教學(xué)課件-數(shù)字通信技術(shù)(張萍)

數(shù)字通信技術(shù)第一章數(shù)字通信的基礎(chǔ)知識(shí)

本章學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握信號(hào)的概念和信號(hào)的分類了解信號(hào)的基本運(yùn)算、波形變換掌握信號(hào)頻譜的概念與意義了解通信系統(tǒng)的組成掌握數(shù)字通信系統(tǒng)的特性掌握數(shù)字通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)掌握通信的方式本章節(jié)學(xué)習(xí)重點(diǎn)、難點(diǎn)通信系統(tǒng)的基本組成傅立葉級(jí)數(shù)分析、傅立葉變換分析以及頻譜的意義信號(hào)是如何通過線性系統(tǒng)的分析方法信息及其度量數(shù)字通信的主要性能指標(biāo)課前預(yù)習(xí)相關(guān)的內(nèi)容通信系統(tǒng)的基本組成三角函數(shù)預(yù)習(xí)電路基礎(chǔ)中的正弦信號(hào)、傳輸函數(shù)及數(shù)學(xué)中的對(duì)數(shù)運(yùn)算

在人們?nèi)粘Ｉ钪校伺c人之間的溝通與交流是必不可少的。在這種溝通交流可以采取不同的形式，如面對(duì)面交流、采用固定電話或移動(dòng)電話、電子郵件、即時(shí)通信軟件、衛(wèi)星通信等。人類通過這些方式可以實(shí)現(xiàn)資源和信息的共享。信息就是人類溝通和交流的一切內(nèi)容，它可以以語(yǔ)音、文字、數(shù)字和圖像等形式來實(shí)現(xiàn)。信息往往不能直接傳輸，必須通過某種載體實(shí)現(xiàn)它的傳遞和交換。

1.1信號(hào)

信號(hào)是信息傳輸?shù)妮d體，是表示信息的物理量。當(dāng)要傳輸?shù)男畔閳D像時(shí)，首先將圖像進(jìn)行編碼，使它轉(zhuǎn)換成由0、1比特形式的數(shù)據(jù)流（即圖像信號(hào)），用圖像信號(hào)代替圖像進(jìn)行傳輸。到了接收端，將收到的圖像信號(hào)進(jìn)行譯碼，還原出圖像信息。在通信系統(tǒng)中，傳輸?shù)男盘?hào)主要由某些電的參量（如電壓、電流等物理量）表示的。在通信系統(tǒng)中，常見的信號(hào)有：語(yǔ)音信號(hào)、圖像信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)。信號(hào)的數(shù)學(xué)描述通常是變量為時(shí)間的函數(shù)，因此，信號(hào)也稱為“函數(shù)”。1.1.1典型的信號(hào)在通信中,有一些信號(hào)是比較特殊和常用的信號(hào),這些信號(hào)有助于我們分析通信過程中的技術(shù)問題，并且使分析方法更加簡(jiǎn)便。

1.矩形脈沖矩形脈沖又叫“門函數(shù)”，其寬度為，幅度為1。波形如圖1-1所示。其定義為

（1-1）

在數(shù)字通信中，一個(gè)碼元符號(hào)通常用矩形脈沖來表示。其對(duì)應(yīng)的波形表示如圖1.1所示。圖1-12.沖激信號(hào)如果要考察某些物理量在空間或時(shí)間坐標(biāo)上集中于一點(diǎn)的物理現(xiàn)象（如作用時(shí)間趨近于零的沖擊力、寬度趨近于零的電脈沖等），沖激函數(shù)就是描述這類現(xiàn)象的物理模型。沖激函數(shù)用符號(hào)表示，其一般定義式為

及

其波形如圖1-2所示。圖1-2沖激信號(hào)是一個(gè)理想信號(hào),它是對(duì)持續(xù)時(shí)間無(wú)限短強(qiáng)度無(wú)限大的物理量的一種理想描述。它表示在時(shí)，其函數(shù)值都等于零，只有在處有趨于無(wú)窮的值。的含義該函數(shù)波形下的面積等于1，通常稱為的強(qiáng)度，在表示沖激函數(shù)的強(qiáng)度時(shí)，用括號(hào)括起來，與普通信號(hào)的幅值相區(qū)分。

沖激信號(hào)具有如下性質(zhì)：1）篩選特性（抽樣性質(zhì)）若函數(shù)在連續(xù)，則有

（1-3）

物理意義：沖激函數(shù)與任何函數(shù)的乘積，就只選到該函數(shù)在所在位置處的值，而將其他值都濾掉了，如圖1-4所示

圖1-4

3.抽樣函數(shù)

抽樣函數(shù)是數(shù)字通信分析中常見的一種信號(hào)。其表達(dá)為

(1-7)

其對(duì)應(yīng)表達(dá)式的波形如圖1-5所示。圖1-51—3π—2π—ππ2π3π0t1.1.2信號(hào)的分類

信號(hào)從不同的角度討論有不同的分類，下面討論幾種常見的分類方法。1.確定信號(hào)與隨機(jī)信號(hào)根據(jù)信號(hào)隨時(shí)間變化的規(guī)律，可以把信號(hào)分為確定信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)。可以用明確數(shù)學(xué)表達(dá)式表示其隨時(shí)間變化關(guān)系的信號(hào)就是確定信號(hào)。反之，不能用明確的數(shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá)的信號(hào)稱為隨機(jī)信號(hào)。對(duì)于確定信號(hào)來說，即使在還未到達(dá)的時(shí)刻也能確定該時(shí)刻的函數(shù)值，如正弦信號(hào)。2.周期信號(hào)與非周期信號(hào)確定信號(hào)又可分為周期信號(hào)和非周期信號(hào)。每隔一個(gè)固定的時(shí)間間隔T（即周期）周按相同規(guī)律重復(fù)變化的信號(hào)稱為周期信號(hào)。一般將周期信號(hào)記作

非周期信號(hào)不具有重復(fù)性。3．連續(xù)信號(hào)與離散信號(hào)信號(hào)的時(shí)域波形一般用兩個(gè)參量來表示，橫坐標(biāo)是時(shí)間，縱坐標(biāo)是幅度。按時(shí)間取值是否連續(xù)，將信號(hào)分為連續(xù)信號(hào)和離散信號(hào)。

4.模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)按幅度取值是否連續(xù)，將信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)是指幅度隨時(shí)間是連續(xù)變化的信號(hào)，其特點(diǎn)是幅度連續(xù)，如圖1-8所示。數(shù)字信號(hào)是指幅度隨時(shí)間是離散變化的,其特點(diǎn)是幅度具有躍變性，如圖1-9所示。

圖1-8

模擬信號(hào)圖1-9

數(shù)字信號(hào)

2.信號(hào)的波形變換由于信號(hào)是變量為時(shí)間的函數(shù)，如果對(duì)信號(hào)的時(shí)間運(yùn)算，則信號(hào)在時(shí)間軸上就會(huì)有相應(yīng)的波形變換。1)反轉(zhuǎn):將信號(hào)中的自變量換為，則信號(hào)以縱坐標(biāo)為中心反轉(zhuǎn)。如圖1-10所示。圖1-10信號(hào)的反轉(zhuǎn)

2）平移:將信號(hào)中的自變量換為，為常數(shù)，則信號(hào)沿時(shí)間軸水平平移。當(dāng)，相當(dāng)于原信號(hào)波形在軸上右移時(shí)間，即表示時(shí)間滯后；當(dāng)時(shí)，相當(dāng)于原信號(hào)波形在軸上左移，即表示時(shí)間超前。如圖1-11所示。圖1-11信號(hào)的平移

在工程中，人們通常不僅關(guān)心信號(hào)隨著時(shí)間如何變化，還要研究信號(hào)的頻率構(gòu)成和各頻率成分下幅度、相位的關(guān)系，即信號(hào)在頻域上的分布情況。

信號(hào)的“域”不同，是指信號(hào)的變量不同，或描述信號(hào)的橫坐標(biāo)物理量不同。信號(hào)在不同域中的描述，使所需信號(hào)的特征更為突出，以便滿足解決不同問題的需要。信號(hào)的時(shí)域描述和頻域描述只是信號(hào)表示的不同形式。同一信號(hào)無(wú)論采用哪種方式描述，其所包含的內(nèi)容是相同的。1.2信號(hào)的頻譜

對(duì)于一般的普通信號(hào)，其能量在頻率上的分布情況又是怎樣的呢？首先來看看這樣一個(gè)例子，某信號(hào)的表達(dá)式為：

通過該式可以直觀的得到結(jié)論：信號(hào)由直流信號(hào)和幾個(gè)正弦信號(hào)疊加而成，信號(hào)的能量分布在頻率點(diǎn)上，其相應(yīng)的振幅大小反映了其能量分布的強(qiáng)弱。傅立葉級(jí)數(shù)正是將信號(hào)分解成上例的類似情形，從而直觀的得到信號(hào)的能量在頻率上的分布情況：當(dāng)周期信號(hào)滿足狄里赫利條件時(shí)，則可以用傅立葉級(jí)數(shù)展開為三角函數(shù)形式將式（1-14）中的各頻率項(xiàng)合并，傅立葉級(jí)數(shù)還可以表示成以下形式

（1-15）

式中，，，。根據(jù)歐拉公式，傅立葉級(jí)數(shù)還可以表示成復(fù)指數(shù)形式

（1-16）

式中，該傅立葉級(jí)數(shù)形式說明,一個(gè)周期信號(hào)可能是由無(wú)數(shù)個(gè)具有不同復(fù)幅度的復(fù)指數(shù)分量組成，稱為各頻率點(diǎn)的復(fù)幅度。

