电力系统通信技术 第2章 通信基础知识.ppt

1、第二章 通信基础知识,通信的基本概念与基本问题 信号分析基础 通信中的调制技术 通信中的编码技术 数字基带传输系统 通信中的复用和多址技术 通信中的同步,第一节 通信的基本概念与基本问题,一、通信系统模型图1-1给出的是通信系统的一般模型，反映了通信系统的共性，根据研究的对象和关注的问题不同，各方框的内容和作用有所不同。按照信道中传输的信号是模拟信号还是数字信号，可将通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统。,图1-1,1. 模拟通信系统模型,凡信号参量的取值是连续的或取无穷多个值的，且直接与消息相对应的信号，均称为模拟信号，如电话机送出的语音信号、电视摄像机输出的图像信号等。模拟信号有时也称连

2、续信号，这个连续是指信号的某一参量可以连续变化，或者说在某一取值范围内可以取无穷多个值，而不一定在时间上也连续，如抽样信号。信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统。模拟通信系统的模型如图2-1所示。,图2-1,2. 数字通信系统模型,凡信号参量只能取有限个值，并且常常不直接与消息相对应的信号，均称为数字信号，如电报信号、计算机输入/输出信号、PCM信号等。数字信号有时也称离散信号，这个离散是指信号的某一参量是离散变化的，而不一定在时间上也离散。信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统。数字通信系统的模型如图2-2所示。,图2-2,数字通信的优点,对两种通信系统来说，数字通信是发展的主流，因为

3、数字通信具有很多优点： （1）抗干扰能力强，数字信号可以再生从而消除噪声累积。 （2）便于进行各种数字信号处理。 （3）便于实现集成化。 （4）便于加密处理。 （5）便于综合传递各种信息，实现综合业务数字网。,3信息、消息与信号,（1）信息信息是一种不确定度的描述，是语言、文字、数据或图像中所包含的人们想知道的内容，是内在的实质的东西。 （2）消息消息是具体的，有不同的形式。消息中包含了信息，如符号、文字、语音、数据、图象等，根据所传输的消息不同形成了目前的各种通信业务，我们可以从消息中提取信息。因此，通信的根本目的在于传输含有信息的消息，否则，就失去了通信的意义。基于这种认识，“通信”也就是

4、“信息传输”或“消息传输”。 （3）信号信号为消息的表示形式，在通信系统中传输的实际是表现为各种消息形式的电信号。,二、通信系统的分类,（一）按通信业务不同分类 按照目前通信业务的不同可将通信系统分为电报通信系统、电话通信系统、传真通信系统、数据通信系统、可视电话系统、无线寻呼系统等。 另外从广义的角度来看，广播、 电视、雷达、导航、遥控、遥测等也应列入通信的范畴，因为它们都满足通信的定义。由于广播、电视、雷达、导航等的不断发展，目前它们已从通信中派生出来，形成了独立的学科。,（二）按调制方式不同分类,根据是否采用调制，可将通信系统分为基带传输系统和频带传输系统（或称载波传输）基带传输系统指不

5、经过调制直接传输，而频带传输系统可以采用表2-1所示的各种调制方式。,（三）按传输信号的特征分类,按照信道中所传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分成模拟通信系统和数字通信系统。,（四）按传送信号的复用方式分类,传输多路信号有频分复用（FDM）、时分复用（TDM）、码分复用（CDM）、波分复用（WDM）和空分复用（SDM）。频分复用是用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围；时分复用是用脉冲调制的方法使不同信号占据不同的时间区间；码分复用是用正交的脉冲序列分别携带不同信号。传统的模拟通信中都采用频分复用，随着数字通信的发展，时分复用通信系统的应用愈来愈广泛，码分复用主要用于移动通

6、信系统，波分复用主要用于光纤通信，卫星通信中还有空分复用（SDM）。,（五）按传输媒质分类,按传输媒质，通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统两大类。有线通信是用导线（如架空明线、同轴电缆、光导纤维、波导等）作为传输媒质完成通信的，如市内电话、有线电视、海底电缆通信等。无线通信是依靠电磁波在空间传播达到传递消息的目的的，如短波电离层传播、微波视距传播、卫星中继等。各种传输媒质有其特定的工作频率，常用传输媒介的频率范围及用途如表2-2所示。,三、通信方式,（一）单工、半双工及全双工通信 1单工通信 单工通信是指消息只能单方向传输的工作方式，因此只占用一个信道，如图2-3(a)所示。 2半双工通

