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峥累季
4 years ago
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数据通信信号编码技术殷亚凤 yafeng@nju.edu.cn http://cs.

1 数据通信信号编码技术殷亚凤 Room 301, Building of CS

2 问题解答 1. 互联网上使用的编码方式 : UTF-8 是一种编码方式, 它用来实现 Unicode UTF-8 是目前互联网上使用最广的一种 Unicode 的实现方式 Unicode 是一个符号集, 它将世界上所有的符号都纳入其中, 每个符号对应一个码点, 且每个码点都被给予了一个独一无二的编码, 即码点值 Unicode 只是一个符号集, 它只规定了一个符号对应的二进制代码, 但并没有规定怎么进行存储, 则需要有统一的编码方式, 如 UTF hh/article/details/

$对于 n 个字节 (n > 1) 的符号, 第一个字节的前 n 位设置为 1, 第 n+1 位设置为 0, 后面的每个字节前 2 位设置为 10, 剩下的没有提及的二进制位, 就是该符号对应的 Unicode 码, 位高低顺序也相同汉字好 (Unicode 是 \u597d, 对应的二进制表示为 0101100101111101) 该 Unicode 应该采用 3 个字节来编码,$

3 问题解答 UTF-8 的编码规则 : A. 对于单字节的符号, 字节的第一位设为 0, 后面 7 位为这个符号的 Unicode 码因此对于英文字母, 其 UTF-8 编码与 ASCII 编码是一样的 B. 对于 n 个字节 (n > 1) 的符号, 第一个字节的前 n 位设置为 1, 第 n+1 位设置为 0, 后面的每个字节前 2 位设置为 10, 剩下的没有提及的二进制位, 就是该符号对应的 Unicode 码, 位高低顺序也相同汉字好 (Unicode 是 \u597d, 对应的二进制表示为 ) 该 Unicode 应该采用 3 个字节来编码, 因此第一个字节的开头应该是 1110, 第二三个字节则是以 10 开头, 因而可以得到其 UTF-8 的格式应该是 1110XXXX 10XXXXXX 10XXXXXX;

4 问题解答 2. 数字信号和模拟信号在信道里的区别 : 导向媒体非导向媒体发送方接收方决定信号的类型 3. 同轴电缆传输的信号类型 : 模拟信号数字信号 4. 全波整流

5 Signal Encoding Techniques 1. 数字数据, 数字信号数字基带传输 2. 数字数据, 模拟信号数 / 模转换 3. 模拟数据, 数字信号模 / 数转换 4. 模拟数据, 模拟信号调制, 复用

6 模拟数据数字化数字化 (digitization) 把模拟数据转变成数字信号的过程 : 直接使用 NRZ-L 编码技术传输 : 模拟数据数字信号通过转换使用非 NRZ-L 编码传输 : 模拟数据数字信号模拟数据转化为数字数据, 再转换为模拟信号编解码器 (codec) A/D 转换脉码调制 pulse code modulation, 增量调制 delta modulation

7 模拟数据数字化 3 steps:sampling, Quantitating, encoding

8 脉码调制 Pulse Code Modulation (PCM) 采样定理 : If a signal is sampled at regular intervals at a rate higher than twice the highest signal frequency, the samples contain all information in original signal 例如 4000Hz 音频数据要求 8000 采样 / 秒

9 脉码调制 Pulse Code Modulation (PCM) 采样定理 : If a signal is sampled at regular intervals at a rate higher than twice the highest signal frequency, the samples contain all information in original signal 例如 4000Hz 音频数据要求 8000 采样 / 秒对模拟信号进行采样脉幅调制 Pulse Amplitude Modulation (PAM) 为每个模拟样本赋予一个二进制码脉幅脉冲脉码脉冲

10 脉码调制举例量化 ( 近似 ) 编码

11 设模拟抽样信号的取值范围在 -a 和 a 之间, 量化电平数为 M, 则在均匀量化时的量化间隔为且量化区间的端点为 PCM 量化噪声设一个均匀量化器的量化电平数为 M, 其输入信号抽样值在区间 [-a, a] 内具有均匀的概率密度试求该量化器的平均信号量噪比 m i v = a ( a) M = a + i v i = 0, 1,, M 若量化输出电平 q i 取为量化间隔的中点, 则 mi + mi 1 qi =, i = 1,2,..., M 2 显然, 量化输出电平和量化前信号的抽样值一般不同, 即量化输出电平有误差这个误差常称为量化噪声, 并用信号功率与量化噪声之比衡量其对信号影响的大小

