先进制造技术是近几年提得较多,叫得较响的一个专用词语,而且先进制造技术在机械制造业领域中的应用越来越广泛而深入,并取得了很大的成绩

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1 面向 21 世纪全国高职高专通信工程类规划教材 现代通信原理与技术简明教程 张平川主编 吴保奎王学立蔡卫平副主编侯伯民赵建国

2 内容简介 本书分三大部分, 第一部分全面系统介绍了现代通信的基本概念和基本原理, 包括模拟和数字两大部分, 以数字通信为主, 同时介绍了一些新的调制解调技术以反映通信技术的最新发展 ; 第二部分以现代数字通信系统为背景, 介绍了一些常用的通信系统 ; 第三部分对有关通信原理方面的实验与实训指导进行了详细介绍 另外, 以附录的形式增加了课堂实践内容和实验实训电路原理图, 以方便学生课程设计, 有利于学生技能的提高 本书内容精炼, 针对性强, 语言简洁, 理论联系实际, 对基本原理的分析深入浅出, 充分考虑了高职学生的文化基础和学习能力, 插图丰富, 示意性较强 具有简明 实用 系统 新颖的特点 本书主要作为通信工程或电子信息专业高职学生的教材, 也可作为相关领域科技人员的参考读物或培训教材 图书在版编目 (CIP) 数据 现代通信原理与技术简明教程 / 张平川主编. 北京 : 北京大学出版社, ( 面向 21 世纪全国高职高专通信工程类规划教材 ) ISBN I. 现 II. 张 III.1 通信理论 - 高等学校 : 技术学校 教材 2 通信技术 高等学校 : 技术学校 - 教材 IV.TN91 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2005) 第 号 书 名 : 现代通信原理与技术简明教程 著作责任者 : 张平川主编 责任编辑 : 桂春韩玲玲 标准书号 :ISBN /TN 0025 出版者 : 北京大学出版社 地址 : 北京市海淀区成府路 205 号 电话 : 邮购部 发行部 编辑部 网 址 : 电子信箱 :xxjs@pup.pku.edu.cn 印刷者 : 发行者 : 北京大学出版社 经销者 : 新华书店 定 787 毫米 980 毫米 16 开本 17.5 印张 320 千字 2006 年 1 月第 1 版 2006 年 1 月第 1 次印刷 价 :22.00 元

3 前 言 我们正处在信息技术蓬勃发展的阶段 以微电子 通信和计算机为代表的信息产业的发展使人类生活方式发生着日新月异的变革 现代通信技术向着更加广泛的领域渗透, 特别是通信技术和计算机技术的密切结合, 正在以前所未有的力度促进通信网 计算机网和综合业务数字网的融合 目前, 作为高职层次的电子信息专业, 通信原理和技术是一门重要的专业课, 通信原理教材主要存在的问题有过分偏重原理的讲解 忽略实用通信系统的介绍 缺乏课程设计和实验实训的指导等, 不利于实现教学目标和培养要求, 所以我们根据新的教学大纲和培养目标以及课程基本要求, 结合多年来的教学经验编成本书, 力求系统 简明 实用 新颖 本书的特点有 : (1) 系统性强, 内容连贯 ; 突出基本概念 基本原理的介绍, 减少了不必要的数学推导和计算 ; 注重通信技术在实际通信系统中的应用, 注意吸收新技术和新的通信系统 ; 注意知识的归纳总结并附有小结和适量的习题 (2) 本书语言简练 通俗易懂, 深入浅出, 适用面宽, 可用作高等职业院校电子信息专业或通信专业的教材, 也可供相应的工程技术人员参考 (3) 为了方便学生进行通信原理的课程设计, 提高应用能力, 增加了课程设计参考电路 本书系统介绍了模拟信号数字化 数字信号的基带传输 数字信号的频带传输 复用复接技术和同步原理 差错控制编码技术及 m 序列等通信原理和技术 同时介绍了一些新的调制解调技术以反映通信技术的最新发展, 特别介绍了一些常用的通信系统 全书分三大部分共 8 章, 参考学时为 60~80 个, 其中实验实训学时 18 个 第一部分是现代通信原理与技术, 由 7 章组成, 其中第 1 章绪论, 第 2 章模拟调制技术, 第 3 章模拟信号的数字化技术 ; 第 4 章数字基带传输技术 ; 第 5 章数字频带传输技术 ; 第 6 章数字复用复接技术和同步原理 ; 第 7 章差错控制编码和 m 序列 ; 第二部分是现代通信系统介绍, 主要是第 8 章现代数字通信系统介绍 ; 第三部分是常用通信英文名词与实验实训指导 第 1 2 章由九江职业技术学院的蔡卫平老师编写, 第 5 章和附录 1 由黑龙江信息技术职业学院的赵建国老师编写, 第 4 6 章由郑州铁路职业技术学院的王学立老师编写, 第 3 7 章由漯河职业技术学院的吴保奎老师编写 ; 第二部分 8.1~8.4 和附录 1 2 由沈阳职业技术学院的侯伯民老师编写, 第二部分 8.5~8.8 和第三部分以及附录 3 由漯河职业技术学院的张平川老师编写 全书由张平川老师统稿 限于编者水平, 书中缺点错误在所难免, 不当之处, 欢迎读者批评指正 编者 2005 年 12 月

4 目 录 第一部分现代通信原理与技术...1 第 1 章绪论 通信的基本概念 通信的定义 通信的分类 通信方式 通信系统的组成及主要性能指标 模拟通信系统 数字通信系统 通信系统的主要性能指标 通信技术发展概况 通信发展简史 通信技术的现状和发展趋势 小结 习题...16 第 2 章模拟调制技术 幅度调制的原理 调幅 (AM) 抑制载波双边带调制 (DSB-SC) 单边带调制 (SSB) 残留边带调制 (VSB) 非线性调制 ( 角调制 ) 的原理 角调制的基本概念 调频信号的产生与解调 模拟调制系统的特点与应用 小结 习题...27

5 II 现代通信原理与技术简明教程 第 3 章模拟信号的数字化技术 抽样定理和幅度脉冲调制 抽样定理 幅度脉冲调制 脉冲编码调制 (PCM) 量化 编码和译码 PCM 系统的性能 自适应差分脉冲编码调制 ADPCM 差分脉码调制 (DPCM) ADPCM 增量调制 (ΔM) 简单增量调制 PCM 与 ΔM 系统的比较 小结 习题...50 第 4 章数字基带传输技术 数字基带传输概述 数字基带信号 基带传输的常用码型 基带脉冲传输与码间串扰 无码间串扰的基带传输特性 无码间串扰基带系统的抗噪声性能 眼图 均衡技术 时域均衡原理 时域均衡分类 部分响应系统 小结 习题...70 第 5 章数字频带传输技术 二进制数字调制与解调原理 二进制振幅键控 (2ASK) 二进制移频键控 (2FSK)...75

6 目录 III 二进制移相键控 (2PSK) 二进制差分相位键控 (2DPSK) 二进制数字调制系统的性能比较 多进制数字调制系统 多进制数字振幅调制系统 多进制数字频率调制系统 多进制数字相位调制系统 现代数字调制技术 正交振幅调制 QAM 最小频移键控 MSK 高斯滤波的最小频移键控 GMSK 小结 习题...98 第 6 章数字复用复接技术和同步原理 频分复用 (FDM) 频分复用原理 模拟电话多路复用系统 调频立体声广播 (FM Stereo Broadcasting) 时分复用 (TDM) 时分复用原理 PCM 基群帧结构 PCM 高次群 数字复接技术 SDH 复用原理 SDH 的特点 SDH 复用原理 同步原理 概述 载波同步 位同步 群同步 小结 习题 第 7 章差错控制编码和 m 序列