7、信 半双工通信是指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的工作方式，如图 2-3(b)所示。 3全双工通信 全双工通信是指通信双方可同时进行收发消息的工作方式。一般情况全双工通信的信道必须是双向信道，如图2-3(c)所示。,单工、半双工、全双工通信方式,图2-3 (a)单工； (b) 半双工； (c) 全双工,（二）并行传输和串行传输,在数字通信中，按数字信号代码排列顺序不同分为并行传输和串行传输。 1并行传输并行传输是将代表信息的数字序列以成组的方式在两条或两条以上的并行信道上同时传输，如图2-4（a）所示。并行传输的优点是节省传输时间，但需要传输信道多，设备复杂，成本高，故较少采用，一

8、般适用于计算机和其他高速数字系统，特别适用于设备之间的近距离通信。 2串行传输串行传输是数字序列以串行方式一个接一个地在一条信道上传输，如图 2-4(b)所示。通常，一般的远距离数字通信都采用这种传输方式。,四、信息及其度量,通信的目的在于传输信息，为了衡量通信系统传输信息的能力，需要对被传输的信息进行定量的描述，这就涉及信息量的定义。 （一）信息量 离散消息xi携带的信息量为： 单位由对数的底来确定： （1）对数以2为底时，单位为比特(bit)。 （2）对数以e为底时，单位为奈特(nit)。 （3）对数以10为底时，单位为哈特莱(Hartley)。 其中比特使用较多。,（二）平均信息量(也称

9、信源熵),离散信源的平均信息量为：,对于连续信源，其信源熵为：,五、通信系统的主要性能指标,在设计或评价通信系统时，往往以具体指标衡量其性能的优劣，性能指标也称质量指标。通信系统的性能指标涉及有效性、可靠性、适应性、标准性、经济性、维护使用等。但从研究信息传输的角度来说，主要性能指标有两个，即有效性和可靠性。其中有效性指传输的速度问题, 即给定信道内所传输的信息内容多少；可靠性指传输的质量问题，即接收信息的准确程度。二者是一对矛盾，通常根据实际应用求得相对的统一，即在满足一定可靠性指标下，尽量提高传输速度；或在维持一定有效性指标时，使消息传输质量尽可能提高。两个主要性能指标对于不同通信系统，具

10、体表现也不同。,（一）模拟通信系统的主要性能指标,1有效性模拟通信系统的有效性指标用传输频带衡量，不同调制方式需要的频带宽度(简称带宽B)也不同，信号的带宽B越小，占用信道带宽越少，在给定信道时容纳的传输路数越多，有效性越好。 2可靠性模拟通信系统的可靠性指标用接收端的最终输出信号噪声功率比(简称信噪比S/N或SNRSignal Noise Ratio) 衡量，不同调制方式在同样信道信噪比下所得到的最终解调输出信噪比也不同，如调频系统的输出信噪比大于调幅系统，故可靠性比调幅系统好，但调频信号所需传输带宽高于调幅。,（二）数字通信系统的主要性能指标,1有效性数字通信系统的有效性指标用传输速率衡量

11、，传输速率又分为码元传输速率和信息传输速率。 （1）码元传输速率(RB)。简称传码率，又称符号速率，指单位时间能够传送的码元数，单位为波特（Baud）。若TB（秒，S）为每个码元传输所占用的时间，则RB=1/TB (波特，Baud)。若码元为二进制，则RB 对应 RB2 ，码元为M 进制，则RB 对应 RBM，RB2=RBMlog2 M （2）信息传输速率(Rb)。简称传信率，又称比特率，指单位时间能够传送的平均信息量，单位为bit/s。传码率和传信率的关系：Rb=RBlog2M 比特/秒，RB =Rb/log2M 波特,2可靠性,数字通信系统的可靠性指标用差错概率衡量，差错概率又分为误码率和

12、误信率。 （1）误码率（码元差错概率）Pe 。误码率指接收的错误码元数在传输总码元数中所占的比例，即码元在通信系统中被传错的概率， ； （2）误信率（信息差错概率）Pb。误信率指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例，,六、信道容量与香农公式,信道容量C指信道中无差错传输信息的最大速率，分为连续信道的信道容量和离散信道的信道容量。 对于连续信道的信道容量，有著名的香农公式2-1：（2-1）式中：S为信号的功率；B为信道带宽；S/N为信道信噪比；no为噪声功率谱密度。,关于香农公式的说明,第二节 信号分析基础,通信系统中要传输的是包含信息的信号，因此对通信系统分析离不开信号分析。 描述信号的

