《通信概论》串讲讲义

PAGEPAGE1应考指导一、考试相关情况说明（一）课程基本情况《通信概论》是计算机网络专业本科生的专业基础课。本课程的指定教材是全国高等教育自学考试指导委员会组编，主编：《通信概论》，设置本课程的目的是使考生在熟悉通信的基本概念、原理和技术的基础上，对电话系统、移动通信、微波通信、卫星通信、光纤通信系统有一个全面概括的了解和认识，为考生将来在通信领域中的工作，以及后续课程的学习打下一定的专业理论基础。（二）题型与分值题型分值分值单项选择题共25小题，每题1分25分填空题共10小题，每题1分10分名词解释题共5小题，每题3分15分简答题共6小题，每题5分30分计算题共2小题，每题10分20分小计48小题100分（三）重难点分布从知识点分布来看，本课程试题覆盖了教材8章的全部内容，从整体来看，教材8章内容知识点分布不均匀。其中1～3章是通信基础知识和通信技术知识，这三章的考核内容比例共占50%；4～8章是各种通信系统的介绍，主要考核基本概念，4、5、8章的考核内容比例各占12%，6、7章的考核内容比例各占7%。（四）试题难度从试题难度来看，试题绝大部分属于基本知识点的识记和领会。对于重点知识每年都会重复出现，只是以不同的形式，或者考查不同的内容。这一点大家要特别注意，不要以为以前考过的知识点就不会再考。虽然每年均有偏题出现，一般是属于课程涉及的较细的内容，但所占比例较低，属于正常情况。总体而言，试题较为容易。（五）命题特点整体上看，出题顺序基本上按照教材章节顺序来出题，但并不是特别规律。此特点有助于我们答题时准确把握考点所属章节，提高答题正确率。课程大纲各章所规定的基本要求、知识点及知识点下的知识细目，都属于考核的内容。试题覆盖到章，主要考虑课程重点、章节重点，加大重点内容的覆盖度。试题着重考核自学者对基本概念、基本知识和基本理论是否了解或掌握，对基本方法是否会用或熟练。试题对不同能力层次要求的分数比例大致为：识记占35%，领会占35%，应用占30%。试题的难度可分为：易、较易、较难和难四个等级，对应分数比例一般为：2:3:3:2。从具体题型来看，单选题侧重基本知识点的识记、领会和少量应用，填空题、名词解释题侧重知识点的识记，简答题侧重知识点的识记和领会，计算题侧重知识点的应用（特别是前三章的知识点）。二、本课程的学习建议1.考生在开始学习这门课时，应根据自己的情况制定一个切实可行的学习计划，合理安排时间，通常可分为二个阶段：一是依据教材分章学习和做同步练习题阶段；二是总复习阶段，其复习技巧将在下面单独介绍。2.紧扣大纲复习。最好能够按照大纲中提练的课程内容将教材内容简化成自己的学习小册子。也就是将大纲中课程内容总分再充实一下，各知识点都丰富一下。比如说某个概念，要把定义或含义写在这个概念之后。利于记忆。此外，要注意课程内容中没有的知识点，如果考核要求中有的话，有必要补充完整。3.注意总结教材中各章节基本知识点、重要知识点，这些知识点都是最容易出题的。4.每复习完一遍教材做一套真题，这样将近三年试题认真做过，教材阅读几会强化记忆，一边阅读教材一边做题会检查自己对所学知识的掌握情况，可以有针对性地指导自己的下一轮复习。三、各类题型的特点和答题技巧（一）单项选择题单项选择题通常是考核教材中的基本知识点，绝大部分知识点属于识记、领会和少量的应用层次。因此，要想在单项选择题部分拿高分，甚至拿满分的话，就必须熟练地掌握教材内容。从近三年的试题情况来看，这部分考查的知识点比较细，需要大家在仔细阅读教材的过程中将一些特殊内容标识出来，专门予以背诵记忆。从难度来看，单选题的难度是所有题型中最容易的，应该说只要熟读教材，不会有不会做的题。（二）填空题填空题考核侧重知识点的识记，由于分值较小，主要考核重要知识点的识记，确保答题准确率的方法只能是提高教材的熟练程度。（三）名词解释题名词解释题基本上都是比较重要的概念，偶尔也会考到一些比较细的知识点。无论如何，只要在复习的过程中，将教材中的所有概念都一一列出，可以肯定的是名词解释题就不会丢分了。（四）简答题简答题用来考核考生对某方面问题的理解和掌握程度，一般只需要直接作答，答要点即可，不需展开。（五）计算题计算题的考核侧重知识点的应用，尤其是前三章的知识点是考核重点。考生必须熟练掌握书本中的例题，熟练应用相应的计算公式。第一章通信基础本章复习建议本章是通信的基础知识，涉及到较多的基本概念，在历年考试中，处于相当重要的地位，建议学员全面掌握,重点复习。从题型来讲包括单项选择题、填空题以及计算题等题型都要加以练习。1.1通信的基本概念通信就是信息的传输和交换。1.2通信系统的组成1.2.1通信系统一般模型★通信系统的作用是将信息从信源传送到一个或多个目的地。我们把能够实现信息传输的一切技术设备和传输媒质(信道)的集合称为通信系统。任何一种通信系统的核心包括信源、发送设备、传输媒质(信道)、接收设备、信宿5部分,如图1.1所示。1.2.2模拟通信系统模型按照信道中传输信号的特征,可以把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统,其典型模型如图1.2所示。1.2.3数字通信系统模型利用数字信号来传递信息的通信系统称为数字通信系统。图1.3描述了一个数字通信系统的信号流程和信号处理过程。1.2.4数字通信的优缺点1)抗干扰能力强,且噪声不积累。2)传输差错可控。3)便于与各种数字终端接口,用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储,形成综合业务网。4)易于集成化,从而使通信设备微型化、且重量轻,成本低。5)易于加密处理,且保密强度高。数字通信获得以上优点的代价是:①比模拟通信占用更宽的信道带宽。②数字通信对同步要求高,因而系统设备比较复杂。1.3通信系统的分类1.按通信业务分类通信系统可以分为电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统和综合业务数字通信网等。2.按调制方式分类★按调制与否,通信系统可分为基带系统和调制(或带通)系统。3.按信号特征分类★按照信道中所传输的是模拟信号还是数字信号,相应地把通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统。4.按传输媒介分类★通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统两大类。5.按工作波段分类★按通信设备的工作频率或波长分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信和光通信系统等。工作波长和频率的换算公式为1.4通信方式通信方式是指通信的双方(或多方)之间的工作方式。1.4.1单工、半双工和全双工通信★根据消息传递的方向与时间关系,可分为单工、半双工及全双工通信3种。（1）单工通信指消息只能单方向传输的工作方式。（2）半双工通信指通信双方都能收发消息,但不能同时进行收和发的工作方式。（3）全双工通信指通信双方可同时进行收、发消息的工作方式。1.4.2并行传输和串行传输按照数据代码传输的时序,可以分为并行传输和串行传输。并行传输是将代表信息的数据代码序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输。串行传输是将数据代码序列以串行方式一个码元接一个码元地在一条信道上传输。1.5信号与频谱信号是能够反映或表示信息的传输载体。通信系统的设计和制造,必然要取决于信号的特性。研究信号最直观的方法就是观察它的时域波形和频域频谱。1.5.1信号分类★电信号通常是随时间变化的电压、电流、电荷或磁通、电磁波或光波的统称。（1）确知信号和随机信号。（2）周期信号和非周期信号。（3）模拟信号和数字信号。（4）基带信号和带通信号。1.5.2信号举例正弦波是一种最基本的周期信号。它可以用3个参量来描述:振幅、周期或频率、相位。