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诏顶冀
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1 第一部分通信原理笔记 1 由于 A/D 或 D/A 变换的过程通常由信源编 ( 译 ) 码器实现, 所以我们把发端的 A/D 变换称为信源编码, 而收端的 D/A 变换称为信源译码, 如语音信号的数字化叫做语音编码模拟信号的数字化又要经过抽样量化编码三个过程模拟信号数字化的编码方法大致可划分为波形编码参量编码和混合编码 3 抽样的定义及其抽样的分类: 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分类 : A. 根据信号分为 : 低通抽样定理和带通抽样定理 ; B. 根据抽样脉冲序列分 : 均匀抽样定理和非均匀抽样 C. 根据抽样的脉冲波形 : 理想抽样和实际抽样理想低通信号的抽样定理 : 定理 : 频带限制在 (,h) 的时间连续信号 m(t), 如果以 T<1/ h 秒的间隔对它进行等间隔抽样, 则 m(t) 将被所得到的抽样值完全确定意义 : 若要传输模拟信号, 不一定要传输模拟信号本身, 可以只传输按抽样定理得到的抽样因此, 抽样定理为模拟信号的数字传输奠定了理论基础 Ts= 1/(H) 是最大允许抽样间隔, 称为奈奎斯特间隔, 相

2 应的最低抽样速率 s=h 称为奈奎斯特速率 4 理想带通信号的抽样定理: 对于带通型信号, 如果按 s H 抽样, 虽然能满足频谱不混叠的要求但这样选择 s 太高了, 它会使 ~L 一大段频谱空隙得不到利用, 降低了信道的利用率 5 带通型抽样定理内容: 带通均匀抽样定理 : 带通信号 m(t), 其频率限制在 L 与 H 之间, 带宽为 B=H-L, n=(l/b) 取整数部分, 为了节约抽样速率, 可在 (_L) 间插入 n 个下边带, 那么抽样频率满足 : s max n L s min n 为了使抽样后的频谱相邻间隔相同, 常取 6 脉冲调制 H 1 s ( L n 1 H ) 脉冲调制就是以时间上离散的脉冲串作为载波, 用模拟基带信号 m(t) 去控制脉冲串的某参数, 使其按 m(t) 的规律变化按基带信号改变脉冲参量的不同, 把脉冲调制又分为脉幅调制 (PAM) 脉宽调制(PDM) 和脉位调制 (PPM) 脉冲振幅调制脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式窄脉冲序列进行实际抽样的两种脉冲振幅调制方式 : 自然抽样的脉冲调幅和平顶抽样的脉冲调幅

3 7 模拟信号的量化量化的定义 : 用预先规定的有限个电平来表示模拟抽样值的过程称为量化将这有限个电平称为量化电平抽样是把一个时间连续信号变换成时间离散的信号, 而量化则是将取值连续的抽样变成取值离散的抽样值序列量化会产生量化误差, 或称量化噪声根据量化间隔不同, 量化分为均匀量化和非均匀量化量化噪声的均方误差 ( 即平均功率 ) 为 N q 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 Δi 取决于输入信号的变化范围和量化电平数若设输入 b a v i v M 信号的最小值和最大值分别用 a 和 b 表示, 量化电平数为 M, 则均匀量化时的量化间隔为讨论 : E m mq x mq ( x) dx 量化信噪比随量化电平数 M 的增加而提高均匀量化器广泛应用于线性 A/D 变换接口, 均匀量化的不足 : 量化信噪比随信号电平的减小而下降通常, 把满足信噪比要求的输入信号的取值范围定义为动态范围, 在遥测遥控系统仪表图像信号的数字化接口中, 都使用均匀量化器但在语音信号数字化中, 均匀量化有一个明显的不足 : 量化信噪比随信号电平的减小而下降, 通过计算, 对语音采用均匀量化, 要达到 6dB 以则需编码成 11 位代码

4 8 6dB 原理 : S N q M v v 1 1 M 当 M=n S ( M ) 1lg n lg 6.n( db db ) N q 9 非均匀量化定义 : 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方式信号幅度越小, 量化间隔 Δv 也小 ; 反之亦大实现方法 ( 压缩扩张技术 ): 实现非均匀量化的方法之一是把输入量化器的信号 x 先进行压缩处理, 再把压缩的信号 y 进行均匀量化常用压缩器大多采用对数式压缩, 即 y=lnx 广泛采用的两种对数压扩特性是 μ 律压扩和 A 律压扩 (1)μ 律压扩特性 y ln( 1 ln( 1 x ) ), x 1 式中 x 压缩器归一化输入电压 y 压缩器归一化输出电压 55 μ 压缩器参数 ( 常选 ) 结论 : 小信号时, 可以改善量化信噪比, 大信号时, 会降低量化信噪

