够传输信号码元的最大数目为2B波特，即最大传码率为2B。B是理想低通滤波器的带宽（截止频率），也是基带传输系统的通带宽度。(5) 频带利用率：是指码元速率RB 和带宽B的比值。即单位频带所能传输的码元速率。由于： RB=2B，所以理想LPF传输函数的频带利用率为2Baud/Hz。6、等效传输特性令基带系统的总特性H（w）凡是能符合上述特性，均可以消除码间串扰，这就是奈奎斯特第一准则。7、奈奎斯特传输定理：设系统的带宽为B，则该系统无码间串扰时最高的传输速率为2B。这个速率通常称为奈奎斯特速率。8、升余弦滚降特性为了达到无码间串扰传输，从实际的滤波器的实现和对定时的要求等方面的考虑，采用升余弦滚降特性H（w），即式中：为滚降因子， 为系统带宽；为系统等效带宽。升余弦滚降特性输出信号频谱所占据的带宽B=(1+)fb/2，当=0时， B=fb/2，频带利用率为2Baud/Hz，=1时，B=fb，频带利用率为1 Baud/Hz；=01时，B=fb/2fb，频带利用率为21 Baud/Hz。可以看出越大，“尾部”衰减越快，但带宽越宽，频带利用率越低。因此，用滚降特性来改善理想低通， 实质上是以牺牲频带利用率为代价换取的。 9、数字再生中继u 再生中继的含义：为了延长通信距离，在信道沿线适当距离处应设置再生中继设备，将尚能辩别出来的“0”、“1”信号加以放大整形恢复成原来的样子，并继续向前传送出去，这个过程称为再生中继。u 再生中继的特点无噪声积累，有误码积累。10、检测系统码间串扰的实验手段眼图。眼图是利用实验手段方便地估计系统性能的一种方法。眼图的简化模型如图示。(1) 最佳抽样时刻应选择在眼图中眼睛张开的最大处。 (2) 对定时误差的灵敏度，由斜边斜率决定，斜率越大，对定时误差就越灵敏。 (3) 在抽样时刻上，眼图上下两分支的垂直宽度，都表示了最大信号畸变。 (4) 在抽样时刻上，上、下两分支离门限最近的一根线迹至门限的距离表示各自相应电平的噪声容限，噪声瞬时值超过它就可能发生判决差错。 (5) 对于信号过零点取平均来得到定时信息的接收系统，眼图倾斜分支与横轴相交的区域的大小，表示零点位置的变动范围， 这个变动范围的大小对提取定时信息有重要影响。 11、时域均衡：在基带系统中插入一种可以调节（或不可调）横向滤波器以减小抽样时刻的码间串扰的影响，这种补偿作用的滤波器统称为均衡器；设基带系统的传输特性为,横向滤波器的频率特性为，若，则应满足。12、部分响应系统：有控制地在某些码元的抽样时刻引入码间串扰，而在其他码元的抽样时刻无码间串扰，那么就能使频带利用率提高到理论上的最大值，同时又可以降低对定时的精度要求。通常把这种波形称为部分响应波形。利用部分响应波形进行传送的基带传输系统称为部分响应系统。四、例题详解 1、已知信息代码为 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1，求相应的AMI码、HDB3码及双相码。解：信息码： 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 AMI码： +1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 +1 HDB3码：+1 0 0 0 +1 -1 0 0 -1 0 +1 -1 双相码： 10 01 01 01 01 01 01 01 01 01 10 102、已知信息代码为 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1，求相应的AMI码及HDB3码，并分别画出它们的波形图。解：五、习题 P131-1334-2，4-3，4-6，4-13第五章 数字信号的频带传输一、目的和要求通过本章的学习，掌握 ASK 、 FSK 、 PSK 调制、解调原理，已调信号时域表示及频谱结构； 掌握数字系统抗噪性能分析方法；了解理解数字载波键控概念；了解 MSK 、 QPSK 、 OQPSK 、 QAM 等系统的性能及特点。 