12 PCM Quantization Noise 设一个均匀量化器的量化电平数为 M, 其输入信号抽样值在区间 [-a, a] 内具有均匀的概率密度试求该量化器的平均信号量噪比令 m k 为模拟信号的抽样值 ;m q 为量化信号值 ; f(m k ) 为信号抽样值 m k 的概率密度 N q 量化噪声 = E[( m k m q 1 = = M m M i m 2 i 2 ( mk qi ) f ( mk ) dmk ( k i ) k m m q dm i 1 mi 1 i= 1 i= 1 2a M a+ i v v 1 = ( + + ) a+ ( i 1) v i= 1 2 2a 2 mk a i v dmk ( v) M 3 1 v M = = i= 1 2a 12 24a 因为 ) M v = 2a 2 ] = a -a ( m k m 3 所以 q ) 2 f ( m k ) dm ( ) v N q = 12 k 2 1 v mk a i v v 1 v =

13 PCM Quantization Noise 设一个均匀量化器的量化电平数为 M, 其输入信号抽样值在区间 [-a, a] 内具有均匀的概率密度试求该量化器的平均信号量噪比另外, 由于此信号具有均匀的概率密度, 故信号功率等于所以, 平均信号量噪比为 S0 2 = M N 或写成 S 由上式可以看出, 量化器的平均输出信号量噪比随量化电平数 M 的增大而提高 2 1 mk = dmk 2a M = a ( v) a q S N 0 q db = 20 lg M 12 db

14 典型的压扩函数问题 : 等间距量化导致无论信号电平是多少, 每个样本的绝对误差都相等结果振幅较低的地方失真较严重非线性编码

15 实际压扩函数 A law and u law are audio compression schemes (codecs) defined by Consultative Committee for International Telephony And Telegraphy (CCITT) G.711 which compress 16 bit linear PCM data down to eight bits of logarithmic data. A law Compander is primarily used by Europe and the rest of the world Ax, 1+ ln A y = 1+ ln Ax, 1+ ln A 1 0 x A 1 x 1 A u law Compander is used by North America and Japan y = ln ln ( 1+ x) ( 1+ )

16 增量调制 Delta Modulation (DM) 输入的模拟信号用一个阶梯函数来近似在每个采样周期上升或下降一个步长值 DM 通过近似一个模拟信号的导数, 而不是振幅值, 产生一个数据流 DM 具有二进制行为, 即在每个采样时刻, 函数上升或下降一个恒定的步长值 δ 输出可以用一个样本对应一个二进制值表示 1 表示 up / 0 表示 down

17 增量调制举例

18 增量调制编码器 : 前一时刻量化值增量当前时刻量化值预测误差 e k = m k m k 被量化成两个电平 + 和 - 值称为量化台阶这就是说, 量化器输出信号 r k 只取两个值 + 或 - 因此,r k 可以用一个二进制符号表示例如, 用 1 表示 +, 及用 0 表示 - 增量前一时刻量化值当前时刻量化值译码器 : 译码器由延迟相加电路组成, 它和编码器中的相同

19 PCM 调制 vs. Delta 调制 DM 和 PCM 相比实现简单, 在数据率相同的条件下 PCM 具有较好的信噪比 PCM 编码表示话音数据, 需要更多的带宽话音带宽 4kHz,128 级量化 (7 bit) 数据率 8000 x 7 = 56kbps 数字信号传输带宽 56/2=28kHz 仍然采用数字技术传输模拟信号使用转发器, 时分复用解决交调噪声, 数字交换技术对于代表数字数据的模拟信号数字化时, PCM 比 DM 更可取

20 Signal Encoding Techniques 1. 数字数据, 数字信号数字基带传输 2. 数字数据, 模拟信号数 / 模转换 3. 模拟数据, 数字信号模 / 数转换 4. 模拟数据, 模拟信号调制, 复用

21 模拟调制系统将数据信号与载波信号合并的过程为什么调制模拟信号? 高频信号更适于有效信号传输 ( 如天线长度要求 ) 允许使用频分复用扩展信号带宽, 提高系统抗干扰能力, 还可实现传输带与信噪比之间的转换模拟数据调制技术调幅 Amplitude 调频 Frequency 调相 Phase 南京广电集团南京交通广播 FM 102.4, 经济广播 AM 900 新闻广播 AM 1008/FM106.9

