上海交通大学通信原理笔记

上海交通大学通信原理笔记第一部分1、由于A/D或D/A变换的过程通常由信源编（译）码器实现，所以我们把发端的A/D变换称为信源编码，而收端的D/A变换称为信源译码，如语音信号的数字化叫做语音编码。模拟信号的数字化又要经过抽样、量化、编码三个过程。2、模拟信号数字化的编码方法大致可划分为波形编码、参量编码和混合编码。3、抽样的定义及其抽样的分类：抽样是把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值的过程。分类：A．根据信号分为：低通抽样定理和带通抽样定理；B．根据抽样脉冲序列分：均匀抽样定理和非均匀抽样C．根据抽样的脉冲波形：理想抽样和实际抽样。理想低通信号的抽样定理：定理：频带限制在(0，fh)的时间连续信号m(t)，如果以T<1／2fh秒的间隔对它进行等间隔抽样，则m(t)将被所得到的抽样值完全确定。意义：若要传输模拟信号，不一定要传输模拟信号本身,可以只传输按抽样定理得到的抽样因此，抽样定理为模拟信号的数字传输奠定了理论基础。Ts=1/(2fH)是最大允许抽样间隔，称为奈奎斯特间隔，相应的最低抽样速率fs=2fH称为奈奎斯特速率。4、理想带通信号的抽样定理：对于带通型信号，如果按fs≥2fH抽样，虽然能满足频谱不混叠的要求。但这样选择fs太高了，它会使0~fL一大段频谱空隙得不到利用，降低了信道的利用率。5、带通型抽样定理内容:带通均匀抽样定理：带通信号m(t)，其频率限制在fL与fH之间，带宽为B=fH-fL，n=(fL/B)取整数部分，为了节约抽样速率，可在(0＿fL)间插入ｎ个下边带，那么抽样频率满足:为了使抽样后的频谱相邻间隔相同,常取6、脉冲调制脉冲调制就是以时间上离散的脉冲串作为载波，用模拟基带信号m(t)去控制脉冲串的某参数，使其按m(t)的规律变化。按基带信号改变脉冲参量的不同，把脉冲调制又分为脉幅调制(PAM)、脉宽调制(PDM)和脉位调制(PPM)脉冲振幅调制脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式。窄脉冲序列进行实际抽样的两种脉冲振幅调制方式：自然抽样的脉冲调幅和平顶抽样的脉冲调幅。7、模拟信号的量化量化的定义：用预先规定的有限个电平来表示模拟抽样值的过程称为量化。将这有限个电平称为量化电平。抽样是把一个时间连续信号变换成时间离散的信号，而量化则是将取值连续的抽样变成取值离散的抽样值序列。量化会产生量化误差，或称量化噪声。根据量化间隔不同，量化分为均匀量化和非均匀量化量化噪声的均方误差（即平均功率）为均匀量化：把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化。在均匀量化中，每个量化区间的量化电平均取在各区间的中点。其量化间隔Δi取决于输入信号的变化范围和量化电平数。若设输入信号的最小值和最大值分别用a和b表示,量化电平数为M，则均匀量化时的量化间隔为【讨论】：量化信噪比随量化电平数M的增加而提高。均匀量化器广泛应用于线性A/D变换接口，均匀量化的不足：量化信噪比随信号电平的减小而下降。通常，把满足信噪比要求的输入信号的取值范围定义为动态范围，在遥测遥控系统、仪表、图像信号的数字化接口中,都使用均匀量化器。但在语音信号数字化中，均匀量化有一个明显的不足：量化信噪比随信号电平的减小而下降，通过计算，对语音采用均匀量化，要达到２6ｄB以则需编码成11位代码。8、6dB原理:当M=2n9、非均匀量化定义：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方式。信号幅度越小，量化间隔Δv也小；反之亦大。实现方法（压缩扩张技术）：实现非均匀量化的方法之一是把输入量化器的信号x先进行压缩处理，再把压缩的信号y进行均匀量化。常用压缩器大多采用对数式压缩，即y=lnx。广泛采用的两种对数压扩特性是μ律压扩和A律压扩。（1）μ律压扩特性式中x——压缩器归一化输入电压y——压缩器归一化输出电压μ——压缩器参数(常选)结论：小信号时，可以改善量化信噪比，大信号时，会降低量化信噪比。