1.2.2信號(hào)的頻譜

1．周期信號(hào)的頻譜由1.2.1節(jié)的討論知道，將周期信號(hào)分解為傅立葉級(jí)數(shù)，為在頻率域中認(rèn)識(shí)信號(hào)特征提供了重要的手段。為了直觀地反映周期信號(hào)中各頻率分量的分布情形，可將其各頻率分量的振幅和相位隨頻率變化的關(guān)系用圖形表示出來，這就是信號(hào)的“頻譜圖。頻譜圖包括幅度譜和相位譜。幅度譜：以頻率為橫坐標(biāo)，以各諧波的幅度或復(fù)指數(shù)的幅度為縱坐標(biāo)畫出的線圖，稱為振幅頻譜，或叫幅度譜。相位譜：以頻率為橫坐標(biāo)，以各諧波相位為縱坐標(biāo)畫出的線圖，稱為相位頻譜，或相位譜。頻譜：由于幅度譜和相位譜的橫坐標(biāo)都是頻率，常把幅度譜和相位譜統(tǒng)稱為頻譜。由于在通常情況只關(guān)心振幅隨頻率的變化關(guān)系，習(xí)慣上常把幅度譜簡(jiǎn)稱為頻譜。

單邊譜:根據(jù)傅立葉級(jí)數(shù)的三角函數(shù)形式而作的頻譜，其頻率只取正數(shù)，因此，頻譜只分布在正半軸，把這樣的頻譜稱為單邊譜。例如某一矩形波的傅立葉級(jí)數(shù)展開為由此可以畫出其單邊譜，如圖1-13所示。

幅度譜相位譜

圖1-13矩形波的單邊譜

雙邊譜：通常，在信號(hào)分析中，為了方便運(yùn)算，通常采用傅立葉級(jí)數(shù)展開的復(fù)指數(shù)形式作頻譜圖,由于存在正、負(fù)頻率，即頻譜圖在頻率的正、負(fù)半軸同時(shí)存在，故稱為雙邊譜。例如，一個(gè)周期性的矩形脈沖信號(hào)如圖1-14（a）所示,它的脈沖寬度為，高度為A，周期為T，基波角頻率為，通過傅立葉級(jí)數(shù)的復(fù)指數(shù)展開形式為式中，

由此可以畫出雙邊譜，如圖1-14(b)所示。（a）矩形波（b）雙邊譜圖1-14矩形波的波形及雙邊譜2.非周期信號(hào)的頻譜

非周期信號(hào)可以看作是周期信號(hào)周期時(shí)的一個(gè)特例。由周期信號(hào)的頻譜可知，當(dāng)周期信號(hào)的周期T趨于無(wú)限大時(shí)，其相鄰譜線間隔趨于無(wú)窮小，從而譜線密集變?yōu)檫B續(xù)譜。因此，傅立葉級(jí)數(shù)分解中各頻率（譜線）分量趨于無(wú)窮小。故無(wú)法從信號(hào)的振幅譜來分析信號(hào)在頻率上的分布情況。對(duì)于頻譜密度函數(shù)，設(shè)這里，相當(dāng)于單位頻率占有的復(fù)振幅，具有密度的意義，所以常把稱為頻譜密度函數(shù)，簡(jiǎn)稱頻譜函數(shù)。為連續(xù)譜。

將傅立葉級(jí)數(shù)代入上式，可以證明有

(1-17)

和反變換：

(1-18)

將式(1-17)和(1-18)稱為傅立葉正變換和傅立葉反變換。它們一起描述了信號(hào)的頻域和時(shí)域的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過傅立葉變換，得到的頻譜密度函數(shù)同樣可以分析信號(hào)在頻率上的分布情況，如同通過質(zhì)量密度可以了解一個(gè)物體的質(zhì)量的分布情況一樣。傅立葉變換需要的條件是信號(hào)絕對(duì)可積，即：

(1-19)

但這僅是充分條件，不是必要條件。3．常用非周期信號(hào)的頻譜（1）矩形脈沖的頻譜高度為A，寬度為τ的單個(gè)矩形脈沖，如圖1-15（a）所示。

（a）單個(gè)矩形脈沖（b）單個(gè)矩形脈沖頻譜圖1-15非周期矩形脈沖的頻譜

由傅立葉變換可得的頻譜函數(shù)為

（1-20）圖1.15（b）所示為矩形脈沖的頻譜圖。由圖可見，非周期信號(hào)的頻譜是連續(xù)譜。

(2)沖激信號(hào)的頻譜

（1-21）由圖1.16可見,沖激信號(hào)的頻譜是均勻譜,即沖激信號(hào)是均勻分布在所有的頻率點(diǎn)上。在通信中把這樣的噪音稱為白噪音。

圖1-16沖激信號(hào)的頻譜圖1-17抽樣函數(shù)的頻譜（3）抽樣函數(shù)的頻譜抽樣函數(shù)是通信中的一個(gè)常用信號(hào)，其波形見圖1-5所示。由圖可以看出，抽樣函數(shù)不滿足傅立葉變換的絕對(duì)可積條件，因此不能用傅立葉變換直接得到該信號(hào)的頻譜。在信號(hào)分析中，根據(jù)傅立葉變換的對(duì)稱性質(zhì)可以得到抽樣函數(shù)的頻譜為

（1-22）

證明略，其頻譜如圖1-17所示。2.理想濾波器常見的濾波器有低通、帶通、高通、帶阻濾波器。圖1-18分別表示了各種理想濾波器的頻率特性。

（a）理想低通特性（b）理想帶通特性

（c）理想高通特性（d）理想帶阻特性圖1-18

各種理想濾波器的頻率特性

下面通過研究信號(hào)通過理想低通濾波器的情況來了解信號(hào)是如何通過線性系統(tǒng)的。設(shè)輸入信號(hào)為沖激信號(hào)，則輸入信號(hào)的頻譜為。由系統(tǒng)的頻域分析得注意，這里沒有討論相位的變化。由信號(hào)的頻譜可知，辛格信號(hào)的頻譜即為矩形譜，并由傅立葉反變換可得

即沖激信號(hào)經(jīng)過理想低通濾波器后的輸出信號(hào)為辛格信號(hào)。1.3.1

通信的定義

通信跟隨人類誕生就出現(xiàn)，在人類的社會(huì)生活和各種社會(huì)生產(chǎn)中都離不開通信。古代的人們通過驛站、飛鴿傳書、烽火報(bào)警、擊鼓等方式進(jìn)行信息傳遞。而今，隨著科學(xué)技術(shù)水平的飛速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了無(wú)線電，固定電話，手機(jī)，互聯(lián)網(wǎng)、可視電話等各種通信方式來傳遞信息?！巴ㄐ拧笔窃谙嗑嗟膬牲c(diǎn)或多點(diǎn)之間進(jìn)行信息的傳遞和交換。在自然科學(xué)中所涉及的“通信”這一術(shù)語(yǔ)是指電通信（光通信也屬于此類）。電通信是利用“電”來傳遞信息的通信方式。通過電通信幾乎能使信息在任意的通信距離上實(shí)現(xiàn)傳遞快速、準(zhǔn)確、可靠和安全。1.3通信的概念1.3.2

通信的分類

1.按通信的業(yè)務(wù)分類根據(jù)通信的業(yè)務(wù)的不同可分為：語(yǔ)音通信和非語(yǔ)音通信兩大類。電話業(yè)務(wù)在電信領(lǐng)域一直占有主導(dǎo)地位。非語(yǔ)音業(yè)務(wù)包括電報(bào)通信、數(shù)據(jù)通信、圖像通信等，比如短信、數(shù)據(jù)庫(kù)檢索、電子郵件、傳真存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、可視圖文及電視會(huì)議等。2.按傳輸媒質(zhì)分類按消息由一地向另一地傳遞時(shí)傳輸媒質(zhì)的不同，通信可分為：有線通信和無(wú)線通信。有線通信是指?jìng)鬏斆劫|(zhì)為架空明線、電纜、光纜、波導(dǎo)等傳輸媒質(zhì)的通信，其特點(diǎn)是媒質(zhì)能看得見，摸得著。無(wú)線通信是指?jìng)鬏斚⒌拿劫|(zhì)為看不見、摸不著的媒質(zhì)（如電磁波）的一種通信形式。

1.3.3

通信方式

通信方式指通信雙方或各方之間的工作形式和信號(hào)傳輸方式。根據(jù)不同角度考慮，通信方式有多種分類方法。1.按通信終端的數(shù)量分類可分為點(diǎn)到點(diǎn)傳輸、點(diǎn)到多點(diǎn)傳輸和多點(diǎn)到多點(diǎn)傳輸。如圖1-19所示。（1）點(diǎn)到點(diǎn)傳輸指兩個(gè)終端之間的傳輸，如圖1-19(a)。比如遙控玩具、航模等。（2）點(diǎn)到多點(diǎn)傳輸指一個(gè)終端與多個(gè)終端之間的傳輸方式，如圖1-19(b)所示。如廣播電臺(tái)與收音機(jī)、電視臺(tái)與電視機(jī)的通信等。（3）多點(diǎn)到多點(diǎn)傳輸指多個(gè)終端與多個(gè)終端之間的傳輸，如圖1-19(c)所示。如視頻會(huì)議等。

AB(a)點(diǎn)到點(diǎn)傳輸AABC(b)點(diǎn)到多點(diǎn)傳輸ABCDEF(c)多點(diǎn)到多點(diǎn)傳輸圖1-19通信終端數(shù)量分類

