通信原理电子教案.doc

_问题讨论1：谈谈对通信的认识。如：你见到过或接触的与通信相关的内容有些什么？列举一些通信的实例。可以得出通信的概念：克服距离上的障碍，交换和传递信息，将信息从发送者传送到接收者的整个过程。问题讨论2：通信原理应该解决通信过程中的哪些问题？你对什么技术最感兴趣？你想要的通信方式是怎样的？ 通信原理的授课内容：调制技术、模拟信号数字化技术；数字基带传输技术；数字频带传输技术；复用技术与同步原理；差错控制技术等。通信技术的发展：电报、无线电、电话、电视(模拟)、数字通信技术、计算机网络、卫星通信、光纤通信等 。通信的基本知识：、消息：被传输的文字、符号、数据和语音、活动图片等，是信息的载体。、信号：指消息的电量形式，与消息是一一对应的。基带信号：信源发出的未经调制的信号。频带信号：经过调制具有较高频率的信号。、信息：是事物的状态及其随时间发生的变化反映。指消息中的有效内容，可以用量化的形式来表示，它与消息出现的概率密切相关。通信系统的组成及分类通信系统的一般模型、信息源实际上是一个转换设备，它将消息转换成原始的电信号。可分为：模拟信源和数字信源。、发送设备的基本功能是将信息源产生的消息信号转换成适合信道中传输的信号，即完成信息源与信道的匹配功能。模拟通信系统通过调制将信号进行频谱搬移，数字通信系统采用抽样编码、扰码、调制等方式进行匹配。、信道是指传输信息的通道，即信号传输的媒介。可分为有线信道和无线信道。、接收设备主要完成发送设备的反变换功能，如解调、译码等。接收设备是从带有干扰的接收信号中正确分离出相应的原始电信号，因而接收设备的质量将直接决定通信的质量。、收信者也叫信宿，它将原始的电信号恢复成相应的消息。调制及调制的目的、模拟通信系统发送设备的核心是调制器。原始信号大都属于基带信号范畴，如话音信号：3003400z，图像信号06MHz。这些信号不适合在信道中直接传输，要经过调制。、调制：发送设备的核心是调制器，就是用基带信号m(t)去控制载波c(t)的某个参数，使这个参数随调制信号m(t)的规律成比例变化。、调制的目的提高信号频率以便天线辐射改变信号占用带宽实现信道复用改善系统性能模拟通信系统模型数字基带通信模型数字通信系统模型数字系统编码信源编码和信道编码信源编码：实现模拟信号数字化，数据压缩等信道编码：使数字信号与信道传输匹配；实现保密通信及差错控制等。数字通信系统的主要优缺点1、更好的抗失真和干扰的能力2、容易实现，成本低，更具灵活性3、差错控制编码4、容易实现保密通信5、更适合数字业务，容易实现多网合一缺点： 数字信号具有更宽的频带 同步设备复杂-可编辑修改-_通信系统的分类按照通信的业务和用途常规通信、控制通信按照调制方式基带通信、调制通信按照传输信号特征模拟通信、数字通信按照传输信号的复用方式频分复用、时分复用、码分复用按照通信方式单工通信、半双工通信、全双工通信按照传输媒介有线通信（明线、对称电缆、同轴电缆）无线通信（微波中继通信、卫星通信、移动通信）按照工作波长长波通信、中波通信、短波通信、微波通信通信系统的常用信道有线信道：同轴电缆、光纤等无线信道：微波通信通信系统的性能度量有效性、可靠性、标准性、经济性、适应性、保密性等。有效性与可靠性是主要指标。有效性是指在给定信道和时间内传输信息的多少。可靠性是通信系统传输信息质量上的象征，指的是接收信息的准确程度。模拟通信中，有效性与可靠性由传输带宽和信噪比保证。数字通信中，有效性与可靠性由传输速率和误码率、误比特率保证。数字通信的传输速率码元：携带消息的信号单元，通常是多元数码，也可以是二元数码。码元传输速率Rs：单位时间内传输的码元个数，单位为波特(Baud)。信息传输速率Rb：单位时间内传输的信息量(或者是比特数)，单位是比特/秒,bit/s,bps。1个N进制码元，用二元码表示应有多少比特(bit)？Rb=Rs.log2N bit/s例1-1：已知某八进制数字传输系统，发送端在3秒钟内共发送9600个码元。计算该系统的码元传输速率和信息传输速率。误码率Pb与误比特率Pe 误码率Pb与误比特率Pe的关系：当二元码传输时，两者相等，其它情况下, 其中为进制数。例1-2: 已知某四进制数字传输系统，其信息传输速率为2400bit/s，接收端在一小时内共接收到216个错误码元，计算该系统的误码率和误比特率。