13、基本方法是写出它的数学表达式（一般为时间的函数），绘出函数的图形（称为信号的波形），这种方法称为时域分析法，时域分析法对于计算信号某时刻的值很方便； 有时还关心信号在频域的分布，以确定信号的带宽，用合适的信道来传输信息，这种方法称为频域分析法 。,一、信号分类自然界中有很多信号，可以从不同的角度对信号进行分类。在信号分析中，常以信号所具有的时间函数特性来加以分类。这样，信号可以分为确知信号与随机信号(如图2-6所示)、连续时间信号与离散时间信号(如图2-7所示)、非周期信号(如图2-8所示)与周期信号(如图2-9所示)、能量信号与功率信号等。,二、付里叶变换与频谱,分析信号的频域分布，可以确定

14、信号的带宽，以合理分配传输信道，这种方法称为频域分析法。付里叶变换可以使信号的时域与频域间建立对应关系。 （一）付里叶变换与频谱 傅立叶变换定义为： 傅立叶反变换定义为：记作： 其中 称为f(t)的频谱密度函数或频谱函数，简称频谱，对应的 曲线称为频谱图。,（二）常用信号的傅立叶变换,1. 冲激信号及频谱 时域冲激信号：(t)1 频域冲激信号：12(),图2-10 波形及频谱,2.矩形脉冲信号及频谱,矩形脉冲信号(即门函数G(t) 频域门函数为：,图2-11 波形及频谱,3周期信号及频谱分析,周期信号的傅里叶级数表示为：其中cn为傅立叶系数，写为：相应周期信号的频谱为：,图2-12 波形与频谱

15、,4正弦信号和余弦信号的频谱分析,余弦信号s(t)=Acos ct，正弦信号s(t)=Asin ct，c为载波角频率，,图2-13 波形和频谱,三、信号通过线性系统,信号通过通信系统传输时，系统的特性及信道中的噪声特性会影响信号传输的质量。系统可看作产生信号变换的任何过程，系统可用传递函数H( )和冲激响应h(t)表示(对应图2-14) 。 （一）信号通过线性系统后输出与输入之间的各种关系 时域关系： 频域关系：,（二）无失真传输系统特性,无失真传输系统满足下列条件： H()=K ， ()e-jt0,四、系统的带宽,指一个系统的幅频特性| H( )|在给定数值范围内分布的那段正频率区间。 1低

16、通系统带宽 对于图2-16所示的理想低通系统，其带宽 B=fm，单位为赫兹（Hz）。,2带通系统带宽,对于图2-17所示的理想带通系统，其带宽 B=2 fm,3. 3dB带宽,对于图2-18所示的系统，其带宽B定义为幅频特性在频带中心处取值的0.707倍以内（即-3dB内或半功率点内）的频率范围，也称作3dB带宽，B3dB=f2-f1（其中1=2f1, 2=2f2）。,第三节 通信中的调制技术,一、调制的概念调制技术是通信理论中的重要部分，信息传输多数情况下需要经过调制。所谓调制，就是按调制信号的变化规律去改变载波某些参数的过程。一般在通信系统的发送端有调制过程，而在接收端则需要调制的反过程解

17、调过程。调制涉及两个输入信号和一个输出信号:输入信号为调制信号（基带信号）和载波信号。其中调制信号m(t)为包含信息的原始信号，具有较低的频谱分量，在许多信道中不适宜直接传输；载波信号c(t)为参数受调制信号控制、用来承载信息的特定信号。一个输出信号为在信道中传输的已调信号sm(t)。,（一）调制的作用,（1）进行频谱搬移。把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而将调制信号转换成适合于信道传输的已调信号 （2）实现信道多路复用，提高信道的频带利用率。 （3）通过选择不同的调制方式改善系统传输的可靠性。,（二）调制的分类,1.按照调制信号m(t)分类 （1）模拟调制。在模拟调制中，调制信号的取

18、值是连续的，如 AM、DSB、SSB、VSB、FM、PM。 （2）数字调制。数字调制中，调制信号的取值为离散的，如ASK、FSK、PSK等。 2.按照载波信号c(t)分类 （1）连续波调制。 C(t)为连续正弦波，如AM、DSB、SSB、VSB、FM、PM、ASK、FSK、PSK等。 （2）脉冲调制。 C(t)为周期性脉冲串，如PCM、PAM、PDM、PPM等。 3按照 m(t)对c(t)不同参数的控制分类 （1）幅度调制。载波的幅度随调制信号线性变化，如AM、DSB、SSB、VSB、ASK。 （2）频率调制。如FM、FSK。 （3）相位调制。如PM、PSK、DPSK。 另外还有同时改变两种载