2.按信號(hào)傳送的方向與時(shí)間關(guān)系可分為單工傳輸、半雙工傳輸和全雙工傳輸。（1）單工傳輸單工傳輸指信息只能一個(gè)方向傳遞的工作方式，如圖1-20（a）所示。如廣播、遙控、遙測(cè)、計(jì)算機(jī)到顯示器、鍵盤到計(jì)算機(jī)等。（2）半雙工傳輸半雙工傳輸指通信雙方都能收發(fā)信息，但不能同時(shí)進(jìn)行收發(fā)的工作方式，如圖1-20（b）所示。如對(duì)講機(jī)、收發(fā)報(bào)機(jī)、檢索、詢問等。（3）全雙工傳輸全雙工傳輸指通信雙方能同時(shí)進(jìn)行收發(fā)信息的通信方式，如圖1-20（c）所示。如電話等。甲方發(fā)端甲方收端信道甲方發(fā)端乙方收端信道乙方發(fā)端甲方收端甲方發(fā)端乙方收端甲方收端乙方發(fā)端信道（a）（b）（c）圖1-20單工、半雙工和全雙工傳輸示意圖發(fā)送端接收端01000110發(fā)送端接收端01000110（a）(b)圖1-21串行傳輸和并行傳輸示意圖（1）串行傳輸串行傳輸指數(shù)字信號(hào)碼元序列排成一行，按時(shí)間順序一個(gè)接一個(gè)的在一條信道內(nèi)傳輸，如圖1-21(a)所示。串行傳輸簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、成本低且在遠(yuǎn)距離傳輸中比較可靠，缺點(diǎn)傳輸速度慢，需同步信號(hào)。比如公用電話系統(tǒng)采用串行傳輸有很大的現(xiàn)實(shí)意義。（2）并行傳輸并行傳輸指數(shù)字信號(hào)碼元以組成碼元組的形式在兩條或兩條以上的并行信道上傳輸，如圖1-21(b)所示。并行傳輸傳輸速度快、信號(hào)處理簡(jiǎn)單，但設(shè)備復(fù)雜、成本高，所以適合近距離高速傳輸，比如計(jì)算機(jī)與打印機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。3．按信號(hào)傳輸順序分類可分為串行傳輸和并行傳輸。4．在串行傳輸中按同步方式的不同，又分為同步傳輸和異步傳輸。（1）同步傳輸是指收發(fā)雙方采用統(tǒng)一的時(shí)鐘節(jié)拍來完成數(shù)據(jù)的傳送。（2）異步傳輸是指收發(fā)兩端各自有相互獨(dú)立的碼元定時(shí)時(shí)鐘，數(shù)據(jù)率是雙方約定的，接收端利用數(shù)據(jù)本身來進(jìn)行同步的傳輸方式。

1.4.1通信系統(tǒng)模型

通信的目的將信息從一地傳遞到另外一地，因此，將用于完成通信這一過程的全部設(shè)備和傳輸介質(zhì)稱為通信系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)通信的方法很多，具體的通信系統(tǒng)種類比較多，雖然不同的通信系統(tǒng)有不同的用途和具體的電路結(jié)構(gòu)，但都有相同的基本結(jié)構(gòu)。通信系統(tǒng)一般模型圖1-22所示，由信源、發(fā)送設(shè)備、信道和噪聲、接收設(shè)備、信宿五大部分組成。圖1-22

通信系統(tǒng)的一般模型1.4通信系統(tǒng)

信源的作用是產(chǎn)生（形成）消息，并完成非電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。信源可能是人也可能是機(jī)器，信源輸出的是待傳輸?shù)男盘?hào)，它可以是模擬信號(hào)也可以是數(shù)字信號(hào)。例如電話的送話器產(chǎn)生的語(yǔ)音信號(hào)、電視攝像機(jī)的圖像信號(hào)、各種傳感器的檢測(cè)信號(hào)等輸出的是模擬信號(hào)。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)輸出的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)。1.信源

發(fā)送設(shè)備的作用是使傳輸?shù)男盘?hào)與信道相匹配，因此它將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合信道傳輸?shù)碾娦盘?hào)或光信號(hào)。如編碼器、調(diào)制器、復(fù)用器等。2．發(fā)送設(shè)備

信道是信號(hào)傳遞所通過的通道即傳輸媒質(zhì)，有無(wú)線信道和有線信道。不同的信道其傳輸特性不同。3.信道和噪聲

噪聲是信號(hào)在傳輸過程中不可避免混入的各種干擾信號(hào)，它散布在整個(gè)通信系統(tǒng)各點(diǎn)，為分析方便折合到信道并集中表示，如熱噪聲、脈沖干擾等

信宿是接收信號(hào)的人或機(jī)器，它的作用是將基帶信號(hào)恢復(fù)為原始信號(hào)。如聽筒、屏幕等。4.接收設(shè)備

接收設(shè)備的作用將接收到的帶有干擾的信號(hào)進(jìn)行處理以恢復(fù)出基帶信號(hào)。如譯碼器、解調(diào)器等。5.信宿

1.4.2

通信系統(tǒng)模型

圖1-23模擬通信系統(tǒng)的模型

模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號(hào)傳遞信息的通信系統(tǒng)，圖1-23為模擬通信系統(tǒng)的模型。信號(hào)在模擬通信系統(tǒng)中傳遞時(shí)噪聲是疊加在信號(hào)上，并隨傳輸距離的增加而噪聲增加，接收端很難將噪聲從信號(hào)中分離。因此，模擬通信系統(tǒng)抗干擾能力較差而且不適合長(zhǎng)距離傳輸，不易保密、也不便于與計(jì)算機(jī)連接。

圖1-24頻帶傳輸?shù)臄?shù)字通信系統(tǒng)模型

信道中傳輸數(shù)字信號(hào)的通信系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)，如圖1-24為頻帶傳輸?shù)臄?shù)字通信系統(tǒng)模型。在數(shù)字通信系統(tǒng)中信源發(fā)出和信宿接收的是模擬信號(hào)，而信道傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，因此，可以說數(shù)字通信系統(tǒng)是以數(shù)字信號(hào)的形式傳輸模擬信號(hào)的通信系統(tǒng)。

1.4.3數(shù)字通信系統(tǒng)

（1）抗干擾能力強(qiáng)，無(wú)噪聲積累。噪聲噪聲圖1-25兩種通信系統(tǒng)噪聲影響示意圖(a)模擬通信系統(tǒng)信道發(fā)送端放大接收端(b)數(shù)字通信系統(tǒng)信道發(fā)送端再生中繼接收端數(shù)字通信與模擬通信比較數(shù)字通信具有以下優(yōu)點(diǎn)：

在模擬通信，中繼器將有干擾信號(hào)放大后送往下一級(jí)，下一級(jí)接著放大再往下送，這樣一級(jí)一級(jí)下去，噪聲被不斷地放大，形成噪聲積累直到通信終端,如圖1-25(a)。而在數(shù)字通信中，數(shù)字信號(hào)的取值個(gè)數(shù)有限的離散值(大多數(shù)情況只有0和1兩個(gè)值)，在傳輸過程中噪聲的干擾也是疊加在傳輸信號(hào)上，數(shù)字信號(hào)與信號(hào)的絕對(duì)值關(guān)系不大，只要注意相對(duì)值即可。所以通過取樣判決、再生，只要再生后產(chǎn)生的碼元組合不變，就可恢復(fù)原來的數(shù)字信號(hào)，如圖1-25(b)。噪聲就被中繼器“隔離”，從而消除了噪聲積累，因此，在傳輸中即使中繼站再多，仍能具有良好的通信質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的高質(zhì)量通信。（2）差錯(cuò)可控。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，采用檢糾錯(cuò)技術(shù)對(duì)傳輸中出現(xiàn)的差錯(cuò)(誤碼)可以設(shè)法控制，提高了傳輸質(zhì)量。（3）數(shù)字信息易于加密且保密性強(qiáng)。通過各種復(fù)雜的加密算法對(duì)數(shù)字信號(hào)加密，而只需簡(jiǎn)單的邏輯電路能實(shí)現(xiàn)加密和解密，從而極大的提高通信系統(tǒng)保密性。（4）能夠適應(yīng)各種通信業(yè)務(wù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、交換技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展，許多設(shè)備和終端接口都能適用于數(shù)字信號(hào)傳輸，如電報(bào)、話音、圖像、數(shù)據(jù)等多種信息能夠傳輸。在技術(shù)允許的范圍內(nèi)還可以對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行加工、處理、儲(chǔ)存，增加了通信系統(tǒng)的靈活性和通用性。此外，數(shù)字通信系統(tǒng)還有智能化、設(shè)備易于集成化、微型化等。

總之，數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)很多，但事物總是一分為二的。數(shù)字通信也有其缺點(diǎn)：(1)占用頻帶寬。一路模擬電話信號(hào)的帶寬為4kHz，而一路數(shù)字電話信號(hào)（PCM終端機(jī)）要占64kHz的帶寬。也就是一路PCM信號(hào)占用了幾個(gè)模擬電話信號(hào)，如果系統(tǒng)傳輸帶寬一定，模擬電話的頻帶利用率要高出數(shù)字電話的5~15倍。在系統(tǒng)頻帶緊張的場(chǎng)合，數(shù)字信號(hào)占用較寬的帶寬的缺點(diǎn)十分突出，但數(shù)字通信的許多長(zhǎng)處是以增加信號(hào)帶寬為代價(jià)的。(2)需要嚴(yán)格的同步系統(tǒng)。數(shù)字通信中，要準(zhǔn)確地恢復(fù)信號(hào)，正確把每一個(gè)碼元區(qū)分，必須要求收端和發(fā)端保持嚴(yán)格同步。雖然數(shù)字通信系統(tǒng)有缺點(diǎn)，但隨著頻帶壓縮技術(shù)和集成技術(shù)的迅速發(fā)展，其缺點(diǎn)已經(jīng)不太重要了。1.5.1

信息及其度量

1.消息、信息消息是指物體的客觀運(yùn)動(dòng)和人們的主觀思維，有多種形式進(jìn)行描述，如符合、文字、語(yǔ)言、音樂、圖片等。消息的顯著特點(diǎn)是具有不確定性即隨機(jī)性?！坝脕硐欢ㄐ缘臇|西”這是信息論的主要奠基人之一香農(nóng)（C.E.Shannon）給信息的定義，信息是一個(gè)十分抽象的概念，它本身是看不見摸不著的，必須依附于一定的物質(zhì)形式，如語(yǔ)言、文字、電磁波等。在通信系統(tǒng)中信息是以各種具體的電信號(hào)形式表現(xiàn)出來的。1.5數(shù)字通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)

從統(tǒng)計(jì)學(xué)概念的角度對(duì)信息提出一個(gè)量度，把衡量信息大小的物理量稱為信息量，用I表示。信息量與消息發(fā)生的概率緊密聯(lián)系。對(duì)于離散信源單個(gè)符號(hào)攜帶的信息量為：2.信息量