二、重点和难点重点：ASK 、 FSK 、 PSK 调制、解调原理，已调信号时域表示及频谱结构。难点：数字系统抗噪性能分析方法 。三、内容提要1、二进制振幅键控（2ASK） （1）调制方法 2ASK信号可写成：2ASK信号产生的方法有两种：如图（a）模拟幅度调制法 （b）键控法（2）解调方法 2ASK信号有两种基本解调方法：相干解调（同步检波）及非相干解调（包络检波法）。相应的接收系统组成框图如图所示。（a）包络检波方式（B）相干解调方式 （3）2ASK信号的功率谱及带宽若用G(f)表示二进制序列中一个宽度为Tb、高度为 1 的门函数g(t)所对应的频谱函数，Ps(f)为s(t)的功率谱密度，Pe(f)为已调信号e(t)的功率谱密度，则有 结 论：u 因为2ASK信号的功率谱密度Pe(f)是相应的单极性数字基带信号功率谱密度Ps(f)形状不变地平移至fc处形成的，所以2ASK信号的功率谱密度由连续谱和离散谱两部分组成。它的连续谱取决于数字基带信号基本脉冲的频谱G(f)；它的离散谱是位于fc处一对频域冲击函数，这意味着2ASK信号中存在着可作载频同步的载波频率fc的成分。 u 上面所述的2ASK信号实际上相当于双边带调幅(DSB)信号。因此，由图 7-7 可以看出， 2ASK信号的带宽B2ASK是单极性数字基带信号Bg的两倍。当数字基带信号的基本脉冲是矩形不归零脉冲时，Bg=1/Tb。于是 2ASK信号的带宽为：（4）抗噪声性能（在0和1等概率的情况下） 包络检波发系统的总的误码率为： 同步检测法系统的总的误码率为：可 见： 2ASK的频带利用率低（为提高频带利用率，采用单边带调幅） 优 点：易于实现 缺 点：抗干扰能力弱，主要应用与低速数据传输。2、二进制频移键控（2FSK） （1）调制方法：2FSK信号可以表示成 2FSK信号产生的方法：（2）解调方法2FSK常用的解调方法是非相干检测和相干检测，此外还有过零检测法和差分检波法，其接收原理图如图所示。 （a） 非相干检测方式 （b） 相干检测方式（c） 过零检测方式 （3）2FSK信号的功率谱及带宽 1) 相位不连续的2FSK情况 u 相位不连续2FSK信号的功率谱与 2ASK信号的功率谱相似，同样由离散谱和连续谱两部分组成。其中，连续谱与2ASK信号的相同，而离散谱是位于f1, f2处的两对冲击，这表明2FSK信号中含有载波f1,f2的分量。u 若仅计算2FSK信号功率谱第一个零点之间的频率间隔，该2FSK信号的频带宽度， 则为 式中，R=fb是基带信号的带宽，h=|f2-f1|/R为偏移率(调制指数)。 为了便于接收端解调，要求2FSK信号的两个频率f1, f2间要有足够的间隔。对于采用带通滤波器来分路的解调方法，通常取|f2-f1|=(35)RB。于是，2FSK信号的带宽为 相应地，这时 2FSK系统的频带利用率为 2) 相位连续2FSK情况 此时的带宽因h不同而不同。（4）抗噪声性能（在0和1等概率的情况下） 非相干接收系统的总误码率： 相干接收系统的总误码率：3、二进制相移键控及二进制差分相位键控（2PSK及2DPSK）（1）调制方法绝对码、相对码、绝对相移和相对相移的关系：2PSK即DPSK的调制框图如图所示： 单/双极性变换PSKS（t）（a）模拟调制法产生2PSK信号（b）模拟调制法产生2DPSK信号（2）解调方法 （a）2PSK信号接收 （b）极性比较码变换法接收2PSK信号（3）功率谱特性对于双极性基带信号，如果0和1等概率，则2PSK信号的功率谱密度为： 带宽为：（4）抗噪声性能（0和1等概率情况） 2PSK相干接收系统的总的误码率： 2DPSK差分检测系统总的误码率：四、例题详解 1、已知2FSK系统的码元速率为1200B，发“0”码时载频为1000Hz，发“1”码时载频为2000Hz，画出发送数字信息为“1001”时的2FSK信号波形图。 0 1 1 0 2、已知2DPSK系统的码元速率为1000B，载波频率为2000Hz，相位偏移为“0”码相，“1”码0相，画出数字信息“0110”所对应的2DPSK信号波形图。 