19、波参数的调制方式，如QAM等。,二、模拟调制,模拟调制又分成线性调制和非线性调制两种类型。 （一）线性调制 线性调制有AM、DSB、SSB和VSB四种方式，它们的共同特点是调制前后信号频谱只有位置变化。 1.调幅（Amplitude Modulation, AM）表达式与波形SAM(t)=A0+m(t)cosct，要求 A0+m(t)0（包络检波不失真条件）,图2-19 调幅过程的波形及频谱,带宽 BAM=2fm,调制框图,特点：实现简单,解调框图 （1）包络检波法 -要求 A0+m(t)0，否则会失真,包络检波电路及工作过程：,（2）相干解调(同步检测）要求：解调用的载波要与调制用的载波同频

20、同相，否则会产生失真。,特点：实现复杂,AM小结,AM的优点是接收设备简单；缺点是功率利用率低，抗干扰能力差，在传输中如果载波受到信道的选择性衰落，则在包络检波时会出现过调失真，信号频带较宽，频带利用率不高。因此AM制式用于通信质量要求不高的场合，目前主要用在中波和短波的调幅广播中。,2抑制载波的双边带调制（DSB-SC）,双边带调制信号对应表达式为 sDSB(t)=m(t)cosct 双边带调制信号的波形及频谱如图2-21所示。,带宽B2fm,3.单边带调制（SSB）,让DSB信号分别通过图2-22所示的边带滤波器，保留所需要的一个边带，滤除不要的边带。就可分别取出下边带信号频谱SLSB()

21、或上边带信号频谱SUSB()，如图 2-23所示。,图 2-23,图2-22,带宽Bfm,单边带调制相移法解调,4残留边带调制（VSB）,残留边带调制是介于双边带与单边带之间的一种线性调制，即克服了DSB占双倍带宽的缺点，又解决了SSB实现的难题。VSB不是将一个边带完全抑制，而是部分抑制，使其仍保留一小部分，VSB信号的频谱如图2-25（d）所示。,（二）非线性特制,非线性特制又称角度调制，包含调频FM和调相PM两种，实际中FM方式最为常用。调频波比调幅波要占用的带宽大BFM=2(mf+1)fm=2(f+fm) ，其中mf 为调频指数 。 在高调频指数时，调频系统的输出信噪比（即抗干扰能力）

22、远大于调幅系统。例如，mf=5 时，宽带调频的输出信噪比So/No是调幅时的112.5倍。这也可理解成当两者输出信噪比相等时，调频信号的发射功率可减小到调幅信号的1/112.5。应当指出，调频系统的这一优越性是以增加传输带宽来换取的。宽带FM广泛应用于长距离高质量的通信系统中，如空间和卫星通信、调频立体声广播、超短波电台等。宽带FM的缺点是频带利用率低，存在门限效应，因此在接收信号弱，干扰大的情况下宜采用窄带FM，这就是小型通信机常采用窄带调频的原因。另外，窄带FM采用相干解调时不存在门限效应。,三、数字调制,数字调制与模拟调制类似，也有调幅、调频、调相三种基本形式，并派生出多种其它形式。但由

23、于调制信号为数字形式，为离散状态，在状态切换时，类似于对载波进行开关控制，故称作键控。可分为二进制数字调制和多进制数字调制。（一）二进制数字调制根据调制信号对载波控制的参数不同，又分为四种情况：,1二进制振幅键控（2ASK）,振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制。当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控。 二进制振幅键控信号可表示为二进制振幅键控信号的 时间波形如图2-28所示。,带宽B2ASK=2Rb,2二进制移频键控（2FSK）,正弦载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化，则产生二进制移频键控信号（2FSK信号）。二进制移频键控信号的时间波形如图2-2

24、9 所示， 若二进制基带信号的1符号对应于载波频率f1，0符号对应于载波频率f2，则二进制移频键控信号的时域表达式为,带宽B2FSK=2Rb+| f2-f1|,3二进制移相键控2PSK,当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控(2PSK)信号。 通常用已调信号载波的 0和 180分别表示二进制数字基带信号的 1 和 0。 二进制移相键控信号的时域表达式为,4二进制差分相位键控（2DPSK）,在2PSK信号中，信号相位的变化是以未调正弦载波的相位作为参考，用载波相位的绝对数值表示数字信息的，所以称为绝对移相。由于2PSK信号解调出的二进制基带信号出现反向现象，从而难以

25、实际应用。为了解决2PSK信号解调过程的反向工作问题，提出了二进制差分相位键控(2DPSK)。,（二）多进制数字调制系统,二进制数字调制系统是数字通信系统最基本的方式，具有较好的抗干扰能力。由于二进制数字调制系统频带利用率较低，使其在实际应用中受到一些限制。在信道频带受限时，为了提高频带利用率，通常采用多进制数字调制系统。其代价是增加信号功率和实现上的复杂性。与二进制数字调制系统相类似，若用多进制数字基带信号去调制载波的振幅、频率或相位，则可相应地产生多进制数字振幅调制、多进制数字频率调制和多进制数字相位调制。由信息传输速率Rb、码元传输速率RB和进制数M之间的关系RB =Rb/log2M 可