（1）振幅指信号的高度或强度。（2）周期指信号完成一个波形循环所要经历的时间。（3）频率指信号在1s内完成的周期数,或每秒钟完成的循环次数。★周期(T)和频率（f）互为倒数关系,即【例题】一个正弦波的频率是10Hz,它的周期是多少?【答案】【解析】周期和频率互为倒数关系。（4）相位描述了波形相对于时间零点的位置，或者说,描述了波形沿时间轴向前或向后平移的偏移量。★正弦信号的一般表达式为★其中,A为信号的最大振幅;ω为信号的角频率,单位是rad/s;θ为信号的初始相位。角频率和频率的关系为:。1.5.3时域和频域★信号的特性可以从时域和频域两个不同的角度来描述。从时域角度,描述的是信号随时间变化的特性。从频域角度,描述的是信号随频率变化的特性。信号在频域中的性质,即频率特性,由其各个频率分量的分布表示。它是信号的最重要的性质之一,和信号占用的频带宽度以及信号的抗噪声能力有密切关系。信号的频率特性可以用其频谱、频谱密度、能量谱密度或功率谱密度来描述。1.5.4频谱和带宽★信号频谱是指它所包含的所有频率分量的集合,并且通过频域图表示。换言之,频谱是描述信号幅度(或相位)随频率变化的关系图。信号带宽是指信号占有的频率范围。它等于信号的最高频分量与最低频分量的频率差。1.6信道和噪声1.6.1信道定义与分类信道(channel)是以传输媒质为基础的信号通道。根据信道的特征以及分析问题所需,可以把信道分为狭义信道和广义信道。狭义信道指各种传输媒质。传输媒质是可以传输电(或光)信号的物质,可分为:无线信道和有线信道两类。广义信道是除了包括传输媒质外,还包括通信系统有关的变换装置(如馈线与天线、放大器、调制器与解调器等)所定义的信道。按照广义信道的功能,可以分为调制信道和编码信道等。1.6.2有线信道有线信道(有线传输媒质)可分为:明线、对称电缆、同轴电缆、光纤等。1.6.3无线信道无线信道是指可以传输电磁波(包括光波)的自由空间或大气层。如短波电离层反别、超短波或微波视距中继、人造卫星中继、微波对流层散射及移动无线电信道等。根据通信距离、频率和位置的不同,电磁波的传播方式主要有3种:地(面)波传播、天波传播和视线传播。1.6.4信道噪声★噪声是一种不需要的、有害的电信号。它独立于有用信号并始终存在。噪声可以看成是信道中的一种加性干扰。噪声的种类很多。（1）根据噪声的来源进行分类,可分为人为噪声、自然噪声和内部噪声。（2）根据噪声的性质可分为单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声。1.6.5信道容量★信道容量是指信道能够无差错传输的最大平均信息速率。1.香农公式★香农公式表明,当信号与信道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,理论上单位时间(s)内可能传输的信息量的极限数值。只要传输速率小于等于信道容量,则总可以找到一种信道编码方式,实现无差错传输。2.重要结论1)信道容量C受“三要素”,即B、S、n0的限制。2)提高信噪比(S/N),可以增大信道容量。3)若噪声功率趋于零(或噪声功率谱密度趋于零),则信道容量趋于无穷大。4)增大信道带宽B可以增加信道容量,但不能使信道容量无限制增大。5)信道容量C一定时,信道带宽B和信号噪声功率比S/N之间可以互换。【例题】具有6.5MHz带宽的某高斯信道,若信道中信号功率与噪声功率谱密度之比为45.5MHz,试求其信道容量。【答案】根据香农公式【解析】香农公式定义（必须熟记及理解香农公式）。1.7多路复用技术复用就是解决如何利用一条信道同时传输多路信号的技术。其目的是为了充分利用信道的频带或时间资源,提高信道的利用率,扩大通信的容量。目前常用的复用技术主要有:频分复用(FDM)、时分复用(TDM)、码分复用(CDM)、波分复用(WDM)等。1.7.1频分复用★频分复用(FDM)是一种按频率来划分信道的复用方式。在FDM中,信道的带宽被分成多个相互不重叠的频段(子通道),每路信号占据其中一个子通道,并且各路之间必须留有本被使用的频带(防护频带)进行分隔,以防止信号重叠。1.7.2时分复用★时分复用(TDM)是利用分时方式来实现在同一信道中传输多路信号的方法。在TDM中,各路信号按分配的时隙依次定时传送,即在任意时刻上信道中只有一路信号在传输。TDM通常用于数字信号的多路传输。对于多路电话信号的时分复用,则是根据抽样定理通过脉冲调制等技术来实现的。图.24a给出了时分多路复用的原理示意图。TDM的特点是各路信号在频率上是重叠的,而在时间上是分开的,即任一时刻上,信道中只有一路信号在传输。FDM的特点是各路信号在频率L是分开的,即频谱互不重叠,而在时间上是重叠的。1.7.3码分复用码分复用(CDM)中,各路信号码元在频谱上和时间上都是重叠的,但是不同用户传输的信号是靠各自不同的(正交)编码序列来区分的。码分复用是用正交的脉冲序列分别携带不同信号。这种复用方式多用于空间通信的扩频通信和移动通信系统中。1.7.4波分复用波分复用(WDM)是光通信的复用技术,其原理与频分复用类似。1.8通信系统的性能指标评价一个通信系统优劣的性能指标包括:有效性、可靠性、适应性、可维护性等。其中,有效性和可靠性是通信系统的主要性能指标。1.8.1模拟通信系统的性能指标模拟通信系统的有效性可用传输带宽B来度量。模拟通信系统的可靠性通常用接收端最终输出信噪比S/N来度量。1.8.2数字通信系统的性能指标1.数字通信系统的有效性可用传输速率和频带利用率来衡量。1)码元速率RB,又称波特率。它表示每秒传送的码元数目,单位为波特(Baud)。码元长度(或称码元周期)为T(s)时,有★2)信息速率Rb,又称比特率。它表示每秒传送的信息量(或比特数)。由于信息量的单位是比特(bit),所以Rb的单位为比特/秒(bit/s)。比特率、波特率和信号的进制数M有如下确定的关系：★3)频带利用率。频带利用率η(Baud/Hz或bit/(s·Hz)),它定义为每赫兹内所实现的传输速率,即或2.数字通信系统的可靠性可用差错率来衡量。差错率常用误码率和误信率表示。1)误码率Pe。它是指接收的错误码元数在传输总码元数中所占的比例,或者说是码元在传输中被传错的概率,即2)误信率Pb,又称误比特率。它是指接收的错误比特数在传输总比特数中所占的比例,即【例题】设A系统以2000bit/s的比特率传输2PSK调制信号的带宽为2000Hz,B系统以2000bit/s的比特率传输4PSK调制信号的带宽为1000Hz。试问:哪个系统更有效?【答案】所以,B系统的有效性更好。【解析】两个传输速率相等的系统其传输效率并不一定相同。因为,真正衡量数字通信系统的有效性指标是频带利用率。1.9通信技术发展简史

第二章模拟信号数字化及其传输本章复习建议本章仍是通信的基础知识，涉及到较多的基本概念（重点了解抽样定理、PCM原理等），在历年考试中，处于相当重要的地位，建议学员全面掌握,重点复习。从题型来讲包括单项选择题、填空题、名词解释以及计算题等题型都要加以练习。2.1概述模拟信号数字化一般需要以下3个基本环节：1)模/数转换(A/D)——将模拟信号转换成数字信号；2)按数字传输方法——数字基带传输或数字调制传输；3)数/模转换(D/A)——将数字信号还原为模拟信。1.模/数变换(A/D)的3个步骤★模拟信号数字化过程包括:抽样、量化和编码,如图2.1所示。2.编码方法和分类编码技术分为波形编码和参量编码两类。编码技术概念优点缺点波形编码直接把时域波形变换为数字代码序列。接收端重建信号的质量好要求比特率较高参量编码利用信号处理技术,先提取语音信号的特征参量,再将这些参量变换成数字代码。所需比特率低接收端重建信号的质量不够好2.2抽样定理所谓抽样,就是将模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值的过程。抽样定理分类：低通抽样定理和带通抽样定理；理想抽样和实际抽样。