7 IV 现代通信原理与技术简明教程 7.1 概述 信道编码 差错控制方式 纠错码的分类 纠错编码的基本原理 常用的几种编码技术码 简单编码技术 线性分组码 循环码 卷积码 m 序列 m 序列的产生 m 序列的性质 m 序列的应用 小结 习题 第二部分现代通信系统介绍 第 8 章现代数字通信系统介绍 计算机通信网 Internet 和 Intranet 概述 Internet 应当解决的问题 TCP/IP 协议的组成 结构与功能 Internet 的 IP 地址和域名 统一资源定位符 (URL) 的格式及使用 军事通信系统 自动化防空系统 陆军的战术通信 通用通信系统 战略 C4ISR 系统 VSAT 卫星通信网 数字微波通信系统 数字微波通信系统的组成 微波系统的主要技术指标

8 目录 V 8.5 GSM 数字蜂窝移动通信系统 GSM 数字蜂窝移动通信的基本概念 GSM 系统的主要性能和特点 GSM 系统的结构及功能 GSM 的业务功能和信道类型 GSM 的技术指标 GSM 系统新进展 码分多址 (CDMA) 蜂窝移动通信系统 CDMA 系统原理及特点 CDMA 系统的关键技术 第三代移动通信系统 (3G) 数字光纤通信系统 光纤通信基本概念 数字光纤通信系统的组成 光纤和光缆 波分复用技术 (WDM) 光纤通信的发展趋势 WAP 和软件无线电 WAP(Wireless Application Protocol) 软件无线电 蓝牙技术 小结 习题 第三部分实验实训指导 实验实训一 M 序列发生器 实验实训二数字基带信号产生及波形变换 实验实训三 HDB3 编译码 实验实训四数字时分复用信号的分接 实验实训五位同步信号提取 实验实训六帧同步信号提取 实验实训七幅度键控 2ASK 调制与解调

9 VI 现代通信原理与技术简明教程 实验实训八频率键控 (2FSK) 调制与解调 实验实训九 2PSK/2DPSK 调制与解调 实验实训十循环码编解码 实验实训十一抽样定理及脉冲振幅调制 (PAM) 与解调 实验实训十二脉冲编码调制 (PCM) 与解调 实验实训十三增量调制 (DM) 编译码 实验实训十四语音信号发生器 附录 1 常用通信英文缩略语和术语 附录 2 课堂实践 附录 3 实验室实训电路原理图 参考文献

10 第一部分 现代通信原理与技术

11 第 1 章绪 论 随着数字通信技术和计算机技术的快速发展, 以及通信网络与计算机网络的相互融合, 信息科学技术已经成为 21 世纪国际社会和世界经济发展的强大推动力 信息作为一种资源, 只有通过广泛的传播与交流, 才能产生利用价值 促进合作 创造出巨大的经济效益 信息的传播与交流, 是依靠各种通信方式和技术实现的 学习和掌握通信原理和技术是电子信息专业人员的重要任务 1.1 通信的基本概念 从古到今, 人类的社会活动总离不开消息的传递和交换, 古代的消息树 烽火台和驿马传令, 以及现代社会的文字 书信 电报 电话 广播 电视 遥控 遥测等, 都是消息传递的方式或信息交流的手段 人们可以用语言 文字 数据或图像等不同的形式来表达信息 但是这些语言 文字 数据或图像本身不是信息而是消息, 信息是消息中所包含的人们原来不知而待知的内容 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 信息传输 或 消息传输 通信的定义 通信从本质上讲就是实现信息传递功能的一门科学技术, 它要将大量有用的信息无失真 高效率地进行传输, 同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉 当今的通信不仅要有效地传递信息, 而且还有存储 处理 采集及显示等功能, 通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分 通信的分类 1. 按传输媒质分类 按消息由一地向另一地传递时传输媒质的不同, 通信可分为两大类 : 一类称为有线通信, 另一类称为无线通信 所谓有线通信, 是指传输媒质为导线 电缆 光缆 波导等形

12 第 1 章绪论 3 式的通信, 其特点是媒质能看得见 摸得着 导线可以是架空明线 电缆 光缆及波导等 所谓无线通信, 是指传输消息的媒质为看不见 摸不着的媒质 ( 如电磁波 ) 的一种通信形式 通常, 有线通信亦可进一步再分类, 如明线通信 电缆通信 光缆通信等 无线通信常见的形式有微波通信 短波通信 移动通信 卫星通信 散射通信等, 其形式较多 2. 按信道中所传信号的不同分类 信道是个抽象的概念 这里我们可理解成传输信号的通路 通常信道中传送的信号可分为数字信号和模拟信号, 由此通信亦可分为数字通信和模拟通信 凡信号的某一参量 ( 如连续波的振幅 频率 相位, 脉冲波的振幅 宽度 位置等 ) 可以取无限多个数值, 且直接与消息相对应的, 称为模拟信号 3. 按工作频段分类 ( 如表 1-1 所示 ) 表 1-1 通信使用的频段及主要用途 频率范围 f 波长 λ 频段名称 常用介质 典型用途 3Hz~30kHz 10 8 ~10 4 m 甚低频 VHF 有线线对长波无线电 音频 电话 数据终端 长距离导航 时标 30~300kHz 10 4 ~10 3 m 低频 LF 有线线对 导航 信标 电力线通信 长波无线电 300kHz~ 3MHz 10 3 ~10 2 m 中频 MF 同轴电缆中波无线电 调幅广播 移动陆地通信 业余无线电 3~30MHz 10 2 ~1m 高频 HF 同轴电缆 短波无线电 移动无线电话 短波广播 定点军用通信 业余无线电 30~300MHz 100~10cm 甚高频 VHF 同轴电缆 米波无线电 电视 FM 广播 空中管制 车辆通信 导航 集群通信 无线寻呼 300~3GHz 100~10cm 特高频 UHF 波导 分米波无线电 电视 空间遥感 导航 点对点通信 移动通信 3~30GHz 10~1cm 超高频 SHF 波导 厘米波 雷达 微波接力 卫星和空间通信 无线电 30~300GHz 10~1mm 极高频 EHF 波导 毫米波 雷达 微波接力 射电天文学 无线电 10 5 ~10 7 GHz ~ cm 紫外 可见光 红外 光纤 激光空间传播 光通信 通信中工作频率和工作波长可互换, 公式为 λ=c/f, 式中 λ 为工作波长 ;f 为工作频率 ; C 为电波在自由空间中的传播速度, 通常认为 C= m/s

13 4 现代通信原理与技术简明教程 4. 按调制方式分类 根据消息在送到信道之前是否采用调制, 通信可分为基带传输和频带传输 所谓基带传输是指信号没有经过调制而直接送到信道中去传输的一种方式, 而频带传输是指信号经过调制后再送到信道中传输, 收端有相应解调措施的通信系统 5. 按业务的不同分类 目前通信业务可分为电报 电话 传真 数据传输 可视电话 无线寻呼等 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 6. 按收信者是否运动分类 通信还可按收信者是否运动分为移动通信和固定通信 移动通信是指通信双方至少有一方在运动中进行信息交换 由于移动通信建网快 投资少 机动灵活, 使用户能随时随地快速可靠地进行信息传递, 因此, 移动通信已被列为现代通信中的三大新兴通信方式之一 另外, 通信还有其他一些分类方法, 如按多地址方式可分为频分多址通信 时分多址通信 码分多址通信等 按用户类型可分为公用通信和专用通信等 通信方式 1. 按数字信号排序分类 ( 如图 1-1 所示 ) 图 1-1 按数字信号排序划分的通信方式