相当于增加了输入信号的动态范围。（2）A律压扩特性式中x——压缩器归一化输入电压y——压缩器归一化输出电压A——压缩器参数(常选)压缩特性的近似实现：早期的A律和μ律压扩特性是用非线性模拟电路实现的，随着数字电路特别是大规模集成电路的发展，另一种压扩技术——数字压扩，日益获得广泛的应用。它是利用数字电路形成许多折线来逼近对数压扩特性。在实际中常采用的方法有两种：一种是采用13折线近似A律压缩特性，另一种是采用15折线近似μ律压缩特性。我国的PCM30/32路基群也采用A律13折线压缩特性。CCITT建议G.711规定在国际间数字系统相互连接时，要以A律为标准。因此这里重点介绍A律13折线。A律13折线：用13段折线逼近A=87.6的A律压缩特性。具体方法是：对x轴不均匀分成8段，分段的方法是每次以二分之一对分；对y轴在0~1范围内均匀分成8段，每段间隔均为1/8。然后把x，y各对应段的交点连接起来构成8段直线。其中第1、2段斜率相同(均为16)，因此可视为一条直线段，故实际上只有7根斜率不同的折线。μ律15折线：用15段折线逼近μ=255的μ律压缩特性。10、脉冲编码调制基本概念：把量化的电平值表示成二进制码组的过程称为编码，相反的过程称为译码。将模拟信号的经过抽样、量化、编码为数字信号，然后再变换成代码传输，这种方式称为脉冲编码调制(PCM)。PAM和PCM的区别：PAM是时间离散、幅度连续的模拟信号。PCM是时间离散、幅度离散的数字信号。模拟信号通过抽样后得到PAM信号，再通过量化、编码后得到PCM信号。在PCM中常用的二进制码型有三种：自然二进码、折叠二进码和格雷二进码。与自然二进码相比，折叠二进码的优点是，对于语音这样的双极性信号，只要绝对值相同，则可以采用单极性编码的方法，使编码过程大大简化。另一个优点是，在传输过程中出现误码，对小信号影响较小。在PCM通信编码中，折叠二进码比自然二进码和格雷码优越，它是A律13折线PCM30/32路基群设备中所采用的码型。11、PCM编码的方法（A律13折线编码）基本原理：在13折线编码中，普遍采用8位二进制码，对应有M=28=256个量化级，即正、负输入幅度范围内各有128个量化级，这需要将13折线中的每个折线段再均匀划分16个量化级，由于每个段落长度不均匀，因此正或负输入的8个段落被划分成8×16=128个不均匀的量化级。按折叠二进码的码型，这8位码的安排如下：极性码段落码段内码C1C2C其中第1位码C1的数值“1”或“0”分别表示信号的正、负极性，称为极性码，Ｃ1=1,代表正极性。第2至第4位码C2C3C4为段落码，代表8个段落的起点电平。第5至第8位码C5C6C7C8为段内码，这4位码的16种可能状态用来分别代表每一段落内的16个均匀划分的量化级。各段的特点：（1）Δ的含义：段内的16个量化级均匀划分，小信号时，段落短，量化间隔小。大信号时，段落长，量化间隔大。第一、二段最短，只有归一化的1/128，再将它等分16小段，每一小段长度最小的量化级间隔为Δ，它是输入信号归一化值的1/2048，代表一个量化单位。最大信号为2048Δ。可见，在保证小信号时的量化间隔相同的条件下，7位非线性编码与11位线性编码等效。（2）每段的起始电平和终止电平1——：0-16Δ（000）2——：16Δ-32Δ（001）3——：32Δ-64Δ（010）4——：64Δ-128Δ（011）5——：128Δ-256Δ（100）6——：256Δ-512（101）7——：512Δ-1024Δ（110）8——：1024Δ-2048Δ（111）（3）C5C6C7C8的安排及其每段时各位所对应的权值：看书上表格C5C6C（8421）＊Δi由Δi第1到第8段，分别为Δ，Δ，2Δ，4Δ，8Δ，16Δ，32Δ，64Δ。译码：将编码的代码翻译成模拟量的过程。抛开极性码后，有7/11和7/12两种。7/12精度更高。将7/11译码的结果加上。12、PCM信号的速率和带宽设编码位数为n，采样速率为fs，信号路数为m，则数字信号速率为占空比为1时，信号带宽所需系统最小宽度13、PCM系统的抗噪声性能PCM系统性能涉及两种噪声：量化噪声和信道加性噪声。