频带利用率h：单位频带内的码元传输速率，单位为波特/赫兹（Baud/Hz）,显然系统的频带利用率越高，则系统的有效性越好。例1-3: 在强噪声干扰环境下，某电台在5分钟内共接收到正确的比特数为355Mbit，假设系统的信息速率为1200Kbps。（1）系统的误比特率。（2）若具体指出系统所传输的数字信号为四进制，试求信息传输速率和码元传输速率。_信息量和熵信息量：信息多少的量度。1928年R.V.L.哈特莱首先提出信息定量化的初步设想，他将消息数的对数定义为信息量。信源熵：信源各个离散消息的信息量的数学期望（即概率加权的统计平均值）信源熵的单位是 Bit/sign。哈特莱信息度量关系若以2为底时单位是“比特”（bit ）若以e为底时单位是“奈特”（nat）若以10为底时单位是“哈特”（Hart ）例2-1: 已知某离散信源由A、B、C、D四个符号组成，其发送概率分别为 符号 ABCD概率1/41/81/21/8若每个符号的出现都是统计独立的。求传送“BABCCDBDCBBAAB”所包含的信息量。离散信源的熵离散信源的熵即指离散信源的平均信息量。例2-2：求上例离散信源的熵。最大离散熵定理当且仅当各消息出现概率相等时，信道容量指信道在无差错传输信息时的最大信息传输速率。它反映了信道的传输能力。香农定理，C:信道容量(bit/s) B：传输带宽 S/N：信噪比香农公式的重要结论1、当信道的传输带宽一定时，接收端的信噪比越大，其系统的信道容量越大。当噪声功率趋近0时，信道容量趋近无穷。2、当接收端的信噪比一定时，信道的传输带宽越大，其系统的信道容量也越大。当信道带宽趋于无穷时，信道容量并不趋于无穷，而是趋于一个固定值。3、当信道容量一定时，信道带宽与信噪比可以互换。比如，可以通过增加系统的传输带宽来降低接收机对信噪比的要求，即以牺牲系统的有效性来换取系统的可靠性，这也正是扩频通信的理论基础。例2-3：例：已知彩色电视图像由500000个像素组成，设每个像素有64种彩色度，每种彩色度有16个亮度等级。如果所有彩色度和亮度等级的组合机会均等，并统计独立。 计算： 1）每秒传送100个画面所需的信道容量。 2）若接收机的信噪比为30dB，则所需的传输带宽为多少。例.如果一个由字母A B C D组成的字，将每个字母用两位二进制脉冲编码，其中00代表A，01代表B，10代表C，11代表D，每位宽度为5ms。（1）当不同的字母等概出现时，计算传输的平均信息速率。（2）若每个字母出现的概率分别为PA=1/5,PB=1/4,PC=1/4,PD=3/10,计算传输的信息速率。例.在强噪声干扰环境下，某电台在5分钟内共接收到正确的比特数为355Mbit，假设系统的信息速率为1200Kbps。（1）系统的误比特率。（2）若具体指出系统所传输的数字信号为四进制，试求信息传输速率和码元传输速率。例.某信息源包含X Y Z W四个符号，这四个符号出现的概率相等，传输时采用二进制进行，已知信息传输速率为1Mbps。（1）码元传输速率（2）该信息源工作一小时后发出的信息量_调制的概念 用基带信号(调制信号)去控制载波的某一个参数，使这个参数随调制信号的规律成比例的变化。经过调制以后的信号称为已调信号。调制的目的及功能 1、利于信号辐射：通过调制技术将低通型的信息信号的频谱搬移到较高的频率上，从而进行有效的辐射。、实现信道复用和频率分配：调制可以实现多个信号在同一个信道中同时传输，以提高信道频带的利用率。 、提高抗干扰性：信息传输系统抗干扰的能力是衡量系统性能优劣的一个重要标准，选择合适的调制方式，可以改进系统的抗干扰能力。调制的分类1.按调制信号不同来划分：模拟调制：调制信号是连续变化的模拟量。数字调制：调制信号是离散的数字量2.按载波信号不同划分：连续波调制：载波信号是连续波形。脉冲调制： 载波信号是脉冲波形。3.按调制实现的功能不同来划分：幅度调制：载波信号的幅度随调制信号线性变化的调制。频率调制：载波信号的频率随调制信号线性变化的调制。相位调制：载波信号的相位随调制信号线性变化的调制。4.按调制器的传输函数来划分：线性调制：已调信号的频谱与输入调制信号的频谱之间是线性搬移非线性调制：已调信号频谱与输入调制信号的频谱之间是非线性搬移 幅度调制(连续波模拟调制)，它属于线性调制。