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1、现代通信技术复习 长安大学信息工程学院电子信息工程系荣玫rongmei 1 2 考试安排 2014 1 22 星期四 上午9 00 11 00题目类型 计算题 4 10 简答题 3 20 注意事项 考生持学生证进入考场 并按监考教师安排顺序就座 考生一律不准自带稿纸 桌面四周及抽屉必须保持清洁 严禁考生携带任何具有通讯功能的设备 手机等 进入考场 一旦带入 在考前交予监考人员保管者 不作处理 凡是在考试期间携带 摆放和使用通讯工具者将根据学校规定 按考试违纪或作弊处理 开考半小时内不准离开考场 离开考场者 一律按交卷处理 迟到半小时者不准参加考试 3 1 通信系统模型通信系统模型的组成 各部分
2、的功能 图1 1点到点通信系统模型 4 2 通信信道与通信容量信道分类有线信道 电磁能量被约束在某种传输线上传输 包括平行导体传输线 同轴电缆传输线 微带传输线 波导传输线 光纤传输线等无线信道 包括地波 空间波 天波等 5 1 有线信道 平衡式 非平衡式 发出信号 返回信号 共模抑制 信号电位 地电位 6 图1 3通信中的常用传输媒质 明线电缆 b 双线电缆 c 双绞线电缆 d 屏蔽电缆对 e 空气填充型同轴电缆 f 固态柔韧型同轴电缆 g 微带线 h 矩形波导 7 波导最简单形式是一个空心导管 其横截面通常是矩形 圆形或椭圆形 管壁是导体 可以限定电磁波能量的边界在波导管内 通过波导管内的
3、电介质传播能量 其电介质通常是干燥的空气 如果波导管壁是良导体且很薄 则壁内无电流流过 因此能量损耗很少 电磁波在波导管内以 Z 字形来回反射并不断向前传播 8 截止频率和截止波长不像传输线有最高频率的限制 波导受限于最低频率即称为截止频率 Cut offFrequency 即低于截止频率的信号将不能在波导中传播允许通过波导的最大波长称为截止波长 Cut offWavelength 截止波长定义为可在波导内传播的最大波长截止波长和截止频率由波导的横截面尺寸决定 若波导的横截面宽度尺寸为a 则其截止波长为 c 2a 9 2 无线信道 图1 4电磁波的三种传播模式 10 3 信息容量信息容量 在给
4、定时间内 一个通信系统可以传输多少信息的一种度量信息论 是对有效利用带宽通过电子通信系统传输信息的理论研究 可用来确定通信系统的信息容量1920年贝尔实验室的哈特莱推导出了带宽 传输时间和信息容量之间的关系 即带宽愈宽 传输时间愈长 能够通过该系统传送的信息就愈多 数学上 哈特莱定律表达如下 C B t 11 一个重要的问题 增大带宽B 能否使信息容量C无限增长 香农公式 12 计算实例 标准话音频带通信信道信噪比 30dB 带宽 13 3 基带与频带传输 图1 7频带传输系统简化框图 14 通信系统中的信号传输方式 15 调制定义 通过改变一个更高频率信号的某些特征物理量或参数 如幅度 频率
5、 相位等 的过程称为调制 分为模拟调制和数字调制 相应地 已调信号通过传输系统传送到接收机 在接收机中被放大 下变频 然后恢复原始信号的过程称为解调载波 调制信号 已调信号的定义 16 4 通信方式通信系统可以设计成只在一个方向上传输 或者在两个方向上但一次只能沿一个方向传输 或者同时在两个方向上传输 这些都称为传输方式 传输方式有四种 单工 半双工 全双工及全 全双工 1 单工 SX 发射机 接收机 传输只能在一个方向上出现 17 2 半双工 HDX 3 全双工 FDX 发射机接收机 接收机发射机 发射机接收机 接收机发射机 18 4 全 全双工 F FDX 发射机接收机 接收机发射机 发射
