通信概论2章--数字通信wps

2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信22.1数字通信系统2.2语声信号数字化编码2.3时分多路复用及数字复接技术2.4差错控制编码2.5数字信号的基带传输2.6数字信号的频带传输2.7数字系统同步技术2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信32.1模拟通信和数字通信（1/3）模拟通信模拟通信系统框图信源信道信宿噪声非电/电变换器电/非电变换器调制器解调器变换器反变换器2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信42.1模拟通信和数字通信（2/3）数字通信的含义：传送数字信号的通信称为数字通信。数字通信系统框图解调器调制器信道噪声信源信宿信源编码信道编码信源译码信道译码2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信52.1模拟通信和数字通信（3/3）数字通信系统中的几个常用概念信源编码：将信源产生的模拟信号转换成数字信号，以便在数字通信系统传送，这个过程又称为模拟/数字变换。信道编码：在发送端对信源编码后的信号按一定规则附加一些监督码元，以便接收端检测误码。基带传输：将编码后的数字脉冲信号直接送人传输媒介中进行传输。调制：将数字脉冲变换成适合于金属线路传输的正弦振荡信号，或适合于光纤传送的光脉冲信号。2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信62.2数字通信的特点抗干扰能力强，无噪声积累便于加密处理有利于采用时分复用实现多路通信设备便于集成化、小型化占用较宽信道频带（缺点）2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信72.2语声信号数字化编码2.2.1基本概念电话信号的数字化称为语声编码，图像信号的数字化称为图像编码。语声信号编码示意图2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信82.2语声信号数字化编码A/D变化包含三个部分：(1)抽样：是指将模拟信号在时间上离散化的过程(2)量化：是指将模拟信号在幅度上离散化的过程。(3)编码：编码是指将每个量化后的样值用一定的二进制代码来表示。语声信号编码的分类：(1)波形编码：在发送端根据语声信号波形的特点把语声信号变换为数字信号，而在接收端经解码再恢复发送端原语声的波形。(2)参量编码：提取语声信号的特征参量，对其进行编码。(3)混合编码：介于波形编码与参量编码之间，在参量编码的基础上引入一定的波形编码的特征。2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信92.2.2脉冲编码调制（PCM）技术（1/8）模拟信号数字化的基本过程：对模拟信号在时间域和幅度域上都进行离散化处理，然后再把离散化的幅度值变换为数字信号代码。脉冲编码调制（PCM）系统结构框图2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信102.2.2脉冲编码调制（PCM）技术（2/8）PCM系统的组成发送端：完成对模拟话音信号的抽样、量化、编码三步处理，然后将信号直接送入信道进行传送，即完成模/数变换过程；接收端：收到数字脉冲信号后，通过再生、译码等反变换，最后经低通滤波器平滑成原始的模拟语音信号，即完成数/模变换过程；信道传输设备：当传输距离较长时，在信道中间每隔一定距离需要设置再生中继设备。2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信112.2.2脉冲编码调制（PCM）技术（3/8）抽样含义：将话音信号在时间上离散化的过程。实现方法：对话音信号s(t)按周期间隔T抽取其瞬时幅值，得到一系列时间上离散的样值序列s’(t)。抽样定理：只要抽样频率fC≥2fB，则抽样后的样值序列通过一个截频为fB的低通滤波器后即可恢复原信号，其中fB最高频率是s(t)的最高频率。ITU-T建议对话音信号的抽样频率为每秒钟8000次。2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信12因此应根据奈奎斯特取样定理（简称取样定理）来确定取样时间。取样定理描述为：式中，fh为模拟信号的最高频率，fs为取样开关的频率，如果fs=2fh称为奈奎斯特速率。hsff22019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信13举例：在电话中传送数字化声音信号，声音信号的频带限制在300~3400Hz，fh=3400Hz。其取样频率fs3400×2，选定fs=8000Hz，。用此取样频率可在接收端无失真地恢复出话音信号。usfTss12512019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信142.2.2脉冲编码调制（PCM）技术（4/8）量化含义：将抽样后时间离散、幅值连续的信号样值幅度分层，将在一定范围内变化的无限个值，用不连续的有限个值来代替的过程称为“量化”。分类均匀量化：在幅值变化范围内均匀等间隔量化；非均匀量化：将小信号量化级间隔细分，大信号量化级间隔粗分，可以提高信号较小状况下的信噪比。2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信152.2.2脉冲编码调制（PCM）技术（5/8）量化均匀量化（线性量化）实现方法：设被量化信号u(t)的电平幅值变化范围为±U，将-U~+U均匀等分为N个量化间隔每个间隔为△=2U/N，N为量化级数，量化值通常取每个量化级电压（或电流）的中间值。量化噪声：当u(t)幅值高于或低于某个量化值时，会产生量化误差，相当于在模拟信号上迭加了一个额外噪声。2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信162.2.2脉冲编码调制（PCM）技术（6/8）量化非均匀量化原理：量化级间隔随信号幅度的大小自动调整，当信号幅度小时，量化级间隔变小，量化误差也小；当信号幅度大时，量化级间隔变大，量化误差也大。优点：在不增大量化级数N的条件下，使信号在较宽动态范围内的信噪比S/N达到要求。实现框图：2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信172.2.2脉冲编码调制（PCM）技术（7/8）量化非均匀量化压缩特性曲线13折线A律：15折线μ律：第1段是第2段的一半，在小信号时量化误差更小。AAXYln1ln16.87A图2.813折线A律幅度量化分段方案2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信18图2.5均匀和非均匀量化2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信192.2.2脉冲编码调制（PCM）技术（8/8）编码和解码编码含义：在发信端对非均匀量化后的样值数字信号利用给定的方案变换成串行的二进码序列，即模数变换。