数据通信_ 模拟信号的数字化技术01

1、计算机学院计算机学院1数据通信基础数据通信基础第第4 4章章 模拟信号的数字化技术模拟信号的数字化技术（1 1）数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院2第第3章复习章复习1 1、信道、信道 是在数据通信系统中位于发送端和接收端之间是在数据通信系统中位于发送端和接收端之间的物理通路，用来实现数据的传输，是通信系统的的物理通路，用来实现数据的传输，是通信系统的重要组成部分。是进行信息交换并允许光电信号通重要组成部分。是进行信息交换并允许光电信号通过的路径。过的路径。 信道是以传输介质为基础的信号通路，信道不信道是以传输介质为基础的信号通路，信道不仅有传输介质，而且包括通信系统中的一些转换装仅

2、有传输介质，而且包括通信系统中的一些转换装置。置。 信道中的传输介质有光纤、同轴电缆、双绞线；信道中的传输介质有光纤、同轴电缆、双绞线； 转换装置有编码器、解码器、调制器、解调器、转换装置有编码器、解码器、调制器、解调器、发转换器、收转换器。发转换器、收转换器。数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院3第第3章复习章复习2 2、信道的分类、信道的分类数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院4第第3章复习章复习3 3、信道模型、信道模型数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院5第第3章复习章复习4 4、加性噪声加性噪声 加性噪声与信道输出信号之间为相加关系，称加性噪声与信道输出信号之

3、间为相加关系，称为加性噪声（或加性干扰）。为加性噪声（或加性干扰）。 即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有即使没有信号输入，在信道的输出端仍可能有一定功率的输出（噪声）。一定功率的输出（噪声）。 加性噪声主要是由内部噪声形成的，不能被消加性噪声主要是由内部噪声形成的，不能被消除，是影响通信质量的主要因素之一。除，是影响通信质量的主要因素之一。5 5、乘性噪声、乘性噪声 如果信道对输入信号作非线性处理，则信道输如果信道对输入信号作非线性处理，则信道输出信号有非线性失真，这种失真只有当输入信号存出信号有非线性失真，这种失真只有当输入信号存在时才有，称这种失真为乘性噪声（或乘性干扰）。在时才有，

4、称这种失真为乘性噪声（或乘性干扰）。数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院6第第3章复习章复习6 6、恒参信道、恒参信道 的特点是不产生非线性失真，传输特性基本与的特点是不产生非线性失真，传输特性基本与时间无关。包括低通型和带通型。时间无关。包括低通型和带通型。7 7、随参信道、随参信道 随参信道又称变参信道，变参信道的特性比恒参随参信道又称变参信道，变参信道的特性比恒参信道要复杂得多，对信号的影响比恒参信道也要严信道要复杂得多，对信号的影响比恒参信道也要严重得多。从对信号传输影响来看，传输媒质的影响重得多。从对信号传输影响来看，传输媒质的影响是主要的，而转换器的特性的影响是次要的，甚至

5、是主要的，而转换器的特性的影响是次要的，甚至可以忽略不计。可以忽略不计。数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院7第第3章复习章复习8、衰减、衰减 衰减就是指信号在信道中传输时，随着传输衰减就是指信号在信道中传输时，随着传输距离的增加，信号强度减弱的程度。距离的增加，信号强度减弱的程度。9 9、衰落、衰落 信号衰减随着时间而随机变化的现象。信号衰减随着时间而随机变化的现象。 衰落描述的是衰减的变化。包括吸收型衰落、衰落描述的是衰减的变化。包括吸收型衰落、干涉型衰落和阴影衰落等。干涉型衰落和阴影衰落等。1010、延迟畸变、延迟畸变 通信信号在传输中通过信道所花费的时间称为通信信号在传输中通过

6、信道所花费的时间称为信号延迟，由于信号延迟而造成的信号失真称为延信号延迟，由于信号延迟而造成的信号失真称为延迟畸变。多径传输效应造成的；传输介质的色散效迟畸变。多径传输效应造成的；传输介质的色散效应造成的。应造成的。数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院8第第3章复习章复习1111、噪声、噪声 噪声指的是通信信道中除了有用信号外的其他噪声指的是通信信道中除了有用信号外的其他不携带有用信息的电信号。不携带有用信息的电信号。 干扰：有规律的周期性的无用信号。干扰：有规律的周期性的无用信号。 噪声：无规律的无用信号。噪声：无规律的无用信号。1212、有线信道分类、有线信道分类 有线信道可以分为