22 调幅 Amplitude Modulation 幅度调制是用调制信号去控制高频载波的振幅, 使其按调制信号的规律而变化的过程 m(t) + s AM (t) A 0 cos c t 时域表示式 s ( t) = [ A + m( t)]cos t = A cos t + m( t)cos t AM 0 c 0 c c m(t) - 调制信号 ;A 0 - 直流分量

23 调幅 Amplitude Modulation 幅度调制是用调制信号去控制高频载波的振幅, 使其按调制信号的规律而变化的过程 m( t) 时域表示式 t s ( t) = [ A + m( t)]cos t = A cos t + m( t)cos t AM 0 c 0 c c A0 ( ) + m t m(t) - 调制信号 ;A 0 - 直流分量载波 sam ( t) t t t

24 调幅 Amplitude Modulation 幅度调制是用调制信号去控制高频载波的振幅, 使其按调制信号的规律而变化的过程 m( t) 时域表示式 t s ( t) = [ A + m( t)]cos t = A cos t + m( t)cos t AM 0 c 0 c c A0 ( ) + m t m(t) - 调制信号 ;A 0 - 直流分量归一化的载波和输入信号 s( t) = [1 + n a x( t)]cos 2 f x(t) = 归一化输入信号 n a = 输入信号与载波振幅比 ( 调制系数 n a < 1) c t 载波 sam ( t) t t t

25 调幅 Amplitude Modulation 归一化的载波和输入信号 s( t) = [1 + n a x( t)]cos 2 f 双边带载波传输 : DSBTC s( t) = [1 + n cos 2 f t]cos 2 f t = cos 2 ft a m c c na + cos 2 ( fc fm) t 2 na + cos 2 ( fc + fm) t 2 包含 (1) 载波频率 (2) 一对频率成分, 分别与载波 f c 偏移 f m Hz c t

26 调幅带宽

27 调幅带宽 AM 信号在 1Ω 电阻上的平均功率应等于 s AM (t) 的均方值当 m(t) 为确知信号时,s AM (t) 的均方值即为其平方的时间平均, 即 P = s ( t) = [ A + m( t)] cos t AM AM 0 c = [ A cos t + m ( t)cos t + 2 A m( t)cos t c c 0 c 若 m( t) = 0, 则有 2 2 A0 m ( t) P AM = + = Pc P S 式中 P c = A 02 /2 - 载波功率, P s = m 2 ( t) / 2 - 边带功率

28 调幅带宽 s( t) = [1 + n a x( t)]cos 2 f c t P t 是信号 s(t) 的总传输功率 P P n 2 t = c (1 + a ) P c 是载波传输功率调制效率 n = 1 + n 2 a 2 a max =?

29 AM 解调 DSB 抑制载波双边带调制 DSB-SC, 简称 DSB AM 信号中, 载波分量不携带信息, 可以将载波抑制, 减少功率消耗时域表示式 : 无直流分量 A 0 s ( t) = m( t) cos t DSB 频谱 : 无载频分量 S 1 ) = [ M ( + c) + M ( )] 2 DSB ( c c

30 DSB 调制时域表示式 : 无直流分量 A 0 s ( t) = m( t) cos t 频谱 : 无载频分量曲线 : S DSB DSB 1 ( ) = [ M ( + c) + M ( c)] 2 c t M ( ) ( 信号波形参考下一页 ) H H sdsb ( t) t SDSB ( ) t c 0 c

31 傅里叶级数 / 傅里叶变换

32 DSB 调制时域表示式 : 无直流分量 A 0 s ( t) = m( t) cos t 频谱 : 无载频分量特点 : S DSB 1 ) = [ M ( + c) + M ( )] 2 DSB ( c 1. 调制效率 100% 2. 节省载波功率 3. 缺点 : 不能用包络检波, 需要使用相干解调, 较复杂无法从载波中提取同步信息 c