（1-25）

從式（1-25）中可知，消息中描述事件發(fā)生的可能性越小，信息量越大。反之，消息中描述事件發(fā)生的可能性越大，信息量越小。式中：為消息所包含的信息量；為消息發(fā)生概率。

信息量單位的確定取決于上式（1-25）中的對(duì)數(shù)底a。a=2，則信息量的單位為比特(bit)，在通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用；a=e，則信息量的單位為奈特(nit)，1nit≈1.443bit；a=10，則信息量的單位稱為十進(jìn)制單位，或叫哈特萊（hart）。在通信系統(tǒng)中，當(dāng)傳輸兩個(gè)等概率的消息之一時(shí)任意消息所含有的的信息量為1比特，因此，在二進(jìn)制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，常把一位二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)稱為1比特，而不管0和1這兩個(gè)符號(hào)出現(xiàn)的概率是否相等?！纠?.1】國(guó)際莫爾斯碼用點(diǎn)和劃的序列發(fā)送英文字母，劃用持續(xù)3單位電流脈沖表示，點(diǎn)用持續(xù)1單位的電流脈沖表示，劃出現(xiàn)的概率為1/4，求點(diǎn)和劃的信息量。

劃的信息量點(diǎn)的信息量

解：根據(jù)題意，劃出現(xiàn)的概率為1/4，則點(diǎn)出現(xiàn)的概率為3/4。由式（1-25）

實(shí)際上離散消息源由n個(gè)符號(hào)組成的，在非等概率條件下，其信息量應(yīng)該是每個(gè)符號(hào)所含信息量的統(tǒng)計(jì)平均值，即平均信息量。

在信息論中，通常將H(x)稱為信息熵，是因?yàn)樗c熱力學(xué)中的熵的定義類似。

設(shè)每一個(gè)符號(hào)xi在消息中是按一定的概率P(xi)獨(dú)立出現(xiàn)的，且則符號(hào)的平均信息量為：（1-26）

【例1.2】已知離散信息源由A、B、C、D四種符號(hào)組成，它們出現(xiàn)相互獨(dú)立的概率分別為1/2,1/4,1/8,1/8，計(jì)算該信源的平均信息量。解：根據(jù)式(1-26)得：

數(shù)字與數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的指標(biāo)包括信息傳輸?shù)挠行?、可靠性、適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性、標(biāo)準(zhǔn)性、維護(hù)使用方便性等，在多種指標(biāo)中從信息傳輸角度講，設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)通信系統(tǒng)的性能的關(guān)鍵是性能指標(biāo)。數(shù)字與數(shù)據(jù)通信的性能指標(biāo)是指有效性（速度）和可靠性（準(zhǔn)確）兩大指標(biāo)。通信系統(tǒng)的有效性指要求系統(tǒng)高效率地傳輸信息。而可靠性要求系統(tǒng)可靠傳輸信息。有效性和可靠性是兩個(gè)相互矛盾的指標(biāo)。提高可靠性即提高傳輸速度必降低有效性，反之提高有效性即提高準(zhǔn)確性將用可靠性換取。不同的通信系統(tǒng)有不同的具體評(píng)價(jià)指標(biāo)，模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信系統(tǒng)對(duì)有效性和可靠性指標(biāo)的要求、量度不同。主要介紹數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。1.5.2

一般通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)

在比較不同的通信系統(tǒng)傳輸效率時(shí)，僅看傳輸速率太片面了，還應(yīng)看在這樣的傳輸速率下所占的頻帶寬度。通信系統(tǒng)占用相同的頻帶，傳輸速率越大，傳輸信息的量越大，頻帶利用率越高，則效率越高。頻帶利用率指單位頻帶內(nèi)的傳輸速率，即3）頻帶利用率η（1-28）（1-29）或

【例1.4】有一數(shù)字通信系統(tǒng)的頻帶寬度為4000Hz，若采用二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)傳輸，傳信率為2000bit/s，計(jì)算頻帶利用率。如碼元寬度不改變情況下，改為八進(jìn)制傳輸，問頻帶利用率是多少？解：根據(jù)頻帶利用率公式，二進(jìn)制傳輸時(shí)，得若改為八進(jìn)制傳輸時(shí)，得

在同一信道傳輸?shù)拇a元速率相等時(shí)，采用多進(jìn)制比二進(jìn)制傳遞的信息速率高，頻帶利用率高，這就是為什么要采用多進(jìn)制的原因之一。

衡量數(shù)字通信系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)是差錯(cuò)率（錯(cuò)誤率），是指通信系統(tǒng)的接收端收到的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)準(zhǔn)確程度。常用誤碼率和誤信率表示。2.可靠性指標(biāo)

誤碼率Pe又稱為碼元差錯(cuò)率，是指發(fā)生差錯(cuò)的碼元在傳輸碼元總數(shù)之中所占的比率，即碼元在通信系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率。1）誤碼率Pe

誤碼率Pe是多次統(tǒng)計(jì)結(jié)果的平均值，所以稱為平均誤碼率。

誤信率Pb又稱為信息差錯(cuò)率，是指接收的錯(cuò)誤信息量與傳輸信息總量之間的比值。2)誤信率Pb

差錯(cuò)率的大小取決于信道的特性、質(zhì)量及系統(tǒng)噪聲等因素，不同的通信系統(tǒng)對(duì)差錯(cuò)率的要求不同。如電話線路系統(tǒng)的平均誤碼率是300bit/s~2400bit/s時(shí)10-2~10-6之間；4800bit/s~9600bit/s時(shí)10-2~10-4之間，而計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信的平均誤碼率要求低于10-9。所以，差錯(cuò)率越低，數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性就越高，質(zhì)量越好。1.5.3信道

在前面介紹通信系統(tǒng)一般模型時(shí)可知道，信道是構(gòu)成一個(gè)完整通信系統(tǒng)的重要部分之一。信道是傳輸信號(hào)的通道。信號(hào)傳輸經(jīng)過的通道有傳輸媒介和很多的設(shè)備，所以將信道分為狹義的信道和廣義的信道。

1.狹義信道從通信系統(tǒng)的角度上看，狹義信道指連接通信雙方收、發(fā)信設(shè)備并負(fù)責(zé)信號(hào)傳輸?shù)奈镔|(zhì)(物理實(shí)體)。如各種線纜、光纜、無(wú)線電波、光盤、磁盤等。以傳輸媒介主要分為有線信道和無(wú)線信道。

（1）有線信道為了適應(yīng)不同通信方式及通信容量，構(gòu)成有線信道的有架空明線、雙絞線、同軸電纜、光纜等，這一類看得見，摸得著傳輸媒介。

1）架空明線在20世紀(jì)初大量使用的通信介質(zhì)就是架空明線，即在電線桿上架設(shè)的互相平行而絕緣的裸線。其優(yōu)點(diǎn)安裝簡(jiǎn)單、建設(shè)快、傳輸損耗比較小。其缺點(diǎn)受氣候環(huán)境等影響較大并且對(duì)外界噪聲干擾比較敏感、保密性差、維護(hù)工作量大。由于通信質(zhì)量差，因此，在發(fā)達(dá)國(guó)家中早已被淘汰，在許多發(fā)展中國(guó)家中也已基本停止了架設(shè)，但目前在我國(guó)一些農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)或受條件限制的地方仍有一些架空明線在工作著。2）雙絞線雙絞線又稱為雙扭線，它是在同一保護(hù)套內(nèi)由若干對(duì)且每對(duì)有兩條相互絕緣的銅導(dǎo)線按一定規(guī)則絞合而成的電纜，如圖1-27所示。采用一定的絞合結(jié)構(gòu)是為了減少對(duì)鄰近線對(duì)的電磁干擾從而防止串音。雙絞線既能傳輸模擬信號(hào)，也可傳輸數(shù)字信號(hào)，其電氣性能比較穩(wěn)定，安全保密性好，通信距離一般為幾到十幾千米。雙絞線主要用于市內(nèi)電話音頻電纜以及許多局域網(wǎng)，如ISDN、xDSL、以太網(wǎng)等的連接線。為了進(jìn)一步提高雙絞線的抗電磁干擾能力，還可以在雙絞線的外層再加上一個(gè)用金屬絲編織而成的屏蔽層構(gòu)成屏蔽雙絞線。由于雙絞線的性能價(jià)格比相對(duì)其它傳輸介質(zhì)要好，因此在目前使用十分廣泛。

3）同軸電纜同軸電纜由銅質(zhì)芯線為內(nèi)導(dǎo)線、絕緣層、網(wǎng)狀編織的外導(dǎo)體屏蔽層以及保護(hù)塑料外層所組成，如圖1-28所示。按特性阻抗數(shù)值的不同，同軸電纜又分為兩種，一種是50Ω的基帶同軸電纜，另一種是75Ω的寬帶同軸電纜。同軸電纜的這種結(jié)構(gòu)使其具有高帶寬和較好的抗干擾特性，因此，適用于高頻段、大容量載波電話通信。如我國(guó)現(xiàn)行300路、960路、1800路、4380路長(zhǎng)途通信干線大部分采用同軸電纜，與用戶電視機(jī)相連也是同軸電纜。4）光纜光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱，制造光纖的主要材料是資源十分豐富的石英。光纖是光纖通信系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)，將光纖集中在一起構(gòu)成光纜，如圖1-29所示。雖然光纖的銜接、分岔比較困難，但有極寬的通頻帶，通信容量極大，不易受電磁干擾和噪聲影響，傳輸損耗極小，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離、高速率的數(shù)據(jù)傳輸，而且具有很好的保密性能的優(yōu)點(diǎn)。（2）無(wú)線信道無(wú)線信道是利用無(wú)線介質(zhì)作為傳輸載體在空間傳輸信號(hào)。無(wú)線介質(zhì)主要是無(wú)線電波和光波。

1）光波在光波中，紅外線、激光是常用的信號(hào)載體，紅外線廣泛用于短距離通信，如電視、錄像機(jī)、空調(diào)器等家用電器使用的遙控裝置；而激光因它具有高帶寬和定向性好的優(yōu)勢(shì)，可用于建筑物之間的局域網(wǎng)連接。

