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1、第三章 数字通信技术,3.1 数字通信概述 3.2 脉冲编码调制（PCM） 3.3 数字传输技术 3.4 时分多路复用,3.1 数字通信概述,数字通信系统的组成数字通信主要技术概述,3.1.1数字通信系统的组成,数字通信：用数字信号来传输原始消息的通信方式,各主要部分的作用： (1)非电/电转换和电非电转换器 非电电转换：若信源发出的信息是连续的模拟信息，如语声，经非电/电(声/电)转换，连续变化的语声就变成了模拟语音电信号，而后进入一次编码器。 电非电转换器：模拟信号经电非电(电/声)转换后，恢复成语声。,（1）一次编码/一次译码（信源编/译码）一次编码： A/D变换，把模拟信号变换成数字信
2、号。一次译码： D/A变换，把模拟信号变换成数字信号。,3.1.1数字通信系统的组成,（2）加密器解密器：有时通信需要保密，则对一次编码输出的数 字信号，可根据用户的要求进行加密处理，加密器：把密电码通过加密器加到信息码流中去，改变原来信码流码元排列顺序，所以加密器又叫扰乱器或捣乱器。解密器：即去掉密码恢复原来信码流码元顺序。,3.1.1数字通信系统的组成,（3）二次编码/二次译码（信道编/译码）完成自动检错和纠错功能，即差错控制编译码的功能。由于信道传输特性的不理想和噪声的影响，数字信号在传输过程中往往会产生差错，即误码（“1”误成“0”，或“0”误成“1”）现象。这种差错，原则上是可以控制
3、的，它是通过差错控制编码等手段来实现的。,3.1.1数字通信系统的组成,差错控制基本原理：举例 发：明天14：0016：00开会 收：明天10：0016：00开会收到这个错误通知后由于无法判断其正确与否 发：明天下午14：0016：00开会 收：明天下午10：0016：00开会 即可判断出其中“10：00”发生了错误。这时，收者可以 告诉发端再发一次通知，这就是检错重发。 发：明天下14：0016：00两个小时开会 收：明天下10：0016：00两个小时开会不但能判断出错误，同时还能纠正错误，因为其中增加的 “ 两个小时”四个字可以判断出正确的时间为14：0016：00”。,差错控制编码的基本
4、原理：为了能判断传送的信息是否有误（检错），又能纠正错误（纠错），可以在传送时增加必要的附加判断数据（冗余码）；（这些附加数据在不发生误码的情况之下是完全多余的，但）如果发生误码，即可利用被传信息数据与附加数据之间的特定关系来实现检错和纠错。,3.1.1数字通信系统的组成,说明：无论检错和纠错，都有一定的识别范围如上例中，若开会时间错为“16：0018：00”，则无法实现检错与纠错，因为这个时间也同样满足附加数据的约束条件，这就应当增加更多的附加数据(即冗余)。,3.1.1数字通信系统的组成,具体讲：为了使信源代码具有检错和纠错能力，应当按一定的规则在信源编码的基础上增加 一些冗余码元(又称监
5、督码)，使这些冗余码元与被传送信息码元之间建立一定的关系，发信端完成这个任务的过程就称为误码或差错控制编码。在收信端，根据信息码元与监督码元的特定关系，实现检错或纠错，输出原信息码元，完成这个任务的过程就称误码控制译码(或解码)。为此，在发送端需要增加一个二次编码器，而在接收端相应地需要一个二次解码器所以二次编码又称差错控制编码，是为防止传输中产生误码而采取的差错控制编码方法。,3.1.1数字通信系统的组成,总结：差错控制编码根据功能不同可分为：检错码：只能发现差错纠错码：既能发现差错也能自动纠正差错纠删码：具备识别错码和纠正错码的功能，而且当错码超过纠正范围时可把无法纠错的信息删除。,3.1