33 DSB 解调时域表示式 : 无直流分量 A 0 s ( t) = m( t) cos t DSB DSB 相干解调 sm ( t ) sp ( t ) s ( t) ( ) = cos c c t ( ) = ( ) cos s t s t t p m c t c LPF 1 1 = m( t) + m( t) cos 2 ct sd t m () t m t 2 ( ) = ( ) d

34 SSB 调制单边带调制 (SSB) 原理 : 双边带信号两个边带中的任意一个都包含了调制信号频谱 M( ) 的所有频谱成分, 因此仅传输其中一个边带即可这样既节省发送功率, 还可节省一半传输频带, 这种方式称为单边带调制产生 SSB 信号的方法 : 滤波法和相移法

35 SSB 调制滤波法及 SSB 信号的频域表示滤波法的原理方框图 - 用边带滤波器, 滤除不要的边带 : mt ( ) s ( t) 载波 c( t) DSB H ( ) sssb 图中,H( ) 为单边带滤波器的传输函数, 若它具有如下理想高通特性, 则可滤除下边带 : ( t) 1, H( ) = HUSB ( ) = 0, c c 若具有如下理想低通特性 : 则可滤除上边带 1, H( ) = HLSB ( ) = 0, c c

36 SSB 调制滤波法及 SSB 信号的频域表示滤波法的原理方框图 - 用边带滤波器, 滤除不要的边带 : SDSB ( ) mt ( ) s ( t) 载波 c( t) DSB H ( ) sssb ( t) M( ) - H O H c 0 H USB ( ) c S M ( ) 上边带下边带下边带上边带 - c O c c 0 SUSB ( ) c - c 上边带频谱 O c 下边带频谱 c 0 c - c O c

37 SSB 信号的解调 SSB 调制 SSB 信号的解调和 DSB 一样, 不能采用简单的包络检波, 因为 SSB 信号也是抑制载波的已调信号, 它的包络不能直接反映调制信号的变化, 所以仍需采用相干解调 SSB 信号的性能 SSB 信号的实现比 AM DSB 要复杂, 但 SSB 调制方式在传输信息时, 不仅可节省发射功率, 而且它所占用的频带宽度比 AM DSB 减少了一半它目前已成为短波通信中一种重要的调制方式

38 角度调制 FM 和 PM 信号的一般表达式角度调制信号的一般表达式为 s ( t) = Acos[ t + ( t)] m 式中,A - 载波的恒定振幅 [ c t + (t)] = (t) - 信号的瞬时相位 (t) - 瞬时相位偏移 c d[ c t + (t)]/dt = (t)- 瞬时角频率 d (t)/dt - 瞬时频率偏移

39 角度调制 PM- 调相 S( t) = A c cos[2 f ct ( t) = n + ( t)] m( t) p FM- 调频 S( t) = A c cos[2 f '( t) = c t + ( t)] n m( t) 频率可以被定义为信号相位的变化速率 s ( t) = Acos[ t + n m( t)] PM c p sfm ( t) = Acos[ ct + n f m( ) d ] f

40 FM 与 PM 之间的关系角度调制由于频率和相位之间存在微分与积分的关系, 所以 FM 与 PM 之间是可以相互转换的比较下面两式 s ( t) = Acos[ t + n m( t)] PM c p sfm ( t) = Acos[ ct + n f m( ) d ] 如果将调制信号先微分, 而后进行调频, 则得到的是调相波, 这种方式叫间接调相 ; 同样, 如果将调制信号先积分, 而后进行调相, 则得到的是调频波, 这种方式叫间接调频

41 FM 与 PM 之间的关系角度调制如果将调制信号先微分, 而后进行调频, 则得到的是调相波, 这种方式叫间接调相 ; 同样, 如果将调制信号先积分, 而后进行调相, 则得到的是调频波, 这种方式叫间接调频 mt ( ) FM sfm ( t) 调制器 (a) 直接调频 mt ( ) PM spm ( t) 调制器 (c) 直接调相 mt ( ) PM sfm ( t) 积分器 (b) 间接调频调制器 mt ( ) FM spm ( t) 微分器 (d) 间接调相调制器