7、双绞线、同轴电缆、光导纤有线信道可以分为双绞线、同轴电缆、光导纤维和架空明线等。维和架空明线等。 1313、关于双绞线、关于双绞线1414、关于同轴电缆、关于同轴电缆1515、关于光纤、关于光纤数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院9第第3章复习章复习1616、无线通信、无线通信 指的是以射频无线电波和光波为传输媒介所构指的是以射频无线电波和光波为传输媒介所构成的信道。成的信道。 其中，射频无线电波包括无线电波和微波，光其中，射频无线电波包括无线电波和微波，光波主要使用红外线和激光。波主要使用红外线和激光。 理论上，把频率在理论上，把频率在1012Hz1012Hz以下的范围内的电磁以下的

8、范围内的电磁波叫做射频无线电波，分为无线电波和微波。波叫做射频无线电波，分为无线电波和微波。数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院10第第3章复习章复习1717、信道容量是指单位时间内信道上所能传输数据、信道容量是指单位时间内信道上所能传输数据的最大容量。的最大容量。 信道包括：调制信道和编码信道。信道包括：调制信道和编码信道。 调制信道是一种连续信道，可以用连续信道的调制信道是一种连续信道，可以用连续信道的信道容量来表征。信道容量来表征。 编码信道是一种离散信道，可以用离散信道的编码信道是一种离散信道，可以用离散信道的信道容量来表征。信道容量来表征。数据通信基础数据通信基础计算机学院计

9、算机学院11第第3章复习章复习1818、连续信道的信道容量连续信道的信道容量 当信号与信道中的加性高斯白噪声的平均功率当信号与信道中的加性高斯白噪声的平均功率给定时，在具有一定频带宽度的信道上，理论上单给定时，在具有一定频带宽度的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限值。位时间内可能传输的信息量的极限值。1919、香农公式、香农公式香农认为，受到高斯白噪声干扰的连续信道的信道香农认为，受到高斯白噪声干扰的连续信道的信道容量为：容量为： 其中，其中，B B为信道带宽（为信道带宽（HzHz），），S S为信号功率（为信号功率（W W瓦特），瓦特），n n0 0为噪声单边功率谱密度（为噪声单

10、边功率谱密度（W/HzW/Hz），），N=nN=n0 0* *B B为噪声功率（为噪声功率（W W瓦特）。瓦特）。数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院12第第3章复习章复习2020、离散信道的信道容量、离散信道的信道容量 离散信道的信道容量是依据奈奎斯特准则计算离散信道的信道容量是依据奈奎斯特准则计算的。的。 奈奎斯特准则指出，带宽为奈奎斯特准则指出，带宽为B B的信道所能传输的信道所能传输的信号的最高码元速率（即调制速率）为的信号的最高码元速率（即调制速率）为2B(Baud)2B(Baud)。 因此，离散信道的信道容量因此，离散信道的信道容量C C可表示为可表示为 C=2Blog C

11、=2Blog2 2M(bps)M(bps) 其中，其中，M M为码元符号所能取得离散值的个数，为码元符号所能取得离散值的个数，即即M M进制。进制。数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院13第第0606次课要求次课要求掌握内容：掌握内容：1 1、模拟信号的概念。、模拟信号的概念。2 2、采样的定义。、采样的定义。3 3、采用的分类。、采用的分类。4 4、采样定理。、采样定理。理解内容理解内容1 1、采样的物理过程。、采样的物理过程。2 2、采样信号的数学表示、采样信号的数学表示数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院144.1 4.1 概述概述 模拟信号：在时间上和幅度上是连续变化的

12、信号。模拟信号：在时间上和幅度上是连续变化的信号。 无论是数字通信洗头膏还是模拟通信系统，信源无论是数字通信洗头膏还是模拟通信系统，信源所产生的信息和信宿所接收的信息大部分是模拟信号。所产生的信息和信宿所接收的信息大部分是模拟信号。 数字通信系统具有模拟通信系统无法比拟的优越数字通信系统具有模拟通信系统无法比拟的优越性，因此数字通信系统是当今使用最多的通信系统。性，因此数字通信系统是当今使用最多的通信系统。 如果信源信号是模拟的，必须先把模拟信号转换如果信源信号是模拟的，必须先把模拟信号转换成数字信号，即模成数字信号，即模/ /数转换，然后经过数字传输系统数转换，然后经过数字传输系统进行传输，