26、知，在信息传输速率不变的情况下，通过增加进制数M，可以降低码元传输速率，从而减小信号带宽，节约频带资源，提高系统频带利用率。由关系式可以看出，在码元传输速率不变的情况下，通过增加进制数M，可以增大信息传输速率，从而在相同的带宽中传输更多的信息量，有效性提高。,但是随着M增大，接收端判决时信号之间距离变小，误判可能性大，误码率 Pe增大，可靠性变差；,（三）其它数字调制方式,1正交振幅调制(QAM)正交振幅调制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)就是一种频谱利用率很高的调制方式，其在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信系统等领域得到了

27、广泛应用。在移动通信中，随着微蜂窝和微微蜂窝的出现，使得信道传输特性发生了很大变化。过去在传统蜂窝系统中不能应用的正交振幅调制也引起人们的重视。正交振幅调制是用两个独立的基带数字信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用这种已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输。MQAM系统的抗干扰能力优于MPSK。,2最小移频键控(MSK),数字频率调制和数字相位调制，由于已调信号包络恒定，因此有利于在非线性特性的信道中传输。由于一般移频键控信号相位不连续、频偏较大等原因，使其频谱利用率较低。最小移频键控MSK(Minimum Frequency Shift Keyi

28、ng，有时也称为快速移频键控FFSK)是二进制连续相位FSK的一种特殊形式，它比2PSK有更高的频谱利用率，并且有更强的抗噪声性能，从而得到了广泛的应用。,3高斯最小移频键控(GMSK),由上面分析可知，MSK调制方式的突出优点是已调信号具有恒定包络，且功率谱在主瓣以外衰减较快。但是，在移动通信中，对信号带外辐射功率的限制十分严格，一般要求必须衰减70dB以上。从MSK信号的功率谱可以看出，MSK信号仍不能满足这样的要求。高斯最小移频键控(GMSK)就是针对上述要求提出来的。GMSK调制方式能满足移动通信环境下对邻道干扰的严格要求，它以其良好的性能而被泛欧数字蜂窝移动通信系统(GSM)所采用。

29、,4正交频分复用（OFDM）,前面所讨论的数字调制解调方式都是属于串行体制，和串行体制相对应的一种体制是并行体制。它是将高速率的信息数据流经串/并变换，分割为若干路低速率并行数据流，然后每路低速率数据采用一个独立的载波调制并叠加在一起构成发送信号，这种系统也称为多载波传输系统。 在并行体制中，正交频分复用OFDM方式是一种高效调制技术，它具有较强的抗多径传播和频率选择性衰落的能力以及较高的频谱利用率，因此得到了深入的研究。 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)系统已成功地应用于接入网中的高速数字环路HDSL、非对称数字环路ADSL，高

30、清晰度电视HDTV的地面广播系统。在移动通信领域，OFDM是第三代、第四代移动通信系统准备采用的技术之一。 OFDM是一种高效调制技术，其基本原理是将发送的数据流分散到许多个子载波上，使各子载波的信号速率大为降低，从而能够提高抗多径和抗衰落的能力。为了提高频谱利用率，OFDM方式中各子载波频谱有重叠，但保持相互正交，在接收端通过相关解调技术分离出各子载波，同时消除码间干扰的影响。,5扩频调制,扩频系统是将发送的信息扩展到一个很宽的频带上，通常要比发送的信息带宽宽很多。在接收端，通过相关检测恢复出发送的信息。扩频系统对于单个用户来说频谱利用率很低，但是扩频系统允许很多用户在同一个频带中同时工作，

31、而不会相互产生明显的干扰。当采用码分多址(CDMA)技术，实现多用户工作时，扩频系统的频谱效率就变得较高。扩频系统具有以下主要特点：（1） 抗干扰和抗衰落、抗阻塞能力强。（2） 多址通信时频谱利用率高。 （3） 信号的功率谱密度很低，有利于信号的隐蔽。扩频通信系统的工作方式有：直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum)、跳变频率扩频(Frequency Hopping Spread Spectrum)、跳变时间扩频(Time HoppingSpread Spectrum)和混合扩频。 以扩频技术为基础的码分多址(CDMA)方式已得到广泛应用，并确定为第三代移