6、.1数字通信系统的组成,实用的简单差错控制编码方法。奇偶校验码循环冗余校验码,3.1.1数字通信系统的组成,信源编码和信道编码在数字通信中，根据不同的目的，编码分为信源编码和信道编码两大类。 为了提高数字信号的有效性以及为了使模拟信号数字化而采用的编码称为有效性编码或信源编码； 为了提高数字通信的可靠性而采取的编码称为可靠性编码或信道编码。 所以上述一次编码属于信源编码范畴；二次编码属于信道编码的范畴。,（4）调制器/解调器 调制：将输入数字信号变换成适合于信道传 输的形式，使信号能较好的通过信道到达接收端。 例：信源所发出的原始信号（基带信号），一 般为低频率的信号 低频信号要以无线电方式进
7、行通信，必须要通过调制将其加载到更高频率的载波上，才能有效地发往天空。,3.1.1数字通信系统的组成,说明：具体的数字通信系统并非一定要按上图所示那样包括所有的方框，应视具体情况而定。若信息源发出的信号已经是数字信号，则无需A/D和D/A转换；不需要保密时，就不用加密器和解密器。 传输话音信息时，既使有少量误码，也不影响通信质量，一般不需加二次编解码 在某些有线信道中，特别是传输距离不太远的情况下，不需要调制和解制部分。,3.1.1数字通信系统的组成,3.1.2 数字通信主要技术,1、信源编/译码模拟信号数字化技术：将信源输出的模拟信号转换成数字信号。 例如：语音、图像（语音信号是一维的，图像
8、信号是多维的 ）语音编码：语音信号数字化；脉冲编码调制(PCM)和增量调制（M ）被广泛应用。 图像编码：图像信号数字化。幅度和时间离散化外，还须在空间上也同时离散化（隐含在时间离散化中）。对于彩色图像，还需要将给定色度空间的三基色（或三原色，如红，绿，蓝）值也进行离散化。,2、数字复接技术为提高信道利用率，在同一信道内传输多个消息信号。频分复用 FDM时分复用 TDM码分复用 CDM 3、纠错编码/译码技术 4、同步技术,3.1.2 数字通信主要技术,5、基带传输技术基带传输和频带传输是通信系统中信号传输的两种基本形式。主要涉及信号类型、码间串扰等问题。 6、调制/解调技术数字通信最基本也是
9、最重要的技术之一。 振幅键控 ASK 频移键控 FSK 绝对相移键控 PSK 相对相移键控 DPSK,3.1.2 数字通信主要技术,引言抽样量化编码,3.2 脉冲编码调制（PCM）,1、基本概念脉冲编码调制（PCM）： Pulse Code Modulation 对模拟信号的瞬时抽样值量化、编码，以将模拟信号转换为数字信号的方法。 PCM过程由采样、量化与编码三个步骤。 若模/数变换的方法采用PCM，由此构成的数字通信系统称为PCM通信系统。,引 言,2、PCM系统的组成,引 言,PCM通信系统由三个部分构成 ： （1）模数变换抽样：把模拟信号在时间上离散化。即使模拟信号变为抽样脉冲序列又称脉
10、冲幅度调制（PAM）信号。量化：将抽样得到的信号在幅度上离散化； 即把PAM信号在幅度上离散化，变为量化值（共有N个量化值）。编码：用相应的二进码来表示N个量化值。具体实现上，编码与量化通常是同时完成，量化实际是在编码过程中实现的。,引 言,PCM单路抽样、量化、编码波形图：,（2）信道部分：包括传输线及再生中继器 （3）数模变换解码：编码反过程，解码后还原为PAM信号。（假设忽略量化误差量化值与PAM信号样值之差）低通：由PAM信号恢复或重建原模拟信号。,引 言,3.2.1 抽样,模拟信号数字化的第一步：抽样将模拟信号在时间上进行离散化的过程。是在语音信号的波形范围内，以一定的时间间隔提取模
11、拟信号瞬时幅度值的操作过程。这样就把连续的话音信号变成了一个个分离的、等距离的电脉冲，即时间上连续的模拟语音信号处理成了在时间上离散的信号。抽样后所得出的一系列在时间上离散的抽样值被称为样值序列，或PAM信号。,3.2.1 抽样,1、抽样的描述连续信号在时间上离散化的抽样过程如图所示：抽样过程具体描述：对于某一时间连续信号f(t)，仅取(to)、(t2)、(t3)、(tn)等样值。于是信号(t)就变成了时间离散信号S(t)，完成了对(t)信号的抽样过程。,3.2.1 抽样,抽样是由抽样门完成图中用脉冲（开关）信号sT(t)（等间隔的幅度为1的脉冲信号）来控制开关K 抽样门的通断。每间隔T时间控