模拟调制的分类常规双边带调幅(AM)一 、调幅信号的时间表示及产生如果输出已调信号的幅度与输入调制信号是线性对应关系，或者说载波的幅度在平均值处随调制信号线性变化，且载波是单频余弦信号时，就称为常规双边带调幅(标准调幅)。从时间波形上可以看出，要使AM信号的波形与输入信号成比例变化，应该满足：这时已调信号的包络与调制信号成线性关系，如果不满足这个条件，则将出现过调制现象，已调波就会出现失真。过调制如果A0不够大，已调信号的包络不一定与f(t)成正比，这样无法采用包络检波的方法检出其包络，无法无失真地恢复消息信号f (t)。此时已调信号的包络与调制信号之间已无线性的对应关系，包络与调制信号相比，出现了严重的失真，通常称这种现象为过调制。二、AM信号的频谱，已调信号的带宽是基带信号带宽的两倍。由于已调信号的频谱只是把基带信号的频谱搬移到了处,而没有产生新的频谱成分，因此标准调幅属于线性调制。 单频调制 其中：，常规双边带调幅的特点已调信号的包络与调制信号成线性关系(正比)。已调信号的频谱中，在载波处有两个冲激，但不携带调制信号信息，且需要消耗大量功率。已调信号频谱中具有两个上下对称的边带分量，所以已调信号的传输带宽是调制信号带宽的两倍。抑制载波双边带调幅(DSB-SC)双边带调制的时间表示式已调信号的频谱为双边带调制信号的频谱是基带信号的线性搬移，它也是线性调制DSB的特点已调信号的包络与调制信号不再呈线性关系，已调信号中无直流功率。已调信号频谱中具有两个上下对称的边带。已调信号的带宽是调制信号带宽的两倍。_调制效率AM调幅信号的功率分配。 AM调幅调制效率: 已调信号的平均功率是由载波功率和边带功率两部分组成，由于只有边带功率才与调制信号有关，因此定义边带功率(Pf)与总功率(Pc+Pf )之比为调制效率。, 对于单频信号：对于单频信号刚好发生过调制的临界状态时，即调幅指数(AM ) 为1时，调制效率最大，这时，调制效率为1/3。在各种调制信号中，调制效率最大的是方波调制信号，调制效率可达到1/2。由此可以看出在标准调幅信号中载波分量不携带信息，且占据了大部分功率，而真正携带信息的边带分量却只占据小部分功率。标准调幅的调制效率较低，是一个重大缺点。DSB的调制效率: , 单边带调幅(SSB)由于双边带信号的上下边带是完全相同的，它们所携带的信息相同，完全可以用一个边带来传输全部信息，这种调制方式除了节省载波功率，可以节省一半传输频带。单边带调幅(SSB)原理框图：滤波器特性滤波法形成SSB信号的主要缺点：要求滤波器的特性十分接近理想特性，即在处应具有锐截止特性。一般调制信号都具有丰富的低频成分,经调制后得到的DSB信号的上、下边带之间的间隔很窄,这就要求单边带滤波器具有陡峭的截止特性,才能有效地抑制无用的另一个边带。实际滤波器从通带到阻带总有一个过渡带(图3-11，理想滤波器过渡带为0)，这就使滤波器的设计和制作很困难,有时甚至难以实现。为此, 在工程中往往采用多级调制滤波的方法。多级调制法实现单边带调制：先在低载频处产生单边带信号，然后通过多级变频搬移到更高的载频处。多级调制中的归一化过渡带值，其中为滤波器的过渡带宽，为载波频率设模拟调制信号的频带范围为(fL,fH), 滤波器的归一化过渡带值为 ，采用单边带调制后第一级载频为fc1,。第n级为fcn,其中易知过渡带值最大允许值为2fL。，例: 某单边带调制要求载频为100MHz,调制信号频带为3003000Hz， 采用三级调制实现.例: 已知话音信号频率范围为(300，3400)HZ，现在要求用滤波法将其调制到40MHz的载波频段上，滤波器的归一化过滤带值为0.01，试给出调制方案。相移法产生单边带信号设单频调制信号：载波信号：希尔伯特变换：上式中可以看作是相移 ,而幅度大小保持不变的结果。把这一相移过程称为希尔伯特变换,记为 “”。则有，上式可以改写为任意一个基带波形总可以表示成许多正弦信号之和。因此,把上述表述方法运用到任一调制基带信号,可用n个余弦信号之和来表示,即。就可以得到调制信号为任意信号的SSB信号的时域表示式:，式中,“”号表示上边带,“”号表示下边带。