32、动通信系统的多址方式。,第四节 通信中的编码技术,通信中的编码技术主要有信源编码和信道编码。 信源编码的作用之一是设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩。码元速率将直接影响传输所占的带宽，而传输带宽又直接反映了通信的有效性。作用之二是，当信息源给出的是模拟语音信号时，信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。模拟信号数字化传输的方式有脉冲编码调制(PCM)和增量调制(M)、 ADPCM等。信源译码是信源编码的逆过程。 信道编码是为了提高数字通信的可靠性而采取的编码。数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起差错。为了减少差错，信道编码器对传输的信

33、息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓“抗干扰编码”。接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。,一、信源编码,因数字通信系统具有许多优点而成为当今通信的发展方向。然而自然界的许多信号经各种传感器感知后都是模拟量，例如电话、电视等通信业务，其信源输出的都是模拟信号。若要利用数字通信系统传输模拟信号，一般需三个步骤：（1） 把模拟信号数字化，即模数转换（A/D）；（2） 进行数字方式传输；（3） 把数字信号还原为模拟信号，即数模转换（D/A）。 模拟信号数字化的方法分为波形编码和参数编码两类。波形编码，比特率通常在

34、16 kb/s64 kb/s范围内，接收端重建信号的质量好，典型方法有如脉冲编码调制（PCM）、自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）、增量调制（M）；参数编码是利用信号处理技术，提取语音信号的特征参数，再变换成数字代码，其比特率在16 kb/s以下，但接收端重建(恢复)信号的质量不够好，如线性预测编码LP。,目前应用最普遍的波形编码方法有PCM和M。采用PCM的模拟信号数字传输系统如图2-34所示，,（一）PCM原理,脉冲编码调制PCM（简称脉码调制）是一种用一组二进制数字代码来代替连续信号的抽样值，从而实现通信的方式。由于这种通信方式抗干扰能力强，它在光纤通信、数字微波通信、卫星通信中均获得

35、了极为广泛的应用。 PCM是一种最典型的语音信号数字化的波形编码方式，其系统原理框图如图2 -35 所示。,1. 抽样,抽样是按抽样定理把时间上连续的模拟信号转换成一系列时间上离散的抽样值的过程，能否由此样值序列重建原信号，是抽样定理要回答的问题。 抽样定理的大意是，如果对一个频带有限的时间连续的模拟信号抽样，当抽样速率达到一定数值时，则根据它的抽样值就能重建原信号。也就是说，若要传输模拟信号，不一定要传输模拟信号本身，只需传输按抽样定理得到的抽样值即可。因此，抽样定理是模拟信号数字化的理论依据。 根据信号是低通型的还是带通型的，抽样定理分低通抽样定理和带通抽样定理；根据抽样的脉冲序列是冲激序

36、列还是非冲激序列，抽样可分理想抽样和实际抽样。,（1）低通抽样定理。,一个频带限制在(0, fH)赫兹内的时间连续信号m(t)，如果以Ts1/(2fH)秒的间隔对它进行等间隔（均匀）抽样，则m(t)将被所得到的抽样值完全确定。抽样定理告诉我们：若m(t)的频谱在某一角频率H以上为零，则m(t)中的全部信息完全包含在其间隔不大于1/(2fH)秒的均匀抽样序列里。换句话说，在信号最高频率分量的每一个周期内起码应抽样两次。 或者说，抽样速率fs（每秒内的抽样点数）应不小于2fH， 即 fs2fH。 其中Ts=1/ 2fH 是最大允许抽样间隔，称为奈奎斯特间隔，相对应的最低抽样速率fs=2fH称为奈奎

37、斯特速率。 若抽样速率fs2fH，则会产生失真，这种失真称作混叠失真。,（2）带通抽样定理,一个带通信号m(t)，其频率限制在fL与fH之间，带宽为B=fH-fL，若最高频率fH为带宽的整数倍，即fH=nB，则抽样速率fs=2B；若最高频率fH不为带宽的整数倍，即 fH=nB+kB 式中：n是一个不超过fH/B的最大整数；0k1 。 此时，最小抽样速率为: 当fLB时，fs趋近于2B。所以当fLB时，不论fH是否为 带宽的整数倍，都可简化为fs2B,2. 量化,量化是把幅度上仍连续（无穷多个取值）的抽样信号进行幅度离散，即利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值的过程。,量化信噪比随量化电

