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1、 现代通信技术第二章 数字通信技术2005 年3月1第二章 数字通信技术传输数字信号的通信称为数字通信。数字通信以其抗干扰能力强、便于存储、处 理和交换等特点，已经成为现代通信网中的最 主要的通信技术基础，广泛应用于现代通信网 的各种通信系统。数字通信系统的框图如书图 2.1所示信 源 编 码信 道 编 码调 制 器信源信 道 译 码信 源 译 码信宿解 调 器信道噪声接收端发送端发送设备接收设备 2数字通信系统模型中各部分的作用1、信源：把原始的消息变换成原始的电信号 。常见的信源有产生模拟信号的电话机、话筒 、摄像机和输出数字信号的电子计算机、各种 数字终端设备。 2、信源编码：把模拟信号
2、变换成数字信号， 即完成模数变换。如果信源输出的已经是数字信号，则可省 去信源编码部分。 3、信道编码：把信源输出的数字信号变换成 适于信道传输的数字信号，还包括自动检错和 纠3错的功能。 4、调制器：将数字基带信号的频谱搬移道适合 于信道传输的频带上，再传输到对端。 5、信道：指信号的传输通道。根据传输媒介可划分为有线信道（明线、电 缆、光缆信道）和无线信道（短波电离层传播 、微波视距传播、卫星中继信道）。其中除明线或电缆可以直接传输数字基带信 号外，其他各种信道都工作在较高的频段上， 因此需要将数字基带信号经过调制。 6、接收端的解调、信道解码、信源解码等几个4方框的功能与发送端几个对应的
3、方框正好相反 ，是一一对应的反变换关系。 7、信宿：信源解码后的电信号，由受信者接收 ，通常称为信宿。信宿可以是人，也可以是各种终端设备。对于具体的数字通信系统，可能与上图不一样 ：在数据通信系统中，没有信源编码和信源解 码；基带传输时，不需要调制和解调部分；传输话音信号时，不需要检错和纠错功能。在保密通信中，需要加入加密器和解密器。52.1 模拟信号的数字化2.1.1 模拟信号和数字信号这一部分内容已经在第一章学过，我们简 单复习一下。模拟信号的波形模拟着信息的变化而变化 。一般情况下，在时间和幅度取值上都是连续 的；而数字信号在时间和幅度取值上都是离散 的；因此，要把模拟信号转换成数字信号
4、，必 须在时间和幅度取值上都要离散化。两种信号的波形可参见下页图。6图2.2 模拟信号图2.3 数字信号t0u(t)t0u(t)PAM信号T t0u(t)A1t0u(t)133T在图2.3中，分别是二进制码和四进制码。72.1.2 数字通信的特点抗干扰能力强、无噪声积累；模拟通信中存在噪声积累。参见图2.4(a)数字通信中采用判决再生的方法，再生成没 有噪声干扰的和原发送端一样的数字信号。所 以无噪声积累，可实现长距离高质量的传输。参见图2.4(b) 便于加密处理； 便于存储、处理和交换； 设备便于集成化、微型化； 便于构成综合数字网和综合业务数字网； 占用信道频带宽。8发端放大收端噪声发端再
5、生 中继收端噪声(a) 模拟通信(b) 数字通信92.1.3 脉冲编码调制（PCM）技术 PCM调制是先对信号进行抽样，并对每个样 值独力地加以量化，然后通过编码转换成数字 信号，如图25所示。 再 生 中 继抽 样量 化编 码再 生译 码低 通基带信道信道 设备发送端接收端模拟 话音信号数 字信 号数 字信 号模拟 话音信号10由上图可见：发送端：通过抽样、量化和编码完成A/D 抽样：指用每隔一定时间的信号样值序列来 代替原来在时间上连续的信号，也就是在时间 上将模拟信号离散化。量化：是用有限个幅度值近似原来连续变化 的幅度值，把模拟信号的连续幅度变为有限数 量的有一定间隔的离散值，也就是在
6、幅度上将 模拟信号离散化。编码：是按一定的规律，把量化后的值用二 进制数字表示，然后转换成二值或多值的数字 信号11流。这样得到的数字信号可以通过电缆、微波 干线、卫星通道等数字线路传输。传送信道：在上图中采用的是再生中继传输 。接收端：再生、译码、滤波D/A 在接收端则与上述模拟信号数字化过程相 反，再经过后置滤波又恢复成原来的模拟信号 。 1、抽样：把连续信号（对话音信号）在时间上离散化 样值序列 图2.6 抽样是实现时分多路复用的基础抽样就是每隔一定时间间隔下，抽取话音 信 号的一个瞬时幅度值（抽样值）12话音信号抽样频率 fS = 8000Hz T = 125 us 2、量化抽样把模拟
7、信号变成了时间上离散的脉冲信 号，但是脉冲的幅度仍然是连续的，还必须进 行离散化处理，才能最终用数字来表示。这就要对幅值进行舍零取整的处理，这个过 程称为量化。量化的实质就是把抽样后的样值序列在幅度 上离散化变成多进制数字信号。抽样定律 ： 13量化的方法：把样值的最大变化范围划分成若干个相邻的 间隔。当某样值落在某一个间隔内，其输出值 就用此间隔内的某一个固定值来表示。常用的量化方法有两种：均匀量化和非均匀量化均匀量化均匀量化就是采用相等的量化间隔对抽样 得到的信号作量化。任何一个量化器都有一定的量化范围，通 常取（U ，+U），量化级数N，则量化间隔 14则： 2UN而量化值则取量化范围的
8、中值。 下面假设N8，举例说明抽样量化的过程。由于N8，所以2UN 2U8 U 4则 U4，所以量化范围为：(4，4)下面我们就可得到八个量化范围和八个量化值 ：量化范围量化值量化范围量化 值 433.5010.5 322.5121.5 211.5232.5 100.5343.5 150.3 2.7 3.8 2.3 - 0.5 -2.5 -1.7 -0.6 t43211234T样值 量化 值0.5 2.5 3.5 2.5 - 0.5 -2.5 -1.5 -0.5 编码100 110 111 110 000 010 001 00016经过量化从4+4V范围连续取值的样值变 成0.5、1.5、2.