14 第 1 章绪论 5 2. 按消息传送的方向与时间分类 ( 如图 1-2 所示 ) A 端 传输信道 B 端 (a) 单工方式 A 端 传输信道 B 端 (b) 半双工方式 A 端 传输信道 B 端 (c) 全双工方式 图 1-2 按消息传送的方向和时间划分的通信方式 3. 按通信网络形式分类 ( 如图 1-3 所示 ) 图 1-3 按网络形式划分的通信方式 1.2 通信系统的组成及主要性能指标 通信是从一地向另一地传递和交换信息 实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通信系统 基于点与点之间的通信系统的模型可用图 1-4 来描述

15 6 现代通信原理与技术简明教程 图 1-4 通信系统的模型 信源 ( 信息源 ) 是消息的产生地, 其作用是把各种消息转换成原始电信号, 称之为消息信号或基带信号 电话机 电视摄像机和电传机 计算机等各种数字终端设备就是信源 前者属于模拟信源, 输出的是模拟信号 ; 后者是数字信源, 输出离散的数字信号 发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来, 即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号 变换方式是多种多样的, 在需要频谱搬移的场合, 调制是最常见的变换方式 对数字通信系统来说, 发送设备常常又可分为信源编码与信道编码 信道是指传输信号的物理媒质 在无线信道中, 信道可以是大气 ( 自由空间 ), 在有线信道中, 信道可以是明线 电缆或光纤 有线和无线信道均有多种物理媒质 媒质的固有特性及引入的干扰与噪声直接关系到通信的质量 根据研究对象的不同, 需要对实际的物理媒质建立不同的数学模型, 以反映传输媒质对信号的影响 噪声源不是人为加入的设备, 而是通信系统中各种设备以及信道中所固有的, 并且是人们所不希望的 噪声的来源是多样的, 它可分为内部噪声和外部噪声, 而且外部噪声往往是从信道引入的, 因此, 为了分析方便, 把噪声源视为各处噪声的集中表现而抽象加入到信道 接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换, 即进行解调 译码 解码等 它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来, 对于多路复用信号, 还包括解除多路复用, 实现正确分路 信宿 ( 受信者 ) 是传输信息的归宿点, 其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息 模拟通信系统 模拟通信系统 ( 如图 1-5) 是利用模拟信号来传递信息的通信系统 我们知道, 信源发出的原始电信号是基带信号, 基带的含义是指信号的频谱从零频附近开始, 如语音信号为 300~3400 Hz, 图像信号为 0~6 MHz 由于这种信号具有频率很低的频谱分量, 一般不宜直接传输, 这就需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的信号, 并可在接收端进行反变换 完成这种变换和反变换作用的通常是调制器和解调器 经过调制以后的信号称为已调信号 已调信号有三个基本特征 : 携带信息 ; 适合在信道中传输 ; 信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频 因而已调信号又称频带信号

16 第 1 章绪论 7 信息源调制器信道解调器受信者 噪声源 图 1-5 模拟通信系统模型 需要指出, 消息从发送端到接收端的传递过程中, 不仅仅只有连续消息与基带信号和基带信号与频带信号之间的两种变换, 实际通信系统中可能还有滤波 放大 天线辐射 控制等过程 由于调制与解调两种变换对信号的变化起决定性作用, 而其他过程对信号不会发生质的变化, 只是对信号进行了放大或改善了信号特性, 因而被认为是理想的而不予讨论 数字通信系统 数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统, 常见的有三种形式 分别如图 1-6 所示远距离频带传输形式 图 1-7 所示的短距离基带传输形式 图 1-8 所示的模拟信号数字化传输形式 数字通信涉及的技术问题很多, 其中主要有信源编码与译码 信道编码与译码 数字调制与解调 数字复接与同步以及加密与解密等 图 1-6 频带传输通信系统模型 信息源 基形带成信器号 信 道 接收滤波器 取样判决 受信者 噪声源 cp 图 1-7 数字基带传输通信系统模型

17 8 现代通信原理与技术简明教程 图 1-8 模拟信号数字化传输通信系统模型 1. 数字通信的主要技术 (1) 信源编码与译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 其作用之二是, 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有两种方式 : 脉冲编码调制 (PCM) 和增量调制 (ΔM) 信源译码是信源编码的逆过程 (2) 信道编码与译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 (3) 加密与解密在需要实现保密通信的场合, 为了保证所传信息的安全, 人为将被传输的数字序列扰乱, 即加上密码, 这种处理过程叫加密 在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密, 恢复原来信息, 叫解密 (4) 数字调制与解调数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处, 形成适合在信道中传输的频带信号 基本的数字调制方式有振幅键控 ASK 频移键控 FSK 绝对相移键控 PSK 相对 ( 差分 ) 相移键控 DPSK 对这些信号可以采用相干解调或非相干解调还原为数字基带信号 对高斯噪声下的信号检测, 一般用相关器接收机或匹配滤波器实现 数字调制是本教材的重点内容之一 (5) 同步与数字复接同步是保证数字通信系统有序 准确 可靠工作的不可缺少的前提条件 同步是使收 发两端的信号在时间上保持步调一致 按照同步的功用不同, 可分为载波同步 位同步 群同步和网同步 数字复接就是依据时分复用基本原理把若干个低速数字信号合并成一个高速的数字信号, 以扩大传输容量和提高传输效率

18 第 1 章绪论 9 2. 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 易加密 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 数字通信中, 数字信号占用的频带宽, 以电话为例, 一路数字电话一般要占据约 20~60 khz 的带宽, 而一路模拟电话仅占用约 4 khz 带宽 如果系统传输带宽一定的话, 模拟电话的频带利用率要高出数字电话的 5~15 倍 2 需要严格的同步系统 数字通信中, 要准确地恢复信号, 必须要求收端和发端保持严格同步 因此, 数字通信系统及设备一般都比较复杂, 体积较大 (3) 克服数字通信不足的办法由于数字信号占用的频带宽, 而使数字通信的频带利用率低 系统的频带利用率, 可用系统允许最大传输带宽 ( 信道的带宽 ) 与每路信号的有效带宽之比来表征, 即 BW n = B i 式中,B W 为系统允许最大频带宽度 ;B i 为每路信号的频带宽度 ;n 为系统在其带宽内 最多能容纳 ( 传输 ) 的话路数 n 值大, 说明系统利用率高 通信系统的主要性能指标 通信的任务是快速 准确地传递信息 因此, 评价一个通信系统优劣的主要性能指标是系统的有效性和可靠性 有效性是指在给定信道内所传输的信息内容的多少, 或者说是传输的 速度 问题 ; 而可靠性是指接收信息的准确程度, 也就是传输的 质量 问题 这两个问题相互矛盾而又相对统一, 通常还可以进行互换 模拟通信系统的有效性可用有效传输频带来度量, 同样的消息用不同的调制方式, 则需要不同的频带宽度 可靠性用接收端最终输出信噪比来度量 不同调制方式在同样信道信噪比下所得到的最终解调后的信噪比是不同的 如调频信号抗干扰能力比调幅好, 但调频信号所需传输频带却宽于调幅 1. 一般通信系统的性能指标 (1) 有效性 指通信系统传输消息的 速率 问题, 即快慢问题 (2) 可靠性 指通信系统传输消息的 质量 问题, 即好坏问题