38、平数M的增加而提高，系统质量越好。通常量化电平数应根据对量化信噪比的要求来确定，量化方法有两种。 （1）均匀量化。把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化。在均匀量化中，每个量化区间的量化电平均取在各区间的中点，其量化间隔i取决于输入信号的变化范围和量化电平数。均匀量化器广泛应用于线性A/D变换接口，例如在计算机的A/D变换中，另外，在遥测遥控系统、仪表、图像信号的数字化接口等中，也都使用均匀量化器。,（2）非均匀量化,非均匀量化是一种在整个动态范围内量化间隔不相等的量化。换言之，非均匀量化是根据输入信号的概率密度函数来分布量化电平，以改善量化性能。,在实际中常采用的方法有两种：一种是

39、采用13折线近似A律压缩特性，另一种是采用15折线近似律压缩特性。A律13折线主要用于英、法、德等欧洲各国的PCM 30/32路基群中，我国的PCM30/32路基群也采用A律13折线压缩特性。律15折线主要用于美国、加拿大和日本等国的PCM 24路基群中。CCITT建议G.711规定上述两种折线近似压缩律为国际标准，且在国际间数字系统相互连接时，要以A律为标准。A律13折线的形成如图2-37所示。,3编码和译码,把量化后的信号电平值变换成二进制码组的过程称为编码，其逆过程称为解码或译码。 编码需要考虑以下几个问题。 （1）码字和码型的选择。考虑到二进制码具有抗干扰能力强，易于产生等优点，因此P

40、CM中一般采用二进制码。对于M个量化电平，可以用N位二进制码来表示，其中的每一个码组称为一个码字。为保证通信质量，目前国际上多采用8位编码的PCM系统。码型指的是代码的编码规律，其含义是把量化后的所有量化级，按其量化电平的大小次序排列起来，并列出各对应的码字，这种对应关系的整体就称为码型。常用的二进制码型有三种：自然二进码、折叠二进码和格雷二进码，在PCM通信编码中，折叠二进码比自然二进码和格雷二进码优越，它是A律13折线PCM 30/32路基群设备中所采用的码型。,（2）码位的选择与安排,码位数的选择，它不仅关系到通信质量的好坏，而且还涉及到设备的复杂程度。码位数的多少，决定了量化分层的多少

41、，反之，若信号量化分层数一定，则编码位数也被确定。在信号变化范围一定时，用的码位数越多，量化分层越细，量化误差就越小，通信质量当然就更好。但码位数越多，设备越复杂，同时还会使总的传码率增加，传输带宽加大。一般从话音信号的可懂度来说，采用34位非线性编码即可，若增至78位时，通信质量就比较理想了。8位码的安排分为极性码、段落码、段内码三部分。,极性码 段落码 段内码C1 C2C3C4 C5C6C7C8,（二）增量调制（M）,增量调制简称M或DM，它是继PCM后出现的又一种模拟信号数字传输的方法，其目的在于简化语音编码方法。 M与PCM虽然都是用二进制代码去表示模拟信号的编码方式。但是，在PCM中

42、，代码表示样值本身的大小，所需码位数较多，从而导致编译码设备复杂；而在M中，它只用一位编码表示相邻样值的相对大小，从而反映出抽样时刻波形的变化趋势，与样值本身的大小无关。M系统框图如图2-38所示。,M与PCM编码方式相比具有编译码设备简单，低比特率时的量化信噪比高，抗误码特性好等优点。在军事和工业部门的专用通信网和卫星通信中得到了广泛应用，近年来在高速超大规模集成电路中用作A/D转换器。 M一般适于小容量支线通信，话路上、下方便灵活。目前，随着集成电路的发展，M的优点已不再那么显著。在传输语音信号时，M话音清晰度和自然度方面都不如PCM。因此目前在通用多路系统中很少用或不用M。M一般用在通信

43、容量小和质量要求不十分高的场合以及军事通信和一些特殊通信中。,（三）自适应差分脉冲编码调制 （ADPCM）,以较低的速率获得高质量编码，一直是语音编码追求的目标。通常，人们把话路速率低于64kb/s的语音编码方法，称为语音压缩编码技术。语音压缩编码方法很多，其中，自适应差分脉冲编码调制是语音压缩中复杂度较低的一种编码方法，它可在32kb/s的比特率上达到64kb/s的PCM数字电话质量。近年来，ADPCM已成为长途传输中一种新型的国际通用的语音编码方法。在长途传输系统中，ADPCM有着远大的前景。相应地，CCITT也形成了关于ADPCM系统的规范建议G.721、G.726等。,二、信道编码,（