12、制开关闭合一次，就可以实现对信号f(t)的抽样。模拟信号m(t)时间上离散化 样值序列s(t),3.2.1 抽样,2、抽样的具体实现在电路上可通过乘法器来实现，如图所示。用数学公式可描述为：fs(t)f(t)*sa(t)。抽样过程示意图,3、抽样定理抽样的可行性：上述抽样过程说明：若在发送端要把一段模拟语声信号传到对方，不一定要传信号上的每一点，只要在语声信号波形内，每秒钟取样的次数足够多，听起来也同样感觉到声音是连续的即可。这就是抽样的可行性。 （如：电影 24幅/秒）,3.2.1 抽样,抽样的原则：保证接收端从样值序列不失真地恢复出原始信号。 时间上连续的信号通过抽样变成了时间上离散的信号
13、，为保证信息的正确传递，则要求离散后的样值序列不能丢失原来信号的信息；换句话说把f(t)变成fs(t)，要求对fs(t)作适当处理后，能无失真恢复原信号f(t)。,3.2.1 抽样,从抽样的可行性和原则可知，为了能在接收端由抽样所得样值序列重构原始模拟信号，抽样时间间隔越短越能正确的重现信号。但是，缩短时间间隔虽然精度高，但会导致数据量增加，影响通信的有效性。所以缩短时间间隔必须适可而止，那么抽样周期多大合适呢？著名的奈奎斯特定理，即抽样定理给出了答案。,3.2.1 抽样,奈奎斯特准则（抽样定理）设连续时间信号f(t)，其最高截止频率为fm，若用时间间隔Ts1/(2*fm) 的开关信号s(t)
14、对f(t)抽样，则f(t)可被抽样后的离散信号fs(t)唯一地确定。抽样定理告诉我们：只要按抽样定理的周期进行抽样，就能由离散样值序列重建原始模拟信号。,3.2.1 抽样,4语音信号抽样周期语声信号的频率为3003400Hz，则最高截止频率fm =3400Hz。根据抽样定理，抽样周期：TS1/(2 fm) =1/(2*3400) 1/(2*4000)=125s（为计算方便）。抽样频率：S=1/ TS =1/125s=8KHz的抽样频率（即抽样频率）对3003400Hz的电话语声信号8000次/s抽样，则抽样后的样值序列可完整的恢复原来的语声信号。,3.2.1 抽样,3.2.2 量化,量化：把幅
15、度连续变化的样值序列变换为幅度取值为有限个的离散样值序列的过程就是量化。,1、量化的必要性模拟信号经抽样后得到了样值序列。各抽样值沿时间坐标轴t是离散分布的，但每个抽样值沿幅度坐标轴的变化是随原模拟信号幅度连续变化的。因此，它很难用有限位数的数字信号来表示，为此需要对样值序列进一步处理，使它成为在幅度上是有限种取值的离散样值序列。,3.2.2 量化,2、量化方法：用分层方法可实现量化。把信号变化的动态范围划分为若干个区间（层），只要某样值信号落在某个区间内，就取该区间内预先规定的某个参考电平（如该区间的中间值）作为量化值。,3.2.2 量化,这样一来划分的区间有多少个，量化值就有多少个。于是就
16、用近似的方法将无限个样值变成了有限个量化值。 问题：量化级N8的量化器，量化值总共有多少种？ 划分的区间有多少个，量化值就有多少个,几个概念量化级：量化区间称为量化级，或量化间隔。( )量化电平：区间内预先规定的某个参考电平，也称量化值。量化误差：抽样值与量化值之差，也称为量化噪声。,3.2.2 量化,相对量化误差：量化误差/量化值最大相对量化误差：最大量化误差/量化值量化信噪比：衡量量化噪声对信号影响的指标。S/D（dB）=10lg(信号平均功率/量化噪声功率）（dB）,说明： 量化中分级的多少可根据要求而定，因为量化结果与样值的实际情况总会有偏差，级数分得越多量化误差越小，通信质量越高，但设备结构和电路就越复杂，目前大多分为256级。 （话音信号传输要求，要求量化信噪比26dB）,3.2.2 量化,3.2.2 量化,3、量化的分类： 均匀量化：量化间隔相等的量化。 非均匀量化：量化间隔不相等的量化。,（1）均匀量化：量化间隔相等例如：某信号f(t)的幅度变化范围为0.58.5V，采样10次，其值分别为f(t0)f(t9),