考虑两种噪声时，PCM系统接收端低通滤波器的输出为=m(t)+nq(t)+ne(t)m(t)——输出端所需信号成分；nq(t)——量化噪声的输出，其功率Nq；ne(t)—信道噪声引起的输出噪声，功率Ne。在输入信号区间[-a,a]均匀分布、并对它均匀量化，其量化电平数为M。那么，量化噪声功率为输出信噪比为信噪比还可写成大信噪比时近似:小信噪比时近似：13、差分脉冲编码调制(DPCM)：线性预测：用前面若干时刻传输的抽样值来预测当前要传输的样值。DPCM的基本思想是：利用相邻抽样值之间的相关性。具体的方法是：用前一个时刻传输的抽样值来预测当前要传输的样值，然后对预测的误差而不是样值本身进行编码、传输。在接收端再用接收的预测误差来修正当前的预测值。DPCM的优点：量化台阶不变的情况下（即量化噪声不变），编码位数减少，降低数码率，压缩信号带宽。在编码位数不变的情况下，量化间隔减小，量化噪声降低。14、ADPCM为了在大的动态范围内以最佳的预测和量化来获得最佳的性能，在DPCM基础上引入自适应技术，称为自适应差分脉冲编码调制，简称ADPCM。ADPCM包括自适应预测和自适应量化。自适应预测：预测器系数随信号的统计特性而自适应调整，提高了预测信号的精度，从而得到高预测增益。自适应量化：指量化间隔随信号的变化而变化，使量化误差达到最小15、增量调制（deltamodulation,ΔM）增量调制的定义简称ΔM或DM。是另一种模拟信号数字化的方法。将模拟信号变换成仅由一位二进制组成的数字信号序列,来表示相邻抽样值的相对大小,通过相邻抽样值的相对变化反映模拟信号的变化规律.ΔM又可以看成DPCM的特例，即量化电平取两个，且预测器是一个延迟为T的延迟线的DPCM系统调制系统。在PCM中，用一个码组来表示抽样，码组位数大于1；而ΔM仅使用一位码组来表示抽样。由DPCM的一般原理框图简化可以得到增量调制ΔM的原理框图。上式表明：ΔM的信噪比与抽样速率fs成立方关系，即fs每提高一倍，量化信噪比提高9dB。因此，ΔM系统的抽样速率至少要在16kHz以上，才能使量化信噪比达到15dB以上，而抽样速率在16、时分复用及PCM30/32系统时分复用的概念(TimeDivisionMultiplexing,TDM)在数字通信中,PCM、DPCM都采用时分复用的方式来提高信道的利用率.将时间帧划分成若干时隙，各路信号占有各自时隙的方法来实现在同一信道上传输多路信号称为时分复用．时分复用的理论基础是抽样定理。在通信中，同步技术在时分复用时占有很重要的地位。优点:多路信号的复合和分路都是数字电路,比FDM简单、可靠。TDM系统的非线性失真要求可降低。几个基本概念：帧(frame)：抽样时各路信号至少每轮一次抽样的总时间（即开关旋转一周的时间），也就是一个抽样周期（tF=Ts）。路时隙：和路的PCM信号每个样值所允许的时间间隔(tC=Ts/m)。ｍ为复用路数．位时隙：1位码占用的时间（tB=tC/ｎ）。ｎ为编码位数．数码率：PCM一次群（PCM30/32系统）Ｅ体系以单路PCM信号（64kbps)为基础，将30路PCM合成为一次群．传输的信息包括每路的话音信息和各种信令信息。其数码率为2048Kbps.PCM30/32帧结构中几个重要概念：帧周期：复帧周期：一帧周期包含３２个路时隙，３０路话音．１个路时隙包含８个比特，另２个路时隙传输信令和同步码．１个路时隙＝１个比特＝时隙安排(1)30个话路时隙：TS1～TS15，TS17～TS31(2)帧同步时隙：TS0(3)信令与复帧同步时隙：TS16PCM30/32数码率：时分复用时PCM和PAM信号带宽合成后PAM信号带宽＝合成后PCM信号带宽＝17、PCM复用和数字复接为了扩大数字通信容量，形成二次群以上的高次群的方法通常有两种：PCM复用和数字复接。1.PCM复用所谓PCM复用就是直接将多路信号编码复用。2.数字复接数字复接是将几个低次群在时间的空隙上迭加合成高次群。数字复接的方法数字复接的方法实际也就是数字复接同步的方法，有同步复接和异步复接两种。