1 0 0 1五、习题 P180-1825-22，5-26，5-31，5-36第六章 数字信号的最佳接收最佳接收时一个相对意义的概念，而不是绝对的概念，它是指在一定的条件下，针对某一信号，按照某一个“标准”或“准则”得到的最佳接收，而对其他“准则”不一定是最佳饿的。第七章 模拟信号的数字传输一、目的和要求通过本章的学习，掌握抽样定理； 掌握 PCM 编码原理（ A 律 13 折线非线性量化编码）及量化信噪比的计算方法； 掌握增量编码调制（ DM ）的原理； 了解数字压扩总和增量编码调制的原理。 二、重点和难点重点：PCM 编码原理（ A 律 13 折线非线性量化编码）。难点：量化信噪比的计算方法。三、内容提要1、模拟信号的数字传输系统框图如图所示。抽 样量 化编 码数字通信系统低通译码A/D转换D/A转换X(t)S(t)干扰X(t) 模拟信号数字传输抽样是对模拟信号进行周期性的扫描,把时间上连续的信号变成时间上离散的信号,用三端乘法器实现。量化是把抽样得到的瞬时值进行幅度离散.即指定Q个电平,把抽样值用最接近的电平表示。编码是用二进制码表示,有固定电平的量化值,就是要把量化得到的信号电平转换成数字代码,实际上量化是在编码的过程中同时完成的。2、抽样 （1）低通抽样定理：一个频带限制在0到f以内的低通信号x(t)，如果以fs大于或等于2fm的抽样速率进行均匀抽样，则x(t)可以由抽样后的信号x(t)完全地确定，最小抽样速率fs=2fm称为奈奎斯特速率。1/2fm这个最大抽样间隔称为奈奎斯特间隔。（2）带通抽样定理:一个频带限制在fL fm之间的带通信号，其抽样频率满足n是小于fL/B的最大整数时，就可以无失真地恢复出原信号。3、脉冲调制定义：用调制信号改变载波脉冲的某参数，使已调信号的某参数随调制信号规律变化而变化。脉冲的参数包括脉冲的振幅、宽度、位置，因此脉冲调制分为：PAM、PDM、PPM。在脉冲调制中，调制信号是模拟信号，载波信号是时间间隔均匀的矩形脉冲。4、量化对抽样信号进行量化，使抽样信号在幅度上离散化。因为量化的结果使信号只能取有限个量化电平之一，所以量化过程不可避免地要造成误差，这种量化误差产生的噪声叫量化噪声。量化也叫分层，将输入的信号的变化范围划分成若干“层”（若干个量化电平），每个样值都按“四舍五入”的方法归为某一最接近的电平值。两个电平间的距离称为量化间隔。（1）均匀量化：量化间隔相等的量化称均匀量化。设一M个量化电平的均匀量化器，其输入信号在区间-a，a具有均匀的概率密度函数，则： 均匀量化的量化间隔为：若以量化间隔的中间值作为量化电平值，则量化间隔为：均匀量化存在的问题：对于均匀量化，其量化信噪比随信号的减小而下降。大信号时量化信噪比大，小信号时量化信噪比小,这就使平均信噪比下降。改善小信号量化信噪比，可以采用量化间隔非均匀的方法，即非均匀量化。（2）非均匀量化非均匀量化是一种在整个动态范围内量化间隔不相等的量化。在信号幅度小时，量化间隔划分的小，信号幅度大时，量化间隔也划分的大。以此提高小信号的信噪比，适当减小大信号的信噪比，使平均信噪比提高，获得较好的小信号接收效果。实现非均匀量化的方法之一是采用压缩扩张技术，目前数字通信系统中采用两种压扩特性，一种是律压扩特性，另一种是A律压扩特性。a. 压缩律-压缩器的压缩特性具有如下关系： 式中： y-归一化的压缩器输出电压； X 归一化的压缩器输入电压； -压扩参数。b. A压缩律-压缩器的压缩特性具有如下关系：c. 13折线-用13条折线逼近A律函数规律，基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于用数字电路实现，如图：432187651/21/81/411/82/83/84/85/86/87/81-1/8-2/8-3/8-4/8-5/8-6/8-7/8-1-1/4-1/2-1xy5、编码对每一个量化电平值赋予一特定的代码，以便接收端根据这一特定的代码可还原量化后的样值，有多少个量化值就需要多少种代码组，代码组的选择是任意的，只要满足编码与样值一一对应的关系。