5 比相当于增加了输入信号的动态范围 ()A 律压扩特性式中 Ax y 1 ln A 1 ln( Ax) 1 ln A x 压缩器归一化输入电压,,1/ x 1/ A A x 1 y 压缩器归一化输出电压 A 87.6 A 压缩器参数 ( 常选 ) 压缩特性的近似实现 : 早期的 A 律和 μ 律压扩特性是用非线性模拟电路实现的, 随着数字电路特别是大规模集成电路的发展, 另一种压扩技术数字压扩, 日益获得广泛的应用它是利用数字电路形成许多折线来逼近对数压扩特性在实际中常采用的方法有两种 : 一种是采用 13 折线近似 A 律压缩特性, 另一种是采用 15 折线近似 μ 律压缩特性我国的 PCM3/3 路基群也采用 A 律 13 折线压缩特性 CCITT 建议 G.711 规定在国际间数字系统相互连接时, 要以 A 律为标准因此这里重点介绍 A 律 13 折线 A 律 13 折线 : 用 13 段折线逼近 A=87.6 的 A 律压缩特性具体方法是 : 对 x 轴不均匀分成 8 段, 分段的方法是每次以二分之一对分 ; 对 y 轴在 ~1 范围内均匀分成 8 段, 每段间隔均为 1/8 然后把 x,y 各对应段的交点连接起来构成 8 段直线其中第 1 段斜

6 率相同 ( 均为 16), 因此可视为一条直线段, 故实际上只有 7 根斜率不同的折线 μ 律 15 折线 : 用 15 段折线逼近 μ=55 的 μ 律压缩特性 1 脉冲编码调制基本概念 : 把量化的电平值表示成二进制码组的过程称为编码, 相反的过程称为译码将模拟信号的经过抽样量化编码为数字信号, 然后再变换成代码传输, 这种方式称为脉冲编码调制 (PCM) PAM 和 PCM 的区别 : PAM 是时间离散幅度连续的模拟信号 PCM 是时间离散幅度离散的数字信号模拟信号通过抽样后得到 PAM 信号, 再通过量化编码后得到 PCM 信号在 PCM 中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与自然二进码相比, 折叠二进码的优点是, 对于语音这样的双极性信号, 只要绝对值相同, 则可以采用单极性编码的方法, 使编码过程大大简化另一个优点是, 在传输过程中出现误码, 对小信号影响较小在 PCM 通信编码中, 折叠二进码比自然二进码和格雷码优越, 它是 A 律 13 折线 PCM 3/3 路基群设备中所采用的码型 11 PCM 编码的方法 (A 律 13 折线编码 )

7 基本原理 : 在 13 折线编码中, 普遍采用 8 位二进制码, 对应有 M = 8 = 56 个量化级, 即正负输入幅度范围内各有 18 个量化级, 这需要将 13 折线中的每个折线段再均匀划分 16 个量化级, 由于每个段落长度不均匀, 因此正或负输入的 8 个段落被划分成 8 16 = 18 个不均匀的量化级按折叠二进码的码型, 这 8 位码的安排如下 : 极性码段落码段内码 C1 CC3C4 C5C6C7C8 其中第 1 位码 C1 的数值 1 或分别表示信号的正负极性, 称为极性码,C1=1, 代表正极性第至第 4 位码 C C3 C4 为段落码, 代表 8 个段落的起点电平第 5 至第 8 位码 C5 C 6C 7C8 为段内码, 这 4 位码的 16 种可能状态用来分别代表每一段落内的 16 个均匀划分的量化级各段的特点 :(1)Δ 的含义 : 段内的 16 个量化级均匀划分, 小信号时, 段落短, 量化间隔小大信号时, 段落长, 量化间隔大第一二段最短, 只有归一化的 1/18, 再将它等分 16 小段, 每一小段长度最小的量化级间隔为 Δ, 它是输入信号归一化值的 1/48, 代表一个量化单位最大信号为 48 Δ 可见, 在保证小信号时的量化间隔相同的条件下,7 位非线性编码与 11 位线性编码等效 () 每段的起始电平和终止电平 1 : -16 Δ () : 16 Δ -3 Δ (1)

