《数字通信原理》教案

《数字通信原理》教案第一章概述主要内容：模拟信号与数字信号的特点模拟通信与数字通信数字通信的特点数字通信系统的主要性能指标一、模拟信号与数字信号的特点模拟信号——幅度取值是连续的连续信号离散信号数字信号——幅度取值是离散的二进码多进码连续信号离散信号数字信号与模拟信号的区别是根据幅度取值上是否离散而定的。离散信号与连续信号的区别是根据时间取值上是否离散而定的。二、模拟通信与数字通信根据传输信道上传输信号的形式不同，通信可分为模拟通信——以模拟信号的形式传递消息（采用频分复用实现多路通信）。数字通信——以数字信号的形式传递消息（采用时分复用实现多路通信）。数字通信传输的主要对象是模拟话音信号等，而信道上传输的一般是二进制的数字信号。所要解决的首要问题模拟信号的数字化，即模／数变换（A/D变换）数字通信系统的构成及各部分的作用话音信号的基带传输系统模型三、数字通信的特点1、抗干扰能力强，无噪声积累对于数字通信，由于数字信号的幅值为有限的离散值（通常取二个幅值），在传输过程中受到噪声干扰，当信噪比还没有恶化到一定程度时，即在适当的距离，采用再生的方法，再生成已消除噪声干扰的原发送信号。由于无噪声积累，可实现长距离、高质量的传输。2、便于加密处理3、采用时分复用实现多路通信4、设备便于集成化、小型化5、占用频带较宽四、数字通信系统的主要性能指标有效性指标·信息传输速率——定义、公式、物理意义·符号传输速率——定义、公式（）、关系：·频带利用率——是真正用来衡量数字通信系统传输效率的指标（有效性）可靠性指标·误码率——定义·信号抖动复习题1、设信号码元时间长度为，当（1）采用4电平传输时，求信息传输速率和符号传输速率。（2）若系统的带宽为2000,求频带利用率为多少。解：（1）符号传输速率为数据传信速率为（2）2、接上题，若传输过程中2秒误1个比特，求误码率（误比特率）。解：误码率（误比特率）＝差错比特数／传输总比特数第二章语声信号数字化编码主要内容：语声信号数字化编码的基本概念脉冲编码调制(PCM)自适应差值脉冲编码调制(ADPCM)子带编码——SBC第一节语声信号数字化编码的基本概念一、语声信号编码的概念语声信号编码——模拟话音信号的数字化（信源编码）。二、语声信号编码的分类波形编码——根据语声信号波形的特点，将其转换为数字信号。常见的有PCM、DPCM、ADPCM、DM等。参量编码——是提取语声信号的一些特征参量，对其进行编码。特点：编码速率低，但语声质量要低于波形编码。LPC等声码器属于参量编码。混合编码——是介于波形编码和参量编码之间的一种编码，即在参量编码的基础上，引入一定的波形编码的特征。子带编码属于混合编码。第二节脉冲编码调制(PCM)一、脉冲编码调制(PCM)通信系统的构成PCM的概念——它是对模拟信号的瞬时抽样值量化、编码，以将模拟信号转化为数字信号。PCM通信系统的构成PCM通信系统由三个部分构成：模／数变换——抽样、量化、编码信道部分——包括传输线路及再生中继器数/模变换——解码、低通二、抽样1、抽样的概念：模拟信号在时间上离散化PAM信号2、低通型信号（）的抽样抽样定理留有一定宽度的防卫带不满足抽样定理的后果——不满足抽样定理的后果是PAM信号产生折叠噪声，收端就无法用低通滤波器准确地恢复原模拟话音信号。话音信号的抽样频率为＝8000，抽样信号的频谱：频率成分有原始频带∽，的上、下边带。（排列顺序）3、带通型信号（）的抽样抽样定理[若n次下边带、(n+1)次下边带与原始频带间隔相等——默认]抽样信号的频谱：频率成分有原始频带∽，的上、下边带。（排列顺序）三、量化量化的概念：PAM信号（样值）在幅度上离散化量化值量化分为均匀量化非均匀量化1、均匀量化[在量化区内（即从一U～十U）均分为N等份]均匀量化的特点——大小信号的量化间隔相等（）几个要点•量化值的选取•量化误差＝量化值一样值（•均匀量化的缺点——在N（或）大小适当时，均匀量化小信号的量化信噪比太小，不满足要求，而大信号的量化信噪比较大，远远满足要求•为了解决这个问题，若仍采用均匀量化，不行。