42 特点与应用 AM: 优点是接收设备简单 ; 缺点是功率利用率低, 抗干扰能力差主要用在中波和短波调幅广播 DSB 调制 : 优点是功率利用率高, 且带宽与 AM 相同, 但设备较复杂应用较少, 一般用于点对点专用通信 SSB 调制 : 优点是功率利用率和频带利用率都较高, 抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于 AM, 而带宽只有 AM 的一半 ; 缺点是发送和接收设备都复杂 SSB 常用于频分多路复用系统中 FM: FM 的抗干扰能力强, 广泛应用于长距离高质量的通信系统中缺点是频带利用率低, 存在门限效应

43 调频立体声广播原理 :FM 立体声广播中, 声音在空间上被分成两路音频信号, 一个左声道信号 L, 一个右声道信号 R, 频率都在 50Hz 到 15kHz 之间左声道与右声道相加形成和信号 (L+R), 相减形成差信号 (L-R) 在调频之前, 差信号 (L-R) 先对 38kHz 的副载波进行抑制载波双边带 (DSB-SC) 调制, 然后与和信号 (L+R) 进行频分复用后, 作为 FM 立体声广播的基带信号, 其形成过程如下图所示 : 差信号和信号

44 调频立体声广播 0~15kHz 用于传送 (L+R) 信号 23kHz~53kHz 用于传送 (L-R) 信号 59kHz~75kHz 则用作辅助通道 (L-R) 信号的载波频率为 38kHz 在 19kHz 处发送一个单频信号 ( 导频 ) 在普通调频广播中, 只发送 0 15kHz 的 (L+R) 信号

45 立体声广播信号的解调调频立体声广播倍频接收立体声广播后先进行鉴频, 得到频分复用信号对频分复用信号进行相应的分离, 以恢复出左声道信号 L 和右声道信号 R

46 AM 和 FM

47 课程思考 / 测试题课程相关问题 ( 辅助理解, 无需提交, 不计成绩 ):

48 课程习题 ( 作业 ) 课本 ( 截止日期 :4.14 日晚 23:55): 5.15; 5.16; 5.17; 5.20; 5.21; 5.22; 5.23; 5.25 提交方式 : 请大家尽量提交 word 文件, 方便系统查重 ( 命名 : 学号 + 姓名 + 第 * 章 ) 若提交遇到问题请及时发邮件或在下一次上课时反馈

49 课程习题 ( 作业 )

50 课程习题 ( 作业 )

51 课程习题 ( 作业 )

52 课外作业 ( 开发类,5 月 15 日前完成 ) 两台设备 A 和 B,A 为手机或者电脑,B 为电脑如果 A 为智能手机 / 手表 / 感知模块, 请将 A 感知到的传感器数据 ( 如图像声音惯性传感器数据等 ) 实时发送到 B, 并在 B 端处理后立即将结果发给 A 显示 (Online, harder, higher score) 如果 A 为电脑, 请在 A 读取某个图像视频音频文件等数据 ( 由自己的手机录制相关数据 ), 并将 A 获得的数据发送到 B, 在 B 处理完数据后立即将结果发回 A 显示 (Offline) 作业目标 : 检测人脸朝向判断声源的发射方位计算设备 A 的姿态等

53 课外作业 ( 报告类,5 月 15 日前完成 ) 可选主题 : 移动场景下的数据通信质量如何保护移动设备用户的隐私如何采用群智感知技术实现热点位置推荐多 WiFi 接入点环境下出现的机遇与挑战 ( 可自拟与本课程内容相关的其他题目 ) 开发类报告类, 二选一完成个人独立完成开发类包含源码可运行的程序对应的技术文档 (>=5 页 ), 报告类对应的文档 >=6 页完成基本内容的前提下 :Online 基准分为 10 分,15 分为上限 ;Offline 基准分为 8 分,15 分为上限 ; 报告类基准分为 6 分,10 分为上限

54 总结问题? 殷亚凤 Room 301, Building of CS

Microsoft PowerPoint 第4章.ppt

Microsoft PowerPoint 第4章.ppt 对抑制载波双边带调幅 (DB) 信号 s () 采用如图所示的相干解调, 基带信号的频谱 M ( ) 如图所示 ( ) osω. 设 ω 试画出 a,b 两点信号的频谱图 ; 4 π rad/s. 设 ( ) os( ω + ϕ ) ( ) ( ) osω ( ) n n n snω s 试求 b 点信号及噪声的时域表达式和信噪比 () () 图 a H ( jω ) b.4 M( ).. 图.4