8 3 : 3 Δ -64 Δ (1) 4 : 64 Δ -18 Δ (11) 5 : 18 Δ -56 Δ (1) 6 : 56 Δ -51 (11) 7 : 51 Δ -14 Δ (11) 8 : 14 Δ -48 Δ (111) (3)C5C6C7C8 的安排及其每段时各位所对应的权值 : 看书上表格 C5C6C7C8 ( 8 4 1)* Δi 由 Δi 第 1 到第 8 段, 分别为 Δ, Δ, Δ,4Δ,8Δ, 16Δ, 3Δ,64Δ 译码 : 将编码的代码翻译成模拟量的过程抛开极性码后, 有 7/11 和 7/1 两种 7/1 精度更高将 7/11 译码的结果加上 1 PCM 信号的速率和带宽率为设编码位数为 n, 采样速率为 s, 信号路数为 m, 则数字信号速 Bnull R b 所需系统最小宽度 13 PCM 系统的抗噪声性能占空比为 1 时, 信号带宽 PCM 系统性能涉及两种噪声 : 量化噪声和信道加性噪声考虑两种噪声时,PCM 系统接收端低通滤波器的输出为 =m(t)+nq(t)+ne(t) m(t) 输出端所需信号成分 ; nq(t) 量化噪声的输出, 其功率 Nq; B 1 R b

9 ne(t) 信道噪声引起的输出噪声, 功率 Ne 在输入信号区间 [-a,a] 均匀分布并对它均匀量化, 其量化电平数为 M 那么, 量化噪声功率为 ( v) E eq ( kt s ) 输出信噪比为 1 s E [ m ( t )] N M E [ n q ( t )] N 信噪比还可写成大信噪比时近似 : S N q S N B M H 小信噪比时近似 : S N M 4 Pe N 1 4 Pe 13 差分脉冲编码调制(DPCM): 线性预测 : 用前面若干时刻传输的抽样值来预测当前要传输的样值 DPCM 的基本思想是 : 利用相邻抽样值之间的相关性具体的方法是 : 用前一个时刻传输的抽样值来预测当前要传输的样值, 然后对预测的误差而不是样值本身进行编码传输在接收端再用接收的预测误差来修正当前的预测值 DPCM 的优点 : 量化台阶不变的情况下 ( 即量化噪声不变 ), 编码位数减少, 降低数码率, 压缩信号带宽在编码位数不变的情况下, 量化间隔减小, 量化噪声降低

10 14 ADPCM 为了在大的动态范围内以最佳的预测和量化来获得最佳的性能, 在 DPCM 基础上引入自适应技术, 称为自适应差分脉冲编码调制, 简称 ADPCM ADPCM 包括自适应预测和自适应量化自适应预测 : 预测器系数随信号的统计特性而自适应调整, 提高了预测信号的精度, 从而得到高预测增益自适应量化 : 指量化间隔随信号的变化而变化, 使量化误差达到最小 15 增量调制( delta modulation,δm) 增量调制的定义简称 ΔM 或 DM 是另一种模拟信号数字化的方法将模拟信号变换成仅由一位二进制组成的数字信号序列, 来表示相邻抽样值的相对大小, 通过相邻抽样值的相对变化反映模拟信号的变化规律. ΔM 又可以看成 DPCM 的特例, 即量化电平取两个, 且预测器是一个延迟为 T 的延迟线的 DPCM 系统调制系统在 PCM 中, 用一个码组来表示抽样, 码组位数大于 1; 而 ΔM 仅使用一位码组来表示抽样由 DPCM 的一般原理框图简化可以得到增量调制 ΔM 的原理框图 s ( ) db 1 lg(.4 N q k 3 s m )

11 3lg lg 1lg 14 s k 上式表明 : (1) ΔM 的信噪比与抽样速率 s 成立方关系, 即 s 每提高一倍, 量化信噪比提高 9dB 因此,ΔM 系统的抽样速率至少要在 16kHz 以上, 才能使量化信噪比达到 15dB 以上, 而抽样速率在 16 时分复用及 PCM3/3 系统 m 一. 时分复用的概念 (Time Division Multiplexing, TDM) 在数字通信中,PCM DPCM 都采用时分复用的方式来提高信道的利用率. 将时间帧划分成若干时隙, 各路信号占有各自时隙的方法来实现在同一信道上传输多路信号称为时分复用. 时分复用的理论基础是抽样定理在通信中, 同步技术在时分复用时占有很重要的地位优点 : 多路信号的复合和分路都是数字电路, 比 FDM 简单可靠 TDM 系统的非线性失真要求可降低几个基本概念 : 帧 (rame): 抽样时各路信号至少每轮一次抽样的总时间 ( 即开关旋转一周的时间 ), 也就是一个抽样周期 (tf=ts) 路时隙 : 和路的 PCM 信号每个样值所允许的时间间隔 (tc=ts/m) m 为复用路数. 位时隙 :1 位码占用的时间 (tb=tc/n) n 为编码位数. Rb m* n* 数码率 : s

