通信原理第2章

第二章数字通信系统基础

收发信端的变换过程、模拟信号数字化以及数字基带信号的特性数字调制与解调原理信道与噪声的特性及其对信号传输的影响抗干扰编码与解码，即差错控制编码问题保密通信问题同步问题

1、数字通信系统研究的主要问题2、数字通信系统的基本概念数字通信系统的模型

3、模拟信号的数字化处理

模拟信号数字化过程抽样——用时间间隔确定的信号样值序列来代替原在时间上连续的信号，在时间上将模拟信号离散化量化——用有限个幅度值来近似原连续变化的幅度值，把模拟信号的连续幅度变为有限数量且有一定间隔的离散值编码——按一定规律，把量化后的信号编码形成一个二进制数字码组输出对时间连续和取值连续的原始语音和图像等模拟信号，若以数字方式进行传输，在发送端应先进行模／数（A／D）变换，将原始信号转换为时间离散和取值离散的数字信号.1.抽样

抽样过程——将时间和幅度上都是连续的模拟信号在时间上离散化抽样目的：实现信号的时分多路复用

模拟信号与其对应的样值序列

模拟信号的数字化处理

①低通型连续信号的抽样定理：

一个频带限制在内的时间连续信号m(t),若若抽样频率以大于或等于2fH，则抽样序列可以无失真地重建恢复原始信号。②带通连续信号的抽样定理:带通连续信号的抽样定理:一个频带限制在(fL,fH)赫内的带通型时间连续信号m(t)，其抽样频率fs满足下列关系：fs=2B(1+M/N),其中B＝fH-fL,M=[fH/(fH-fL)],N为不超过fH/(fH-fL)的最大正整数。

模拟信号的数字化处理

模拟信号的数字化处理

例：试求60路载波群信号（312KHz~552KHz）的抽样速率应为多少？解：B=fH-fL=552-312=240kHzfH/B=552/240=2.3N=2M=fH/B-N=2.3-2=0.3fs=2×240×（1＋0.3/1)=624kHz2.

量化量化过程——抽样把模拟信号变成了时间上离散的脉冲信号，但脉冲的幅度仍是连续的，还需进行离散化处理（即对幅值进行化零取整的处理），才能最终用数字来表示量化方法——把样值的最大变化范围划分成若干个相邻的间隔。当某样值落在某一间隔内，其输出数值就用此间隔内的某一固定值来表示

模拟信号的数字化处理

模拟信号的数字化处理

（1）均匀量化采用相等的量化间隔对采样得到的信号作量化实际信号可看成量化输出信号与量化误差之和，量化失真率与最小量化间隔的平方成正比量化失真在信号中的表现类似于噪声，也有很宽的频谱，被称为量化噪声，并用信噪比来衡量均匀量化方式会造成大信号时的信噪比有余而小信号时的信噪比不足，且编码位数多（语音信号需编11位码），加大了编码的复杂性，并对传输信道有更高的要求模拟信号的数字化处理（2）非均匀量化实现——采用压缩、扩张的方法，即在发送端对输入信号先进行压缩，再均匀量化；在接收端则进行相应的扩张处理原理——量化级间隔随信号幅度的大小自动调整。在不增大量化级数的条件下，非均匀量化能使信号在较宽动态范围内的信噪比达到要求标准化的非均匀量化特性——A律13折线压缩特性（我国采用）和μ律15折线压缩特性模拟信号的数字化处理典型非均匀量化特性（A律13折线压缩特性）

模拟信号的数字化处理3.编码编码——将抽样、量化后的信号转换成数字编码脉冲的过程解码——编码的逆过程，将数字信号变为模拟信号（即把一个8位码字恢复为一个样值信号）的过程编码的基本形式：线性编码——与均匀量化特性对应的编码码组中各码位的权值固定，不随输入信号的幅度变化非线性编码——具有非均匀量化特性的编码码组中各码位的权值随着输入信号的幅度变化模拟信号的数字化处理4.脉冲编码调制（PCM）模拟信号经过抽样、量化、编码完成A/D变换，称为脉冲编码调制（PCM）标准化的PCM码组（电话语音）由8位码组代表一个抽样值。语音模拟信号在发送端经过抽样、量化和编码后得到PCM信号，并经过数字信道传输。在接收端，将收到的PCM码（二进制码组）通过滤波器滤去大量的高频分量，还原成模拟语音信号