移相法实现单边带调制如下图：单边带调制系统的特点已调信号中无载波分量；已调信号频谱中只有一个边带分量；已调信号的带宽与调制信号带宽相等；采用滤波法实现单边带调制时，滤波器的设计难度大；采用移相法实现时其移相网络的设计难度较大。_幅度调制信号的非相干解调一 包络检波器工作原理: 假设检波二极管是理想的，即在正向导通时阻抗为零，反向截止时阻抗为无限大，信号源内阻为。当输入信号电压为正半周期时，电容充电，充电时间常数为，它应远远小于载波周期，即，这种条件下，电容很快充电到信号的峰值电压；当信号负半周期时，二极管截止，电容通过电阻放电，要求常数很大，即，使电容很快又开始充电，迅速达到信号峰值电压处，这样就得到锯齿电压波形，它非常接近于输入信号得包络，经过低通滤波和隔直流后，便可获得完成解调。由于只有AM信号的包络与调制信号呈线性对应关系，因此包络检波器只适用于AM信号的解调。幅度调制信号的相干解调在接收端，将已调信号与本地载波相乘(同步检测)，并通过低通滤波器，恢复出调制信号，叫相干解调(同步检波)。 对于AM信号 经低通和隔直流后得对于DSB信号对于SSB信号结论：只要本地参考载波与收到信号载波完全同步(同频，同相)，就可无失真地恢复出信息信号。例：已知线性调制信号表达式为(1) (2) ，式中，。试分别画出它们的波形图和频谱图。例：已知某已调信号的表达式为（1）请说明该系统的调制方式，并画出调制原理框图（2）画出已调信号的频谱结构（3）设计一个解调器对该信号进行解调例：已知某模拟信号频率范围为（500，4200HZ），如果采用单边带方式调制到80MHZ的载波上，假设滤波器的归一化过度带宽为0.01,请给出调制方案。例：设某信道具有均匀的双边噪声功率谱密度W/HZ ，若采用DSB方式传送，载波频率为100KHZ ，调制信号带宽为5KHZ ，已调信号功率为10KW，传输损耗为10dB，接收端进行解调前，先通过一个理想带通滤波器。（1）该理想带通滤波器应该具有怎样的传输特性（2）该系统的信道容量_使高频载波的频率或相位按调制信号的规律变化而振幅保持恒定的调制方式，称为频率调制（FM）和相位调制(PM)， 分别简称为调频和调相。因为频率或相位的变化都可以看成是载波角度的变化，故调频和调相又统称为角度调制。角度调制与线性调制不同，已调信号频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移，而是频谱的非线性变换，会产生与频谱搬移不同的新的频率成分，故又称为非线性调制。由于频率和相位之间存在微分与积分的关系，故调频与调相之间存在密切的关系，即调频必调相，调相必调频。角度调制的基本概念角度调制信号的表达式瞬时相位 瞬时角频率 瞬时相位偏移 瞬时角频率偏移 相位调制，是指瞬时相位偏移随调制信号f(t)而线性变化。，其中为相位灵敏度系数。频率调制，是指瞬时频率偏移随调制信号f(t)而线性变化。，其中为频率灵敏度系数。单音调频信号调制信号已调信号其中，为调频指数瞬时角频率瞬时角频偏最大瞬时角频偏瞬时相位瞬时相偏最大瞬时相偏单音调相信号调制信号已调信号其中，为调相指数瞬时相位瞬时相偏最大瞬时相偏瞬时角频率瞬时角频偏最大瞬时角频偏调相与调频的比较在相位调制中，载波相位随着调制信号线性地变化，而频率调制中，载波频率随着调制信号线性地变化。 若将调制信号先积分，再对载波进行相位调制，即可得到频率调制信号；反之，如果对调制信号先微分后再对载波进行频率调制，就得到相位调制信号。仅从已调信号的波形是无法区分二者的关系。窄带调频与宽带调频当最大相位偏移及相应的最大频率偏移较小时，即一般认为满足，时，信号占据带宽窄，属于窄带调频（NBFM）。反之，是宽带调频（WBFM）。调频信号的产生与解调直接法和间接法（1） 直接法。直接法就是用调制信号直接控制振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性变化。振荡频率由外部电压控制的振荡器叫做压控振荡器（VCO）。每个压控振荡器自身就是一个FM调制器，因为它的振荡频率正比于输入控制电压，i(t)=0+Kfm(t)若用调制信号作控制信号，就能产生FM波。 直接法的主要优点：在实现线性调频的要求下，可以获得较大的频偏。缺点是频率稳定度不高，往往需要附加稳频电路来稳定中心频率。（2） 间接法(倍频法)。