19 10 现代通信原理与技术简明教程 (3) 适应性 指通信系统使用时的环境条件 (4) 经济性 指系统的成本问题 (5) 保密性 指系统对所传信号的加密措施 (6) 标准性 指系统的接口 各种结构及协议是否合乎国家 国际标准 (7) 维修性 指系统是否维修方便 (8) 工艺性 指通信系统各种工艺要求 2. 信息及其量度 (1) 消息中所含信息量 I 是消息出现的概率 P(x) 的函数, 即 I=I[P(x)] (2) 消息出现的概率愈小, 它所含信息量愈大 ; 反之信息量愈小 可以描述为 P=1 时, I=0;P=0 时,I= (3) 若干个互相独立事件构成的消息, 所含信息量等于各独立事件信息量的和, 即 I [P 1 (x)p 2 (x)]=i [P 1 (x)]+i [P 2 (x)] 可以看出 I 与 P(x) 间应满足以上三点, 则它们有如下关系式 : 1 I = loga = log a Px ( ) Px ( ) 信息量 I 的单位与对数的底数 a 有关 : a=2, 单位为比特 (bit, 简写为 b); a=e, 单位为奈特 (nat, 简写为 n); a=10, 单位为笛特 (Det) 或称为十进制单位 ; a=r, 单位称为 r 进制单位 通常使用的单位为比特 例 1-1 一离散信源由 0,1,2,3 四个符号组成, 它们出现的概率分别为 3/8,1/4, 1/4,1/8, 且每个符号的出现都是独立的 试求某消息 的信息量 解此消息中,0 出现 23 次,1 出现 14 次,2 出现 13 次,3 出现 7 次, 共有 57 个符号, 故该消息的信息量为 8 I = 23log2 + 14log log24 + 7log28 = 108(bit) 3 3. 有效性指标的具体表述 (1) 码元传输速率码元传输速率通常又可称为码元速率 数码率 传码率 码率 信号速率或波形速率, 用符号 R B 来表示 码元速率是指单位时间 ( 每秒钟 ) 内传输码元的数目, 单位为波特 (Baud),

20 第 1 章绪论 11 常用符号 Bd 表示 ( 注意, 不能用小写 ) 例如, 某系统在 4 秒内共传送 个码元, 则系统的传码率为 1200 Bd 数字信号一般有二进制与多进制之分, 但码元速率 R B 与信号的进制数无关, 只与码元宽度 T b 有关 1 RB = T 通常在给出系统码元速率时, 有必要说明码元的进制, 多进制 (M 码元速率 R B 与二制码元速率 R B2 之间 ) 在保证系统信息速率不变的情况下, 相互可转换 (2) 信息传输速率信息传输速率简称信息速率, 又可称为传信率 比特率等 信息传输速率用符号 R b 表示 R b 是指单位时间 ( 每秒钟 ) 内传送的信息量 单位为比特 / 秒 (bit/s), 简记为 b/s 或 bps 例如, 若某信源在 2 秒钟内传送 2400 个 bit, 则该信源的 R b =1200 b/s 或 1200 bps 因为信息量与信号进制数 M 有关, 因此,R b 也与 M 有关 (3)R b 与 R B 之间的互换在二进制中, 码元速率 R B2 同信息速率 R b2 的关系在数值上相等, 但单位不同 在多进制中,R B 与 R b 之间数值不同, 单位亦不同 它们之间在数值上有如下关系式 : b R b =R B log 2 M 在码元速率保持不变条件下, 二进制信息速率 R b2 与多进制信息速率 R bm 之间的关系为 : R bm =R b2 /log 2 M 例 1-2 已知二进制数字信号在 2 min 内共传送了 个码元,(1) 问其码元速率和信息速率各为多少?(2) 如果码元宽度不变 ( 即码元速率不变 ), 但改为 16 进制数字信号, 则其码元速率为多少? 信息速率又为多少? 解 (1) 在 2 60 s 内传送了 个码元 R B2 =72 000/(2 60)=600(Bd) R b2 =R B2 =600(b/s) (2) 若改为 16 进制则 R B8 =72 000/(2 60)=600(Bd) R b8 =R B8 log 2 16=2400(b/s) 4. 可靠性指标的具体表述 (1) 码元差错率 P e 码元差错率 P e 简称误码率, 它是指接收错误的码元数在传送总码元数中所占的比例, 更确切地说, 误码率就是码元在传输系统中被传错的概率 用表达式可表示成 :

21 12 现代通信原理与技术简明教程 单位时间内接收的错误码元数 P e = 单位时间内系统传输的总码元数 ( 正确码元数 + 错误码元数 ) (2) 信息差错率 P eb 信息差错率 P eb 简称误信率, 或误比特率, 它是指接收错误的信息量在传送信息总量中 所占的比例, 或者说, 它是码元的信息量在传输系统中被丢失的概率 用表达式可表示成 : 单位时间内系统传输中出错 ( 丢失 ) 的比特数 ( 信息量 ) P eb = 单位时间内系统传输的总比特数 ( 总信息量 ) 例 1-3 已知某八进制数字通信系统的信息速率为 b/s, 在收端半小时内共测得出现了 216 个错误码元, 试求系统的误码率 解 Rb 8 = b / s R = R / log 8 = 4 000Bd B8 b Pe = = 通信技术发展概况 通信发展简史通信重大事件见表 1-2 表 1-2 通信重大事件 年 代 事 件 1834 高斯与韦伯制造出电磁式电报机 1837 库克与惠斯登制成电报机 1842 实现莫尔斯电报通信 1860 瑞斯制造第一个电话系统 1864 麦克斯韦尔发表电磁场理论 1866 跨接欧美的海底电报电缆安装成功 1887 赫兹做电磁辐射实验成功 1894 洛奇表演 150 码距离无线电通信 1901 马可尼实现横贯大西洋的无线电通信 1906 非雷斯特发明真空三极管

22 第 1 章绪论 13 年代事件 1920 匹兹堡 KBKA 电台开始实用广播 1929 兹沃列金表演电视系统 1936 英国广播公司开始进行商用电视广播 1948 出现了晶体管 ; 山农提出了信息论 微波通信线路研制成功 1960 第一个通信卫星 ( 回波一号 ) 发射, 同时研制成功激光器 1962 开始了实用卫星通信的时代 1969 从月球发回第一个话音消息及电视图像 ( 续表 ) 出现了电缆电视 激光通信 雷达 计算机网络和数字技术, 光电处理和射电天文学迅速发展 大规集成电路 商用卫星通信 程控数字交换机 光纤通信 微处理机等迅猛发展 超大规模集成电路 移动通信 光纤通信的广泛应用, 综合业务数字网崛起 1990 以后 卫星通信 移动通信 光纤通信进一步飞速发展, 高清晰彩色数字电视技术不断成熟, 全球定位系统 (GPS) 得到广泛应用 通信技术的现状和发展趋势 在过去三四十年间, 对数据传输需求的增长以及大规模集成电路的发展, 促进了数字通信的发展 目前数字通信在卫星通信 光纤通信 移动通信 微波通信等领域有了新的进展 下面我们就从这几个方面来了解通信的现状和未来 1. 光纤通信 光纤通信是以光导纤维 ( 简称光纤 ) 作为传输媒质 以光波为运载工具 ( 载波 ) 的通信方式 光纤通信具有容量大 频带宽 传输损耗小 抗电磁干扰能力强 通信质量高等优点, 且成本低, 与同轴电缆相比可以大量节约有色金属和能源 自从 1977 年世界上第一个光纤通信系统投入运营以来, 光纤通信发展迅速, 已成为各种通信干线的主要传输手段 光纤通信具有容量大 成本低等优点, 且不怕电磁干扰, 与同轴电缆相比可以大量节约有色金属和能源 因此, 自 1977 年世界上第一个光纤通信系统在芝加哥投入运行以来, 光纤通信发展极为迅速, 新器件 新工艺 新技术不断涌现, 性能日臻完善 由于长波长激光器和单模光纤的出现, 使每芯光纤通话路数可高达百万路, 中继距离将达到 100 km, 市话中继光纤成本也连续大幅度下降