13、在接收端必须把数字数字信号再还原成模进行传输，在接收端必须把数字数字信号再还原成模拟信号。拟信号。 将模拟信号转换为数字信号的过程称为将模拟信号转换为数字信号的过程称为模拟信号模拟信号的数字化的数字化。 数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院154.1 4.1 概述概述 模拟信号数字化的过程：模拟信号数字化的过程： 根据奈奎斯特采样定理，包括采样、量化和编根据奈奎斯特采样定理，包括采样、量化和编码三个过程。码三个过程。 模拟信号数字化的方法：模拟信号数字化的方法： 波形编码和参量编码波形编码和参量编码 波形编码：直接把时域波形变换为数字代码序波形编码：直接把时域波形变换为数字代码序列，比

14、特率在列，比特率在161664kbps64kbps范围内，接收端重建信号范围内，接收端重建信号的质量好。的质量好。 参量编码：利用信号处理技术，提取信号的特参量编码：利用信号处理技术，提取信号的特征参量，再变换为数字代码，其比特率在征参量，再变换为数字代码，其比特率在16kbps16kbps以以下，接收端重建信号的质量不好。下，接收端重建信号的质量不好。数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院164.1 4.1 概述概述 波形编码方法是脉冲编码调制（波形编码方法是脉冲编码调制（PCMPCM）和增量）和增量调制（调制（M M）。）。 脉冲编码调制是最常用的模拟信号数字化方法，脉冲编码调制是最

15、常用的模拟信号数字化方法，它主要是通过采样、量化和编码来完成的。它主要是通过采样、量化和编码来完成的。数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院174.2 4.2 采样采样 在时间上和幅度上都连续的信号称为在时间上和幅度上都连续的信号称为模拟信号模拟信号； 在时间上和幅度上都离散的信号称为在时间上和幅度上都离散的信号称为数字信号数字信号。 模拟信号数字化就是怎样把时间上和幅度上都模拟信号数字化就是怎样把时间上和幅度上都连续的模拟信号变换成时间上和幅度上都离散的数连续的模拟信号变换成时间上和幅度上都离散的数字信号。字信号。数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院184.2 4.2 采样采样

16、1 1、采样的定义、采样的定义 所谓采样是指模拟信号在时间域上进行离散化所谓采样是指模拟信号在时间域上进行离散化的过程，即把一个时间上连续、幅度上连续的模拟的过程，即把一个时间上连续、幅度上连续的模拟信号变换成时间上离散、幅度上连续的信号。信号变换成时间上离散、幅度上连续的信号。2 2、采样的物理过程、采样的物理过程 x(t) x(t)是被采样的模拟信号；是被采样的模拟信号； S S为一个电子开关，当开关闭合时，输出被采为一个电子开关，当开关闭合时，输出被采样模拟信号的瞬时值；当开关断开时，输出为零。样模拟信号的瞬时值；当开关断开时，输出为零。 开关周期性地闭合和断开就得到采样信号开关周期性地

17、闭合和断开就得到采样信号x xs s(nT(nTs s) )。其中开关。其中开关S S受周期为受周期为T Ts s的等间隔采样脉冲的等间隔采样脉冲序列序列s(nTs)s(nTs)的控制。的控制。数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院194.2 4.2 采样采样 数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院204.2 4.2 采样采样3 3、采用脉冲的数学表示、采用脉冲的数学表示 采样脉冲序列为：采样脉冲序列为：数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院214.2 4.2 采样采样 对于采样信号对于采样信号xs(nTs)xs(nTs)，模拟信号，模拟信号x(t)x(t)和采样和采样脉冲脉

18、冲s(nTs)s(nTs)之间的关系，可以用数学公式表示为之间的关系，可以用数学公式表示为 xs(nTs)=x(t)s(nTs) xs(nTs)=x(t)s(nTs) 该公式表示采样信号该公式表示采样信号xs(nTxs(nTs s) )是由模拟信号是由模拟信号x(t)x(t)与采样脉冲与采样脉冲s(nTs(nTs s) )相乘得到的。相乘得到的。 因此实际的采样过程通常是用一个乘法器实现因此实际的采样过程通常是用一个乘法器实现的。的。数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院224.2 4.2 采样采样4 4、采样的分类、采样的分类（1 1）理想采样）理想采样 如果采样窄脉冲的宽度如果采样窄