间接法是先对调制信号积分后对载波进行相位调制，从而产生窄带调频信号(NBFM)。然后，利用倍频器把NBFM变换成宽带调频信号(WBFM)。调频信号的解调非相干解调当输入调频信号为这是一个幅度、 频率均含调制信息的调幅调频信号， 用包络检波器将其幅度变化取出，并滤去直流后可得调制信号。相干解调设窄带调频信号为，近似有相干载波则相乘器的输出为则输出为模拟调制系统的性能比较调制方式传输带宽 设备复杂度 主要应用 AM较小：调制器简单，解调器采用包络检波，也很简单 中短波无线电广播 DSB-SC中等：调制器简单，但要同时传送DSB小导频信号，解调器要采用相干解调，需要同步信号 点对点的专用通信；低带宽信号的多路复用 SSB较大：调制器较复杂，涉及高性能的滤波或者移相，解调器采用相干解调，需要同步信号 短波无线电广播；话音通信，话音频分多路通信 FM中等：调制器较复杂，解调器简单 微波中继、超短波小功率电台（窄带）；卫星通信、调频立体声广播（宽带） _数字化目的：使模拟信号能在数字信道中传输数字化方法抽样：信号自变量的离散化量化：信号幅值的离散化编码: 将离散化的信号变成数字信号抽样过程理论上：抽样过程 = 周期冲激序列 模拟信号实际上：抽样过程 = 周期性窄脉冲 模拟信号低通模拟信号的抽样低通抽样定理设一个带宽有限模拟信号 f(t) 的最高频率为 fH ，若抽样频率 fs 2 fH ，则可以由其抽样信号序列 fk (t) 无失真地恢复原始信号 f(t) 。说明设信号 f(t) 的频谱为 F( f ) 。若 F( fH ) = 0，则 fs 2 fH ；若 F( fH ) 0 ，则 fs 2 fH 。奈奎斯特频率fs = 2 fH 称为奈奎斯特频率。抽样过程的时域描述设 f(t) 为模拟低通信号，dT (t) 为周期性抽样冲激序列，T 为抽样周期，抽样过程可描述为 抽样过程的频域描述设 f(t) 的频谱密度为 F( ) ，以及，抽样过程的波形和频谱按抽样定理，已抽样信号的频谱就是将低通信号的频谱延f的正负方向以fs为周期进行重复。频谱混叠为什么会频谱混叠？抽样频率 fs 2 fH。带通模拟信号的抽样带通信号：设信号频谱的高端截止频率为 fH，低端截止频率为 fL，带宽 B。对带通信号进行抽样时是否仍可以用低通信信号抽样定理？设带通模拟信号 f (t) 的高端截止频率为 fH ，低端截止频率为 fL ，则抽样频率为，时，则可以由抽样信号序列 fk (t) 无失真地恢复原始信号 f(t) 。式中，B = fH fL ，fH / B = n + k，n 为不超过 fH / B 的最大整数，0 k 1。已抽样带通信号的频谱，是分别将抽样信号f(t)的频谱(正负方向的两部分)每隔fs周期性地重复。例4-1:已知话音信号的频率范围为3003400Hz，若将该话音信号进行数字化传输，求不失真的最低抽样频率。_实际抽样过程:自然抽样实际抽样过程:平顶抽样抽样信号的量化量化的目的：将抽样信号数字化。量化的方法：将抽样值f(nTs) 用n位二进制码元表示，则只能表示L= 2n个不同的抽样值。共有L个离散电平，它们称为量化电平。用这L个量化电平表示连续抽样值的方法称为量化。量化有均匀量化和非均匀量化两种。均匀量化设：模拟抽样信号的取值范围：ab，量化电平数 L则均匀量化时的量化间隔为：量化区间的端点为：量化误差(噪声)|量化输出电平-量化前信号的抽样值|信号量噪比信号功率与量化噪声之比（简称信号量噪比） 均匀量化的量化噪声设量化器的量化范围为(-V，+V)，量化电平数为L，当输入信号不过载时，有量化噪声为对于单频正弦信号，经过抽样以后进行均匀量化，则可以计算出量化器的输出信噪比为。令，则有，两边取对数有当，时，这时对应量化器满载时正弦波的最大信噪比均匀量化存在的问题1、当输入大信号时所产生的量化信噪比高，而当输入小信号时所产生的信号噪比低，不利于小信号的量化编码。2、较宽动态范围的量化器需要较高的编码效率，将会导致信号带宽的增加。因此，均匀量化主要用于统计特性分布均匀的信号，对于小信号出现概率大的信号不适宜。例4-2:例4-3:非均匀量化非均匀量化的目的:增加小信号时的信号量化信噪比，同时尽可能减少量化器的分层数。非均匀量的基本思路 对幅度比较小的信号，采用较小的量化间隔；对幅度较大的信号，则采用较大的量化间隔。