無(wú)線電波在空間傳輸信號(hào)時(shí)，由于受地貌、人工建筑、天氣、電磁干擾等影響，使得它的工作質(zhì)量存在不穩(wěn)定性。但無(wú)線電波傳播距離遠(yuǎn)，能夠穿過建筑物，而且既可以全方向傳播，也可以定向傳播，因此絕大多數(shù)無(wú)線通信都采用無(wú)線電波作為信號(hào)傳輸?shù)妮d體。如無(wú)線廣播、各種移動(dòng)無(wú)線通信、無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)等。無(wú)線電波的傳播方式主要有地面波傳播、天波傳播、空間波傳播、微波中繼傳播、散射傳播、衛(wèi)星傳播等幾種，如圖1-30所示。2）無(wú)線電波2.廣義信道

在通信系統(tǒng)中傳輸信號(hào)不僅依賴傳輸媒介還有各種與之相關(guān)的設(shè)備，如天線與饋線、功率放大器、混頻器、濾波器、調(diào)制與解調(diào)器等。所以，將信號(hào)必須經(jīng)過的傳輸介質(zhì)和各種通信設(shè)備的路徑統(tǒng)稱為廣義信道。廣義信道通常也可分成兩種，調(diào)制信道和編碼信道，如圖1-31所示。

調(diào)制信道是指信號(hào)從調(diào)制器輸出端到解調(diào)器輸入端的傳輸途徑。信號(hào)經(jīng)過調(diào)制信道時(shí)關(guān)心的是經(jīng)過信道傳輸后信號(hào)波形和頻譜的關(guān)系。調(diào)制信道常常用在模擬通信中。它對(duì)信號(hào)的影響是通過乘性干擾及加性干擾使已調(diào)制信號(hào)發(fā)生模擬性的變化。

編碼信道是指信號(hào)從編碼器的輸出到譯碼器的輸入之間的傳輸途徑。編碼信道只是起到傳輸數(shù)字信號(hào)的作用。因此，對(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng)僅關(guān)心編碼和譯碼。編碼信道對(duì)信號(hào)的影響是一種數(shù)字序列的變換，即把一種數(shù)字序列變成另一種數(shù)字序列(產(chǎn)生誤碼)。

1.6.1

通信發(fā)展簡(jiǎn)史

自從有了人類，人們?cè)诟鞣N社會(huì)活動(dòng)中采用各種不同的方法進(jìn)行互通消息。在19世紀(jì)以前漫長(zhǎng)的歷史時(shí)期內(nèi)，人類之間傳遞信息主要依靠人力、畜力，也曾使用信鴿或借助烽火等方式來實(shí)現(xiàn)。這些通信方式效率極低，都受到地理距離及地理障礙的限制。19世紀(jì)中葉以后，隨著電話、電報(bào)等的發(fā)明以及電磁波的出現(xiàn)，使得人類通信領(lǐng)域產(chǎn)生了根本性的巨大變革，實(shí)現(xiàn)了利用金屬導(dǎo)線來傳遞信息，甚至通過電磁波來進(jìn)行無(wú)線通信。1.6通信技術(shù)的發(fā)展

通信技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)階段：1.初級(jí)通信階段1833年，英國(guó)的高斯和韋伯制造出第一個(gè)可供實(shí)用的電磁指針式電報(bào)機(jī)。1837年，美國(guó)人摩爾斯發(fā)明有線電報(bào)并編制電碼——“摩爾斯電碼”，有線電報(bào)的出現(xiàn)開創(chuàng)了人類信息交流的新紀(jì)元。1864年，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋建立了一套電磁理論，預(yù)言了電磁波的存在。1875年，蘇格蘭青年亞歷山大.貝爾發(fā)明了世界上第一臺(tái)電話機(jī)。1878年在相距300公里的波士頓和紐約之間進(jìn)行了首次長(zhǎng)途電話實(shí)驗(yàn)，并獲得了成功，后來就成立了著名的貝爾電話公司。1879年，第一個(gè)專用人工電話交換系統(tǒng)投入運(yùn)行；1880年，第一個(gè)付費(fèi)電話系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)；1888年，德國(guó)青年物理學(xué)家海因里斯.赫茲用電波環(huán)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了電磁波的存在，成為近代科學(xué)技術(shù)史上的一個(gè)重要里程碑，導(dǎo)致了無(wú)線電的誕生和電子技術(shù)的發(fā)展。

1904年，英國(guó)電氣工程師弗萊明發(fā)明了二極管。1906年，美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)森登成功地研究出無(wú)線電廣播。1907年，美國(guó)物理學(xué)家德福斯特發(fā)明了真空三極管，美國(guó)電氣工程師阿姆斯特朗應(yīng)用電子器件發(fā)明了超外差式接收裝置。1920年，美國(guó)無(wú)線電專家康拉德在匹茲堡建立了世界上第一家商業(yè)無(wú)線電廣播電臺(tái)，從此廣播事業(yè)在世界各地蓬勃發(fā)展，收音機(jī)成為人們了解時(shí)事新聞的方便途徑。1924年，第一條短波通信線路在瑙恩和布宜諾斯艾利斯之間建立。1933年，法國(guó)人克拉維爾建立了英法之間和第一第商用微波無(wú)線電線路，推動(dòng)了無(wú)線電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

2.近代通信階段1948年香農(nóng)提出了信息論，建立了通信統(tǒng)計(jì)理論；1950年時(shí)分多路通信應(yīng)用于電話系統(tǒng)；1951年直撥長(zhǎng)途電話開通；1956年鋪設(shè)越洋通信電纜；1957年發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星；1962年發(fā)射第一顆同步通信衛(wèi)星，開通國(guó)際衛(wèi)星電話，脈沖編碼調(diào)制進(jìn)入實(shí)用階段；20世紀(jì)70年代商用衛(wèi)星通信、程控?cái)?shù)字交換機(jī)、光纖通信投入使用。

3.現(xiàn)代通信階段20世紀(jì)80年代開通數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的公用業(yè)務(wù)、個(gè)人計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)出現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)制定；20世紀(jì)90年代蜂窩電話系統(tǒng)開通，各種無(wú)線通信技術(shù)不斷涌現(xiàn)、光纖通信得到迅速普遍的應(yīng)用、國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)得到極大發(fā)展；1997年68個(gè)國(guó)家簽訂國(guó)際協(xié)定，互相開發(fā)電信市場(chǎng)。移動(dòng)通信、光纖通信、衛(wèi)星通信是當(dāng)今現(xiàn)代通信的三大支柱。1.6.2

通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

通信技術(shù)在20世紀(jì)得到飛速發(fā)展，21世紀(jì)的通信技術(shù)將向著寬帶化、智能化、個(gè)人化的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)技術(shù)的方向發(fā)展。1.全程數(shù)字化2.寬帶化3.智能化4.個(gè)人化5.綜合化本章小結(jié)

本章介紹了通信的定義、通信的分類和通信的工作方式。討論了通信系統(tǒng)的組成模型及各部分作用，詳細(xì)介紹傳碼率和傳信率之間的關(guān)系、頻帶利用率計(jì)算、誤碼率和誤信率計(jì)算。概述了通信的發(fā)展史及發(fā)展趨勢(shì)。第二章模擬信號(hào)數(shù)字化學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.掌握模擬信號(hào)數(shù)字化的取樣、量化、編碼和譯碼的方法；2.掌握增量調(diào)制和其改進(jìn)型；3.了解幾種常見的壓縮編碼方法。

本章重點(diǎn)：

1.取樣、量化、編碼和譯碼；2.壓縮編碼。

本章的難點(diǎn)：1.編碼和譯碼；2.壓縮編碼。

課前預(yù)習(xí)相關(guān)內(nèi)容

信號(hào)的頻譜PCM通信系統(tǒng)（1）第一部分相當(dāng)于信源編碼部分的模/數(shù)變換(A／D)，它包括抽樣、量化和編碼。抽樣是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行周期性的掃描，把時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)變成時(shí)間上離散的信號(hào)。我們要求經(jīng)過抽樣的信號(hào)應(yīng)包含原信號(hào)的所有信息，即能無(wú)失真地恢復(fù)出原模擬信號(hào)，抽樣速率的下限由抽樣定理確定。量化是把經(jīng)抽樣得到的瞬時(shí)值進(jìn)行幅度離散，即指定Q規(guī)定的電平，把抽樣值用最接近的電平表示。編碼是用二進(jìn)制碼組表示有固定電平的量化值。實(shí)際上量化是在編碼過程中同時(shí)完成的。（2）第二部分相當(dāng)于信道部分的信道和再生中繼器。（3）第三部分相當(dāng)于信源解碼部分的數(shù)/模變換(D／A)，它包括再生、解碼和低通濾波。PCM有如下優(yōu)點(diǎn)。（1）PCM系統(tǒng)的抗干擾性能優(yōu)于模擬系統(tǒng)。（2）數(shù)字化了的各類模擬信號(hào)可與數(shù)據(jù)信號(hào)組合復(fù)用成一個(gè)公共的高速數(shù)字通信系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。（3）PCM系統(tǒng)廣泛采用數(shù)字器件，從而具有便于集成和小型化等優(yōu)點(diǎn)。2.1抽樣抽樣的定義及電路模型抽樣也叫取樣或采樣，是抽取模擬信號(hào)在離散時(shí)間點(diǎn)上的振幅值，用這些離散時(shí)間點(diǎn)上的振幅值，即抽樣值序列來代表原始的模擬信號(hào)可以用圖所示的取樣模型來表示抽樣的過程，取樣脈沖s(t)到來時(shí)，取樣開關(guān)閉合，輸出為該時(shí)刻信號(hào)的瞬時(shí)值；無(wú)取樣脈沖s(t)時(shí)，則取樣開關(guān)斷開，輸出為0。抽樣電路的模型可用一個(gè)乘法器表示，即經(jīng)過抽樣，原模擬信號(hào)變成了一系列窄脈沖序列，脈沖的幅度就是取樣時(shí)刻的信號(hào)幅值。圖2-3取樣模型圖2-4模擬信號(hào)的抽樣由圖2-4可知，離散樣值序列的包絡(luò)線仍與原來的模擬信號(hào)m的形狀一致，因此，離散樣值信號(hào)包含有原模擬信號(hào)m的信息。取樣得到的這些樣值信號(hào)也稱為脈沖幅度調(diào)制（PAM）信號(hào)，這些樣值信號(hào)在時(shí)間上雖然是離散的，但其幅度值仍然有無(wú)限多個(gè)可能的取值，所以它仍然是模擬信號(hào)。PAM是脈沖載波的幅度隨消息信號(hào)m變化的一種調(diào)制方式。其實(shí)現(xiàn)方法是用寬度有限的窄脈沖序列作為抽樣信號(hào)對(duì)消息信號(hào)m進(jìn)行取樣，所得到的幅度隨m的變化而變化的脈沖串序列就是PAM波。能否由離散樣值序列重建原始的模擬信號(hào)，是抽樣定理要回答的問題。“抽樣定理”是數(shù)字通信原理中十分重要的定理之一，是模擬信號(hào)數(shù)字化、時(shí)分多路復(fù)用及信號(hào)分析處理等技術(shù)的理論依據(jù)之一。2.1.2低通信號(hào)抽樣定理