原因：↑→量化误差↓→Δ↓→N↑→↑→编码复杂信道利用率下降解决——采用非均匀量化2、非均匀量化非均匀量化的宗旨——在不增大量化级数N的前提下，利用降低大信号的量化信噪比来提高小信号的量化信噪比。非均匀量化的特点——小信号的量化间隔小，大信号的量化间隔大。实现非均匀量化的方法·模拟压扩法——方框图·直接非均匀编解码法——概念（一般采用）3、量化信噪比定义式：均匀量化信噪比（忽略过载区内的量化噪声功率）曲线非均匀量化信噪比（忽略过载区内的量化噪声功率）•A律压缩特性oa+ab——A律压缩特性•A律压缩特性的非均匀量化信噪比（信噪比改善量）oa段：ab段：•A的取值与Q的关系：在小信号区域，A愈大，则斜率愈大，Q愈大；在大信号区域，A愈大，则斜率愈小，Q愈小。一般取A=87.6•A律13折线压缩特性表2.3各段折线的斜率及信噪比改善量段号12345678斜率161684211/21/4Q（dB）2424181260-6-12四、编码与解码1、二进制码组及编码的基本概念二进制码组一般二进制码循环二进制码（格雷码）特点折叠二进制码采用折叠二进码编码编码的基本概念•编码的概念——编码是把模拟信号样值变换成对应的二进制码组。•分类线性编码与解码——具有均匀量化特性的编码与解码非线性编码与解码——具有非均匀量化特性的编码与解码（根据A律13折线非均匀量化间隔的划分直接对样值编码，收端再解码。）2、A律13折线的码字安排各量化段的电平范围、起始电平、量化间隔表2.4量化段序号电平范围（）段落码起始电平（）量化间隔（）段内码对应权值（）81024∽2048111102464512256128647512∽10241105123225612864326256∽512101256161286432165128∽25610012886432168464∽128011644321684332∽6401032216842216∽32001161842110∽16000018421过载电压量化级数N码字安排（段落码与段内码合在一起称为幅度码）极性码段落码段内码（非线性码）（线性码）段内码对应的权值权值：3、A律13折线编码方法样值电流（以为例）电压极性码幅度码（2∽8）•判定值的数目•判定值的确定段落码判定值的确定——以量化段为单位逐次对分，对分点电平依次为∽的判定值。段内码判定值的确定——以某量化段内量化级为单位逐次对分，对分点电平依次为∽的判定值。4、码字的对应电平码字电平(编码电平)——编码器输出的码字所对应的电平。解码电平——解码器的输出电平。编码误差解码误差5、逐次渐近型编码器码字判决与码形成电路——编各位码本地解码器——产生判定值（1）串／并变换记忆电路——将先行码（～）的状态反馈回来，并行输出～。～与反馈码的对应关系：对于先行码(已编好的码)：对于当前码(正准备编的码)：对于后续码(尚未编的码)：（2）7／11变换7/11变换的作用——将7位非线性幅度码转换为11位线性幅度码∽。7/11变换的目的——为了产生判定值（若干个恒流源相加），要得到11个恒流源，所以要7/11变换。7/11变换的方法——原则：（～看作～）非线性幅度码对应的码字电平=11位线性幅度码∽对应的码字电平～（看作～）对应的码字电平为：∽对应的码字电平为：(第一段)表2.4量化段序号电平范围（）段落码起始电平（）量化间隔（）段内码对应权值（）81024∽2048111102464512256128647512∽10241105123225612864326256∽512101256161286432165128∽25610012886432168464∽128011644321684332∽6401032216842216∽32001161842110∽16000018421（3）11位线性解码网络——将所对应的权值(恒流源)相加，以产生相应的判定值。