非均匀量化的方法 先对信号作非线性变换(用一个非线性电路将输入电压 x 变换成输出电压 y = f (x)，然后进行均匀量化； 压缩器和扩张器压缩器是对小信号进行放大，对大信号进行压缩。而扩张器是对小信号进行压缩，对大信号进行放大。压缩器特性是小信号时斜率大于1，大信号时斜率小于1(见下页图)。如果将纵坐标均匀分级，由于压缩的原因，结果反映到输入信号就成了非均匀量化。因此对经过压缩器处理后的信号进行均匀量化，就等效为对抽样信号进行非均匀量化。A律压缩特性曲线如下图：, 压缩系数 A 的性质， A = 1 时无压缩，A越大压缩效果越明显，国际标准取 A = 87.6。13折线压缩特性 A律的近似图中x在01区间中分为不均匀的8段。1/2至1间的线段称为第8段；1/4至1/2间称为第7段；1/8至1/4间称为第6段；依此类推，直到0至1/128间的线段称为第1段。纵坐标y则均匀地划分作8段。将这8段相应的座标点(x, y)相连，就得到了一条折线。除第1和2段外，其他各段折线的斜率都不相同：折线段号:1 2 3 4 5 6 7 8斜 率:16 16 8 4 2 1 对交流信号，正负第1和2段斜率相同，故共有13段折线。率压缩 = 0 时无压缩， 越大压缩效果越明显，国际标准取 = 25513折线法和15折线法比较比较13折线特性和15折线特性的第一段斜率可知，15折线特性第一段的斜率（255/8）大约是13折线特性第一段斜率（16）的两倍。所以，15折线特性给出的小信号的信号量噪比约是13折线特性的两倍。但是，对于大信号而言，15折线特性给出的信号量噪比要比13折线特性时稍差。在A律中A值等于87.6；但是在律中，相当A值等于94.18。A值越大，在大电压段曲线的斜率越小，即信号量化信噪比越差。_编 码：脉冲调制：PAM,PDM,PPMPCM脉冲编码调制: 利用一组二进制数字码来代替连续信号的抽样值，是一种典型的语音信号数字化的波形编码方式。PCM的码型选择: 主要有自然二进制码、折叠二进制码和格雷码。1、自然二进制码将量化电平序号看作十进制正整数，然后转化为二进制数的编码。它简单、易记，但不如折叠二进制码方便。2、折叠二进制码除最高位以外，折叠二进制码的上下两部分呈倒影关系。幅度大小按自然二进制码编码。只要正、负信号绝对值相同，就可以进行相同的编码。折叠二进制码的两个优点：对双极性信号，用最高位表示极性以后，可用单极性信号编码方法，简化过程；在传输过程中，出现误码时，对小信号影响小。因此在PCM中广泛采用折叠二进制编码。3、格雷二进制码任何相邻的码组只有一位不同，但格雷码的编码电路复杂。例：设 A 律13折线编码器的输入范围为 (5V, +5V)，输入抽样脉冲幅度为 1.5V。1、求经过压缩器输出的样值脉冲的归一化值y为多少？2、对y的每一段再进行16级均匀量化，则量化结果y=？用二进制编码表示，并且第1位表示极性，编码器的输出结果为多少？A 律13折线编码规则：每一抽样量化值采用8bit进行编码。极性码c11 表示正极性，0 表示负极性。段落码 c2 c3 c4表示信号绝对值所处 8 个段落中的某一个。段内码 c5 c6c7 c8表示任一段内的 16 个量化电平值。编码步骤1、确定极性码。2、根据段落的起点电平，确定量化值所在段落。3、确定段内量化电平。各段量化间隔不同，在归一化条件下，最小量化间隔为。例4-4 已知某归一化抽样值Is=-357，按照A律13折线将此抽样值编为8位码，写出编码过程。逐次比较型编码逐次比较法也叫中值比较法，其方法为：1、从除极性位以外的最高位开始，以中间段落的起始电平值为权值进行比较，量化电平大于该权值时该位取1，小于取0；2、编码下一位，以前一次的比较结果选择另外的中间段落起始电平值为权值比较(前位为1时，取后半段中间段落起点，反之取前半段中间段落起点)；3、如此反复直到最后1位。例：用逐次比较法做例4-4差分脉冲编码调制(DPCM)目的：在不降低信号质量的前提下，降低数字语音信号的传输速率。原理：经过抽样的语音信号，各抽样之间存在着相关性。于是可以由前面的抽样值预测当前的抽样值；预测必然会有误差，对实际值与预测值之差值进行编码。由于差值的功率比信号功率小得多，所以对差值编码所需的位数也可以显著减少。