6、机接收机 19 5 模拟与数字通信 图1 8数字通信简化框图 20 数字通信的特点 优点 抗干扰性强 便于处理 加密 存储和交换 由于数字通信设备中大部分电路都是采用数字逻辑电路 因此可用大规模和超大规模集成电路实现 设备便于集成化和微型化 功耗也较低 采用数字传输方式 可以实现传输和交换的综合 电话业务和非电话业务都可以实现数字化 以便组成综合业务数字网 ISDN 缺点 占用信道频带较宽 数字话音数码率64kb s 一个模拟话路所占频带宽度4kHz 21 6 通信系统性能与噪声1 通信系统性能 通信系统性能 性能指标 22 性能指标的对立统一 信源编码 信道编码 23 7 通信系统中的噪声
7、噪声 不相关噪声 相关噪声 外部噪声 内部噪声 噪声的存在与信号是否出现 常见噪声分别属于哪一类 热噪声 大气噪声 24 8 数字通信系统的主要性能指标1 信息传输速率信息传输速率通常是以每秒所传输的信息量多少来衡量的 信息论中已定义信源发生信息量的度量单位是 比特 bit 一个二进制码元所含的信息量是一个 比特 即一个 1 或一个 0 就是一个比特 在多进制中 设为m进制 每个码元的信息量为Im 则Im为Im log2m m为进制数 24 25 2 码元 符号 传输速率码元 符号 传输速率是指单位时间 s 内传输的码元数目 其单位为波特 Bd Baud 这里的码元可以是二进制的 也可以是多进
8、制的 一般用RB或fB来表示 信息传输速率和码元传输速率的关系为Rb RBlog2M式中 Rb表示信息传输速率 M为进制数 如果码元传输速率为600Bd 则在二进制时 信息传输速率为600b s 在四进制时 信息传输速率则为1200b s 对于二进制 由于log2M 1 在数值上波特率和比特率是相等的 但其意义是不同的 25 26 3 频带利用率频带利用率是指单位频带内的传输速率 传输的速率愈高 所占用的信道频带愈宽 通常用来表示数字信道频带的利用情况 即频带利用率为当传输速率是码元传输速率时 其单位为波特 赫兹 Bd Hz 当传输速率是信息传输速率时 其单位为比特 秒 赫兹 b s Hz 2
9、6 27 4 误码率数字信号在信道传输过程中 由于信道本身有关参数的影响和噪声干扰 以致在接收端判决再生后的码元可能出现错误 这叫误码 误码的多少用误码率来衡量 一般用Pe来表示 这个指标是统计结果的平均值 所以这里指的是平均误码率 显然 误码率愈小 通信的质量愈高 27 28 9 脉冲编码调制 把时间连续 取值连续的模拟信号变换成时间离散 取值离散的数字信号 包括抽样 量化 编码三个过程 1 抽样 图1 10话音信号抽样过程 时间离散化 28 29 所谓抽样 就是每隔一定时间T 抽取话音信号m t 的一个瞬时幅度值 样值 可得到一系列样值信号 即样值序列信号S t S nT 或称为脉幅调制
10、PAM 信号 奈奎斯特抽样定理一个频带限于fm赫兹的连续信号m t 可以惟一地用时间上每隔时间T 1 2fm 的抽样值序列来确定 即抽样频率fs 2fm T 29 30 保护频带要获得原始信号的重建 必须使fm与fs fm之间有一定宽度的保护带 若抽样频率fs2fm 例如 话音信号的最高频率fm 3 4kHz 为了防止产生混叠噪声 取fs 2fm 这里按ITU T规定 话音信号的抽样频率fs 8000Hz 抽样周期R 1 8000 125 s 这样就留出了8000 2 3400 1200Hz的保护带 30 31 量化 图1 13均匀量化与非均匀量化 幅度离散化 31 32 1 均匀量化 用等间
11、隔 称为量化间隔 去度量样值信号信号的幅度范围被限定在 U U之间 U为过载电压 样值的绝对值超过过载电压U的区域称为过载区 未超过U的区域称为量化区幅度范围内的离散值称为量化值或量化级数 用 量化间隔去度量样值 U U之间所得到的数值 用 来表示 量化误差 量化值与原样值之间的误差 如何衡量 32 33 量化信噪比均匀量化的缺陷 量化间隔是固定值 33 34 2 非均匀量化非均匀量化的特点 信号幅度小时 量化间隔小 其量化误差也小 信号幅度大时 量化间隔大 其量化误差也大采用非均匀量化后可做到在不增大量化级数N的条件下 使信号在较宽的动态范围达到所需的指标要求 其实质是提高了小信号的信噪比