12 PCM 一次群 ( PCM 3/3 系统 ) E 体系以单路 PCM 信号 (64kbps) 为基础, 将 3 路 PCM 合成为一次群. 传输的信息包括每路的话音信息和各种信令信息其数码率为 48Kbps. PCM3/3 帧结构中几个重要概念 : 15s 帧周期 : 复帧周期 : 16*15s 一帧周期包含 3 个路时隙,3 路话音. 1 个路时隙包含 8 个比特, 另个路时隙传输信令和同步码. 1 个路时隙 = 1 个比特 = *8 s s 时隙安排 (1) 3 个话路时隙 :TS1~TS15,TS17~TS31 () 帧同步时隙 :TS (3) 信令与复帧同步时隙 :TS16 PCM3/3 数码率 : R 8 k *3*8.48Mbps b 时分复用时 PCM 和 PAM 信号带宽合成后 PAM 信号带宽 = 合成后 PCM 信号带宽 = 17 PCM 复用和数字复接 R m* n* b s m* H

13 为了扩大数字通信容量, 形成二次群以上的高次群的方法通常有两种 :PCM 复用和数字复接 1. PCM 复用所谓 PCM 复用就是直接将多路信号编码复用. 数字复接数字复接是将几个低次群在时间的空隙上迭加合成高次群数字复接的方法数字复接的方法实际也就是数字复接同步的方法, 有同步复接和异步复接两种 18 准同步数字体系(PDH) 国际上主要有两大系列的准同步数字体系, 都经 ITU-T 推荐, 即 PCM4 路系列和 PCM3/3 路系列 ( 或者称为 E 体系和 T 体系 ) PCM 零次群和 PCM 高次群 PCM 零次群 PCM 通信最基本的传送单位是 64kbit/s, 即一路话音的编码, 因此它是零次的 PCM 子群速率介于 64kbit/s 和 48kbit/s 之间的信号称为子群子群速率主要考虑到下列因素 (1) 与某些传输介质相匹配 () 与某些业务种类相匹配 (3) 复接速率与其它等级相配合并有一定的规则性

14 PCM 子群还可用于用户环路和小容量的特殊通信需要高次群的接口码型 : 其中一次群二次群三次群的接口码型是 HDB3 码, 四次群的接口码型是 CMI 码 SDH 的概念 SDH 网是由一些 SDH 的网络单元 (NE) 组成的, 在光纤上进行同步信息传输复用分插和交叉连接的网络 (SDH 网中不含交换设备, 它只是交换局之间的传输手段 ) 同步数字体系的速率 : 同步数字体系最基本的模块信号 ( 即同步传递模块 ) 是 STM-1, 其速率为 155.5Mbit/s STM 1 STM 4 STM 16 STM Mbps 6.8Mbps 488.3Mbps Mbps SDH 帧结构 ITU-T 采纳了一种以字节为单位的矩形块状 ( 或称页状 ) 帧结构 STM-N 由 7 N 列 9 行组成, 即帧长度为 7 N 9 个字节或 7

15 N 9 8bit 帧周期为 15μs( 即一帧的时间 ) 对于 STM-1 而言, 帧长度为 7 9=43byte, 相当于 1944bit, 帧周期为 15 μ s, 由此可算出其速率为 / =155.5Mbit/s 段开销 (SOH) 区域净负荷 (Pay Load) 区域管理单元指针 (AU-PTR) 区域 SDH 复用结构 :SDH 的基本复用单元包括标准容器 (C), 虚容器 (VC), 支路单元 (TU), 支路单元组 (TUG), 管理单元 (AU) 和管理单元组 (AUG) 第二部分 1 通信系统的质量优劣主要取决于接收机的性能最佳接收理论研究从噪声中如何最好地提取有用信号最好或最佳的概念是在某个准则意义下说的一个相对概念带噪声的数字信号的接收过程是一个统计判决的过程 si 1 1 ( y) exp T [ y( t) s k i ( t)] n n ( ) dt si(y) 称为似然函数, 它是信号统计检测的依据 3 关于最佳接收的准则在数字通信系统中, 最直观且最合理的准则是最小差错概率准则 4 匹配滤波器最佳线性滤波器的设计有两种准则 : 使输出的信号波形与发送信号波形的均方误差最小, 由此导出维纳滤