23 14 现代通信原理与技术简明教程 我国近几年来光纤通信已得到了快速发展, 目前光缆长度累计近几十万千米 我国已不再敷设同轴电缆, 新的工程将全部采用光纤通信新技术 目前, 单波长光通信系统速率已达 10 Gb/s, 其潜力已不大, 采用密集波分复用 (DWDM) 技术来扩容是当前实现超大容量光传输的重要技术 近年来,DWDM 技术取得了较大的进展, 美国 AT&T 实验室等机构已成功地完成了 Tb/s 的传输实验 光传送网是通信网未来的发展方向, 它可以处理高速率的光信号, 摆脱电子瓶颈, 实现灵活 动态的光层联网, 透明地支持各种格式的信号以及实现快速网络恢复 因此, 世界上许多国家纷纷进行研究 试验, 验证由波分复用 光交叉连接设备及色散位移光纤组成的高容量通信网今后的可行性 2. 卫星通信 卫星通信系统是将通信卫星作为空中中继站, 它能够将地球上某一地面站发射来的无线电信号转发到另一个地面站, 从而实现两个或多个地域之间的通信 根据通信卫星与地面之间的位置关系, 可以分为静止通信卫星 ( 或同步通信卫星 ) 和移动通信卫星 静止通信卫星是轨道在赤道平面上的卫星, 它离地面高度为 km, 采用三个相差 120 的静止通信卫星就可以覆盖地球的绝大部分地域 ( 两极盲区除外 ) 卫星通信的特点是通信距离远, 覆盖面积广, 不受地理条件限制, 可以大容量传输, 建设周期短, 可靠性高等 自 1960 年第一颗卫星发射成功以来, 卫星通信发展特别迅猛 目前, 卫星通信的使用范围已遍及全球, 仅国际卫星通信组织就拥有数十万条话路 卫星通信的广泛应用, 使国际间重大活动能及时得以实况转播, 它使全世界人与人之间的 距离 缩短 预计到 2010 年前, 星间激光通信的传输速率将达到 40 Gb/s, 地面终端设备将日益小型化, 甚小天线卫星地球站 (VSAT) 将会继续发展 3. 移动通信 移动通信是现代通信中发展最为迅速的一种通信手段, 它是随着汽车 飞机 轮船 火车等交通工具的发展而同步发展起来的 近 10 年来, 在微电子技术和计算机技术的推动下, 移动通信从过去简单的无线对讲或广播方式发展成为一个把有线 无线融为一体, 固定 移动相互连通的全国范围, 甚至全球范围的通信系统 移动通信的发展方向是数字化 微型化和标准化 20 世纪 90 年代将是蜂窝电话迅速普及的年代 但目前世界上存在八种不同的技术体制, 互不兼容, 因此标准化成为当务之急 数字化的关键是调制 纠错编码和话音编码方式的确定 微型化的目标是研制重量非常轻的个人携带的手机

24 第 1 章绪论 15 数字蜂窝移动通信系统是将通信范围分为若干相距一定距离的小区, 移动用户可以从一个小区运动到另一个小区, 依靠终端对基站的跟踪, 使通信不中断 移动用户还可以从一个城市漫游到另一个城市, 甚至到另一个国家与原注册地的用户终端通话 数字蜂窝移动通信系统主要由三部分组成 : 控制交换中心 若干基地台 诸多移动终端 通过控制交换中心进入公用有线电话网, 从而实现移动电话与固定电话 移动电话与移动电话之间的通信 目前广泛应用的是第二代移动通信系统, 采用窄带时分多址 (TDMA) 和窄带码分多址 (CDMA) 数字接入技术, 已形成的国家和地区标准有欧洲的 GSM 系统 美国的 IS-95 系统 日本的 PDC 系统 我国主要采用欧洲的 GSM 系统 第二代移动通信系统实现了区域内制式的统一, 覆盖了大中小城市, 为人们的信息交流提供了极大的便利 随着移动通信终端的普及, 移动用户数量成倍地增长, 第二代移动通信系统的缺陷也逐渐显现, 如全球漫游问题 系统容量问题 频谱资源问题 支持宽带业务问题等 为此, 从 20 世纪 90 年代中期开始, 各国和世界组织又开展了对第三代移动通信系统的研究, 它包括地面系统和卫星系统, 移动终端既可以连接到地面的网络, 也可以连接到卫星的网络 第三代移动通信系统工作在 2000 MHz 频段, 为此国际电信联盟正式将其命名为 IMT-2000 IMT-2000 的目标和要求是 : 统一频段, 统一标准, 达到全球无缝隙覆盖, 提供多媒体业务, 传输速率最高应达到 2 Mb/s, 其中车载为 144 kb/s 步行为 384 kb/s 室内为 2 Mb/s; 频谱利用率高, 服务质量高, 保密性能好 ; 易于向第二代系统过渡和演进 ; 终端价格低 目前第三代移动通信系统有多个标准, 我国所提出的 TD-SCDMA 标准也是其中之一 这充分体现了我国在移动通信领域的研究已达到国际领先水平 人类对新技术的追求是无止境的, 对新的通信系统和通信技术的研究仍在不断进行, 新的通信系统和通信技术也将会不断服务于人类 4. 微波中继通信 微波中继通信始于 20 世纪 60 年代, 它较一般电缆通信具有易架设 建设周期短等优点 它是目前通信的主要手段之一, 主要用来传输长途电话和电视节目, 其调制主要采用 SSB/FM/FDM 等方式 微波中继通信的主要发展方向是数字微波, 同时要不断增加系统容量, 增加容量的途径是向多电平调制技术发展 目前采用的调制方式有 16QAM 和 64QAM, 并已出现 256QAM 1024QAM 等超多电平调制的方式 采用多电平调制, 在 40 MHz 的标准频道间隔内, 可传送 1920 至 7680 路 PCM 数字电话

25 16 现代通信原理与技术简明教程 1.4 小结 本章主要介绍了通信系统的基本概念 分类等知识 重点是掌握各类概念 几个性能指标 通信模型 了解发展历史和趋势 熟悉数字通信的优缺点 1.5 习题 1. 什么是通信? 常见的通信方式有哪些? 2. 通信系统是如何分类的? 3. 什么是数字通信? 它的优点缺点有哪些? 4. 试画出数字通信的一般模型, 并简要说明个部分的作用 5. 衡量数字通信系统的主要指标有哪些? 6. 已知某个系统的码元速率是 3600 kbd, 接受段在 1 小时内共收到 1296 个错误码元, 试计算系统的误码率 7. 已知某系统的传输 8 进制信号, 信息速率是 3600 b/s, 试问码元速率是多少?