19、脉冲的宽度足够小，当足够小，当趋于趋于0时，这种采样脉冲序列称为理想冲激序列，这种采时，这种采样脉冲序列称为理想冲激序列，这种采样称为理想采样。样称为理想采样。数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院234.2 4.2 采样采样4 4、采样的分类、采样的分类（1 1）理想采样）理想采样 离线采样是不可能实现的。离线采样是不可能实现的。 在实际中通常采用脉冲宽度相对于采样周期很在实际中通常采用脉冲宽度相对于采样周期很窄的窄脉冲序列近似代替理想冲激脉冲序列进行采窄的窄脉冲序列近似代替理想冲激脉冲序列进行采样。样。数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院244.2 4.2 采样采样4 4、采

20、样的分类、采样的分类（2 2）自然采样）自然采样 在实际电路中，采样窄脉冲的宽度在实际电路中，采样窄脉冲的宽度不可能无不可能无限小，在窄脉冲宽度限小，在窄脉冲宽度持续期内，采样值如果随被持续期内，采样值如果随被采样信号的幅度变化，这种采样方法称为自然采样。采样信号的幅度变化，这种采样方法称为自然采样。 幅度为幅度为1 1、宽度为、宽度为、周期为、周期为T的周期脉冲序列：的周期脉冲序列：数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院254.2 4.2 采样采样4 4、采样分类、采样分类（3 3）平顶采样）平顶采样 采样值如果不随被采样信号的幅度变化，这种采样值如果不随被采样信号的幅度变化，这种采样

21、方法称为平顶采样。采样方法称为平顶采样。 才采样过程中，成时间才采样过程中，成时间T Ts s为采样周期，称为采样周期，称f fs s=1/T=1/T为采样频率。为采样频率。数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院264.2 4.2 采样采样4 4、采样分类、采样分类（3 3）平顶采样）平顶采样 平顶采样的采样信号平顶采样的采样信号x xs s(nT(nTs s) )是否包含模拟信号是否包含模拟信号x(t)x(t)的全部信息呢？的全部信息呢？ 用采样信号用采样信号x xs s(nT(nTs s) )是否可以完全恢复出模拟信是否可以完全恢复出模拟信号号x(t)x(t)呢？呢？ 采样定理描述的

22、是一个时间连续的模拟信号经采样定理描述的是一个时间连续的模拟信号经过采样变成时间离散序列之后，能否用这些离散序过采样变成时间离散序列之后，能否用这些离散序列样值不失真地恢复原来的模拟信号。列样值不失真地恢复原来的模拟信号。 即，传输模拟信号不一定要传输模拟信号本身，即，传输模拟信号不一定要传输模拟信号本身，只需传输模拟信号的一部分就可以了。只需传输模拟信号的一部分就可以了。数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院274.2 4.2 采样采样5 5、采样定理、采样定理 低通信号采样定理：对于一个频率在低通信号采样定理：对于一个频率在0,f0,fH H 内内的时间连续信号的时间连续信号x(t)

23、x(t)，若以采样频率，若以采样频率f fs s(f(fs s=2f=2fH H) )对对其进行等间隔采样，则其进行等间隔采样，则x(t)x(t)将被其采样信号将被其采样信号x xs s(nT(nTs s) )完全确定，或者说，可以从采样信号完全确定，或者说，可以从采样信号x xs s(nT(nTs s) )中无失中无失真地恢复出原信号真地恢复出原信号x(t)x(t)。 低通信号是指信号的频率在低通信号是指信号的频率在0 0 f fH H范围内的信范围内的信号，其中号，其中fHfH是信号的上限截止频率（最高频率）。是信号的上限截止频率（最高频率）。 低通信号的带宽低通信号的带宽B=fB=fH

24、H。数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院284.2 4.2 采样采样5 5、采样定理、采样定理 显然，显然，T Ts s=1/F=1/Fs s。 1/(2f 1/(2fH H) )称为奈奎斯特间隔，记为称为奈奎斯特间隔，记为T TN N 2f 2fH H称为奈奎斯特速率，记为称为奈奎斯特速率，记为f fN N。 奈奎斯特间隔就是能够唯一确定连续信号奈奎斯特间隔就是能够唯一确定连续信号x(t)x(t)的最大的采样间隔；的最大的采样间隔； 奈奎斯特速率就是能够唯一确定连续信号奈奎斯特速率就是能够唯一确定连续信号x(t)x(t)的最小的采样频率。的最小的采样频率。 数据通信基础数据通信基础计