低通信號(hào)的抽樣定理：設(shè)有一個(gè)頻帶限制在(0～)內(nèi)的連續(xù)模擬信號(hào)m，若對(duì)它以抽樣率為的速率進(jìn)行抽樣，則取得的樣值完全包含m的信息。

這是因?yàn)槌闃雍笮盘?hào)的頻譜，除了原信號(hào)的頻譜以外，還要以為間隔周期性重復(fù)原信號(hào)的頻譜，如圖2-5所示。只要

（即），周期性重復(fù)的頻譜之間不會(huì)重疊，于是經(jīng)過截止頻率為的理想低通濾波器即可無(wú)失真地恢復(fù)原始信號(hào)。在實(shí)際通信系統(tǒng)中，考慮到實(shí)際濾波器特性的不理想，為避免樣值信號(hào)的頻譜與原信號(hào)的頻譜發(fā)生重疊，通常取抽樣頻率比2大一些，例如語(yǔ)音通信中，語(yǔ)音信號(hào)的最高頻率限制在3400Hz，按照抽樣定理，抽樣頻率應(yīng)為6800Hz，為了留有一定的防衛(wèi)帶，CCITT規(guī)定語(yǔ)音抽樣頻率為。但抽樣頻率不是越高越好，太高時(shí)，將會(huì)降低信道的復(fù)用效率，浪費(fèi)頻率資源。所以只要能滿足，并有一定帶寬的防衛(wèi)帶即可。圖2-5低通抽樣頻譜設(shè)時(shí)間連續(xù)信號(hào)，其最高截止頻率為。如果用時(shí)間間隔為Ts≤1/2的開關(guān)信號(hào)對(duì)進(jìn)行抽樣，則就可被樣值信號(hào)惟一地表示?；蛘哒f，要從樣值序列無(wú)失真地恢復(fù)原時(shí)間連續(xù)信號(hào)，其抽樣頻率應(yīng)選為≥2。這就是著名的奈奎斯特抽樣定理,也被簡(jiǎn)稱為抽樣定理。2.1.3帶通信號(hào)抽樣定理

前面討論了頻率限制在(0～)的低通型信號(hào)的抽樣問題。然而，許多信號(hào)往往是帶通型的，其信號(hào)的頻帶不是限制在0～之間，而是限制在與之間，其中為信號(hào)的最低頻率，為信號(hào)的最高頻率，且?guī)挄r(shí)，則這樣的信號(hào)稱為帶通型信號(hào)。對(duì)于帶通信號(hào)，從原理上講仍可按低通信號(hào)的抽樣頻率≥2來抽樣，但這時(shí)抽樣頻率將會(huì)很高，而且如果采用低通信號(hào)的抽樣定理對(duì)這種信號(hào)進(jìn)行抽樣，雖然抽得的樣值完全可以表示原信號(hào)m，但抽樣信號(hào)的頻譜中會(huì)有較多的頻譜空隙得不到利用，使信道的利用率不高。為此，在不產(chǎn)生頻譜重疊的前提下，盡量降低抽樣速率，以減小傳輸帶寬。對(duì)于帶通信號(hào)而言，可以使用比信號(hào)中最高頻率2倍還要低的抽樣速率，如圖2-6所示。①②③④分別為原信號(hào)的頻譜搬移到

、2、為中心的上下兩邊帶位置。

圖2-6帶通信號(hào)的頻譜因此，對(duì)于一個(gè)模擬信號(hào)要采用多大的抽樣速率對(duì)其抽樣，首先要判斷它是屬于低通信號(hào)還是帶通信號(hào)，若＞B時(shí)，它是帶通信號(hào)，適用帶通信號(hào)的抽樣定理；若＜B時(shí)，它是低通信號(hào)，適用低通信號(hào)的抽樣定理。與抽樣有關(guān)的誤差：對(duì)語(yǔ)聲信號(hào)帶寬的限制是充分的；實(shí)行抽樣的開關(guān)函數(shù)是單位沖激脈沖序列，即理想抽樣；通過理想低通濾波器恢復(fù)原語(yǔ)聲信號(hào)。(1)抽樣的折疊噪聲

如果前置低通濾波器性能不良，或抽樣頻率不能滿足2的條件，都會(huì)產(chǎn)生折疊噪聲。(2)抽樣展寬的孔徑效應(yīng)失真。2.2量化

模擬信號(hào)經(jīng)抽樣后得到的樣值序列在時(shí)間上是離散的，但在幅度上的取值卻還是連續(xù)的，即有無(wú)限多種取值。若要將這些樣值用二進(jìn)制碼來表示，勢(shì)必要用無(wú)窮多位二進(jìn)制碼才能表示一個(gè)樣值，這實(shí)際上是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橛邢尬粩?shù)字n的編碼最多能表示種電平。這樣，就必須對(duì)樣值進(jìn)一步處理，使它成為在幅度上是有限種取值的離散樣值。對(duì)幅度進(jìn)行離散化處理的過程稱為量化。假設(shè)信號(hào)幅值的最小值為，最大值為，將區(qū)間分成N個(gè)小區(qū)間（可以等分，也可以非等分），每個(gè)小區(qū)間稱為量化間隔，又稱為量化級(jí)或量化階距，簡(jiǎn)稱量階。只要信號(hào)幅度x屬于區(qū)間（k=1，2，…，N），那么都“近似”為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值

，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值稱為量化值或重建值。一般取每一量化間隔的中間值為該區(qū)間的量化值。量化值與原抽樣信號(hào)之間存在誤差，這個(gè)誤差叫做量化誤差，相當(dāng)于在原信號(hào)上疊加了一個(gè)噪聲，因此量化誤差也稱為量化噪聲。在樣值信號(hào)的量化過程中，視量化間隔的均勻與否可將量化分為均勻量化和非均勻量化。2.2.1均勻量化

1．均勻量化均勻量化是指量化間隔的大小相等，不隨輸入信號(hào)幅度的大小而變。如圖2-7所示圖中所有量化間隔都是相同的，即每一量化間隔都是Δ，我們把這種每一量化級(jí)都相等的量化稱之為均勻量化，根據(jù)這種量化進(jìn)行的編碼稱為線性編碼。均勻量化的間隔是一個(gè)常數(shù)，其大小由輸入信號(hào)的變化范圍和量化電平數(shù)決定。如輸入信號(hào)的最大值為H，最小值為L(zhǎng)，量化電平數(shù)為N，則均勻量化間隔Δ的大小為均勻量化的量化特性是一條等階距的階梯型曲線，如圖2-8所示，圖中的x和分別是量化器的輸入和輸出，虛線表示未量化時(shí)量化器輸入與輸出的關(guān)系。2．量化噪聲

從圖2-8可以看出，由于用量化值取代了準(zhǔn)確的抽樣值，所以量化過程會(huì)在重現(xiàn)信號(hào)中引入不可消除的誤差，即量化誤差或量化噪聲。在量化范圍內(nèi)，量化誤差的絕對(duì)值。當(dāng)信號(hào)幅度超出量化范圍后，量化值保持不變，，此時(shí)稱為過載。量化噪聲是模擬信號(hào)數(shù)字化所必須付出的代價(jià)，對(duì)話音通信，表現(xiàn)為背景噪聲；對(duì)圖像通信，表現(xiàn)為使連續(xù)變化的灰度出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象。量化噪聲對(duì)通信的影響程度究竟如何，即抽樣、量化后的信號(hào)與原信號(hào)的近似程度的好壞，通常用信號(hào)量化信噪比（SNR）來衡量。量化信噪比即量化器輸出端的平均信號(hào)功率與量化噪聲功率之比。對(duì)于語(yǔ)聲信號(hào)，在不考慮輸入信號(hào)過載時(shí)，若對(duì)于用n位二進(jìn)制碼表示的輸出信號(hào)，樣值被分為N個(gè)量階，即N=。2.2.2非均勻量化

在均勻量化中，由于量化噪聲與信號(hào)電平大小無(wú)關(guān)。量化誤差的最大值等于量化階距的一半()，所以信號(hào)電平越低，信噪比越小。例如，對(duì)于話音信號(hào)，大聲說話對(duì)應(yīng)的電壓值比小聲的約大倍，而“大聲”出現(xiàn)的概率卻是很小的，主要是“小聲”信號(hào)。為了使小幅度信號(hào)的信噪比滿足要求，而采用非均勻量化。量化間隔不相等的量化稱為非均勻量化，即對(duì)大小信號(hào)采用不同的量化間隔，在量化時(shí)對(duì)大信號(hào)采用大的量化階，對(duì)小信號(hào)采用小的量化階。這樣，大信號(hào)時(shí)量化誤差增大，量化噪聲平均功率增大，從而降低了大信號(hào)時(shí)富裕的信噪比；小信號(hào)時(shí)量化誤差減小，量化噪聲平均功率降低，從而增大了小信號(hào)時(shí)的信噪比。使輸入信號(hào)與量化噪聲之比在小信號(hào)到大信號(hào)的整個(gè)范圍內(nèi)基本一致。采用非均勻量化可以改善小信號(hào)的信噪比，可以做到在不增加量化級(jí)數(shù)N的條件下，使信號(hào)在較寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的信噪比達(dá)到指標(biāo)要求。非均勻量化實(shí)現(xiàn)的方法

