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1、现代通信理论与技术,Theories and Technologies in Modern Communication Systems,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,2,课程主要内容,第一部分 现代通信理论与技术概述 第二部分 通信系统中的信号和噪声 第三部分 模拟通信 第四部分 数字通信,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,3,第四部分 数字通信Part 4 Digital Communication Systems,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通
2、信 四川大学电子信息学院 杨万全,4,数字通信的一般原理 信源编码（模拟信号数字化和数据压缩） 信道编码（检错纠错编码） 数字加密技术 时分多路复用 数字交换 数字信号的基带传输和载波传输 数字通信系统的抗噪声性能分析,知识要点,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,5,一、通信系统分类,4.1 数字通信系统 Digital Communication System,信息源 Source,模拟信号 Analog signal,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,6,二、数据通信 Dat
3、a Communication,现代通信不限于人与人之间的通信，也可以是人与机器或机器与机器之间的通信。这里的机器主要指具有一定智能的机器，如计算机、遥测遥控设备等。这种通信所使用的信号必须能为机器所接受，能为计算机所“理解”，否则就无意义。计算机使用的信号是数字信号，因此，这种以传输数字数据为业务的人机或机机通信称之为数据通信。 另一种定义是：若信息源本身发出的就是数字形式的信号(比如电报、数据、指令)，那么不管用数字传输还是用模拟传输方式来传输这个信号的通信方式均称为数据通信。 数据通信具有三个特征：它是机器(计算机)对机器(终端设备)的通信，或者是人对机器的通信；它传输处理离散的数字数据
4、，而不是连续的模拟信号；它的通信速度很高，可以传输和处理大量的数据。,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,7,三、数字通信 Digital Communication,（1）数字通信 信道中传输的是数字信号的通信方式称为数字通信，它包括将基带数字信号直接送往信道传输的数字基带传输和经载波调制后再送往信道传输的数字载波传输。对应的通信系统称为数字通信系统。 按照这一定义，数据通信只是意义更广的数字通信的一个方面，数字通信的另一个方面是模拟信号的数字化传输。 （2）数字通信系统的模型,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通
5、信 四川大学电子信息学院 杨万全,8,GSM移动台和基站的原理框图,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,9,IS-95 CDMA系统的正向业务信道,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,10,数字信号的载波传输和基带传输,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,11,典型数字无线通信系统的原理框图,Digital Baseband Waveform,Digital Bandpass Waveform,Channel,Digital I
6、nput,Digital Output,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,12,4.2 信源编码 Source Encoding,4.2.1 信源编码的任务,（1）模拟信号数字化 Analog-to-digital Conversion 当信源为连续信源，信源编码器要对它进行取样、量化和编码，完成模/数变换功能，使其变为数字信号。一般称为模拟信号数字化。 （2）数据压缩 Data Compression,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,13,数据压缩，就是如何用最少的比特数来表
7、述信源的输出信息，如何用比较简单的办法来降低数码率，并且在信源译码器那里能准确地或以一定的质量损失为容限再现信源信息。,模拟信号数字化和数据压缩的原理与技术都是广义的信源编码的主要研究内容。 对信源编码的两点要求：每一单位时间内所需的(代表同一单位时间的信源输出信息的)码元数或数字位数尽量地少，即数码率低；能准确地或以一定的质量损失为容限，从已简化的或已压缩的编码序列逆变换为原信源输出信息是唯一可能的。,（2）数据压缩 Data Compress,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,14,4.2.2 模拟信号数字化的原理,对于模拟信号，信
8、源编码器首先要对它进行抽样、量化和编码，使其变为数字信号，完成模/数变换功能，一般称为模拟信号数字化。 模拟信号数字化就是研究将模拟信号转换为时间离散，幅度离散的对应数字信号的原理与技术。,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,15,抽样是将模拟信号的时间离散化，只要满足抽样定理的条件，抽样就是一种信息无损变换。,1. 抽样 Sampling,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,16,抽样定理：一个频带限制在（0，fM）内的模拟信号m(t)，如果抽样频率,则可以由抽样间隔为,的抽样值序