25、算机学院计算机学院294.2 4.2 采样采样5 5、采样定理、采样定理 在频域表示法中，习惯于用角频率在频域表示法中，习惯于用角频率来描述信来描述信号。号。 若用若用H H表示低通信号的最高角频率，则采样频表示低通信号的最高角频率，则采样频率率s s=2 H H时才能够保证从采样信号中无失真地时才能够保证从采样信号中无失真地恢复出原始信号。恢复出原始信号。 角频率角频率s s、频率、频率fs s和采样周期之间的关系为：和采样周期之间的关系为： s s=2fs，Ts=2/ s ，（，（Ts=1/fs）数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院304.2 4.2 采样采样5 5、采样定理、采样

26、定理 低通信号采样定理：对于一个频率在低通信号采样定理：对于一个频率在0,f0,fH H 内内的时间连续信号的时间连续信号x(t)x(t)，若以采样频率，若以采样频率f fs s(f(fs s=2f=2fH H) )对对其进行等间隔采样，则其进行等间隔采样，则x(t)x(t)将被其采样信号将被其采样信号x xs s(nT(nTs s) )完全确定，或者说，可以从采样信号完全确定，或者说，可以从采样信号x xs s(nT(nTs s) )中无失中无失真地恢复出原信号真地恢复出原信号x(t)x(t)。 低通信号采样定理说明，当被采样信号低通信号采样定理说明，当被采样信号x(t)x(t)的的最高频率

27、为最高频率为fHfH时，则时，则x(t)x(t)的全部信息都包含在采样的全部信息都包含在采样间隔间隔T Ts不大于不大于1/(2f1/(2fH) )的等间隔采样里，在信号最的等间隔采样里，在信号最高频率分量的每一个周期内，起码要采样两次。高频率分量的每一个周期内，起码要采样两次。数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院314.2 4.2 采样采样5 5、采样定理、采样定理 低通信号采样定理：对于一个频率在低通信号采样定理：对于一个频率在0,f0,fH H 内内的时间连续信号的时间连续信号x(t)x(t)，若以采样频率，若以采样频率f fs s(f(fs s=2f=2fH H) )对对其进行

28、等间隔采样，则其进行等间隔采样，则x(t)x(t)将被其采样信号将被其采样信号x xs s(nT(nTs s) )完全确定，或者说，可以从采样信号完全确定，或者说，可以从采样信号x xs s(nT(nTs s) )中无失中无失真地恢复出原信号真地恢复出原信号x(t)x(t)。 或者说，任何一个时间连续频带有限的模拟信或者说，任何一个时间连续频带有限的模拟信号，都可以用其离散采样值精确地恢复。号，都可以用其离散采样值精确地恢复。数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院324.2 4.2 采样采样5 5、采样定理、采样定理 理论上，理想的采样频率为低通信号带宽理论上，理想的采样频率为低通信号带

29、宽f fH的的两倍，即两倍，即2f2fH。 如果采样频率如果采样频率f fs2f=3KHz2，取，取f = 6KHz 每次采样的量化级是每次采样的量化级是128，所以每次采样需要，所以每次采样需要7位二进制位保存采样值，因此传输采样数据的速率位二进制位保存采样值，因此传输采样数据的速率为为76K=42Kbps (3分分)数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院35课堂练习课堂练习7-27-2、采用异步传输方式，设数据位为采用异步传输方式，设数据位为7位，位，1位校验位校验位，位，1位停止位，则其通信效率为位停止位，则其通信效率为( ) A. 30% B. 70% C. 80% D. 20%

30、答：答：B B数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院36课堂练习课堂练习7-37-3、T1载波的数据传输率为载波的数据传输率为( ) A. 1Mbps B. 10Mbps C. 2.048Mbps D. 1.544Mbps答：答：D D数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院37课堂练习课堂练习7-47-4、采用相位幅度调制采用相位幅度调制PAM技术，可以提高数据传技术，可以提高数据传输速率，例如采用输速率，例如采用8种相位，每种相位取种相位，每种相位取2种幅度值种幅度值，可使一个码元表示的二进制数的位数为，可使一个码元表示的二进制数的位数为( ) A. 2位位 B. 8位位 C. 16位位 D. 4位位答：答：D数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院