实现方法：逐次反馈型编码解码含义：在收信端将收到的二进码序列还原成相应幅度的量化值，即数模变换。实现方法：将串行PCM码流按位存储并分组转换为并行输出，经过类似标准砝码的加权而得到PAM信号。2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信202019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信20PCM转换过程举例3.23.92.83.41.24.2343314011100011011001100原始信号PAM脉冲PCM脉冲（有量化误差）011100011011001100PCM输出2.2.2脉冲编码调制（PCM）技术2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信212019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信21模拟话音采样时钟PAM信号PCM信号采样电路量化和编码数字化声音--话音信道带宽4KHz--采样时钟频率：8KHz(2倍话音最大频率)--量化级数：256级(8位二进制码表示)--数据率：8000次/s*8bit=64Kb/s∴每路PCM信号的速率=64000bps编码后的信号称为PCM（PulseCodedModulation）信号（脉码调制信号）2.2.1脉冲编码调制（PCM）技术2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信222019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信22PCM转换波形图ABCDBACD模拟话音采样时钟PAM信号PCM信号采样电路量化和编码数字化声音2.2.1脉冲编码调制（PCM）技术2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信232019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信23复用的概念复用：为了提高信道利用率，使多路信号互不干扰地在同一信道上传输的方式称为多路复用。频分复用（FDM）多用于模拟信号的复用时分复用（TDM）多用于数字信号的复用波分复用（WDM）多用于光纤通信系统2.3时分多路复用与数字复接技术2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信242019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信24多路复用技术（领会FDM和TDM的概念、特点和应用）复用：含义：用一条信道同时传输多路信号的方法。目的：有效地利用带宽，提高通信的有效性。典型方式：频分多路复用时分多路复用固定时分复用统计时分复用2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信252019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信25频分复用FrequencyDivisionMultiplexingCH2CH1CH3原带宽CH1CH2CH3移频后带宽MUXCH1CH2CH3带宽复用f原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每个用户占用一个频率通道。频率通道之间留有防护频带。适用于模拟信号传输，普遍应用在长途多路载波电话系统、无线广播中。2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信262019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信26时分复用TimeDivisionMultiplexing原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个通道（时隙），每个用户占用一个通道传输数据。A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后数据时隙1234D3D2D1适用于数字信号传输时间片2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信272019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信27统计(异步)TDM——STDMABCD待发数据t1t2t3A1B1C1D1C2D2A2B2周期1周期2同步TDM带宽浪费A1B1C2B2周期1周期2统计TDM可用带宽TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该通道，将会造成带宽浪费。改进：统计时分多路复用（STDM），用户不固定占用某个通道，有空槽就将数据放入。2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信282019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信28码分复用CodeDivisionMultiplexing码分复用中，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。多用于空间通信的扩频通信和移动通信系统2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信292019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信29波分复用WaveDivisionMultiplexingF2F1F3光谱F1F2F3共享光纤的光谱光纤2光纤3光纤1共享光纤采用无源设备，更可靠棱柱/衍射光栅波分复用是光通信的复用技术，其原理与频分复用类似。2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信302019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信302.3.2时分多路复用与同步技术时分多路复用的基本概念：利用各路信号占用时间有限的特点，在信道上的不同时隙分别传输各路信号。时分多路通信的理论根据：抽样定理抽样定理告诉我们，一路连续的模拟话音信号S(t)的相邻样值之间有125μs的时间空隙，这是时分复用的关键。如果信道仅用来传送一路话音，则有92%的时间是空闲着的。为了充分利用传输信道的带宽能力和提高通信系统的有效性.在125μs的抽样空闲时间内插入其它路的信号（样值信号），即利用一路信号采样的空隙，进行其余用户信号的采样。只要各路信号在时间上能区分开（不重叠），那么同一信道就能传送多路信号，达到了多路复用的目的。2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信312019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信31时分多路复用2019/12/16《现代通信概论》第2章数字通信32