26 第 2 章模拟调制技术 基带信号具有较低的频率分量, 不适合通过无限信道传输 因此, 在通信信道的发送端需要一个载波来运载基带信号, 也就是用基带信号改变载波的某个或者某几个参数, 这个过程就是调制 在通信的接收端需要进行解调 调制的本质是频谱搬移, 它的作用和目的是 : 将调制信号 ( 基带信号 ) 转换成适合于信道传输的已调信号 ( 频带信号 ); 实现信道的多路复用, 提高信道利用率 ; 减小干扰, 提高系统的抗干扰能力 ; 实现传输带宽与信噪比之间的互换 因此, 调制对通信系统的有效性和可靠性有很大影响 采用什么方式进行调制与解调将直接影响着通信系统的性能 2.1 幅度调制的原理 幅度调制又叫线性调制, 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 幅度调制器的一般模型如图 2-1 所示 cosω c t 图 2-1 幅度调制器的一般模型 设调制信号 m(t), 冲激响应为 h(t) 的滤波器特性为 H(ω), 则该模型输出已调信号的时域一般表示式为 S m (t)=[m(t) cosω c t] h(t) (2.1-1) 式中,ω c 为载波角频率 由以上表示式可见, 对于幅度调制信号, 在波形上, 它的幅度随基带信号规律而变化 图 2-1 之所以称为调制器的一般模型, 是因为在该模型中, 适当选择滤波器的特性 H(ω), 便可以得到各种幅度调制信号 例如, 调幅 双边带 单边带及残留边带信号等 调幅 (AM) 在图 2-1 中, 假设 h(t)=δ(t), 即滤波器 (H(ω)=1) 为全通网络, 调制信号 m(t) 叠加直

27 18 现代通信原理与技术简明教程 流 A 0 后与载波相乘 ( 见图 2-2), 就可形成调幅 (AM) 信号, 其时域表示式为 cosω c t 图 2-2 AM 调制器模型 s AM (t)=[a 0 +m(t)]cosω c t =A 0 cosω c t+m(t)cosω c t (2.1-2) 式中,A 0 为外加的直流分量 ;m(t) 可以是确知信号, 也可以是随机信号 ( 此时, 已调 信号的频域表示必须用功率谱描述 ), 但通常认为其平均值 m(t) =0 其波形如图 2-3 所示 图 2-3 AM 信号的波形 由图 2-3 的时间波形可知, 当满足条件 m(t) max A 0 时,AM 信号的包络与调制信号成正比, 所以用包络检波的方法很容易恢复出原始的调制信号, 否则, 将会出现过调幅现象而产生包络失真 这时不能用包络检波器进行解调, 为保证无失真解调, 可以采用同步检

28 第 2 章模拟调制技术 19 波器 AM 信号的波形由载频分量和上 下两个边带组成, 下边带是上边带的镜像 因此, AM 信号是带有载波的双边带信号, 它的带宽是基带信号带宽 f H 的两倍, 即 B AM =2 fh 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 AM = s AM (t) 2 通常假设调制信号没有直流分量, 即 m(t)=0 因此 A m () t P P P ABA = + = C + S 式中,P C = A 2 0 /2 为边带功率,P S = m 2 () t /2 为载波功率 由此可见,AM 信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分 只有边带功率才与调制信号有关 也就是说, 载波分量不携带信息 即使在 满调幅 ( m(t) max =A 0 时, 也称 100% 调制 ) 条件下, 载波分量仍占据大部分功率, 而含有用信息的两个边带占有的功率较小 因此, 从功率上讲,AM 信号的功率利用率比较低 大信噪比情况下,AM 信号包络检波器的性能几乎与相干解调法相同 ; 但随着信噪比的减小, 包络检波器将在一个特定输入信噪比值上出现门限效应 ; 一旦出现门限效应, 解调器的输出信噪比将急剧恶化 抑制载波双边带调制 (DSB-SC) 在常规 AM 信号中, 载波分量并不携带信息, 而且浪费了大量的功率, 使调制效率较低, 信息完全由边带传送 如果将载波抑制, 只需在图 2-2 中将直流 A 0 去掉, 即可输出抑制载波双边带信号, 简称双边带信号 (DSB) 其时域表示式为 s DSB (t)=m(t)cosω c t (2.1-3) 其波形如图 2-4 所示 图 2-4 DSB 信号的波形

29 20 现代通信原理与技术简明教程 由时间波形可知,DSB 信号的包络不再与调制信号的变化规律一致, 因而不能采用简单的包络检波来恢复调制信号, 需采用相干解调 ( 同步检波 ) 另外, 在调制信号 m(t) 的过零点处, 高频载波相位有 180 的突变 DSB 信号虽然节省了载波功率, 功率利用率提高了, 但它的频带宽度仍是调制信号带宽的两倍, 与 AM 信号带宽相同 由于 DSB 信号的上 下两个边带是完全对称的, 它们都携带了调制信号的全部信息, 因此仅传输其中一个边带即可, 这就是单边带调制能解决的问题 单边带调制 (SSB) DSB 信号包含有两个边带, 即上 下边带 由于这两个边带包含的信息相同, 因而, 从信息传输的角度来考虑, 传输一个边带就够了 这种只传输一个边带的通信方式称为单边带通信 单边带信号的产生方法通常有滤波法和相移法 1. 用滤波法形成单边带信号 产生 SSB 信号最直观的方法是让双边带信号通过一个边带滤波器, 保留所需要的一个边带, 滤除不要的边带 这只需将图 2-1 中的形成滤波器 h(t) 设计成理想低通特性 h LSB (t) 或理想高通特性 h USB (t), 就可分别取出下边带信号 S LSB (t) 或上边带信号 S USB (t) 用滤波法形成 SSB 信号的技术难点是, 由于一般调制信号都具有丰富的低频成分, 经调制后得到的 DSB 信号的上 下边带之间的间隔很窄, 这就要求单边带滤波器在 f c 附近具有陡峭的截止特性, 才能有效地抑制无用的一个边带 这就使滤波器的设计和制作很困难, 有时甚至难以实现 为此, 在工程中往往采用多级调制滤波的方法 2. 用相移法形成单边带信号 SSB 信号的时域表示式的推导比较困难, 一般需借助希尔伯特变换来表述 但我们可以从简单的单频调制出发, 得到 SSB 信号的时域表示式, 然后再推广到一般表示式 设单频调制信号为 m(t)=a m cosω m t, 载波为 c(t)=cosω c t, 两者相乘得 DSB 信号的时域表示式为 sdsb () t = Am coswntcoswc t 保留上边带, 则 1 SLSB () t = Am cos( wc + wm ) t = Amsin wt m Amsin wt n 2 2 上述关系虽然是在单频调制下得到的, 但是它不失一般性, 因为任意一个基带波形总

30 第 2 章模拟调制技术 21 可以表示成许多正弦信号之代数和 用相移法形成单边带信号示意图如图 2-5 图 2-5 相移法形成单边带信号 相移法形成 SSB 信号的困难在于宽带相移网络的制作, 该网络要对调制信号 m(t) 的所有频率分量严格相移 π/2, 这一点即使近似达到也是困难的 为解决这个难题, 可以采用混合法 ( 也叫维弗法 ) 这里不作介绍 综上所述 :SSB 调制方式在传输信号时, 不但可节省载波发射功率, 而且它所占用的频带宽度为 BBSSB=f H, 只有 AM DSB 的一半, 因此, 它目前已成为短波通信中一种重要的 调制方式 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 单边带信号的解调方法与双边带信号相同, 其区别仅在于解调器之前的带通滤波器的带宽和中心频率不同 前者的带通滤波器的带宽是后者的一半 残留边带调制 (VSB) 残留边带调制是介于 SSB 与 DSB 之间的一种调制方式, 它既克服了 DSB 信号占用频带宽的缺点, 又解决了 SSB 信号实现上的难题 在 VSB 中, 不是完全抑制一个边带 ( 如同 SSB 中那样 ), 而是逐渐切割, 使其残留一小部分 用滤波法实现残留边带调制的原理如图 2-6(a) 所示 图中, 滤波器的特性应按残留边带调制的要求来进行设计 图 2-6 VSB 调制和解调器模型