44、一）概述数字信号在传输过程中，加性噪声、码间串扰等都会产生误码。为了提高系统的抗干扰性能，可以加大发射功率，降低接收设备本身的噪声，以及合理选择调制、解调方法等。此外，还可以采用信道编码技术。信道编码技术的基本思想是通过对信息序列作某种变换，使原来彼此独立，相关性极小的信息码元产生某种相关性，从而在接收端利用这种规律检查或纠正信息码元在信道传输中所造成的差错。 1差错类型 差错类型可分为随机差错和突发差错。其中随机差错由随机噪声的干扰引起，差错互相独立、互不相关，恒参高斯白噪声信道是典型的随机信道；突发差错由突发噪声的干扰引起，错误通常成串出现，错误之间具有相关性，具有脉冲干扰的信道是典型的突

45、发信道。,2差错控制方式,差错控制方式一般分为三种，对于不同类型的信道，应采用不同的差错控制方式。（1）检错重发方式。检错重发又称自动请求重传方式，记作ARQ(Automatic Repeat Request)。（2）前向纠错方式。前向纠错方式记作FEC(Forword Error Correction)。（3）混合纠错方式。混合纠错方式记作HEC(Hybrid Error Correction)是FEC和ARQ方式的结合。,3纠错码的分类,（1）线性码和非线性码。根据纠错码各码组信息元和监督元的函数关系，可分为线性码和非线性码。如果函数关系是线性的，即满足一组线性方程式，则称为线性码，否则为

46、非线性码。 （2）分组码和卷积码。根据码组信息元和监督元的函数关系涉及的范围，可分为分组码和卷积码。分组码的各码元仅与本组的信息元有关；卷积码中的码元不仅与本组的信息元有关，而且还与前面若干组的信息元有关。 （3）检错码和纠错码。根据码的用途，可分为检错码和纠错码。检错码以检错为目的，不一定能纠错；而纠错码以纠错为目的，一定能检错。,4纠错编码的基本原理,（1）码距与最小码距。 分组码一般可用(n, k)表示。其中，k是每组二进制信息码元的数目，n是码组的码元总位数，又称为码组长度，简称码长。n-k=r为每个码组中的监督码元数目。简单地说，分组码是对每段k位长的信息组以一定的规则增加r个监督元

47、，组成长为n的码字。在二进制情况下，共有2k个不同的信息组，相应地可得到2k个不同的码字，称为许用码组。其余 2n-2k个码字未被选用，称为禁用码组。 在分组码中，非零码元的数目称为码字的汉明重量，简称码重。例如，码字 10110，码重w=3。两个等长码组之间相应位取值不同的数目称为这两个码组的汉明(Hamming)距离，简称码距。例如 11000 与 10011之间的距离d=3。码组集中任意两个码字之间距离的最小值称为码的最小距离，用d表示。最小码距是码的一个重要参数，它是衡量码检错、纠错能力的依据。,（2）检错和纠错能力,码的最小距离d0直接关系着码的检错和纠错能力；任一(n， k)分组码

48、，若要在码字内满足：1) 检测e个随机错误，则要求码的最小距离d0e+1；2) 纠正t个随机错误，则要求码的最小距离d02t+1；3) 纠正t个同时检测e(t)个随机错误，则要求码的最小距离d0t+e+1。,5编码效率,用差错控制编码提高通信系统的可靠性，是以降低有效性为代价换来的。我们定义编码效率R来衡量有效性：R=k/n 其中，k是信息元的个数，n为码长。对纠错码的基本要求是: 检错和纠错能力尽量强，编码效率尽量高，编码规律尽量简单。实际中要根据具体指标要求，保证有一定纠、检错能力和编码效率，并且易于实现。,（二） 常用的几种简单编码,1奇偶监督码奇偶监督码是在原信息码后面附加一个监督元，

49、使得码组中“1”的个数是奇数或偶数。或者说，它是含一个监督元，码重为奇数或偶数的(n，n-1)系统分组码。奇偶监督码又分为奇监督码和偶监督码。 2恒比码码字中 1 的数目与 0 的数目保持恒定比例的码称为恒比码。由于恒比码中，每个码组均含有相同数目的1和0，因此恒比码又称为等重码，定 1 码。这种码在检测时，只要计算接收码元中 1 的数目是否正确，就知道有无错误。目前我国电传通信中普遍采用 32 码，又称“5 中取 3”的恒比码，即每个码组的长度为 5，其中 3 个“1”。这时可能编成的不同码组数目等于从 5 中取 3 的组合数。实践证明，采用这种码后，我国汉字电报的差错率大为降低。,（三）主要的信道编码方法,信息位和监督位由线性方程联系，构成线性码，若线性码的各码元仅与本组的信息元有关，则称为线性分组码。 线性分组码中循环码的编码和解码设备都不太复杂，且纠错能力较强，目前在理论和实践上都有了较大发展。 另外一种信道编码为卷积码。关于循环码与卷积码的原理在此不在介绍，读者可参考相关文献。,