通信系统概论2

第2章数字通信系统第2章数字通信系统2.1数字通信系统模型2.2模拟信号的数字化2.3准同步数字体系2.4同步数字体系2.5数字基带传输系统2.6数字频带传输系统第2章数字通信系统2.1数字通信系统模型数字通信系统定义：信道中传输数字信号的系统数字通信系统数字频带传输系统（有调制）数字基带传输系统（无调制）模拟信号数字化传输系统（A/D转换）第2章数字通信系统32.1.1数字频带传输系统图2－1数字频带传输通信系统模型第2章数字通信系统42.1.2数字基带传输系统图2－2数字基带传输通信系统模型第2章数字通信系统52.1.3模拟信号数字化传输通信系统图2－3模拟信号数字化传输通信系统模型第2章数字通信系统2.1.4数字通信的主要优缺点1、数字通信的主要优点：1、抗干扰、抗噪声性能好2、差错可控3、易于加密处理4、易于与现代技术相结合2、数字通信的缺点：１、频带利用率不高２、需要严格的同步系统第2章数字通信系统2.2模拟信号的数字化数字通信系统传输模拟信号，一般需要以下三个步骤：1、模拟信号数字化（A/D转换）2、数字方式传输3、把数字信号还原成模拟信号（D/A转换）第2章数字通信系统2.2.1A/D转换1.抽样抽样是把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值的过程。A/D转换的三个步骤抽样量化编码第2章数字通信系统1）低通信号的抽样定理图2－4理想抽样信号和频谱图图第2章数字通信系统①低通抽样定理的含义低通模拟信号m(t)抽样信号ms(t)当fs(=1/Ts）满足抽样定理（fs≥2fH）时：收端重建的模拟信号m’(t)第2章数字通信系统11②定理的证明()()()sTmtmttA.时域上：B.频域上：(f)是周期性单位冲激脉冲T(t)的频谱m(t)δT(t)ms(t)()()()sMfMff-ns)nf-f(1)f(T-ns)nf-f(1)f(T第2章数字通信系统12∵M(f-nfs)是信号频谱M(f)在频率轴上平移了nfs的结果∴抽样信号的频谱Ms(f)是无数间隔频率为fs的原信号频谱M(f)相叠加而成。])()([1fsnsnfffMTM）（)()()()()(tfdtfttf)(1])()([1fssnsnffMTnfffMTM）（第2章数字通信系统139.2模拟信号的抽样-2fs-fs0fs2fs……fs-fHfs+fHMs(f)ffs2fH…f-2fs-fs-fH0fHfs2fsMs(f)fs-fHfs+fHfs2fHfs=2fH-fH0fHM'(f)f……-2fs-fs-fH0fHfs2fsMs(f)fM'(f)-fH0fHfM'(f)-fH0fHf1()()ssMfMfnfT第2章数字通信系统14分析：低通模拟信号m(t)的最高频率小于fH，若频率间隔fs2fH，则Ms(f)中包含的每个原信号频谱M(f)之间互不重叠。这样就能够从Ms(f)中用一个低通滤波器分离出信号m(t)的频谱M(f)，也就是能从抽样信号中恢复原信号。第2章数字通信系统15③恢复原信号的条件是：即抽样频率fs应不小于fH的两倍。这一最低抽样速率2fH称为奈奎斯特速率。④与此相应的抽样时间间隔称为奈奎斯特间隔。问题：如何恢复原信号？2sHff第2章数字通信系统16⑤信号的重建A.频域上：当fs2fH时，用一个截止频率为fH的理想低通滤波器就能够从抽样信号中分离出原信号。fs≥2fH…f-2fs-fs-fH0fHfs2fsMs(f)fs-fHfs+fH-fH0fHM'(f)f第2章数字通信系统17⑥实例：A.模拟话音信号的频带范围：300~3400Hz，抽样频率至少为6800Hz。B.滤波器的过渡带a.重建模拟信号时需要经过滤波取出原始边带b.滤波器设计c.