31 22 现代通信原理与技术简明教程 现在我们来确定残留边带滤波器的特性 假设 H VSB (ω) 是所需的残留边带滤波器的传输特性 接收端从 VSB 信号中恢复原基带信号的, 也不能简单地采用包络检波, 而必须采用如图 2-6(b) 所示的相干解调 图中, 残留边带信号 s VSB (t) 与相干载波 2cosω c t 的乘积为 2cosω c ts VSB (t) =cosω c t[s VSB (ω+ω c )+V SB (ω-ω c )] 选择合适的低通滤波器的截止频率, 消掉 ±2ω c 处的高频成分就可以恢复原基带信号 VSB 调制系统由于采用的残留边带滤波器的频率特性形状不同, 所以, 抗噪声性能的计算是比较复杂的 但是残留边带不是太大的时候, 近似认为与 SSB 调制系统的抗噪声性能相同 2.2 非线性调制 ( 角调制 ) 的原理 幅度调制属于线性调制, 它是通过改变载波的幅度, 以实现调制信号频谱的平移及线性变换的 一个正弦载波有幅度 频率和相位三个参量, 因此, 我们不仅可以把调制信号的信息寄托在载波的幅度变化中, 还可以寄托在载波的频率或相位变化中 这种使高频载波的频率或相位按调制信号的规律变化而振幅保持恒定的调制方式, 称为频率调制 (FM) 和相位调制 (PM), 分别简称为调频和调相 因为频率或相位的变化都可以看成是载波角度的变化, 故调频和调相又统称为角度调制 角度调制与线性调制不同, 已调信号频谱不再是原调制信号频谱的线性搬移, 而是频谱的非线性变换, 会产生与频谱搬移不同的新的频率成分, 故又称为非线性调制 由于频率和相位之间存在微分与积分的关系, 故调频与调相之间存在密切的关系, 即调频必调相, 调相必调频 鉴于 FM 用的较多, 本节将主要讨论频率调制 角调制的基本概念 任何一个正弦时间函数, 如果它的幅度不变, 则可用下式表示 : c(t)=a cosθ(t) 式中,θ(t) 称为正弦波的瞬时相位 瞬时相位 θ(t)=ω ct +θ 0,θ 0 为初相位, 是常数 ω(t)=dθ/dt =ω c 是载频, 也是常数 而在角调制中, 正弦波的频率和相位都要随时间变化, 可把瞬时相位表示为 θ(t)=ω ct +φ(t), 因此, 角度调制信号的一般表达式为 s m (t)=a cos[ω ct +φ(t)] (2.2-1) 式中,A 是载波的恒定振幅 ;[ω ct +φ(t)] 是信号的瞬时相位 θ(t), 而 φ(t) 称为相对于载波

32 第 2 章模拟调制技术 23 相位 ω ct 的瞬时相位偏移 ;d[ω ct +φ(t)]/dt 是信号的瞬时频率, 而 dφ(t)/dt 称为相对于载频 ω c 的瞬时频偏 调频与调相并无本质区别, 两者之间可相互转换 调频信号的产生与解调 1. 调频信号的产生 产生调频波的方法通常有两种 : 直接法和间接法 (1) 直接法 直接法就是用调制信号直接控制振荡器的频率, 使其按调制信号的规律线性变化 振荡频率由外部电压控制的振荡器叫做压控振荡器 (VCO) 每个压控振荡器自身就是一个 FM 调制器, 因为它的振荡频率正比于输入控制电压, 即 ω i (t)=ω 0 +Kf m (t) 若用调制信号作控制信号, 就能产生 FM 波 控制 VCO 振荡频率的常用方法是改变振荡器谐振回路的电抗元件 L 或 C L 或 C 可控的元件有电抗管 变容管 变容管由于电路简单, 性能良好, 目前在调频器中广泛使用 直接法的主要优点是在实现线性调频的要求下, 可以获得较大的频偏 缺点是频率稳定度不高 因此往往需要采用自动频率控制系统来稳定中心频率 应用如图 2-7 所示的锁相环 (PLL) 调制器, 可以获得高质量的 FM 或 PM 信号 其载频稳定度很高, 可以达到晶体振荡器的频率稳定度 但这种方案的一个显著缺点是, 在调制频率很低, 进入 PLL 的误差传递函数 He(s)( 高通特性 ) 的阻带之后, 调制频偏 ( 或相偏 ) 是很小的 图 2-7 PLL 调制器 为使 PLL 调制器具有同样良好的低频调制特性, 可用锁相环路构成一种所谓两点调制的宽带 FM 调制器, 读者可参阅有关资料 (2) 间接法 间接法是先对调制信号积分后对载波进行相位调制, 从而产生窄带调频信号 (NBFM) 然后, 利用倍频器 ( 倍频器的作用是提高调频指数 mf, 从而获得宽带调频 倍频器可以用非线性器件实现, 然后用带通滤波器滤去不需要的频率分量 ) 把 NBFM

33 24 现代通信原理与技术简明教程 变换成宽带调频信号 (WBFM) 其原理框图如图 2-8 所示 宽带调频信号产生方案是由阿姆斯特朗 (Armstrong) 于 1930 年提出的, 因此称为 Armstrong 间接法 这个方法提出后, 使调频技术得到很大发展 Acosω t c 图 2-8 间接调频框图 由式窄带调频信号可看成由正交分量与同相分量合成 因此, 可采用图 2-9 所示的方框图来实现窄带调频 图 2-9 窄带调频信号的产生 间接法的优点是频率稳定度好 缺点是需要多次倍频和混频, 因此电路较复杂 2. 调频信号的解调 (1) 非相干解调由于调频信号的瞬时频率正比于调制信号的幅度, 因而调频信号的解调器必须能产生正比于输入频率的输出电压 最简单的解调器是具有频率 电压转换特性的鉴频器 图 2-10 给出了理想鉴频特性和鉴频器的方框图 理想鉴频器可看成是带微分器的包络检波器 解调过程是先用微分器将幅度恒定的调频波变成调幅调频波, 再用包络检波器从幅度变化中检出调制信号, 因此上述解调方法又称为包络检测 其缺点之一是包络检波器对于由信道噪声和其他原因引起的幅度起伏也有反应, 为此, 在微分器前加一个限幅器和带通滤波器以便将调频波在传输过程中引起的幅度变化部分削去, 变成固定幅度的调频波, 带通滤波器让调频信号顺利通过, 而滤除带外噪声及高次谐波分量