16 波器 ; 使输出信噪比在某一特定时刻达到最大, 由此导出匹配滤波器线性滤波器所能给出的最大输出信噪比为它出现的条件是 H(ω)=KS*(ω)e-jωt max E n 这就是最佳线性滤波器的传输函数, 由于它是信号频谱的复共扼, 故称为匹配滤波器 5. 冲激响应 r h( t) 1 H ( ) e 1 d KS *( ) e jt jt e jt d K K K 1 s( ) e e * j j ( t t ) d j t ( t ) e d * d s( ) d S( ) ( t t) d Ks( t t) 为了获得物理可实现的匹配滤波器, 要求当 t< 时有 h(t)= 为了满足这个条件, 冲激响应 h(t) 应满足 : S(t-t)=, t< S(t)=, t>t 这个条件表明, 物理可实现的匹配滤波器其输入端的信号必须在它输出最大信噪比的时刻 t 之前结束对于接收机来说,t 是时间延迟, 通常总是希望时间延迟尽可能小, 因此一般情况可取 t=t

17 若输入信号为 s(t), 则匹配滤波器的输出信号为 so(t)=s(t)*h(t) KR ( t t ) s ( t ) Kst ( ) d 匹配滤波器的输出是输入的自相关函数第三部分同步原理 1 同步的定义接收信号和发送信号步调一致性称为同步同步的分类载波同步位同步 ( 字同步 ) 群同步( 帧同步 ) 网同步当采用相干解调时. 接收端需要与发射端同频同相的相干载波这个相干载波的获取就称为载波提取. 或称为载波同步数字通信中, 消息是相继的码元序列, 需知道每个码元的起止时刻在接收端产生与码元的频率和相位一致的定时脉冲序列的过程称为码元同步或位同步数字通信中的消息数字流, 总是用若干码元组成一个字, 又用若干字组成一句在接收端产生与字句起止时刻相一致的定时脉冲序列, 称为字同步和句同步, 统称为群同步或帧同步多用户相互通信组成了通信网在载波同步位同步和群同步之后, 为了保证通信网内各用户之间通信还必须实现网同步, 使得在整个网内有统一的时间节拍标准载波同步的方法提取载波的方法

18 分为插入导频法和直接法在发送有用信号的同时, 在适当的频率位置上, 插入一个 ( 或多个 ) 称为导频的正弦波, 接收端就由导频提取出载波, 这类方法称为插入导频法, 又称外同步不专门发送导频信号, 而在接收端直接从发送信号中提取载波, 这类方法称为直接法若低通滤波器的截止频率为 m,v(t) 经低通滤波器后, 就可以恢复出调制信号 m(t) 然而如果发端加入的导频不是正交载波, 则相乘器的输出除了有调制信号外, 还有直流分量, 这个直流分量通过低通滤波器对数字信号产生影响, 这就是发端导频正交插入的原因 3 位同步的方法位同步是指从接收的信号中提取码元定时的过程位同步的方法也可分为插入导频法和直接法两类这两类方法有时也分别称为外同步法和自同步法插入导频法 : 在基带信号频谱的零点插入所需的导频信号同步信号也可以在时域内插入直接法 : 滤波法已知非归零随机二进制序列, 不含位同步频率成分但是, 若对该信号进行某种变换, 例如, 变成归零脉冲后, 则该序列中就有 1/T 的位同步信号分量, 经窄带滤波, 可滤出此位同步分量, 再形成位同步脉冲

19 3G 的概念 : 第三代手机一般是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统从差错控制角度看, 信道可以分为三类 : 即随机信道突发信道和混合信道随机信道在随机信道中错码的出现是随机的, 且错码之间是统计独立的突发信道错码是成串集中出现的混合信道存在随机和突发两种错码常用的差错控制方法有以下几种 : 检错重发法接收端在收到的信码中检测出 ( 发现 ) 错码时, 即设法通知发送端重发, 直到正确收到为止前向纠错法接收端不仅能发现错码, 还能够确定错码的位置, 能够纠正它反馈校验法接收端将收到的信码原封不动地转发回发送端与原信码比较若发现错误则发端重发在信息码元序列中加入监督码元就称为差错控制编码, 有时也称为纠错编码差错控制编码原则上是以降低信息传输速率为代价来换取传输可靠性的提高

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Microsoft PowerPoint - 第八讲-12.pptx 4-6-8 三随机信号的相干函数两个随机信号和的相干函数定义为 : 若和为一线性系统的输入与输出, 则有 : 5 若和不相关 = = 相干函数在频率域表征两个随机信号各频率成份的互相关联程度相干函数大于而小于存在两种情况 : 5 相干函数大于而小于, 存在两种情况 : 连续和的系统是非线性的测量值中含有噪声, 即和是信号和噪声的叠加不相关与噪声信号不相关与噪声信号,,