（1）均匀量化编码：量化间隔相等，将均匀量化值用线性二进制码表示。（2）非均匀量化编码：量化间隔大小不同，更据信号幅度的大小选择不同的间隔。常见的13折线编码，用8位折叠二进制码来表示输入信号的抽样值。极性码 段落码 段内码 M1 M2M3M4 M5 M6 M7 M8 6、PCM信号的码元速率和带宽由于PCM要用k位二进制代码来表示一个抽样值，因此传输它需要的信道将比信号X(t)的带宽大得多。 a) 码元速率 设X(t)为低通信号，最高频率为fx，抽样速率为fs大于或等于2fx，若量化电平数为N，采用M进制代码，每个量化电平需要的代码书为k=logN，因此码元速率为kfs，一般采用二进制代码M=2，k=logN，则fb=fs* logNb) 传输PCM信号所需要的最小带宽，抽样速率的最小值fs=2fx，因此最小码元传输速率为fb=2fx*k，因此所具有的带宽有两种：B=fb/2=k*fs/2 (理想低通传输)B=fb=k*fs (升余弦传输)7、增量调制增量调制每次采样只用一位二进制码代表，它表示了相邻样值的增减变化。假设一个模拟信号x(t)，我们可以用一时间间隔为t，幅度差为的阶梯波形x(t)去逼近它。用“1”表示在给定时刻x(t)上升一个台阶，用“0”表示下降一个台阶。只要t足够小，即抽样频率fs=1/t足够高， 且足够小，则x(t)可以相当近似于x(t)。我们把称作量阶， t=Ts称为抽样间隔。 增量调制系统的量化噪声有两种形式：一般量化噪声和过载量化噪声。一般量化误差总在-到范围内变化。防止过载的办法是让斜变电压斜率绝对值/Ts大于或等于信号最大斜率的绝对值，即 或8. 简单M调制的带宽从编码的基本思想知道，每抽样一次，传输一个二进制码元，因此码元传输速率为fb=fs，从而M调制带宽BM=fs=fb (Hz)。 四、例题详解1、 设一信号为，求：（1） 若将该信号均匀量化成13个电平，量化间隔是多少？抽样值最大量化误差为多少？ （2） 若用二进制编码，编码位数n为多少？ 解： （1） 量化间隔：12/（13-1）=1V 最大量化误差：+0.5V（3） 二进制编码需要编码位数：N=13=4（取整数）五、习题 P253-2547-10，7-12，7-17，7-28第八章 多路复用与数字复接一、目的和要求通过本章的学习，掌握频分多路复用和时分多路复用的原理。二、内容提要1、多路复用技术(multiplexing) ：多路复用技术就是把许多个单个信号在一个信道上同时传输的技术。多路复用使得在同一传输介质上可传输多个不同信源发出的信号。可充分利用通信线路的传输容量，提高传输介质的利用率 2、频分多路复用：是将所给的信道带宽分割成互不重叠的许多小区间，每个小区间能顺利通过一路信号，也就是对原信号通过调制进行频谱搬移，将各路信号调制到不同频段，相当于对频域进行分割，各路信号在频域中占用不同的频段，互不重叠，但在时间上是重叠的。3、时分复用：将多路信号在时间轴上互不重叠地穿插排列就可以在同一条公共信道上进行传输，这种按一定时间次序依次循环地传输各路消息，以实现多路通信的方式叫时分复用。在时分复用系统中，多路信号在时间上被离散化，相当于时域进行分割，多路信号在不同的时间内被传送，各路信号在时域中互不重叠，但在频域中重叠。4、在一个抽样周期Ts秒内，由各路信号的一个抽样值组成的一组脉冲叫做一帧。一帧中相邻两个脉冲之间的时间间隔叫做时隙。未能被抽样脉冲占用的时隙部分称为防护时间。 第九章 同步系统一、目的和要求通过本章的学习，掌握载波同步、位同步及帧同步的工作原理及获取同步的方法。二、重点和难点重点：载波同步、位同步及帧同步的工作原理及性能。难点：帧同步保护。三、内容提要 1、载波同步：在相干解调系统中，接收端提供一个与发送载波同频同相的相干载波。（1）载波同步的要求：发送载波同步信息所占的功率尽量小，频带尽量窄。（2）载波同步的方法： a. 自同步方法：平方变换法、特殊锁相环法等。 b. 