增量调制(DM)在 DPCM 基础上，当信号的抽样频率提高，相邻抽样之间的相关性增加，差值信号功率减小，编码位数也随之减少。当仅使用一位编码表示差值时，这一编码方法称为增量调制。当差值为正时，编码为 1；当差值为负时，编码为 0。量化噪声一般量化噪声，量化误差引起的随机噪声；斜率过载噪声，量化台阶跟不上模拟信号的变化率，也称过载量化噪声。量化器的最大跟踪斜率_课堂练习1.已知均匀量化器的量化范围为(-12,+12V),量化电平数为32个,输入正弦信号时,其振幅为5V.求该量化器的信噪比?2.已知某音频信号f(t)的频谱结构如下图所示。(1)若将f(t)采用数字通信系统进行传输，则数字化后不失真的最小抽样频率为多少？(2)若对f(t)采用PCM进行传输，其中在K时刻的抽样值为7861（其中21，12048），求编码器输出的8位传输码组。3.已知某信号为，抽样频率。求（1）抽样信号的频谱图。（2）接收端为了无失真恢复信号，则选取的滤波器的特性参数为多少？（3）无失真恢复的最低抽样频率为多少？4、采用13折线A律编码，设最小量化间隔为1个单位，已知抽样脉冲值为+635单位。试按逐位比较法写出此时编码器输出码组，并计算量化误差。_数字基带传输系统：不使用调制和解调装置而直接传输数字基带信号的系统。数字频带传输方式：将“1”、“0” 对应为适当的载波的振幅，频率，相位等状态。传输码型设计的原则、对于基带传输信道低端受限的系统，传输码的频谱中低频成份应尽量少，同时不能包含直流成份。否则可能造成信号严重畸变。、码型变换过程中对任何信源应具有透明性。即不同信源所产生的原始基带信号通过相同的码型变换后都能适合信道传输，码型设计要与信源的统计特性无关。、码型变换后便于接收端提取位定时等同步信息。、为了提高传输的可靠性，码型变换后应自身具有纠检错能力。、为了节省传输带宽和防止串扰的发生，码型变换后应尽量减少基带信号频谱中的高频成份。、码型变换的编译码设备应尽可能简单。单极性码不归零“1”，“0”分别对应正电压和零电位，或负电压和零电位。不归0是指传输波形中一个码元周期内的高电平持续时间为码元周期。缺点：有直流成分，低频传输特性比较差；特点：简单、传输性能差，只适用于短距离传输。双极性码不归零“1”，“0”分别对应正电位和负电位。与单极性相比的优点：统计平均来看，“1”，“0” 各占一半时无直流分量；接受时判决电平为“0”，容易设置并且稳定，抗干扰能力强；可以在电缆等无接地的传输线上传输。缺点： “1”，“0”不等概时，仍有直流成分。单极性归零码在传送 “1” 码时发送一个宽度小于码元持续时间的归零脉冲；在传送“0”码时不发送脉冲。双极性归零码原理与单极性归零码相同，“1”，“0”在传输线路上分别用正和负脉冲表示。差分码利用前后码元电平的相对极性变化来传送信息相对码。“0”差分码：用前后码元极性的改变表示“0”，不变表示“1”。“1”差分码：用前后码元极性的改变表示“1”，不变表示“0”。交替极性码（AMI)又称：双极方式码、平衡对称码、传输交替反转码 伪三元码为单极性码的变形，把单极方式中的“0”仍然和零电平对应，而“1”码发送极性交替的正负电平。优点： 在“0”，“1”码不等概条件下也无直流成分，零频附近低频分量小；即使接受到的码元极性与发送端完全相反也能正确判决；只要进行全波整流就可以变成单极性码，如果交替极性码是归零的，变为单极性码之后就何以提取同步信号。缺点：连“0”码多时提取信号困难。三阶高密度双极性码（HDB3)码先将消息变成AMI码，然后检查AMI的连“0”情况，当无三个以上连零串时，这时的AMI码就是HDB3码。当出现4个或4个以上连“0”串时，则将每4个连“0”小段的第四个“0”码变成“1”码。这个“0”码改变来的“1”码称为破坏脉冲，用符号V表示，而原来二进制码元系列中所有的1码称为信码，用符号B表示。如下例：编码原则：(1)、B码和V码都应该保持极性交替的变化规律，使编好的码中无直流成分。(2)、V码必须和前一个码（信码B)同极性，以便和正常的AMI码区别开来。当相邻V之间有偶数个非“0”码元时，应在4个连零码的第一个零码位置上加一个与V码同极性的补信码，用符号B表示。此时B码和B码合起来保持条件（1）中信码极性交替变化的规律。