低通信号和带通信号是这样界定的:设信号的频率范围为,带宽为,若,则为低通信号,若,则为带通信号。2.2.1低通抽样定理★定理:一个频带限制在内的模拟信号m(t),如果以的间隔对它抽样,则m(t)将被抽样值完全确定。这就是低通信号的抽样定理。含义:抽样后信号mS(t)包含了原模拟信号m(t)的全部信息。所以不必传输m(t)本身,只需传输它的抽样信号mS(t),收端就能从mS(t)中恢复m(t)。其前提条件是若抽样速率，则会产生失真,这种失真叫混叠失真。2.2.2带通抽样定理定理:对于一个频带限制在内,带宽为的带通信号m(t),如果对它进行抽样的最小抽样频率满足则m(t)将被抽样值完全确定。当时,n很大,这时。2.3脉冲振幅调制模拟脉冲调制是以时间上离散的脉冲序列作为载波,用模拟基带信号m(t)去控制脉冲序列的某个参量(振幅、宽度和位置),使其随m(t)的规律变化。脉冲振幅调制(PAM)：脉冲序列的幅度随m(t)的规律变化。脉宽调制(PDM)：脉冲序列的宽度随m(t)的规律变化。脉位调制(PPM)：脉冲序列的位置随m(t)的规律变化。用窄脉冲序列进行抽样的两种PAM方式是:自然抽样和平顶抽样。1.自然抽样自然抽样又称曲顶抽样,它是指抽样后信号的脉冲顶部与原模拟信号波形相同,如图2.6e所示。2.平顶抽样平顶抽样又叫瞬时抽样,它与自然抽样的不同之处在于抽样后信号(见图2.7b)中的脉冲顶部是平坦的,脉冲幅度等于瞬时抽样值。2.4脉冲编码调制脉冲编码调制(PCM)本质上是一种模/数转换方式,它是将模拟信号变换成二进制信号的常用方法。PCM系统原理框图如图2.8所示。在发送端,输入的模拟信号m(t)经“抽样、量化、编码”后变成了二进制数字信号(PCM信号)。在接收端,PCM信号经译码后还原为量化后的样值脉冲序列,然后经低通滤波器滤除高频分量,便可得到重建信号。★抽样是按抽样定理把时间上连续的模拟信号转换为时间上离散的抽样信号;量化是把幅度上仍连续(无穷多个取值)的抽样信号进行幅度离散化,即指定有限个(M个)量化电平,把抽样值用最接近的电平表示;编码则是用二进制码组表示量化后的信号电平。2.4.1量化量化是将抽样信号幅值进行离散化处理的过程。量化后,无限个模拟抽样值变成了有限个(M个)量化电平值,也就是说,将模拟抽样信号(PAM信号)变成了多电平数字信号。在量化过程中,量化输出电平和量化前信号的抽样值之间会产生误差,这种误差称为量化误差。1.均匀量化把输入信号的取值域等间隔分割的量化称为均匀量化。均匀量化对于小输入信号很不利。为了克服这个缺点,改善小信号的量化信噪比,在实际应用中常采用非均匀量化。2.非均匀量化★在非均匀量化时,量化间隔随信号抽样值的不同而不同。信号抽样值小时,量化间隔Δv也小;信号抽样值大时,量化间隔Δv也变大。这样就可以在保证编码位数不变时,以减小大信号的量化信噪比(仍能满足要求),来提高小信号的量化信噪比。实现非均匀量化的方法之一是把输入信号x先进行压缩处理,然后再把压缩后的信号y进行均匀量化,如图2.11所示。所谓压缩器就是一个非线性变换电路,它的作用是“压大补小”,即扩张小信号,压缩大信号。注意,在接收端要采用一个与压缩特性相反的扩张器来恢复x。为了使压缩器起到“压大补小”的作用,在理论上要求压缩特性具有对数特性,即压缩器的入出关系应为y=lnx。图2.12画出了压缩特性的示意图。由图可见,虽然它的纵坐标y是均匀分级的,但由于压缩的结果,反映到输入信号多就成为非均匀量化了,即信号小时量化间隔Δx小,信号大时量化间隔Δx也大,而在均匀量化中,量化间隔却是固定不变的。关于电话信号的压缩特性,国际电信联盟(ITU)制定了两种建议,即A压缩律和μ压缩律,在实际运用中,A律和μ律压缩特性分别用13折线法和15折线来近似。我国大陆、欧洲各国以及国际间互联时采用A律及相应的13折线法,北美、日本和韩国等少数国家和地区采用μ律及15折线法。（1）A压缩律（2）μ压缩律（3）A律13折线★A律13折线的产生是从非均匀量化的基本点出发,设法用13段折线逼近处A=87.6的A律压缩特性。具体方法是:将输入x轴和输出y轴用两种不同的方法划分。对x轴在0～1（归一化)范围内非均匀分成8段,分段的规律是每次以1/2对分,第一次在0～1之间的1/2处对分,第二次在0～1/2之间的1/4处对分,第三次在0～1/4之间在1/8处对分,其余类推。对y轴在0～1(归一化)范围内采用等分法,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,得到如图2.13所示的折线压缩特性,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。以上分析的是正方向,由于语音信号是双极性信号,因此在负方向也有与正方向对称的一组折线,也是7根,但其中靠近零点的1、2段斜率也都等于16,与正方向的第1、2段斜率相同,又可以合并一根,因此,正、负双向共有2×(8-1)-1=13折,故称其为13折线。但在定量计算时,仍以正、负各有8段为准。(4)μ律15折线采用15折线逼近μ律压缩特性(μ=255)的原理与A律13折线类似。15折线对小信号的量化信噪比改善程度更好;不过,对于大信号来说,μ律要比A律差。2.4.2编码把量化后的有限个信号电平值变换成二进制码组的过程称为编码。其逆过程称为解码或译码。1.常用二进制码二进制码具有抗干扰能力强,易于产生等优点,因此PCM中一般采用二进制码。对于M=2N个量化电平,可以用N位二进制码来表示。日前常用的二进制码有3种:自然二进码、折叠二进码和格雷二进码。2．码位的选择与安排★码位数的选择,它不仅关系到通信质量的好坏,而且还涉及设备的复杂度。在语音通信中通常采用8位的PCM编码就能够保证满意的通信质量。在13折线中,正、负方向各有8个段落,每一段再均分为16个量化级,这样共有M=256个量化级,即正、负输入幅度范围内各有128个量化级。由于M=256=28,所以需要采用8位码。A律13折线PCM编码就是将每个抽样值转换为8位折叠二进码:C1C2C3C4C5C6C7C8。这8位码的安排如下:极性码段落码段内码C1C2C3C4C5C6C7C81)极性码C1——表示信号样值脉冲的极性。若极性为正,则C1=1;若极性为负,则C1=0。2)段落码C2C3C4——它的8种可能状态分别对应表示8个段落的起点电平，如表2.2所示。注意:表中的Δ表示归一化输入电压的最小量化单位,即Δ=1/2048。3)段内码气C5C6C7C8——它的16种可能状态对应代表各段内的16个不同的量化级,如表2.3所示。3.逐次比较法编码器【例题】设输入信号的样值电流Is=+1270Δ，采用逐次比较型编码器,按A压缩律13折线将其编成8位PCM码组。【答案】逐次比较型编码器编码过程如下:1)确定极性码C1:因为Is为正,所以C1=1。2)确定段落码C2C3C4:由表2.2可知,C2表示样值Is处于前四段还是后四段,故恒流源输出的第一个标准电流为:Iwl=128△。第一次比较结果为Is>Iwl,故C2=1,说明样值Is处于后四段(5～8段)内。根据C2=1,恒流源输出的第二个标准电流为:Iw2=512△,以用来比较确定样值Is处于5～6段还是7～8段。第二次比较结果为Is>Iw2,故C3=1,说明样值Is处于7~8段内。根据C2C3=11,恒流源输出的第三个标准电流为:Iw3=1024△。第三次比较结果为Is>Iw3,故C4=1。经过以上3次比较,编出的段落码C2C3C4为“111”,说明Is处于第8段。由表2.2可知,它的起始电平为1024△,量化间隔ΔV8=64△。3)确定段内码C5C6C7C8:段内码是在确定样值Is位于第i个段落的基础上,进一步确定样值Is在该段落的哪—个量化级(量化间隔)内。首先要确定Is在前8级还是后8级,故恒流源输出的第四个标准电流为第四次比较结果为Is<Iw4,故C5=0。由表2.3可知,样值Is处于前8级(0～7级)。接着要确定Is处于这8级中的前4级还是后4级,故恒流源输出的第五个标准电流为同理可得，C6=0,C7=1，C8=1。