采样频率为8000Hz，边带之间形成了1200Hz的保护带第2章数字通信系统2）带通信号的抽样定理带通均匀抽样定理可描述为：一个带通信号x(t)，其频率限制在f0与fm之间，带宽为B=fm–f0，则必需的最小抽样速率12mminsnff式中,n是一个不超过f0／B的最大整数，n=（f0／B）I（即取（f0／B）的整数）。一般情况下，抽样速率fs应满足如下关系：nfsnffm0212第2章数字通信系统19a.当f0=0时，fs＝2B，就是低通模拟信号的抽样情况；b.带通信号的最小抽样频率在2B~4B间变动；c.当f0很大时，fs趋近于2B。结论第2章数字通信系统例：第2章数字通信系统21113MHzHf该带通信号的上截止频率：下截止频率：107MHzLf107617//LNfB17mN取2113210717117Sf最低抽样频率为12.56MHz。例：某中频带通信号的中心频率为110MHz，信号带宽为B=6MHz，对此信号进行带通抽样，在恢复信号时使用理想带通滤波器。试计算能无失真恢复信号的最低抽样频率。第2章数字通信系统222.量化1）量化的原因抽样后时间上信号离散,但幅度仍然连续变化（幅度取值是无限的）接收时无法准确判定样值。解决办法：用有限的电平来表示抽样值，且电平间隔比噪声大，则可准确恢复样值。第2章数字通信系统232）量化原理定义按预先规定的有限个电平表示模拟抽样值的过程。作用抽样——把时间连续信号变成时间离散的信号量化——取值连续信号变成取值离散的信号量化器量化器x(kT)xq(kT)第2章数字通信系统243）量化过程d1d2d4d3d5q5q4q3q2q1T2T3T4T5T6T7Tt量化误差信号实际值信号量化值x(t)x(6T)xq(6T)q6－信号实际值－信号量化值1(),()qiiimkTqdmkTd第2章数字通信系统第2章数字通信系统4）几个名称：–量化电平：确定的量化后的取值叫量化电平（也称量化值）–量化级：量化值的个数–量化间隔：相邻两个量化值之差（也称量化台阶、量阶、阶距）–量化误差，又叫量化噪声；–PCM：模拟信号抽样电平先进行量化，再用二进制序列表示（编码）的过程，称为称为PCM。第2章数字通信系统量化区间量化噪声量化电平是量化区间的中间值信号的实际值信号的量化值量化误差q7m6q6m5q5m4q4m3q3m2q2m1q1Ts2Ts3Ts4Ts5Ts6Ts7Tsmq(t)m(t)mq(6Ts)m(6Ts)t量化器{m(kTs)}{mq(kTs)}第2章数字通信系统注意符号的表示)(tm：模拟信号im：量化区间的端点：信号抽样值)(SkTm：量化器的输出电平（量化电平）iq)(sqkTm}量化器)(SkTm)(sqkTmiSqqkTm)(iSimkTmm)(1若第2章数字通信系统量化后的信号mq(t)是对原来信号m(t)的近似，当抽样速率一定，量化级数目（量化电平数）增加并且量化电平选择适当时，可以使mq(t)与m(t)的近似程度提高。mq(kTs)与m(kTs)之间的误差称为量化误差。对于语音、图像等随机信号，量化误差也是随机的，它像噪声一样影响通信质量，因此又称为量化噪声，通常用均方误差来度量。为方便起见，假设m(t)是均值为零，概率密度为f(x)的平稳随机过程。表示量化误差])[(2qmmE则，也就是量化噪声功率第2章数字通信系统μ律15折线法A律13折线法抽样频率：8kHz;量化方式：A律13折线；编码位数：8位语音信号的A/D转换：量化的分类A.均匀量化：量化间隔是均匀的；B.非均匀量化：量化间隔是不均匀的。第2章数字通信系统31电路实现——逐次比较法编码原理输入信号抽样脉冲保持电路比较器恒流源记忆电路IsIWc1,c2,c3IsIw,ci=1IsIw,ci=0第2章数字通信系统第2章数字通信系统第2章数字通信系统34543210-1-2-3-4-5ui(v)uo(v)-5-4–3-2-1012345量化特性-5-4–3-2-1012345210-1-2ui(v)e(v)量化误差量化间隔都相等的量化称为均匀量化xkqkaLaMv正常量化区限幅区限幅区空载区dMdM-1dk+1dkd2d1d0…………判决电平量化值qMqM-1qkq2q1q0量化间隔A、均匀量化第2章数字通信系统B、非均匀量化1．