實(shí)現(xiàn)非均勻量化的方法之一是采用壓縮擴(kuò)張技術(shù)，其原理如圖2-9（a）所示。首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行非線性變換，即對(duì)小信號(hào)進(jìn)行放大，大信號(hào)進(jìn)行壓縮；然后對(duì)變換后的信號(hào)進(jìn)行均勻量化，這就等效于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行了非均勻量化。這一處理過程通常稱為壓縮量化，它是由壓縮器完成的。量化后的信號(hào)經(jīng)過編碼后送到線路上，傳輸?shù)綄?duì)方。為了恢復(fù)原信號(hào)，接收端對(duì)解碼后的信號(hào)要進(jìn)行一次逆變換，即進(jìn)行擴(kuò)張?zhí)幚恚瑪U(kuò)張?zhí)匦耘c壓縮特性相反，即要求壓縮、擴(kuò)張的總傳輸系數(shù)為1，如圖2-9（b）所示?；趯?duì)語(yǔ)音信號(hào)的大量統(tǒng)計(jì)和研究，國(guó)際電話電報(bào)咨詢委員會(huì)（CCITT）建議采用兩種壓縮特性。一種是以μ律作為參量的壓擴(kuò)特性，叫做μ律特性；另一種是以A律作為參量的壓擴(kuò)特性，叫做A律特性。早期的A律和μ律壓縮特性是用非線性模擬電路完成的，精度和穩(wěn)定性都受到限制。后來用折線代替勻滑曲線,可用數(shù)字集成電路來實(shí)現(xiàn)壓擴(kuò)律，也就是數(shù)字壓擴(kuò)技術(shù)。采用折線法逼近A律和μ律已形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，μ律主要用于美國(guó)、加拿大和日本等國(guó)的PCM24路基群系統(tǒng)中，A律主要用于我國(guó)和英、法、德等歐洲各國(guó)的PCM30/32路基群系統(tǒng)中，且在國(guó)際通信中一致采用A律。但不論是A律還是μ律，其壓縮特性都具有對(duì)數(shù)特性，是關(guān)于原點(diǎn)呈中心對(duì)稱的曲線。在這里我們只討論A律特性。1）A律特性A律特性的表示式為、

式（2-7）式中，A為壓擴(kuò)系數(shù)，表示壓縮的程度。A的取值不同，壓縮特性也不同。當(dāng)A等于1時(shí)，對(duì)應(yīng)于均勻量化，無(wú)壓縮。當(dāng)A值越大時(shí)，在小信號(hào)處斜率越大，對(duì)提高小信號(hào)的信噪比越有利，如圖2-9所示（2）A律13折線

圖2-10為近似A律13折線壓縮曲線，①~⑧為折線的段號(hào)。圖2-10中x和y分別表示歸一化輸入和輸出信號(hào)的幅度。將x軸的區(qū)間（0,1）不均勻地分為8段，分段的規(guī)律是按段距為1/2的冪次分段，然后，每段再均勻地分為16等分，每一等分作為一個(gè)量化層。因此在（0,1）范圍共有8×16＝128個(gè)量化層，但各段上的階距是不均勻的，把y軸在（0,1）區(qū)間均勻地分為8段，每段再等分為16份，因此y軸在（0,1）范圍被分為128個(gè)均勻的量化層。將x和y的分段點(diǎn)連接起來，在正、負(fù)方向上分別得到8個(gè)折線段，正方向的1、2段和負(fù)方向的1、2段斜率相同，因此可連在一起作為一段，于是在正、負(fù)兩個(gè)方向上共形成13段折線。這就是非均勻壓縮的A律13折線壓縮特性，與A值等于87.6所得到的壓擴(kuò)曲線接近。2.3脈沖編碼調(diào)制

編碼就是把量化后的信號(hào)轉(zhuǎn)換成代碼的過程。有多少個(gè)量化值就需要有多少個(gè)代碼組，代碼組的選擇是任意的，只要滿足與樣值成一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系即可，PCM編碼采用的是折疊二進(jìn)制碼。這里講的編碼是對(duì)語(yǔ)聲信號(hào)的信源編碼，是將語(yǔ)聲信號(hào)（模擬信號(hào)）變換成數(shù)字信號(hào)，編碼過程是摸/數(shù)變換，記作A/D；解碼是指數(shù)字信號(hào)還原成模擬信號(hào)，是數(shù)/摸變換，記作D/A。

在A律13折線編碼中，正負(fù)方向共有16個(gè)段落，在每一段落內(nèi)有16個(gè)均勻分布的量化電平，因此總的量化電平數(shù)N=16×16=256=28，編碼位數(shù)n=8。設(shè)為8位碼的8個(gè)比特，各位碼字的意義如下。1．極性碼

極性碼表示信號(hào)樣值的正負(fù)極性，“1”表示正極性，“0”表示負(fù)極性。2．段落碼段落碼可表示為000～111，表示信號(hào)絕對(duì)值處在哪個(gè)段落，3位碼可表示8個(gè)段落，代表了8個(gè)段落的起始電平值。3．段內(nèi)碼段內(nèi)碼用于表示抽樣值在任一段落內(nèi)所處的位置，4位碼表示為0000～1111，代表了各段落內(nèi)的16個(gè)量化電平值。由于各段落長(zhǎng)度不同，每段落又被均勻分為16小段后，每一小段的量化值也不同。第①大段和第②大段長(zhǎng)為1/128，等分16個(gè)單位后，每一量化單位為1/128×1/16=1/2048。若以第1段、第2段中的每一量化單位1/2048作為一個(gè)最小均勻量化階距Δ，則各段的量階如表2.3所示。可根據(jù)以上分析，對(duì)于某一個(gè)樣值，可以確定出一個(gè)碼字的8位碼，這個(gè)過程稱為編碼。反之，一個(gè)碼字的8位碼，也可以對(duì)應(yīng)還原為一個(gè)量化值，這個(gè)過程稱為解碼。在編碼器的本地譯碼電路中，采用7/11位線性變換，使得量化誤差有可能大于本段落量化間隔的一半,為減小誤差,在收端要加上半個(gè)量化級(jí)，所以發(fā)端量化后的電平（即重建PAM）是有區(qū)別的。一般稱發(fā)端量化后的電平為碼字電平（也叫編碼電平），稱收端解碼后的電平為解碼電平，其表達(dá)式為

碼字電平=段落起始電平＋（8＋4＋2＋）·

解碼電平=碼字電平＋

量化誤差=2.3.2基本原理

目前采用較多的是逐級(jí)反饋型編碼器來實(shí)現(xiàn)非線性編碼。逐次反饋型編碼原理框圖如圖2-11所示，由整流、極性判斷、保持、比較、本地譯碼器等主要幾部分組成。樣值PAM信號(hào)分作兩路，一路送入極性判斷進(jìn)行判決，編出極性碼。另一路信號(hào)經(jīng)整流電路變成單極性信號(hào)；保持電路對(duì)樣值在編碼期間內(nèi)保持抽樣的瞬時(shí)幅度不變；本地譯碼器的作用是將除極性碼以外的～各位碼逐位反饋，并生成與之對(duì)應(yīng)的判定門限；比較器根據(jù)整流電路送來的樣值幅度與本地譯碼器輸出的判定值進(jìn)行比較，逐位形成～各位碼。圖2.11中，代表信號(hào)幅度，代表本地解碼的輸出，把作為每次比較的起始標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)>時(shí)，比較器判斷輸出“1”；當(dāng)<時(shí)，比較器判斷輸出“0”。2.3.3A律13折線編碼方法

由上面的編碼可以看出，編第i位碼的判定門限值（除i=1，2外）都要由前面已編出的位碼來決定，所以要將前面已編出的碼位反饋回來控制下一個(gè)門限值的輸出，而這種編碼是通過一次次的比較實(shí)現(xiàn)的，所以稱為逐次反饋型編碼。2.3.4解碼

解碼是根據(jù)A律13折線壓擴(kuò)特性，將收到的PCM信號(hào)還原成PAM樣值信號(hào)，即實(shí)現(xiàn)數(shù)/模變換（D/A變換）。解碼器一般采用電阻解碼網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，目前多采用權(quán)電流線性電阻網(wǎng)解碼，其解碼框圖如圖2.12所示。與圖2.11中本地譯碼器很相似，它主要由記憶電路、7/12碼變換電路、極性控制、寄存器讀出電路、恒流源及線性電阻網(wǎng)組成。1．記憶電路它的作用是將次序輸入的串行PCM碼變成同時(shí)輸出的并行碼，一起送入極性控制和7/12碼元變換電路中，所以它是一個(gè)串/并變換電路。2．極性控制

它的作用是根據(jù)收到的極性碼是“1”還是“0”來辨別PCM信號(hào)的極性，使譯碼后的PAM信號(hào)的極性恢復(fù)成與發(fā)送端相同的極性。3．7/12碼變換電路它的作用是使輸出的線性碼增加一位碼，即在將7位非線性的幅度碼變成11位的線性碼基礎(chǔ)上，再附加一個(gè)第12位，人為地補(bǔ)上半個(gè)量化間隔，使量化誤差不超過半個(gè)量化級(jí),從而改善量化信噪比.這樣在解碼中代碼變換就將7位變?yōu)?2位。12位線性碼的權(quán)值如表3.5所示。4．寄存器讀出電路

作用是緩沖解碼的時(shí)間，把存入的信號(hào)在確定的時(shí)刻一齊讀出到解碼網(wǎng)絡(luò)中。送出的并行12位線性碼代表一個(gè)量化樣值幅度，用它去控制相應(yīng)的恒流源及電阻網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)，就會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的解碼輸出，得到的是PAM的量化樣值。5．恒流源及線性電阻網(wǎng)