经过以上编码过程,对于模拟抽样值Is=+1270Δ,编出的PCM码组为C1C2C3C4C5C6C7C8=11l10011,它表示Is处于第8段落的序号为3的量化间隔内,其量化电平为1216Δ,故量化误差等于54△。4.译码译码(也称解码)是编码的逆过程,即把收到的PCM信号还原成相应的PAM信号。2.4.3PCM信号的带宽★二进制PCM信号的带宽取决于数据的比特率以及用于表示数据的脉冲波形的形状。设模拟信号m(t)的最高频率为fH,抽样频率fS≥2fH，每个样值脉冲的二进制编码位数为N，则PCM信号的比特率为当使用矩形脉冲时，零点带宽是脉冲宽度的倒数。对于二进制非归零信号，脉冲宽度τ=1/Rb，所以PCM信号的第一零点带宽为当使用的脉冲形状为sinx/x类型时，PCM信号所需的最小传输带宽(奈奎斯特带宽)为例如，对于电话系统，取fS=8kHz，N=8，则一路电话的比特率为Rb=64kbit/s，PCM信号的第一零点带宽为B=Rb=64kHz。由此可见，PCM信号占用频带比标准话路带宽（4kHz)宽很多倍。2.4.4PCM系统的抗噪声性能PCM系统中的噪声有两种：量化噪声和传输信道中的加性噪声。PCM系统的抗噪声性能可用输出端总的信噪比来衡量。2.4.5自适应差分脉码调制通常，把话路速率低于64kbit/s的编码方法称为语音压缩编码技术。语音压缩编码方法很多，如差分脉冲编码调制、自适应差分脉冲编码调制、增量调制等。1．差分脉冲编码调制(DPCM)DPCM是一种预测编码方法。预测编码不是对每个抽样值独立地编码，而是对当前抽样值与预测值的差值(称为预测误差)进行编码并传输。由于抽样值及其预测值之间有较强的相关性，即抽样值和其预测值非常接近,使预测误差的可能取值范围比抽样值的变化范围小。因此，所需编码位数减少,从而降低了编码比特率。2．自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)为了改善DPCM体制的性能，将自适应技术引入量化和预测过程,就可得到ADPCM体制。自适应量化是指量化台阶随信号的变化而变化，使量化误差减小；自适应预测是指预测器系数可以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。通过这两点改进，可大大提高输出信噪比和编码动态范围。2.5增量调制增量调制(简称ΔM或DM)可看成是量化电平数为2(即对预测误差进行1位编码)的DPCM。对于语音信号,当抽样速率足够高时，相邻样点之间的幅度变化很小，因此，利用相邻抽样值的相对大小(差值)同样能反映模拟信号的变化规律。若将这些差值编码传输,同样可以传输模拟信号所含的信息。此差值又称“增量”，其值可正可负。这种用差值编码进行通信的方式，就称为增量调制。2.5.1基本原理★简单ΔM系统的原理框图如图2.16所示。图中，m(t)为输入模拟信号，σT(t)是周期为T的抽样脉冲序列，p(t)是编码器输出的二进制信号。判决器在抽样脉冲作用下，在kT时刻对预测误差e(t)=m(t)-m′(t)进行极性判决。若e(kT)>0，则判决输出P(t)=+σ(用“1”代表)，同时经积分后使m′(t)上升一个台阶σ；若e(kT)<0，则p(t)=-σ(用“0”代表)，同时使m′(t)下降一个台阶σ。在图2.17中示出了这一过程的波形图。在译码器中，积分器每收到一个“1”码元就使其输出升高σ，每收到一个“0”码元就使其输出降低σ，这样就可以恢复出图2.17中的虚线所示电压。这个电压通过低通滤波器平滑后，就得到十分接近编码器原输入的模拟信号。2.5.2不过载条件和编码范围★误差eq(t)=m(t)-m′(t)表现为两种形式：一般量化噪声和过载量化噪声，如图2,18所示：过载量化噪声发生在模拟信号m(t)斜率徒变，积分器的输出电压m′(t)因跟不上m(t)的变化而形成很大误差的时候。在实际工作中,应避免过载现象。设抽样周期为T，抽样频率为fS=1/T，量化台阶为σ，则一个阶梯台阶的斜率k为：它也是阶梯波的最大可能斜率，或称为译码器的最大跟踪斜率。因此，不发生过载的条件为设输入信号m(t)为则不发生过载的信号临界振幅为故编码器能够正常工作的输入信号m(t)振幅范围，即编码范围为其中，σ/2为增量调制编码器的起始编码电平。2.5.3ΔM系统的抗噪声性能在不计信道加性噪声的影响，并在输入信号的临界振幅条件下，ΔM系统的最大量化信噪比为2.6PCM与ΔM的比较PCM适用于要求传输质量高，且频带资源丰富的场合。一般用于大容量的干线通信。ΔM具有编译码设备简单，低比特率时的量化信噪比高，抗误码特性好等优点。一般用于专用通信网和卫星通信中。2.7基带传输在电缆、光纤等线路传输中，必须选用适合于信道传输的电脉冲波形来表示(或者说携带)数字消息代码。通常，我们把电脉冲存在的形式称为(线路)码型，把消息代码的电脉冲表示过程称为码型变换(或称线路编码)。常用的线路码型有四类：二元码、三元码、多元码和块编码。这些编码形式都属于基带类型，所以它们都归属为数字基带信号。传输数字基带信号的通信系统被称为数字基带传输系统。2.7.1数字基带信号的码型1.二元码最简单的二元码基带信号的波形为矩形波，幅度取值只有两种电平。常用的二元码有以下几种，它们的波形如图2.20所示。(1)单极性码★如图2.20a所示，这是一种最简单、最常用的数字基带信号。它用零电平和高电平分别表示二进制消息代码“0”和“1”，在整个码元期间电平不变。单极性码的频谱中含有直流分量和丰富的低频分量，所以要求传输线路具有直流传输能力，因而不适应有交流耦合的远距离传输，只适用于计算机内部或极近距离(如计算机与外设之间)的数据传输。(2)双极性码★如图2.20b所示，它用正电平和负电平分别表示“1”和“0”。这种码型中不存在零电平。由于这种码的正负电平的幅度相等、极性相反，故当“1”和“0”等概率出现时无直流分量，有利于在信道中传输，并且恢复信号的判决电平为零电平，因而不易受信道特性变化的影响，抗干扰能力也较强。(3)单极性归零码★所谓归零(RZ)是指脉冲宽度t小于码元宽度Ts，即信号电平在一个码元终止时刻前总要回到零电平，如图2.20c中所示。通常，归零波形的占空比(即τ/Ts)为50%。从单极性归零码中可以直接提取定时信息，它是其他码型提取位同步信息时常采用的一种过渡波形。与归零波形相对应，上面的单极性码和双极性码属于非归零（NRZ）波形，其占空比τ/Ts=100%。(4)双极性归零码★它是双极性码的归零形式，如图2.20d所示。由图可见，每个码元内的脉冲都回到零电平，即相邻脉冲之间必定留有零电位的间隔。它兼有双极性码和归零波形的特点。以上4种码型是最简单的二元码，在这些二元码中，消息代码与本码元的脉冲电平或极性有——对应关系，所以均属于绝对码波形。(5)差分码★在差分码中，“1”和“0”分别用电平跳变或不变来表示。若用电平跳变表示“1”，以电平不变表示“0”，则称为传号差分码，如图2.20e所示。若用电平跳变表示“0”，以电平不变表示“1”，则称为空号差分码。由于差分码是以相邻脉冲电平的相对变化来表示代码，因此也称它为相对码。用差分码传送消息代码可以消除设备初始状态的影响，特别是在相位调制系统中可用于解决载波相位模糊问题。(6)数字双相码数字双相码又称曼彻斯特码。它用一个周期的正负对称方波表示“0”，而用其反相波形表示“1”，如图2.21a所示。其编码规则之一是：“0”码用“01”两位码表示，“1”码用“10”两位码表示，例如：双相码只有极性相反的两个电平。由于双相码在每个码元周期的中心点都存在电平跳变、所以在频谱中含有丰富的位定时信息。又因为这种码的正、负电平各半，所以无直流分量，编码过程也简单。缺点是占用带宽比原信码大1倍。(7)Miller码密勒(Miller)码又称延迟调制码，它是双相码的一种变形。编码规则如下：“1”码用码元间隔中心点出现跃变来表示，即用“10”或“01”表示。