9、5、3.5信号8 个离散值。量化的目的是量化后的信号可以用有限的二 进制信号表示。量化结果：引起误差：最大误差不超过半个 量化级/2。量化级 数越多量化误差愈小 但量化级数不能太多，否则码位增 长，增加了编码的复杂性，使速率 提高，对传输信道有更高的要求 17量化的理论基础：由于信号在传送的过程中必然会引入噪声， 这将会掩盖信号的细微变化；而接收信息的器 官耳朵(对声音信号)和眼睛(对图像信号)区分 细微差别的能力是有限的。所以我们既不可能也没有必要精确反映原信 号的一切可能的值，只要量化级数合适使量化 误差足够小。非均匀量化实际使用 均匀量化缺点：大信号失真小，小信号失真大 18非均匀量化：
10、小信号时量化间隔小，大信号时量化间隔 大 实际中使用：A律13折线量化，编8位码 A=87.6 2、编码和解码 编码：将量化后的信号变成2进制脉冲信号 解码：在接收端，按所收到的信息重新组 成原来的样值。 折叠二进制码 8 级 三位码：a1 a2 a3 a1 极性码 a2 a3 幅度码 19电平 序号量化值()一般二进制码 c1 c2 c3折叠二进制码 a1 a2 a3 7 6 5 4正 值3.5 2.5 1.5 0.51 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 01 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 3 2 1 0负 值- 0.5 - 1.5 - 2.5 - 3.50 1 1 0
11、1 0 0 0 1 0 0 00 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 120t实际的话音信号采用8位码（a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8）其中：a1 极性码，a2 a3 a4 段落码（非均匀8段实现非均匀量化）a5 a6 a7 a8 段内电平码（段内16段均匀量化） 量化级数（非均匀）28 = 256 级所以，上例中的编码为：100 110 111 110 000 010 001 00021A律13折线编码 书32页表2.2的说明 编码 编码就像天平称重一样。 段落码的判定值a21a2044IS128IS512IS32IS1024IS256IS64IS16a31a41a31a
12、41a41a41a30a30a40a40a40a40222222量化段序号电平范围 ()段落码 a2 a3 a4段落起始 电平 IBi()量化间 隔 i=(?)段内码对应权值 () a5 a6 a7 a8810242048111102464512256128647512 10241105123225612864326256 512101256161286432165128 25610012886432168464 128011644321684332 6401032216842216 32001161842110 16000018421表2.2 13折线A律电平范围及其段落码列表23段内码的判
13、定值的确定：IR5 =Ibi+ 8i IR6 =Ibi+(8i)a5+ 4i IR7 =Ibi+(8i)a5+(4i)a6+ 2i IR8 =Ibi+(8i)a5+(4i)a6+(2i)a7+ i由上面可见：判定法与先行码有关 如 eg1： is=445 码字为（11011011 ）eg2： us=0.2V, U = 4.096V 按A律13折线编8位码。编码过程24eg1 解： is =4450，极性码 a1 = 1；IS = |is| = |445| = 445，信号全波整流成 正信号。 IR2 = 128， IS = 445IR2 a2 = 1 IR3 = 1284 = 512， IS
14、= 445IR3 a3 = 0 IR4 = 5122256，IS = 445 IR4 a4 = 1所以段落码为101，第六段，且IB6 = 256，6 = 2561616；25 IR5 = IB6+86 = 256+816= 384IS = 445IR5， a5 = 1 IR6 = IB6+(86)a5+46 = 256+ 816+ 416= 448IS = 445IR6， a6 = 0 IR7 = IB6+(86)a5+(46)a6+26= 256+128+0+216= 416IS = 445IR7， a7 = 1 IR8 = IB6+(86)a5+(46)a6+(26)a7+6 = 256+128+0+32+16= 432IS = 445IR8， a8 = 126所以445的抽样值编出的码字是：11011011解码：编码的逆过程 编码电平：IC=Ibi+(8a5+4a6+2a7+a8)i256 +( 8 + 0 + 2 + 1 )16= 432 编码误差: 编码电平样值的绝对值432445= 13 超过i / 2 = 8 ，应补偿 IC+i / 2 = 440 440445= 5 不超过i /2 = 8 27解码电