18、准同步数字体系（PDH）国际上主要有两大系列的准同步数字体系，都经ITU-T推荐，即PCM24路系列和PCM30／32路系列（或者称为E体系和T体系）。PCM零次群和PCM高次群PCM零次群PCM通信最基本的传送单位是64kbit／s，即一路话音的编码，因此它是零次的。PCM子群速率介于64kbit／s和2048kbit／s之间的信号称为子群。子群速率主要考虑到下列因素。（1）与某些传输介质相匹配。（2）与某些业务种类相匹配。（3）复接速率与其它等级相配合并有一定的规则性。PCM子群还可用于用户环路和小容量的特殊通信需要。高次群的接口码型：其中一次群、二次群、三次群的接口码型是HDB3码，四次群的接口码型是CMI码。SDH的概念SDH网是由一些SDH的网络单元（NE）组成的，在光纤上进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的网络（SDH网中不含交换设备，它只是交换局之间的传输手段）。同步数字体系的速率：同步数字体系最基本的模块信号（即同步传递模块）是STM-1，其速率为155.520Mbit／s。STM—1155.52MbpsSTM—4622.08MbpsSTM—162488.32MbpsSTM—649953.28MbpsSDH帧结构ITU-T采纳了一种以字节为单位的矩形块状（或称页状）帧结构。STM-N由270×N列9行组成，即帧长度为270×N×9个字节或270×N×9×8bit。帧周期为125μs(即一帧的时间)。对于STM-1而言，帧长度为270×9＝2430byte，相当于19440bit，帧周期为125μs，由此可算出其速率为270×9×8／125×10-6=155．520Mbit／s。段开销（SOH）区域净负荷（PayLoad）区域管理单元指针（AU-PTR）区域SDH复用结构：SDH的基本复用单元包括标准容器(C)，虚容器(VC)，支路单元(TU)，支路单元组(TUG)，管理单元(AU)和管理单元组(AUG)。第二部分1、通信系统的质量优劣主要取决于接收机的性能最佳接收理论研究从噪声中如何最好地提取有用信号。“最好”或“最佳”的概念是在某个准则意义下说的一个相对概念2、带噪声的数字信号的接收过程是一个统计判决的过程。fsi(y)称为似然函数，它是信号统计检测的依据3、关于最佳接收的准则在数字通信系统中，最直观且最合理的准则是“最小差错概率”准则4、匹配滤波器最佳线性滤波器的设计有两种准则：使输出的信号波形与发送信号波形的均方误差最小，由此导出维纳滤波器；使输出信噪比在某一特定时刻达到最大，由此导出匹配滤波器。线性滤波器所能给出的最大输出信噪比为它出现的条件是H(ω)=KS*(ω)e-jωt0这就是最佳线性滤波器的传输函数，由于它是信号频谱的复共扼，故称为匹配滤波器。5.冲激响应为了获得物理可实现的匹配滤波器，要求当t<0时有h(t)=0。为了满足这个条件，冲激响应h(t)应满足:S(t0-t)=0,t<0S(t)=0,t>t0这个条件表明，物理可实现的匹配滤波器其输入端的信号必须在它输出最大信噪比的时刻t0之前结束。对于接收机来说，t0是时间延迟，通常总是希望时间延迟尽可能小，因此一般情况可取t0=T。若输入信号为s(t)，则匹配滤波器的输出信号为so(t)=s(t)*h(t)匹配滤波器的输出是输入的自相关函数。第三部分同步原理1、同步的定义接收信号和发送信号步调一致性称为同步。同步的分类载波同步、位同步（字同步）、群同步（帧同步）、网同步。当采用相干解调时．接收端需要与发射端同频同相的相干载波。这个相干载波的获取就称为载波提取．或称为载波同步。数字通信中，消息是相继的码元序列，需知道每个码元的起止时刻。在接收端产生与码元的频率和相位一致的定时脉冲序列的过程称为码元同步或位同步。数字通信中的消息数字流，总是用若干码元组成一个“字”，又用若干“字”组成一句”。在接收端产生与“字”、“句”起止时刻相一致的定时脉冲序列，称为“字”同步和“句”同步，统称为群同步或帧同步。多用户相互通信组成了通信网。在载波同步、位同步和群同步之后，为了保证通信网内各用户之间通信还必须实现网同步，使