“0”码有两种情况：单个“0”时，在码元间隔内下出现电平跃变，且与相邻码元的边界处也不跃变，连“0”时，在两个“0”码的边界处出现电平跃变，即“00”与“11”交替。(8)CMI码CMI码是传号反转码的简称。与双相码类似，它也是一种双极性二电平码，其编码规则是:“1”码交替用“11”和“00”两位码表示；“0”码固定地用“01”表示，其波形图如图2.21c所示。CMI码有较多的电平跃变，因此含有丰富的定时信息。此外，由于10为禁用码组,不会出现3个以上的连码，这个规律可用来宏观检错。2.三元码三元码中的信号幅度取值有3个：+1、0、-1。(1)AMI码AMI码是传号交替反转码。其编码规则是将二进制消息代码“1”(传号)交替地变换为线路码的“+1”和“-1”，而“0”(空号)保持不变。例如：在AMI码中，二进制码1交替用+1、-1归零脉冲表示，通常脉冲宽度为码元周期的1/2(即半占空)；二进制码0用零电平表示。AMI码的优点是，由于+1与-1交替，AMI码的频谱中不含直流成分，且高、低频分量少，能量集中在频率为1/2码速处。虽然没有位定时频率分量，但只要将基带信号经全波整流变为单极性归零波形，便可提取位定时信号。此外，AMI码的编译码电路简单，便于利用传号极性交替规律观察误码情况。AMI码的缺点是，当原信码出现连“0”串时，信号的电平长时间不跳变，造成提取定时信号的困难。解决连“0”码问题的有效方法之一是采用HDB3码。(2)HDB3码HDB3码的全称是3阶高密度双极性码，它是AMI码的一种改进型，改进的目的是为了保持AMI码的优点而克服其缺点，使连“0”个数不超过3个。编码规则：①当连“0”数小于等于3时，与AMI码规则一样；②当连“0”数超过3时，将每4个连“0”化作一小节，定义为000V或B00V，称为破坏节，其中V称为破坏脉冲，而B称为调节脉冲；③V与前一个相邻的非“0”脉冲的极性相同，且相邻的V码之间极性必须交替。V的取值为+1或一1；④B的取值(+1或-1)应使V同时满足③中的两个要求；⑤V码后面的传号码极性也要交替。例如其中的V脉冲和B脉冲与±1脉冲波形相同，用V或B符号的目的是为了示意它是由原信码的“0”变换成非“0”脉冲的。因此，HDB3码的波形也是二电平(+1、0、-1)半占空归零码波形。译码规则：若3连“0”的前后非零脉冲同极性，则后面的非零脉冲就是V码，将“000V”译为“0000”；若2连“0”的前后非零脉冲同极性，即为“B00V”形式，将其译为“0000”，再将其余所有“-1”或“+1”译为“1”，即可恢复原消息代码。HDB3码保留了AMI码的优点，且连“0”个数不超过3，有利于定时信息的提取。A律PCM四次群以下的接口码型均为HDB3码。3.多元码为了提高频带利用率，可以采用多电平码。由于多电平码的一个脉冲对应多个二进制码，在波特率相同(传输带宽相同)的条件下，比特率提高了，因此多电平码在频带受限的高速数据传输系统中得到了广泛应用。4.块编码为了提高线路编码性能和同步、检错能力，还可以进行块编码。块编码的形式有nBmB码，nBmT码等。nBmB码是把原信码流的n位二进制码分为一组，并置换成m位二进制码的新码组，其中m>n。nBmT码的设计思想是将n个二进制码变换成m个三进制码的新码组，m<n。2.7.2数字基带信号的频谱★研究基带信号的频谱特性是十分必要的，通过频谱分析，可以了解信号需要占据的频带宽度，它所包含的频谱成分，有无直流分量，有无定时分量等。作为示例，图2.24给出了单极性信号和双极性信号的频谱。由图2.24可以看出：1)时间波形的占空比(τ/Ts)越小，信号占用频带越宽。非归零(NRZ)基脉冲宽度等于码元带信号的间隔，即τ=Ts，若以谱的第1个零点计算，则矩形基带信号的带宽为B=1/τ=fs；归零(RZ)基带信号的脉冲宽度小于码元间隔，一般取τ=Ts/2，则基带信号的带宽为B=1/τ=2fs。其中fs=1/Ts，是位定时信号的频率，它在数值上与码元速率RB相等。2)单极性RZ信号中有定时分量(fs分量)，可直接提取。单极性NRZ信号中无定时分量，若想获取定时分量，要进行波形变换，使其变为单极性波形。3)单极性信号的频谱中含有直流分量和丰富的低频分量。4)等概(P=1/2)的双极性信号没有离散谱，也就是说无直流分量和定时分量。2.7.3码间串扰数字基带信号在传输过程中，会受到两种干扰：一个是码间串扰，另一个是信道加性噪声。所谓码间串扰(ISI)是由于数字基带系统传输总特性(包括收、发滤波器和信道的特性)不理想，导致接收脉冲的波形展宽和拖尾，使接收脉冲之间发生交叠，前面脉冲的拖尾蔓延到相邻码元的抽样时刻上，从而干扰了信号检测过程。2.7.4眼图★眼图是一种估计和观察系统性能的实验手段。它通过在示波器上观察接收到的信号可以看出码间串扰和噪声对信号的影响程度。具体观察方法：用一个示波器跨接在基带传输系统的抽样判决器的输入端，然后调整示波器水平扫描周期，使其与接收码元的周期同步。此时可以从示波器显示的图形上，观察码间干扰和信道噪声影响的情况，从而定性评价系统性能的优劣。因为示波器上显示的图形很像人的眼睛，故名“眼图”。为了说明眼图和系统性能之间的关系,可以把眼图简化为一个模型，如图2.27所示。由该图可以获得以下信息：1)最佳抽样时刻是眼睛张开最大的时刻。2)定时误差灵敏度是眼图斜边的斜率。斜率越大，对位定时误差越敏感。3)抽样失真反映了抽样时刻上信号受噪声干扰的畸变程度。4)判决门限电平是图中央横轴位置。5)抽样时刻上,下两阴影区的间隔距离之半为噪声容限，若噪声瞬时值超过它就可能发生错判。第三章调制和解调本章复习建议本章主要介绍通信的基础知识“调制解调原理”，重点了解各种调制方式的基本原理和主要特点，在历年考试中，处于重要的地位，建议学员全面掌握,重点复习。从题型来讲包括单项选择题、填空题、简答题以及计算题等题型都要加以练习。3.1调制的概念1.调制的含义调制就是把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程。广义的调制分为基带调制和带通调制(也称载波调制)。载波调制就是用基带信号去控制载波的参数,使其按照基带信号的规律而变化。从频域角度上说,就是把基带信号的频谱搬移至较高的载频附近。基带信号(也称调制信号)是指来自信源的,或者是经过一些信号处理过程的消息信号(信息信号)。载波是指未受调制的周期性高频振荡信号(如高频正弦波)。载波受调制后称为已调信号(也称带通信号),它含有基带信号的全部特征。解调(也称检波)则是调制的逆过程,其作用是将已调信号中的基带信号恢复出来。2.调制的作用（1）通过调制,把基带信号的频谱搬至较高的频率上,就可以以较短的天线获得较高的发射效率。（2）可以把多个基带信号分别搬移到不同的载频处,以实现信道的多路复用,提高信道利用率。（3）扩展信号带宽,提高系统抗干扰和抗衰落能力。3.调制的分类表3.1列出了几种常见的调制分类。3.2幅度调制幅度调制是用基带信号去控制高频正弦载波的振幅，使其随基带信号的规律作线性变化。载波的频率和相位保持不变。设正弦型载波为则根据调制定义，幅度已调信号一般可表示成设基带信号m(t)的频谱为M(ω),已调信号sm(t)的频谱为Sm(ω)，则对式(3-2)进行频谱分析可以得到由时域表达式(3-2)可见，已调信号的幅度随基带信号的规律而变化；由频域表达式(3-3)可见，已调信号的频谱是基带信号的频谱在频域上的简单搬移。因此，调制的实质是进行频谱搬移，即把携带信息的基带信号搬移至较高的载频附近。由于这种搬移是线性的，因此，幅度调制通常又称为线性调制。3.2.1调幅1.基本原理调幅(AM)是常规双边带调制的简称。在基带信号m(t)上叠加一个直流偏量A0后与载波相乘(见图3.1)，即可形成调幅(AM)信号。其时域表示式为AM信号的频谱为2.特点与应用1)由时间波形可以看出，当满足条件:时，AM波的包络与基带信号m(t)的形状完全一样，故可采用简单的包络检波进行解调。