译码原则：由两个相邻的同极性码找出V码，即同极性码中的后面那个码就是V码。由V码向前数的第三个码如果不是0码，就表明它是补信码B。把V码和B码去掉后，留下的全是信码，全波整流后就得到单极性码。数字双向相码（曼切斯特码）每个码元用两个连续极性相反的脉冲表示。如: “0” 码用正、负脉冲表示(10)；“1”码用负、正脉冲表示(01)。主要优点：无论信号的统计关系如何，均完全消除直流分量，且每个码元间隔的中心部分都存在电平的跳变，有利于接收端提取同步定时信息。密勒码又称为延迟调制码。 “1”码用10、01表示，单0在码元周期内不跳变，连0时在前一个0结束时出现电平跳变。_基带传输与码间干扰再生判决原理如下图： 基带系统传递函数模型见下图：接收信号，判决变量，右边第一项为有用信号，第二项为码间干扰，第三项为随机噪声。接收滤波器作用：限制传输信道引入噪声；与发送滤波器共同得到所需形状的基带信号波形若想消除码间串扰，应有无码间干扰的基带传输判断步骤：1、找区间(-/Ts, /Ts);2、其它用2 /Ts分段；3、各段移位到第1区间叠加，看是否为一常数。例5-1:具有理想低通传输特性的系统符合无码间干扰的传输条件，但实际中难以实现。时域系统的波形，其“尾巴”衰减慢，因而为了防止抽样过程产生码间干扰，对定时精度要求高。系统的频带利用率较高，,其中。升余弦系统符合无码间干扰的传输条件，具有滚降（将理想低通函数进行关于截止频率点奇对称圆滑，称为滚降）特性，实际中容易实现。时域 系统的波形在两个抽样点之间要过一次零点，因而“尾巴”衰减快，可以降低对定时精度的影响。系统的频带利用率较低，。_问题的提出：如何做到以下几点高的频谱利用率（2Baud/Hz)滚降特性波形尾巴衰减快，对定时精度要求低奈奎斯特第二准则部分响应波形有控制地在某些码元的抽样时刻引入码间干扰，而在其它码元的抽样时刻无码间干扰，能够使频带利用率达到理论最大值，同时降低对定时精度要求。第一类部分响应系统 第一类部分响应系统是两个相隔一个码元间隔Ts的 Sa(t/Ts)的合成波形, 波形尾巴刚好正负相反，利用这个特性构成尾巴衰减很快的脉冲波形。系统的带宽: ，频带利用率: 取样值与输入码元关系：，恢复方法：传输错误的情况预编码系统(第一类部分响应系统) 当采用二进制单极性码时 部分响应系统的一般形式 部分响应系统的传输波形一般可表示成N个相隔Ts的 Sa(pt/Ts)波形之和，其数学表达式为: 接收端恢复信息码元的过程：设输入为L进制单极性码元，预编码器完成如下运算 ： ,输出端对输出波形进行取样得到： ,两边进行模L加法得： 第四类部分响应系统部分响应系统带来的好处是减小码间干扰和提高了频带利用率，其代价是要求发送信号的功率增加。这是因为当输入数据为L进制时（L个电平），部分响应系统在接收端的取样值的电平数要超过L个。因此，在同样输入信噪比条件下，部分响应系统的抗噪声性能将比0类响应系统的要差。这是获取部分响应系统优点所需要付出的代价。 眼 图 l 最佳抽样时刻应该选在眼睛张开最大的时刻；l 眼图斜边的斜率表示了系统对定时抖动的灵敏度，斜边越陡，系统对定时抖动越敏感；l 眼图左角或右角阴影部分的水平宽度表示信号零点的变化范围，通常称为零点失真量（在许多接收设备中，定时信息就是通过信号零点位置来提取的，对于这种设备零点失真量就显得非常重要）；l 在抽样时刻，阴影区的垂直宽度表示最大信号的失真量；l 抽样时刻上、下两个阴影区间隔的一半叫最小噪声容限，噪声瞬时值超过它之后就可能发生误判；l 眼图中横轴对应判决门限电平。_目的：将数字基带信号变成适于信道传输的数字频带信号，用载波调制方式进行传输。 载波选取：高频正弦波。调制信号：数字、离散。原理：同于模拟，高频载波的离散状态携带信息。数字调制可以看成是模拟线性调制和角调制的特殊情况。分类：数字幅度调制幅度键控（ASK）； 数字频率调制频移键控（FSK）； 数字相位调制相移键控（PSK）。分别对应于用正弦波的幅度、频率和相位来传递数字基带信号。 二进制数字幅度调制调制信号为二进制数字信号时，这种调制称为二进制数字调制。在二进制数字调制中，载波的幅度、频率或相位只有两种变化状态。一般原理与实现方法 数字幅度调制又称幅度键控（ASK），二进制幅度键控记作2ASK。 1. 定义：2ASK是利用代表数字信息