12、降低了大信号的信噪比 使信噪比在较宽的动态范围内均匀 34 35 图1 1413折线压扩特性 对数 A 律 13折线 35 36 表1 113折线量化段电平 归一化值 以上是每段按16等分量化而得到的 并以最小段 第一段 为最小量化间隔 且此单位为归一化值的单位 36 37 逐次反馈编码话音信号变为数字信号的过程是经抽样 量化后还必须变为数码流 这个变为数码流的过程叫编码 A律与13折线通常采用量化级数N 256 每个段再16等分 即每个样值信号经量化后编成8位码 由8位码组成一个码字来近似表示 1 编码的码型在话音信号编码中通常采用三种码型 一般二进码 自然二进码 循环码 格雷码 和折叠二进
13、码 在数字通信中按 律和13折线规律进行量化编码时一般采用折叠二进码 它与普通二进码的区别在于 幅值为负的幅度码是由幅值为正的幅度码 上半部 对折而成的 因此得名为折叠码 37 38 2 编码位安排我国数字通信设备 PCM30 32路基群 话音信号变为数字信号即A D变换 是按CCITT建议 采用13折线 A 87 6 规律进行量化 每个样值信号编8位码 A律与13折线的非均匀量化段是奇对称的上 下8个量化段 如图1 14所示 每个量化段又均匀等分为16个量化级 如采用折叠二进码进行编码 其码字的安排是 码位为8位 分别用a1 a a a a a a a 来表示 a1表示极性码 a1 1表示正
14、极性 a1 0表示负极性 a a a 3位码为段落码 表示8个非均匀量化段 a a a a 4位码为段内码 表示每段均匀分为16等分 38 39 3 逐次反馈编码假设输入样值PAM信号Is 444 按A律和13折线编8位码 1 首先决定极性码为a1 第一次比较 比较判定值为0 则Is 444 0 信号为正 a1 1 以下是幅度编码a a 因为信号的极性已由a 确定 现只对样值信号的绝对值 Is 或 Us 进行幅度编码 编7位码 所以叫幅度编码 它由3位段落码和4位段内码组成 39 40 2 段落码的编码 a a 如图1 14所示 A律和13折线有8段 正半部分 由于23 8 因此用3位码来表示
15、 第二次比较 a 码表示样值信号幅度在8段中的哪4段内 以第5段起始电平为对分点 因此 a 码的判定值应是第5段的起始电平IB5 128 即这时判定值Ig 128 则Is 444 128 a2 1 信号在上四段 即5 8段 第三次比较 a3码表示信号幅度在四段中的哪两段内 例中应以第7段的起始电平IB7 512 为对分点 a3码的判定值Ig 512 则 Is 444 512 a3 0 信号在上四段中下两段 即5 6段 40 41 第四次比较 a4码表示样值信号幅度在两段中的哪一段内 例中应以第6段的起始电平IB6 256 为对分点 a4码的判定值Ig 256 则 Is 444 256 a4 1
16、 信号在两段中的上一段 即第6段 幅度码经以上二 三 四次比较 所得段落码a2a3a4码为 101 信号在第6段 起始电平IB6 256 第6段的量化间隔 6 16 即第6段平均16等分其每等分是第1段16等分的16倍 41 42 3 段内码的编码为a5 a8 段内码表示每段均匀等分16等分 16个量化级24 16 要编4位码 a5 a6 a7 a8 段内码判定值的提供 可用下式表示 每一量化段的起始电平为IBi 判定值为Ig 编下一位码一定要在上一位码已确定的情况下进行 从8 4 2 1来分析 是符合折叠对分规律的 即首先确定样值信号在哪8等分后再确定4等分 2等分 1等分 第五次比较 a5码表示信号在本段内16等分中哪8等分内 就应以此段第8等分为分界点 其判定值这里应为IB6 256 6 16 则Ig IB6 8 6 256 8 16 384 Is 444 384 a5 1 第6段的上8等分 42 43 第六次比较 a6码表示信号在上8等分中哪4等分内 应以此等分为分界点 其判定值这里应为Ig IB6 8 6 a5 4 6 256 8 16 1 4 16 448 Is 444 4