2)AM的频谱由载频分量和上、下对称的两个边带组成，因此，AM信号是含有载波的双边带信号,它的带宽是基带信号带宽的两倍，即3)AM的优点在于解调器简单。4)AM的缺点是调制效率很低(即功率利用率很低)，因为它所含的载波分量并不携带信息，却要占用一半以上的信号功率。3.2.2双边带调制1.基本原理在AM信号中，载波分量并不携带信息，有用信息完全由边带传送。如果将AM中的载波分量去掉，即可得到一种高调制效率的调制方式——抑制载波的双边带(DSB-SC)信号，简称双边带(DSB)信号。其时域表示式为DSB的频谱与AM的谱相近，只是没有了载波分量，即2．特点与应用1)DSB信号的包络不与m(t)成正比，故不能采用简单的包络检波，而需采用相干解调。2)DSB信号的带宽与AM相同，即BDSB=BAM=2fH。3)调制效率高(100%)。4)应用场合较少。3.2.3单边带调制1.基本原理DSB信号的上、下两个边带中携带着相同的信息，所以传输其中一个边带即可，这样既可节省发送功率，还可节省一半传输带宽，这种方式称为单边带(SSB)调制。产生SSB信号的两种方法：滤波法、相移法。2．特点与应用1)SSB最突出的优点是对频谱资源的有效利用。它所需的传输带宽仅为DSB的一半,即2)SSB的另一个优点是由于不传送载波和另一个边带所节省的功率。3)SSB带宽的节省是以复杂度的增加为代价的。4)SSB信号的解调也不能采用简单的包络检波,仍需采用相干解调。3.2.4残留边带调制1.基本原理残留边带（VSB）是介于SSB与DSB之间的一种折衷方式。它不像SSB那样完全抑制一个边带，而是使其残留一小部分。这样就解决了SSB中制作滤波器的难题。残留边带滤波器的特性H(ω)应在载频两边具有互补对称(奇对称)特性。2．特点与应用1)VSB方式既克服了DSB信号占用频带宽的缺点，又解决了SSB信号实现上的难题。2)VSB信号的带宽介于SSB和DSB之间，即fH<BVSB<2fH；调制效率为100%。3)VSB比SSB所需求的带宽仅有很小的增加，但却换来了电路实现的简化。4)VSB在商业电视广播中的电视信号传输中得到了广泛的应用。3.2.5相干解调与包络检波解调(或检波)是调制的逆过程，其作用是从接收的已调信号中恢复出基带信号m(t)。解调的方法可分为两类：相干解调和非相干解调(如包络检波)。1.相干解调相干解调也叫同步检波。它由相乘器和低通滤波器(LPF)组成，适用于所有幅度调制信号(AM、DSB、SSB、VSB)的解调。注意：相干解调的关键是接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步(同频同相)的本地载波(称为相干载波)。否则，解调后将会使原始基带信号衰减，甚至会带来严重失真。2.包络检波AM信号在满足的条件下，其包络与调制信号m(t)的形状完全一样。因此，AM信号一般采用包络检波法来恢复基带信号。包络检波器通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成。包络检波器是从已调波的幅度中直接提取原基带要信号。它属于非相干解调，不需相干载波，因而电路简单。3.3角度调制正弦载波有3个参量：幅度、频率和相位。人们不仅可以把基带信号的信息携带在载波的幅度变化中，还可以携带在载波的频率或相位变化中。若使载波的频率随基带信号的规律变化，称为频率调制或调频(FM)；若使载波的相位随基带信号而变化，称为相位调制或调相(PM)。在这两种调制过程中，载波的幅度都保持恒定不变。由于频率和相位的变化都表现为载波角度的变化，故把调频和调相统称为角度调制。3.3.1角调制的基本概念角度调制包括调频(FM)和调相(PM)，角调制信号的一般表达式为1．PM信号所谓相位调制(PM)，是指瞬时相位偏移随调制信号m(t)作线性变化，即式中，ΚP为调相灵敏度(rad/V)，含义是单位幅度的调制信号引起PM信号的相位偏移量。可得PM信号为2。FM信号所谓频率调制(FM)，是指瞬时频率偏移随调制信号m(t)成比例地变化，即式中，Kf是调频灵敏度(rad/s·V)。可得FM信号为3．单音FM与PM4.FM与PM之间的关系由手频率和相位之间存在微分与积分的关系，所以FM与PM之间是可以相互转换的。如果将调制信号先微分，而后进行调频，则得到的是调相波，这种方式叫间接调相；如果将调制信号先积分，而后进行调相，则得到的是调频波，这种方式叫间接调频。3.3.2调频信号的频谱与带宽理论上，调频信号的频带宽度为无限宽。实际上,随着频率的增高，边频分量的幅度会逐渐减小到可以忽略的程度，所以近似认为调频信号具有有限的带宽，其计算公式为式中，fm是基带信号的调制频率，Δf是最大频偏，mf是调频指数，该式称为卡森公式。3.3.3调频信号的产生与解调1.调频方法产生调频信号的方法主要有两种：直接调频法和间接调频法。2.鉴频方法调频信号的解调就是要产生一个与调频信号的频率呈线性关系的输出电压。这个输出电压就是所要恢复的基带信号。3.3.4频率调制的特点与应用★FM方式广泛用于要求高质量或信道噪声大的场合，如调频广播，电视伴音、卫星通信、移动通信、微波通信和蜂窝电话系统中。1)抗噪声性能：FM最好，DSB/SSB、VSB次之，AM最差。2)频谱利用率：SSB最高，VSB较高，DSB/AM次之，FM最差。3)功率利用率：FM最高，DSB/SSB、VSB次之，AM最差。4)设备复杂度：AM最简，DSB/FM次之，VSB较复杂，SSB最复杂。3．4二进制数字调制把数字基带信号变换为数字带通信号(也称已调信号或频带信号)的过程称为数字调制。在接收端，通过解调器把带通信号还原成数字基带信号的过程称为数字解调。数字调制技术有两种方法：1)利用模拟调制的方法去实现数字式调制。2)利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，从而实现数字调制。3.4.1二进制幅移键控(2ASK)1．2ASK的基本原理幅移键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息，而载波的频率和初始相位保持不变。2ASK信号的一般表达式为2．2ASK的调制与解调2ASK/OOK信号的产生方法通常有两种：模拟调制法(相乘法)和键控法。2ASK/OOK信号也有两种基本的解调方法：非相干解调(包络检波法)和相干解调(同步检测法)。3．2ASK的频谱与带宽2ASK信号的带宽B2ASK是基带信号带宽的两倍，若只计谱的主瓣(第一个谱零点位置),则有fs=1/Ts是基带信号的谱零点带宽，在数值上与基带信号的码元速率相同。这表明2ASK信号的传输带宽是码元速率的两倍。3.4.2二进制频移键控(2FSK)1.2FSK的基本原理频移键控(FSK)是利用载波的频率变化来传递数字信息。2.2FSK的调制与解调2FSΚ信号的产生方法主要有两种。一种可以采用模拟调频电路来实现；另一种可以采用键控法来实现，即在二进制基带脉冲序列的控制下通过开关电路对两个不同的独立频率源进行选通，使其在每一个码元Ts期间输出fl或f2两个载波之一。2FSK信号的常用解调方法是非相干解调(包络检波)和相干解调。3．2FSK的频谱与带宽若以功率谱第一个零点之间的频率间隔计算2FSK信号的带宽，则其带宽近似为3.4.3二进制相移键控(2PSK)1.2PSK的基本原理相移键控(PSK)是利用载波的相位变化来传递数字信息，而载波的振幅和频率保持不变。在2PSK中，通常用初始相位0和π分别表示二进制符号“1”和“0”。2PSK信号一般可以表述为一个双极性基带信号与一个正弦载波的相乘，即2.2PSK的调制与解调3.2PSK的频谱与带宽2PSK信号的功率谱为二进制相移键控信号的频谱特性与2ASK的十分相似，带宽也是基带信号带宽的两倍。3.4.4二进制差分相移键控(2DPSK)1.2DPSK的基本原理2DPSK是利用前后相邻码元的载波相对相位变化传递数字信息，所以又称相对相移键控。2DPSK信号的相位并不直接代表基带信号，而前后码元相对相位的差才是唯一决定信息符号的因素。