定义量化间隔大小不相等（1）信号取值小的区间，量化间隔△v也小（2）信号取值大的区间，量化间隔△v也大2.优点：提高了小（弱）信号的量化信噪比第2章数字通信系统36①非均匀量化的目的提高小信号的输出信号量噪比。②非均匀量化的原理量化间隔随信号抽样值的不同而变化。信号抽样值小时，量化间隔v也小；信号抽样值大时，量化间隔v也变大。121()()iiMdqkikkdiNxqfxdx第2章数字通信系统37xe(x)量化误差非均匀量化特性曲线x110yxDyD第2章数字通信系统38量化误差非均匀量化特性曲线yxxe(x)第2章数字通信系统39压缩扩展实例yt51018t扩张特性曲线x压缩特性曲线yt510t18yxˆxˆ第2章数字通信系统40压缩(非线性电路)输出:y=f(x)扩张(非线性电路)输出:常用的压扩方法A压缩律（A律）：主要用于英国、法国、德国等欧洲各国和我国大陆；压缩律（律）：主要用于美国、加拿大和日本等国。1ˆ()xfy第2章数字通信系统41A压缩律（A律）a.压缩规律：1,01ln1ln1,11lnAxxAAyAxxAAA压缩率我国大陆：A87.6xy11-1-10A=1A=87.61/A第2章数字通信系统42压缩律a.压缩规律：ln(1)01ln(1)xyxmm，xy00.20.40.60.81.01.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1=030100200yx00.20.40.60.81.01.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1=030压缩特性扩张特性100200第2章数字通信系统4313折线压缩特性－A律的近似yx11/21/41/81/161/321/641/12817/86/85/84/83/82/81/81/481/2716254483162161斜率段号各段斜率12345678A=87.6时的A律压缩特性第2章数字通信系统4413折线压缩特性第2章数字通信系统45A=87.6A律与13折线压缩特性比较yx182838485868781按A=87.6关系求得x1128160.6130.6115.417.813.411.981按13折线关系求得x11281641321161814121第2章数字通信系统46在语音通信中，通常采用8位的PCM编码就能够保证满意的通信质量。码位排列方法x5x6x7x8x2x3x4x1段内码段落码幅度码极性码码位安排编码第2章数字通信系统极性码段落码段内码C1C2C3C4C5C6C7C8极性码:“1”为正，“0”为负段落码:第2位至第4位码（C2C3C4）。代表8个段落的段落电平段内码:C5C6C7C8,表示任一段落内的16个量化电平值（每段内的电平是等分的）第2章数字通信系统表2–1段落码段落序号段落码C2C3C487654321111110101100011010001000段落码与各段的关系11001101010100ⅧⅦⅥⅤⅣⅢⅠ段落码xⅡ第2章数字通信系统表2-2段内码电平序号段内码电平序号段内码C5C6C7C8C5C6C7C815141312111098111111101101110010111010100110007654321001110110011001010011001000010000第2章数字通信系统y1786858483828181011281641161321181412x斜率：1段162段163段84段45段26段17段1/28段1/4234567第8段未压缩第2章数字通信系统第一、二段最短，