模拟信号的数字化处理PCM原理框图

PCM是固定电话、长途中继和光纤传输的标准码型；速率为64kbit/s；变换过程包括抽样、量化和编码。【例】语音信号的信道传输带宽

语音信号在模拟形式下的带宽一般低于4kHz，经调制后所需的传输带宽不超过8kHz，当以8kHz速率抽样，且用8个比特表示每个样值时，实际的编码速率将是64kbit/s，若采用二进制基带传输，信道传输的最小带宽则不能低于32kHz。语音编码方法的衡量：语音质量编码速率信号延时算法复杂度图像编码技术图像信号的数字化处理过程：抽样——图像在空间上的离散化（即用空间上抽样点的灰度值代表图像），把空间上连续变化的图像离散化。经抽样后的图像应含原始图像信号所有信息，通过某种变换能无失真地恢复原信号。图像信号是二维的，须在两个方向上同时满足抽样定理量化——模拟图像经过抽样后，在时间和空间上离散化为像素，还需用离散的量化值代替连续变化的样点灰度值。基本要求是用最少的量化电平进行量化。常用的图像量化方式是均匀（等间隔）量化图像编码技术图像压缩编码原理：图像中存在信息冗余，是可以对其进行压缩的前提条件。图像虽含有大量的数据，但这些数据是高度相关的大量的冗余信息（空间冗余、时间冗余、结构冗余、编码冗余等）存在于一幅图像内部以及视频序列中，为图像压缩编码提供了依据若能够去除这些冗余信息，使用尽量少的比特数来表示和重建图像，就可实现图像的压缩

图像编码技术图像压缩系统的原理框图图像编码技术图像压缩编码的核心思想：消除像素点间数据的相关性利用人眼的视觉生理特征和图像的概率统计模型进行自适应量化编码主要技术集中体现于ITU的图像编码标准数字图像压缩编码的主要国际标准：

静止图像编码标准：JPEG和JPEG-2000等活动图像编码标准：MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7等多媒体会议标准：H.261、H.263等

4、信道复用

信道复用——多个用户同时使用同一信道进行通信多路通信——多路独立信号在同一条链路上传输为区分在一条链路上的多个用户的信号，理论上可采用正交划分的方法，即凡是在理论上正交的多个信号，在同一条链路上传输到接收端后，都可能利用其正交性完全区分开

（1）多路复用

多路复用技术——在同一信道中传递多路信号而互相不干扰，以提高信道利用率。根据信号在频率、时间、码型等参量上的不同，将各路信号复用在同一信道中进行传输。该技术含复用、传输和分离三个过程多个复用系统的再复用和解复用称为复接和分接常用多路复用技术：FDM、TDM和CDM等。

(a)频分复用(b)时分复用

频分多路复用和时分多路复用示意图

a.频分复用

频分复用将传输介质的频带资源划分为多个子频带，分别分配给不同的用户形成各自的传输子通路频分复用（FDM）适用于模拟信号的传输，主要用于长途载波电话、立体声调频、电视广播和空间遥测等方面频分多路复用设备复杂，成本较高，目前正逐步被时分多路复用所替代。

b.时分复用时分复用技术按规定的间隔在时间上相互错开，在一条公共通道上传输多路信号，其理论基础是抽样定理，必要条件是定时与同步时分复用（TDM）是在固定电话网中被广泛采用的一种标准体制【例】PCM30／32路系统(E1)的帧结构1、共32个时隙（TS0用于传同步字节，TS16用于传线路信 令，其它30个时隙用于传30路话）。

2、每时隙8比特（传语音信号的一个采样值），每帧有 32*8=256比特，即为帧长。

3、采样频率为8K，采样周期为125us,即每帧必须在125us之 内传完，传输率为256/125(bit/us)＝2.048Mb/s（2）多路复接

数字复接技术——在数字传输系统中，为了扩大传输容量和提高传输效率，常需要将若干个低速数字信号合并成一个高速数字信号流，以便在高速信道中传输；在到达接收端后，再把这个高速数字信号流分解还原成为相应的各个低速数字信号数字复接系统——可使一条高速数字信道用作多条低速数字通道多路复接数字复接系统的组成

a.

数字复接系统

（1）数字复接器数字复接器位于发送端，把两个或多个低速数字支路信号（低次群）按时分复用方式合并成为一个高速数字信号（高次群）的设备。数字复接器由定时、码速调整和复接单元组成（2）数字分接器数字分接器位于收信端，由同步、定时、分接和码速恢复等单元组成

。

b.数字复接系列

数字复接按照一定的规定速率，从低速到高速分级进行，其中某一级的复接是把一定数目的具有较低规定速率的数字信号，合并成为一个具有较高规定速率的数字信号。该数字信号在更高一级的数字复接中，与具有同样速率的其他数字信号作进一步的合并，成为更高规定速率的数字信号ITU推荐了两类数字速率系列和数字复接等级：中国、欧洲采用的2.048Mbit/s（即30／32路PCM）作基群的数字速率系列北美和日本采用的1.544Mbit/s（24路PCM）【例】数字通信系统扩容若在一条通路上传送120路电话，可将4个30路PCM系统的基群信号再进行时分复用，合成为码速为8.448Mbit/s的120路数字信号系统，称为二次群。若用4个120路的二次群信号，又可合成为一个480路的数字信号系统，称为三次群……。这些由低次群合成为高次群的方法，都通过数字复接技术来实现。