2.2DPSK的调制与解调3.2DPSK的频谱与带宽2DPSK信号和2PSK信号的功率谱密度是完全一样的，当然它们的带宽也相同，即【例题】设发送的二进制信息为10101，码元速率为1200baud：1）当载波频率为2400Hz时，试分别画出2ASK(OOK)、2PSK及2DPSK信号的波形。2)2FSK的两个载波频率分别为1200Hz和2400Hz时，画出其波形。3)计算2ASK、2PSΚ、2DPSK和2FSΚ信号的带宽和频带利用率【答案】1)因为载波频率是码元速率的两倍,所以每个码元内画二周载波。2)设1200Hz-→“1”，2400Hz→“0”3)2ASK、2PSK和2DPSK带宽和频带利用率为2FSK信号的带宽和频带利用率为3.4.5二进制数字调制系统性能比较数字通信系统性能的好坏可以从可靠性、有效性、对信道的适应能力、设备的复杂度等方面进行比较。1.误码率——抗噪性能1)对于同一调制方式，Pe相干<Pe非相干，但随着r的增大，两者性能相差不大。2)对于相同的解调方式(如相干解调)，抗加性高斯白噪声性能从优到劣的排列顺序是：2PSK、2DPSK、2FSK、2ASK。3)在误码率Pe相同条件下，对信噪比r的要求：2ASK比2FSK高3dB，2FSK比2PSK高3dB，2ASK比2PSK高6dB。2.带宽和频带利用率当码元宽度为Ts时，2ASK、2FSK和2PSK/2DPSK信号的传输带宽为结论：2FSK系统的频带利用率最低，有效性最差。3.5多进制数字调制3.5.1特点与类型1.多进制调制的特点采用多进制调制的目的是为了提高频带利用率(即通信系统的有效性)。但代价是增加信号功率和实现上的复杂性。2.多进制调制的类型多进制键控可以看做是二进制键控体制的推广。因此,相应的多进制键控方式可以记为MASK、MFSK、MPSK和MDPSK。3.5.2多进制相移键控多进制相移键控(MPSK和MDPSK)是利用载波的M种不同相位来表示数字信息的。1.相位关系4PSK常称为正交相移键控(QPSK)。在4PSK中，载波相位有四种取值，每种相位对应表示两个比特的信息。2.4PSK调制第一种方法是正交调相法，其原理是把4PSK信号视为两个互为正交的2PSK信号的合成。第二种产生方法是相位选择法。3.4PSK解调由于4PSK信号可以看做是两个正交2PSK信号的叠加，所以4PSK信号的解调可分解为两路2PSK信号的解调，相干解调后的两路并行码元a和b，经过并/串变换后，成为串行数据输出。4.4DPSK表3.3和图3.38对于分析4DPSK信号仍然适用，只是需要把其中的参考相位当作是前一码元的载波相位，把载波相位φn换成前后码元的载波相位差Δφn即可。【例题】设发送二进制信息为11011000，按照表3.3所示的A方式编码规则，分别画出QPSK和QDPSK信号波形。【答案】3.6新型数字调制3.6.1正交振幅调制近年来,随着通信业务需求的迅速增长,寻找频谱利用率高的数字调制方式已成为数字通信系设计、研究的主要目标之一。其中正交振幅调制(QAM)就是一种频谱利用率很高的调制方式。QAM是一种振幅和相位联合键控体制，可以看做是两个正交的振幅键控信号之和。3.6.2最小频移键控最小频移键控(MSK)是前面3.4.2节中讨论的二进制频移键控(2FSK)的改进型。它是一种包络恒定、调制指数h最小(h=0.5)、相位连续的正交2FSK信号。因此,它的占用带宽小,频带利用率高,在相同的传输带宽条件下可以获得比2PSK更高的传输速率。这里,“正交”的含义是指表示“1”和“0”码的信号波形的相关系数等于零。3.6.3正交频分复用正交频分复用(0FDM)是一种高效调制技术,它具有较强的抗多径传播和频率选择性衰落的能力以及较高的频谱利用率。OFDM的基本原理是将发送的数据流分散到许多个载波上,使各子载波的信号速率大为降低,从而能够提高抗多径和抗衰落的能力。为了提高频谱利用率,OFDM方式中各子载波有1/2重叠,但保持相互正交。第四章电话系统本章复习建议本章介绍电话系统的基本概念、组成设备及其工作原理，涉及到较多的专业知识，在历年考试中，处于中等的地位，建议学员熟悉基本概念，抓住重点内容复习。从题型来讲包括单项选择题、填空题、名词解释以及简答题等题型都要加以练习。4.1电话系统的基本概念电话系统是为广大用户提供点对点话音通信业务的通信系统。它由电话机、用户环路(用户线)和交换机组成,如图4.1所示。4.1.1电话系统的网络结构按电话使用范围分类,电话网可分为本地网、长途网。我国长途电话网的网路结构为分级汇接网,长途电话网的等级分为五级,C1为大区交换中心,C2为省交换中心,C3为地区交换中心,C4为县交换中心。到1992年底我国共有8个C1(北京、沈阳、上海、南京、广州、西安、成都),有3个国际局(北京、上海和广州)。本地电话网的网路结构一般设置汇接局和端局两个等级。长途网和本地网的组网形式主要是网状网和星形网,如图4.3所示。4.1.2交换机1.交换机的组成电话系统的关键设备是交换机。交换机由交换网络、控制器和接口组成,如图4.4所示。2.交换机性能的衡量指标衡量交换机性能的好坏,主要依据交换容量、阻塞率、时延、差错率及可靠性等指标。4.2交换网络4.2.1交换网络的分类基于交换网络结构与工作方式的不同,通常可以将其分为空分交换网络、数字交换网络等形式。空分交换网络通常由多个空分交换器组成,空分交换器又由许多交叉接点和连线组成。数字交换网络一般可由时间交换器和空间交换器构成。时隙交换器又称为T型交换器,其功能是完成一条PCM复用线上各时隙内容的交换。空间交换器又称为s型交换器,其作用是完成不同PCM复用线之间的交换,空间交换器主要由交叉接点矩阵和控制存储器组成。4.2.2空分交换网络空分交换网络是在交换机输入与输出端口之间建立交换通路,一般是有一系列交叉接点和连线构成的。4.2.3数字时分交换网络1．时隙交换器★时隙交换器又称为T型交换器,其功能是完成一条PCM复用线上各时隙内容的交换。时隙交换器主要是由话音存储器(SM)和控制存储器(CM)组成。对话音存储器的控制方式有两种:一是“顺序写入,控制读出”;另一种是“控制写入,顺序读出”。对控制存储器的控制方式总是由交换机控制系统控制写入,然后按顺序读出。时间交换器的组成电路还包括:串并转化电路、并串转换电路、计数器及其他控制电路。时隙交换机的组成和交换原理如图4.8所示。2.空间交换器★空间交换器又称为S交换器,其作用是完成不同的PCM复用之间的交换,空间交换其主要由交叉接点矩阵和控制存储器组成。交叉接点矩阵由输入分时复用线和输出分时复用线组成。控制存储器的功能是对交叉接点进行控制。空间交换器的控制方式有输出控制方式和输入控制方式两种。3.三级数字时分交换网络按照T和S交换机的功能,由其构成的三级网络结构有TST、STS和TTT。4.3交换控制器控制器的基本任务是控制交换网络的状态,即控制从用户线到达的呼叫输入交换到另一个用户线并输出的功能模块。其核心技术是交换技术。交换分为电路交换和分组交换。这两种交换的机制存在本质的区别。4.3.1程控(电路)交换技术电路交换是在通话之前,根据用户的呼叫请求,由网络预先给用户分配传输带宽。用户若呼叫成功,则从主叫端到被叫端建立一条物理通道。此后双方才能互相通话。通话完毕挂机后即自动释放这条物理链路。电路交换的关键点是:在通话的全部时间内用户始终占用端到端的固定传输带宽。1.路由设计路由设计是根据给定的交换机之间的话务量和服务质量的要求,决定交换机之间的容量和配置方式。2.电路交换的路由选择。我国自动电话交换网常用的几种路由如下。(1)基干路由(2)高效直达路由(3)低呼损直达路由选择路由时应充分利用高效直达路由,尽量减少转接次数和尽量少占长途电路,路由选择顺序和原则是:先选择高效直达路由。当高效直达路由忙时,选迂回路由,选择顺序是“由远至近”,即先在被叫端一侧自下而上选择,再在主叫端一侧自上而下的选择;最后选择最终路由,最终路由可以是实际的最终路由,也可以是基干路由。【例题】两个地区之间的长途网络结构如图4.15所示。