解碼網(wǎng)絡(luò)由恒流源、碼元控制開關(guān)、線性電阻網(wǎng)組成。12位碼元分別控制相應(yīng)的碼元控制開關(guān)，當(dāng)某些位碼元為1時(shí)，開關(guān)閉合，對(duì)應(yīng)的恒定電流源就會(huì)流經(jīng)電阻網(wǎng)絡(luò)，最后得到的輸出的電壓總和正比于編碼信號(hào)所代表的模擬信號(hào)幅度量化樣值。2.4.1增量調(diào)制

增量調(diào)制簡(jiǎn)稱ΔM（或DM），最早由法國(guó)工程師DeLoraine于1946年提出來的，是不同于PCM的另一種模擬信號(hào)數(shù)字化的方法。ΔM的基本思想是利用相鄰樣值信號(hào)幅度的相關(guān)性，以相鄰樣值的相對(duì)大小變化來反映模擬信號(hào)的變化規(guī)律，就是將前一樣值點(diǎn)與當(dāng)前樣值點(diǎn)的幅值之差（即增量）進(jìn)行編碼，這種利用差值編碼進(jìn)行的通信稱為“增量調(diào)制（DeltaModulation）”。

顯然，ΔM由于只對(duì)相鄰樣值點(diǎn)的幅值之差進(jìn)行編碼，所以要求的編碼位數(shù)不高，可以簡(jiǎn)化語(yǔ)音編碼的方法，縮短二進(jìn)制碼組的長(zhǎng)度。在低比特率時(shí)，ΔM的量化信噪比高于PCM。在話音數(shù)字傳輸中，主要采用PCM系統(tǒng)，但當(dāng)通信容量不大、質(zhì)量要求不高時(shí)，一般采用增量調(diào)制ΔM（或DM）系統(tǒng)。小結(jié)

模擬信號(hào)的數(shù)字化過程經(jīng)過抽樣、量化、編碼三個(gè)步驟，即脈沖編碼調(diào)制（PCM）的過程。對(duì)模擬信號(hào)抽樣，首先考慮該模擬信號(hào)是低通型信號(hào)還是帶通型信號(hào)，再根據(jù)其抽樣定理選擇適當(dāng)?shù)某闃铀俾?。?shù)字化的第二個(gè)過程是量化，量化分均勻量化和非均勻量化兩種。均勻量化也稱為線性量化，它將PAM的取值范圍均勻分成N等份（N=2n）。非均勻量化將小信號(hào)量化級(jí)分得較小，大信號(hào)量化級(jí)分得較大，即量化級(jí)是非均勻的，用較少的編碼位數(shù)獲得較大的信噪比。13折線A律壓擴(kuò)特性是一種數(shù)字非均勻量化方法。第三個(gè)過程是編碼，PCM編碼系統(tǒng)用8bit數(shù)字碼來表示一個(gè)樣值，其中B1為極性碼（“1”為正極性，“0”為負(fù)極性），B2B3B4為段落碼，用來表示樣值的幅度屬于8個(gè)段落中的那一段，B5B6B7B8為段內(nèi)碼，用來表示樣值屬于該段落中的哪一個(gè)量化級(jí)。PCM譯碼為了減小量化誤差，在譯碼時(shí)人為地增加了半個(gè)量化級(jí)。在實(shí)際中，通常量化和編碼是同時(shí)進(jìn)行的。

增量調(diào)制（△M）系統(tǒng)用一位編碼來跟蹤信號(hào)m（t）的變化。當(dāng)信號(hào)m（t）斜率較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)斜率過載失真；當(dāng)斜率較小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)顆粒噪聲。增量總和調(diào)制（Δ-Σ）則改善了其失真程度。而壓縮編碼可以減少傳輸和存儲(chǔ)中的數(shù)據(jù)量。一般有有損編碼和無(wú)損編碼兩種類型。比較常見的壓縮編碼技術(shù)有差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）、自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）、變換編碼等。

第三章數(shù)字信號(hào)基帶傳輸數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)即傳輸數(shù)字基帶信號(hào)的傳輸系統(tǒng)。數(shù)字基帶信號(hào)指信源產(chǎn)生未經(jīng)調(diào)制的原始電信號(hào)。數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的模型如圖3-1所示，它主要包括碼型變換器、發(fā)送濾波器、信道、接收濾波器和取樣判決器等部分。3.1數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)圖3-1數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)模型圖3-1中各部件的功能如下：發(fā)送濾波器：即信道信號(hào)形成器，產(chǎn)生適合于信道中傳輸?shù)幕鶐盘?hào)形。傳輸信道：基帶信號(hào)傳輸媒介（通常為有線信道）。介入的噪聲n(t)：是均值為零的高斯白噪聲。接收濾波器：接收有用信號(hào)，濾除帶外噪聲，對(duì)信道特性均衡，使輸出的基帶波形有利于抽樣判決。抽樣判決器：對(duì)接收濾波器的輸出波形進(jìn)行抽樣、判決和再生（恢復(fù)基帶信號(hào)）。同步提取：從接收信號(hào)中提取用來抽樣的未定時(shí)脈沖。碼型譯碼：將抽樣判決器送出的信號(hào)還原成原始信碼。3.2.1

數(shù)字基帶信號(hào)數(shù)字基帶信號(hào)一般用電波形表示相應(yīng)的消息代碼，采用的電波形有矩形脈沖，升余弦脈沖，高斯形脈沖，半余弦波形等。由于矩形脈沖易于產(chǎn)生、變換且簡(jiǎn)單，因此常常采用矩形脈沖表示。常見的基帶信號(hào)波形有單極性不歸零波形（NRZ）、單極性歸零波形（RZ）、雙極性不歸零波形、雙極性歸零波形、多電平波形、差分波形。3.2數(shù)字基帶信號(hào)及頻譜特性1、 單極性不歸零波形（NRZ）單極性不歸零波形，用正電平、零電平分別表示“1”，“0”碼。如圖3-2（a）所示，在整個(gè)碼元周期內(nèi)，“1”碼始終維持正電平，“0”碼始終維持零電平。2、 單極性歸零波形（RZ）單極性歸零波形同樣用正電平、零電平表示“1”，“0”碼，不同的是“1”碼元在其碼元周期內(nèi)電平會(huì)提前歸于零電位，如圖3-2（b）所示。假定碼元周期為TB，“1”碼元維持正電平的時(shí)間為t，則t/TB稱為占空比。3、 雙極性不歸零波形雙極性不歸零波形用正、負(fù)電平分別表示“1”，“0”碼。在整個(gè)碼元周期內(nèi)，“1”碼始終維持正電平，“0”碼始終維持負(fù)電平，如圖3-2（c）所示。4、 雙極性歸零波形雙極性歸零波形同樣用正、負(fù)電平分別表示“1”，“0”碼。區(qū)別在于，在每個(gè)碼元周期內(nèi)都會(huì)回到零電平，如圖3-2（d）所示。特點(diǎn)：電脈沖寬度小于碼元寬度，每個(gè)脈沖都回到零電位，且p(0)=p(1)時(shí)，無(wú)直流。7)TSl6：信令與復(fù)幀同步時(shí)隙，用于傳送話路信令，如呼叫、應(yīng)答等，在復(fù)幀結(jié)構(gòu)下分配使用。8)TS1～TS15和TS17～TS31：共30個(gè)時(shí)隙，傳送30路話音或數(shù)據(jù)信號(hào)的8位二進(jìn)制編碼碼組。（2）復(fù)幀結(jié)構(gòu)1)由16個(gè)幀組成，幀周期2ms。2)采用共路信令方式，將16個(gè)幀的TS16集中起來傳送信令，本路信令與本路語(yǔ)音不在一個(gè)時(shí)隙里傳送。3)設(shè)復(fù)幀中包含F(xiàn)0，F(xiàn)1，…F15共16個(gè)幀，則：F0的TS16前4位發(fā)復(fù)幀同步碼“0000”，第6位A2為復(fù)幀失步告警碼，其余位碼備用，可暫發(fā)“1”；F1～F15的TS16前4位碼用來依次傳送1～15話路的信令碼，后4位則依次傳送16～30話路的信令碼。5、 差分波形差分波形是用波形的相對(duì)變化表示“1”,“0”碼，與碼元本身電位或極性無(wú)關(guān)，亦稱相對(duì)碼（上述單雙極性碼亦可稱為絕對(duì)碼），如圖3-2（e）所示。其波形變換規(guī)則為：0碼：相鄰碼元電平不變；

1碼：相鄰碼元電平變化。由于差分波形依靠前后碼元波形的相對(duì)變化表示，因此，即使信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中出現(xiàn)了反相，接收端依然能正確的判決。6、 多電平波形多值（多電平）波形指多個(gè)二進(jìn)制符號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖的波形形式，如圖3-2（f）所示。數(shù)字基帶信號(hào)通常是一個(gè)隨機(jī)的脈沖序列。若其各碼元波形相同而電平取值不同，則可表示為

（3-1）3.2.2數(shù)字基帶信號(hào)頻譜特性式中，an是第n個(gè)碼元所對(duì)應(yīng)的電平值（隨機(jī)量）；Ts為碼元持續(xù)時(shí)間；g(t)為某種脈沖波形。數(shù)字基帶信號(hào)s(t)的頻譜特性可以用功率譜密度來描述。

設(shè)二進(jìn)制隨機(jī)信號(hào)為

（3-2）其中

則s(t)的功率譜密度為

（3-3）式中，為碼元速率；和分別為g1(t)和g2(t)的傅里葉變換。式(3-3)告訴我們以下結(jié)論：（1） 二進(jìn)制隨機(jī)信號(hào)的功率譜密度包括連續(xù)譜（第一項(xiàng)）和離散譜（第二項(xiàng)）。（2） 連續(xù)譜總是存在的，因?yàn)閷?shí)際中，譜的形狀取決于g1(t)和g2(t)的頻譜及概率p。（3