6、A律13折线解码器7/12变换的目的——编码电平等于11个恒流源中的若干个恒流源相加,为了保证收端解码后的量化误差不超过，在收端应加入的补差项,即解码电平等于编码电平加。而第1、2两段的不在11个恒流源范围内，要增加一个恒流源，所以应进行7/12变换。7/12变换的方法——在7/11变换的基础上增加一个“1”。A律13折线解码器输出的是解码电平，它约等于PAM信号。第三节自适应差值脉冲编码调制(ADPCM)一、差值脉冲编码调制(DPCM)DPCM的概念——对相邻样值的差值进行量化、编码。（实际上DPCM是对样值与过去的样值为基础得到的估值之间的差值进行量化编码的）DPCM的缺点——在DPCM系统中，为了实现容易，采用固定预测器。输入信号与预测信号的差值大，从而造成误差增大，话音质量受影响。二、自适应差值脉冲编码调制(ADPCM)的原理ADPCM的概念——在DPCM的基础上增加自适应量化和自适应预测，由此发展成了ADPCM。ADPCM的优点——由于采用了自适应量化和自适应预测，ADPCM的量化失真、预测误差均较小，因而它能在32kbit／s数码率的条件下达到PCM系统64kbit／s数码率的话音质量要求。第四节子带编码——SBC子带编码的概念首先将输入信号频带分割成不同的频带分量(称为子带)，然后再分别进行编码，这类编码方式称为频域编码。复习题1、一模拟信号频谱如下图所示，求其满足抽样定理时的抽样频率，并画出抽样信号的）。∴此信号为低通型信号满足抽样定理时，应有（一次下边带：-原始频带=12-（2∽6）=6∽10一次上边带：+原始频带=12+（2∽6）=14∽18二次下边带：-原始频带=24-（2∽6）=18∽22二次上边带：+原始频带=24+（2∽6）=26∽30）2、一模拟信号频谱如下图所示，求其满足抽样定理时的抽样频率，并画出抽样信号的频谱。解：∴此信号为带通型信号满足抽样定理时，应有3、画出的均匀量化信噪比曲线（忽略过载区内的量化噪声功率）。解：4、画出的A律压缩特性的非均匀量化信噪比曲线（忽略过载区内的量化噪声功率）。解：5、A律13折线编码器，，一个样值为，试将其编成相应的码字，并求其编码误差与解码误差。[量化段12345678）0∽1616∽3232∽6464∽128128∽256256∽512512∽10241024∽204801632641282565121024]解：段落码为011，样值在第4量化段，码字为10110111编码电平：编码误差：解码电平：解码误差：6、A律13折线编码器，，过载电压，一个样值为，它相当于多少？解：(同学们自行练习将其编成相应的码字。方法同上，注意所有电流的符号改成电压的符号)7、某7位非线性幅度码为1101010，将其转换为11位线性幅度码。512解：11位线性幅度码为01101000000B2（512）8、某11位线性幅度码为00000110010，将其转换为7位非线性幅度码。32解：7位非线性幅度码为0101001(3)9、某7位非线性幅度码为1101010，将其转换为12位线性幅度码。解：12位线性幅度码为011010100000第三章时分多路复用及PCM30/32路系统主要内容：时分多路复用通信PCM30/32路系统第1节时分多路复用通信一、时分多路复用的概念利用各路信号在信道上占有不同时间间隔的特征来分开各路信号的。二、PCM时分多路复用通信系统的构成PCM时分多路复用通信的实现（n路复用原理类似）发端低通滤波器的作用——将模拟信号的频带限制在0．3～3．4以内，即防止高于3．4的信号通过，避免抽样后的PAM信号产生折叠噪声。保持的目的——由于编码需要一定的时间，为了保证编码的精度，要将样值展宽占满整个时隙。抽样门的作用——抽样、合路。分路门的作用——分路。接收低通滤波器的作用——重建或近似地恢复原模拟话音信号。几个概念：1帧、路时隙()、位时隙()第二节PCM30／32路系统1、PCM30／