假定交换中心A呼叫交换中心B,试按由远至近选择顺序依次给出全部路由。【答案】根据路由选择的顺序和原则,首选直达路由,当直达路由忙时,再选迂回路由。3.编号制度电话网中的编号制度用来规定网中用户的号码分配原则。一般地讲,一个良好的编号制度应符合下列原则。1)全球统一编号。2)号码的位数尽可能地短。3)编号要有规律。4)编号的制度应充分地考虑电信网的发展,应有预见性。根据上述原则CCITT建议的每台话机的完整号码为:国家号+国内长途号+本地号码。4.交换机的业务功能和呼叫处理过程交换机的功能分为用户业务功能和维护(OAM)功能两类。(1)交换机的业务功能程控交换机能够为营运商提供管理和维护功能。(2)交换机的呼叫处理过程以本局呼叫为例说明交换机对通信终端使用者提供的功能。1)用户扫描。2)向用户送拨号音。3)接收用户拨号信息。4)号码分析。5)地址接收和选择路由。6)向被叫用户振铃。7)通话接续与监视。8)话终拆线。4.3.2分组交换技术分组交换是一种存储转发的交换方式,其存储转发的基本数据单元是报文的分组。把用户需要传送的信息按一定的规则组合成一系列长度的“数据段”,此“数据段”被称为“分组”。分组交换网由多个交换结点和连接这些结点的链路组成,其中链路的传输采用的是分组复用,而结点的交换采用分组交换。1.分组交换的分类分组交换有两种方式,数据报方式和虚电路方式。数据报分组交换与电路交换根本不同,在传输数据分组之前,不需要预先建立任何连接,而是直接按照每个分组首部中的目的地址独立选择转发的路径。由于不需要建立连接,故它对上层的服务称为无连接服务。所谓虚电路方式,就是在用户数据分组传送前先要通过发送呼叫请求分组建立端到端的连接通路。这种连接通路称为虚通路或虚电路。虚电路建立好以后,属于统一呼叫的各个分组均沿着同一虚电路流动,最后通过呼叫清除虚电路。所以在虚电路方式下,分组的路由选择是以呼叫为单位的,而不是以单个分组为单位进行的。虚电路的建立方式有两种:交换虚电路,即通过用户发送呼叫请求分组建立的虚电路;永久虚电路,即通过用户预约,由网络运营商为之建立的永久性虚电路。虚电路(VC)与数据报(DG)存在下列不同。1)选路不同。2)分组顺序不同。3)分组首部不同。4)故障敏感性不同。5)提供的服务和应用不同。2.分组网的路由选择分组交换网中表示路由通常有标头指示法和路由表法两种。(1)标头指示法标头指示法是由源结点将路由信息标识在每一个分组的标头中,故又称为源路由法。(2)路由表法在每个结点交换机中始终保持着一个路由表。这个路由表是根据采用的路由选择算法预先或实时地计算出来的,它以表格形式列出了分组从该节点传递到任意目的结点的路由信息。4.4用户环路4.4.1用户环路的结构首先对端局交换设备、电话用户以及两者之间的连接进行一个简要的了解,这种连接被称为用户环路。{4.4.2用户线接口插件的功能用户环路利用一个用户线路接口插件与端局相连。这个插件的基本功能可用缩写字符BORSCHT表示。(1)馈电(B)(2)过压保护(0)(3)振铃(R)(4)监视(S)(5)编解码(C)(6)混合(H)(7)测试(T)4.4.3用户环路上的信号端局通过线路提供一个大约为48V的直流电压。当电话处于挂机状态下,对于直流电池电压来说表现为断路。用户将设备置于摘机状态的同时就向端局发出信号表示希望进行呼叫在摘机的状态下,电话的阻抗相对较低,因此直流电流可以在环路中流动。这个电流向端局发出分配一个线路的请求。一旦线路被分配给了一个呼叫请求的用户,中心局就会向用户发出信号通知用户继续发送拨号音频。拨号的两种方式是旧式的旋转拨号和双音多频拨号。4.5电话机原理4.5.1电话机的组成电话机主要由受话器、送话器、拨号装置和振铃器组成。(1)受话器受话器是电话机的重要部件之一,它完成话音电流转换为话音的功能,所以是电/声转化部件。(2)送话器送话器也是电话机里的重要部件,它可以把声音转换成语音电流,所以是声/电转换器件。(3)拨号装置拨号装置有旋转式拨号盘和按键式拨号盘两种。(4)振铃振铃器可分为交流铃和音调振铃器两种。4.5.2电话机的工作原理4.6电话网络信令4.6.1信令系统信令系统的作用是协调交换系统、传输系统和用户终端的运行,在指定的用户终端之间建立电路连接,并维护网络本身的正常运行和提供各种各样的服务等。信令是一个集合,该集合应该包括话路接续和维护其自身及整个网络正常运行所需的全部命令。用户线信令一般设计得比较简单,通常只具有最基本的呼叫连接建立和释放功能。用户线信令集合一般包括下列一些信令:请求、地址、释放、来话提示、应答和进程提示。信令在多段连路上的传输方式有两种:端到端的方式和逐段转发的方式。信令的分类方法有很多,按其工作的区域不同,可分为用户线信令和局间信令。按其传送信道和用户消息传送信道的关系,可分为随路信令和公共信道信令。由主叫向被叫方向传送的信令叫做前向信令;反之,从被叫向主叫方向传送的信令叫做后向信令。4.6.2No.7信令系统概述4.6.3电话网中的呼叫过程在面向连接的电话网中,一个正常的呼叫处理信令过程,通常都包含3个阶段:呼叫建立阶段、通话阶段和释放阶段。局内接续过程如图4.29所示。一个正常的呼叫处理信令过程如图4.30所示。第五章移动通信本章复习建议本章介绍移动通信系统的基本概念基本理论、系统组成及工作原理，涉及到较多的专业知识，在历年考试中，处于中等的地位，建议学员熟悉基本概念，抓住重点内容复习。从题型来讲包括单项选择题、填空题、名词解释以及简答题等题型都要加以练习。5.1移动通信概论5.1.1移动通信发展简述移动通信是指通信双方或一方处于运动中进行信息交换的通信方式。移动通信系统主要有无绳电话系统、无线寻呼系统、无线集群通信系统、地面蜂窝移动通信系统和卫星移动通信系统等。5.1.2移动通信的特点1.移动通信利用无线电波进行信息传输。2.通信在复杂的电磁环境下工作。3.移动通信业务量有限。4.移动通信系统建网技术复杂。5.移动台必须适用于移动环境。5.1.3移动通信的工作方式无线通信的传输方式分为单向传输(广播式,如无线电寻呼系统)和双向传输(应答式)。双向传输又分为单工、半双工和全双工3种方式。5.1.4移动通信的分类及常用系统1.移动通信的分类方法1)按使用对象可分为民用通信和军用通信。2)按使用环境可分为陆地通信、海上通信和空中通信。3)按多址方式可分频分多址、时分多址和码分多址等。4)按覆盖范围可分为宽域网和局域网。5)按业务类型可分为电话网、数据网和综合业务网。6)按工作方式可分为单工、半双工和全双工。7)按服务范围可分为专用网和公用网。8)按信号形式可分为模拟网和数字网。2．常用移动通信系统(1)无线寻呼系统无线寻呼系统是一种单向通信系统。无线寻呼系统由与公用电话网相连接的无线寻呼控制中心、寻呼发射台及寻呼接收机组成。(2)无绳电话系统(3)集群移动通信系统集群移动通信系统属于调度系统的专用通信网。集群系统由控制中心、总调度台、分调度台、基地台及移动台组成。(4)蜂窝移动通信系统5.2蜂窝网的基本概念5.2.1概述蜂窝概念是解决频率不足和用户容量问题的一个重大突破。其基本思想是用许多小功率的发射机(小覆盖区)来代替单个的大功率发射机(大覆盖区)。5.2.2频率再用设计基站天线时要做到能覆盖某一特定小区,并将覆盖范围限制在小区边界以内,这样相同信道组就可用于覆盖不同的小区。要求使用相同信道组的小区两两之间的距离足够远,从而使其相互间的干扰在可接受的范围内。这种为蜂窝系统中的所有基站选择和分配信道组的设计过程称为频率再用。蜂窝移动通信系统中频率再用如图5.6所示。图5.6中标有相同字母的小区使用相同的频率集。共同使用全部可用频率的N个小区称为一个区群。若小区群的大小N等于7,频率再用因子为1/7,因为每个小区都要包含可用信道总数的1/7。当用六边形来模拟覆盖范围时,基站发射机安置在小区中心或6个小区顶点中的3个之上,前者称为中心激励小区,后者称为顶点激励小区。为了理解频率再用的思想,假设某一蜂窝系统共有S个可用