9、列ms(t)无失真地重建原始信号m(t)。,（1）低通信号的抽样,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,17,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,18,抽样是将模拟信号的时间离散化，用离散时刻的抽样值表示（代替）模拟信号。 只要满足抽样定理的条件，抽样就是一种信息无损变换。 在电话通信中，传输3003400Hz的话音信号，抽样频率应大于6800Hz，通常以8000Hz的抽样频率对话音信号进行抽样。,数字电话,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息
10、学院 杨万全,19,带通信号：若信号的频率范围是 fL f fH ，带宽为 B= fH -fL ，当 fLB 时，通常称为带通信号。,对于带通信号，从原理上讲仍可按低通信号的抽样频率来抽样，但这时抽样频率将会很高，频谱中 0 fL 频段为空隙，没有被充分利用，使得信道利用率不高。,（2）带通信号的抽样,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,20,若,则可将 N 个上边带和 N 个下边带搬移到（ fL ， fL）频段的空隙内，这样既不会发生频谱重叠现象，又能降低抽样频率，从而减小传输信号所需的信道带宽。,带通信号的抽样,2020/10/27,
11、现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,21,带通信号的抽样频率, 与原始信号频带fL，fH可能重叠的频带都是下边带； 当NBfL (N+1)B时，在原始信号频带fL，fH的低频侧，可能重叠的频带是对应于Nfs时的N次下边带，在高频侧可能重叠的频带是对应于(N+1)fs时的N+1次下边带，为了不发生频带重叠，抽样频率应满足下列条件:,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,22,带通信号的抽样频率,如果要求原始信号频带与其相邻边带间隔相等的话，则要求,带通信号的抽样频率,条件1：,即,条件2：,即,2020/10
12、/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,23,例,载波60路超群信号的频带在312552kHz，带宽为,若按低通抽样，要求,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,24,理想抽样：抽样序列是理想冲激脉冲序列,实际抽样：抽样序列是具有一定脉宽的脉冲序列,（）实际抽样与脉冲振幅调制 （Pulse Amplitude Modulation PAM）,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,25,自然抽样的PAM信号 （ PAM Signal with Natu
13、ral Sampling）,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,26,平项抽样的PAM信号 （PAM Signal with Flat-top Sampling),2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,27,比较两种实际抽样系统可见，自然抽样后的信号频谱在频率上是周期性的，其谱瓣形状与原函数频谱相同，但幅度按抽样脉冲的频谱和脉冲宽度两者决定的比例系数变化；平顶抽样后的信号频谱各谱瓣要受抽样脉冲频谱的不均匀加权，从而各谱瓣有不均匀或不对称的失真，且幅度要下降，克服谱瓣失真的方法是在恢复信
14、息信号的低通滤波器之后接一均衡滤波器，其频率传输函数为保持电路的传输函数的倒数。,自然抽样与平项抽样的比较,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,28,量化是将模拟信号的幅度离散化，用有限个电平表示模拟信号幅度连续变化的无限个值。,量化间隔 判决电平：xk 代表电平或重建值：yk 量化：量化就是将输入信号的连续幅度值映射成这M个yk中的对应值。,2. 量化 Quantizing,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,29,由于属于同一个量化区间的所有幅度连续取值的输入信号经量化后变换为同
15、一个离散的量化值，必然有四舍五入，引起量化误差。 q = x - Q(x) 因此，量化是一种信息有损变换。 量化误差的引入相当于在原信号上叠加了一个噪声，因此量化误差又称为量化噪声。,量化误差或量化噪声,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,30,量化器输出的信号平均功率,量化误差或量化噪声,设 x 为零均值，方差为 2，概率密度函数为 px(x) 的随机变量，则量化噪声的方差为,量化器的输出平均功率信噪比,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,31,量化特性,若量化间隔的大小相等，不随
16、输入信号幅度的大小而变，则这种量化称为均匀量化；反之，若量化间隔的大小随输入信号幅度的大小而变，则称为非均匀量化。,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,32,均匀量化器的平均量化噪声功率与量化间隔的平方成正比，输出平均功率信噪比随量化电平数的增加而提高。 必须指出的是：上述计算结果是在假设信号为均匀分布的条件下得到的统计平均值。如果从瞬时输出信号功率与平均量化噪声功率来分析，均匀量化器的缺点将是非常明显的。,量化误差：q = /2 均匀量化器的输出平均功率信噪比,（1）均匀量化,2020/10/27,现代通信理论与技术 第四部分 数字通信 四川大学电子信息学院 杨万全,33,由于信号小时瞬时功率小，信号大时瞬时功率大，但均匀量化器对信号抽样值无论大小都以相同的量化间隔量化，从而量化误差范围