外同步方法：频域中插入导频法，时域中插入导频法。 频域中插入导频的位置：在信号频谱为0，且正交插入，如图所示。 （3）载波同步系统的性能指标 a. 效率：为了获取载波信号而尽量少消耗发送功率。 b. 精度：指的是接收端提取的载波应是相位误差尽量小的相干载波 c. 同步建立时间：从开机或失步到同步所需要的时间，越小越好。 d. 同步保持时间：同步建立后，同步信号消失，系统还能保持正常工作的时间。越长越好。 2、位同步：在接收端产生于接收码元的重复频率和相位一致的定时脉冲序列的过程。 （1）位同步的要求：一、使收信端的位同步脉冲的频率和发送端的码元速率相同。二、使收信端在最佳接收时刻对接收码元进行抽样。（2）位同步的方法：a. 插入导频法：在基带信号频谱为零的位置插入所需的导频信号，在接收端经滤波，可以从解调后的基带信号中提取出位同步所需的信号。 b. 自同步方法：滤波法、锁相环法等。数字锁相环法提取同步的原理，如图所示。 （3）位同步系统的性能a. 相位误差：位同步信号的平均相位和最佳相位之间的偏差称为静态相差。静态相位差越小，误码率越低。 b. 同步带宽：同步带宽是指能够调整到同步状态所允许的收、发振荡器最大频差。 c. 同步建立时间：从开机或失步到同步所需要的时间，越小越好。 d. 同步保持时间：同步建立后，同步信号消失，系统还能保持正常工作的时间。越长越好。3、群同步 （1）群同步要求： 正确建立同步的概率要大， 即漏同步概率要小， 错误同步或假同步的概率要小。 捕获时间要短， 即同步建立的时间要短。 稳定地保持同步。 采取保持措施， 使同步保持时间持久稳定。 在满足群同步性能要求条件下，群同步码的长度应尽可能短些，这样可以提高信息传输效率。 (2)群同步方法：a. 起止式同步法：在每个字的开头和结尾各发一个起脉冲和止脉冲。 b. 连贯式插入法：在每群的开头集中插入群同步码，该群同步码要求具有尖锐的单峰特性的局部自相关函数。常用的有全0码和全1码，还有巴克码。 c. 间隔式插入法：每隔一定数量的信息码元，插入一个群同步码。 （3）群同步系统的性能群同步系统建立同步时间应该短，且在群同步建立后应有较强的抗干扰能力。通常用漏同步概率，假同步概率和群同步建立时间 来衡量性能指标。 漏同步概率 :假同步概率 :式中， P为码元错误概率；n为同步码组的码元数；m为允许码组中的错误码元的最大数。集中式插入群同步平均建立时间 为 其中，N 为每群的码元数，T为码元宽度。 (4)群同步的保护群同步最常见的保护措施是将群同步的工作划分为捕捉和维持两种状态。在捕捉态时，同步码组识别器的判决门限为电平较高，减小了假同步概率；在维持态时，降低识别器的判决门限电平，减小漏同步概率，提高系统的抗干扰能力。四、例题详解1、传输速率为1kb/s的通信系统，误码率，群同步采用连贯式插入的方法，同步码组的位数，试分别计m=0和m=1时漏同步概率和假同步概率各为多少？若每群中的信息位数为153，估算群同步的平均建立时间为多少？解：m =0 = 1- = 1-(1-) = 1-(1-) 7 = = 7.8 t = N(1+)=(153+7)(1+ 7+7.8) =161ms m =1 = 1- = 1-(1-) - (1-) = 1-(1-) - 7 2.1 = = = 6.25 t = N(1+) =(153+7)(1+ 2.1+6.25) =171ms 五、习题 P304-3069-11，9-28，9-32第十章 差错控制编码一、目的和要求通过本章的学习，掌握线性分组码编码原理，一致校验矩阵及生成矩阵的计算方法； 掌握汉明码、循环码的特点及编码方法； 掌握最小码距概念及其与纠、检错能力的关系。 二、重点和难点重点与难点：掌握线性分组码编码原理和循环码的特点及编码方法。最小码距概念及其与纠、检错能力的关系。三、内容提要1、差错控制编码的基本思想：在发送端被传输的信息码元序列中，以一定的编码规则附加一些校验码元，接收端利用该规则进行相应的译码，译码的结果有可能发现差错或纠正差错。 差错控制编码是为了提