5、

数字信号的基带传输基带——由消息转换而来的原始信号所固有的频带基带传输——不搬移基带信号的频谱而直接进行传输的方式基带传输系统所涉及的技术问题信号类型（传输码型）码间串扰实现无串扰传输的理想条件克服和减少码间串扰的具体措施等6、基带传输的常用码型数字信号传输中受到干扰的影响将会产生失真，可能引起接收端的错误接收若使接收端能以最小的差错率恢复出原发送的数字信号（并不要求信号波形无失真的传输），则需设计一种适合于在给定信道上传输的信号波形适合在有线信道中传输的数字基带信号码型称为线路传输码型常用的两电平传输码眼图是指利用实验的方法估计和改善（通过调整）传输系统性能时在示波器上观察到的一种图形。观察眼图的方法是：用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步，这时示波器屏幕上看到的图形像人的眼睛，故称为“眼图”。

7、眼图8、调制技术调制是对信号源的编码信息进行处理，使其变为适合于信道传输的形式的过程调制——是将基带信号的频谱搬移到某个载频频带再进行传输的方式解调——在接收端将被搬移的信号频谱恢复为原始基带信号的过程a.

调制的作用将基带信号变为带通信号：把基带调制信号的频谱搬移到载波频率附近，选择不同的载波频率（载频）可将信号的频谱搬移到希望的频段上，以适应信道传输的要求，或将多个信号合并起来用以多路传输提高信道传输时的抗干扰能力：不同调制方式产生的已调信号带宽不同，因此影响传输带宽的利用率调制的一般过程若基带信号是连续变化的模拟量，上述处理过程称为模拟调制若用数字基带信号对载波进行调制，使基带信号的频谱搬移到较高的载波频率上，该信号处理方式称为数字调制与模拟调制中的幅度调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM）相对应，基本数字调制方式有幅度键控（ASK）、频移键控（FSK）、绝对相移键控（PSK）、相对（差分）相移键控（DPSK）等数字调制（又称键控）：将数字信息码元的脉冲序列视为“电键”对载波的参数进行控制数字调制所用的载波一般为连续的正弦型信号（与模拟调制相似），但调制信号为数字基带信号利用矩形基带脉冲序列去控制正弦波的振幅、频率和相位，可获得：幅度键控（ASK）频移键控（FSK）相移键控（PSK）正交幅度调制（QAM）等。二进制数字调制信号的基本波形

2FSK信号的典型波形

2PSK的典型波形

正交幅度调制（QAM）

QAM是利用多进制幅度键控（MASK）和正交载波调制相结合产生的调制方法QAM由两路独立的两个载波调制合成得到，即利用同相载波传送一路ASK信号、利用正交载波传送另一路ASK信号，然后合成信号，来提高频带利用率QAM能充分利用带宽、抗噪声能力强多进制数字调制

用多进制的数字基带信号调制载波，可得到多进制或多电平数字调制信号（进制数M是信号电平数的平方）；每个码元能携带更多信息量，可有效提高传输效率MQAM信号是一种幅度、相位复合调制信号。M表示已调波的状态数（是信号电平数的平方），不同状态与不同的幅度和相位相对应。例如，常用的4电平正交幅度调制（4-QAM或16QAM）、8电平正交幅度调制（8-QAM或64QAM）。对应的空间信号矢量端点分布图称为星座图，分别有4、16、64、…个矢量端点。

正交频分复用（OFDM）

OFDM是一种采用多进制、多载波、并行传输的频分复用调制体制OFDM具有优良的抗多径传输能力，以及对信道变化的自适应能力，适用于衰落严重的无线信道中OFDM技术属于多载波调制（MCM），其把一段串行的数据流变成N组低速并行的数据流，分别调制到不同的载频上并行传输，即把一个宽带信道上的整个频带分成N个子频带，每个数据流占用一个子带。每个子带有一个载波，各个子带完全独立，所有子带都可以独立调制OFDM根据信道性能（如信噪比、噪声、衰减等）,通过自适应地分配各子带的比特率，可达到最佳的信道利用率正交频分复用（OFDM）OFDM应用：非对成数字用户线（ADSL）高清晰度电视（HDTV）信号传输数字视频广播（DVB）无线局域网（WLAN）等无线广域网（WWAN）和下一代移动通信系统（4G）的关键技术之一9、差错控制技术

通信系统主要质量指标是通信的有效性和可靠性在数字通信系统中，编码器分为信源编码（解决通信的有效性问题）和信道编码（解决通信的可靠性问题）信道编码又称差错控制编码（或纠错编码），是针对传输信道不理想而采取的提高数字传输可靠性的一种措施差错控制编码常用的差错控制编码

奇偶校验码：属于检错码，其编码规则是先将所要传输的数据码元进行分组，在分组数据后