34 第 2 章模拟调制技术 25 图 2-10 鉴频器特性与组成 鉴频器的种类很多, 详细叙述可参考高频电子线路教材 此外, 目前还常用锁相环 (PLL) 鉴频器 PLL 是一个能够跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统 由于 PLL 具有引人注目的特性, 即载波跟踪特性 调制跟踪特性和低门限特性, 因而使得它在无线电通信的各个领域得到了广泛的应用 PLL 最基本的原理图如图 2-11 所示 它由鉴相器 (PD) 环路滤波器 (LF) 和压控振荡器 (VCO) 组成 图 2-11 PLL 鉴频器 假设 VCO 输入控制电压为 0 时, 振荡频率调整在输入 FM 信号 s i (t) 的载频上, 并且与调频信号的未调载波相差 π/2, 即有相干解调 (2) 相干解调由于窄带调频信号可分解成同相分量与正交分量之和, 因而可以采用线性调制中的相干解调法来进行解调, 如图 2-12 所示 相干解调可以恢复原调制信号, 这种解调方法与线性调制中的相干解调一样, 要求本地载波与调制载波同步, 否则将使解调信号失真

35 26 现代通信原理与技术简明教程 图 2-12 窄带调频信号的相干解调 2.3 模拟调制系统的特点与应用 AM 调制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, 则在包检时会出现过调失真, 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 DSB 调制的优点是功率利用率高, 但带宽与 AM 相同, 接收要求同步解调, 设备较复杂 只用于点对点的专用通信, 运用不太广泛 SSB 调制的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 鉴于这些特点,SSB 制式普遍用在频带比较拥挤的场合, 如短波波段的无线电广播和频分多路复用系统中 VSB 调制的诀窍在于部分抑制了发送边带, 同时又利用平缓滚降滤波器补偿了被抑制部分 VSB 的性能与 SSB 相当 VSB 解调原则上也需同步解调, 但在某些 VSB 系统中, 附加一个足够大的载波, 就可用包络检波法解调合成信号 (VSB+C), 这种 (VSB+C) 方式综合了 AM SSB 和 DSB 三者的优点 所有这些特点, 使 VSB 对商用电视广播系统特别具有吸引力 FM 波的幅度恒定不变, 这使它对非线性器件不甚敏感, 给 FM 带来了抗快衰落能力 利用自动增益控制和带通限幅还可以消除快衰落造成的幅度变化效应 这些特点使得窄带 FM 对微波中继系统颇具吸引力 宽带 FM 的抗干扰能力强, 可以实现带宽与信噪比的互换, 因而宽带 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

36 第 2 章模拟调制技术 小结 本章重点讨论了用取值连续的调制信号去控制正弦载波的参数 ( 幅度 频率或相位 ) 的模拟调制 ( 分为幅度调制和角度调制 ) 主要内容有 : 各种已调信号的时域表达式 调制与解调的原理 性能特点 2.5 习题 1. 简述调制在通信系统中的作用 2. 什么是线性调制? 线性调制有哪些? 3.SSB 的产生方法有哪些? 4. 什么是频率调制? 什么是相位调制? 两者的关系如何? 5. 比较调幅系统和调频系统的特点

37 第 3 章模拟信号的数字化技术 数字通信系统由于具有很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得到的都是模拟量, 比如电话 电视等通信业务, 其信源输出的消息都是模拟信号 如要利用数字通信系统传输必须经过 A/D 数字方式传输 D/A 等三个步骤 完成 A/D 的叫做信源编码,D/A 称为信源译码 如语音信号的数字化叫做语音编码 由于电话业务在通信中占有最大的业务量, 所以本章以语音编码为例介绍模拟信号的数字化问题 模拟信号的数字化方法大致可划分波形编码 参量编码两类, 波形编码是直接把时域信号的波形变换成数字代码, 比特率通常在 16~64 kb/s 范围内接收端还原信号的质量好 参量编码是利用信号处理技术, 提取语音信号的特征参量, 再变化成数字代码, 其比特率在 16 kb/s 以下, 但接收端还原信号质量不如前者 本章只介绍波形编码 3.1 抽样定理和幅度脉冲调制 抽样定理 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 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, 那么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 理想的抽样和恢复过程如图 3-1 所示 (a) (b) 图 3-1 理想抽样与信号恢复

38 第 3 章模拟信号的数字化技术 29 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 ; 根据用来抽样的脉冲序列是等间隔的还是非等间隔的, 又分均匀抽样定理和非均匀抽样定理 ; 根据抽样的脉冲序列是冲击序列还是非冲击序列, 又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~f H 以内的低通信号 x(t), 如果以 f s 2f H 的抽样速率进行均匀抽样, 则 x(t) 可以由抽样后的信号 x δ (t) 完全地确定 而最小抽样速率 f s =2f H 称奈奎斯特速率 1/2f H 这个最大抽样间隔称奈奎斯特间隔 此定理告诉我们 : 抽样速率 f s( 每秒内的抽样点数 ) 应不小于 2f H, 若抽样速率 f s <2f H, 则会产生失真, 这种失真叫混叠失真 在工程设计中, 考虑到信号绝不会严格带限, 以及实际滤波器特性的不理想, 通常取抽样频率为 (2.5~5)f H, 以避免失真 例如, 话音信号带宽通常限制在 Hz 左右, 而抽样频率通常选择 8 khz 2. 带通抽样定理 上面讨论和证明了频带限制在 (0,f H ) 的低通型信号的均匀抽样定理 实际中遇到的许多信号是带通型信号 如果采用低通抽样定理的抽样速率 f s 2f H, 对频率限制在 f L 与 f H 之间的带通型信号抽样, 肯定能满足频谱不混叠的要求 但如果选择 f s 太高了, 它会使 0~f L 一大段频谱空隙得不到利用, 降低了信道的利用率 为了提高信道利用率, 同时又使抽样后的信号频谱不混叠, 那么 f s 到底怎样选择呢? 带通信号的抽样定理将回答这个问题 带通均匀抽样定理 : 一个带通信号 m(t), 其频率限制在 f L 与 f H 之间, 带宽为 B=f H -f L, 当 f L B 时, 那么 f s 2B f L 小于 B 时, 按照低通抽样定理处理 实际中应用广泛的高频窄带信号就符合这种情况, 这是因为 f H 大而 B 小,f L 当然也大, 很容易满足 f L B 由于带通信号一般为窄带信号, 容易满足 f L B, 因此带通信号通常可按 2B 速率抽样 幅度脉冲调制 第 2 章中讨论的连续波调制是以连续振荡的正弦信号作为载波 然而, 正弦信号并非是唯一的载波形式, 时间上离散的脉冲串, 同样可以作为载波 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) 的规律变化的调制方式 通常, 按基带信号改变脉冲参量 ( 幅度 宽度和位置 ) 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), 波形如图 3-2 所示 虽然这三种信号在时间上都是离散的, 但受调参量变化是连续的, 因此也都属于模拟信号 限于篇幅, 这里仅介绍脉冲振幅调制, 因为它是脉冲编码调制的基础

39 30 现代通信原理与技术简明教程 图 3-2 PAM PDM PPM 信号波形 脉冲振幅调制 (PAM) 是脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式 若脉冲载波是冲激脉冲序列, 则前面讨论的抽样定理就是脉冲振幅调制的原理 也就是说, 按抽样定理进行抽样得到的信号 m s (t) 就是一个 PAM 信号 但是, 用冲激脉冲序列进行抽样是一种理想抽样的情况, 是不可能实现的 因为冲击序列在实际中是不能获得的, 即使能获得, 由于抽样后信号的频谱为无穷大, 对有限带宽的信道也无法传递 因此, 在实际中通常采用脉冲宽度相对于抽样周期很窄的窄脉冲序列近似代替冲激脉冲序列, 从而实现脉冲振幅调制 这里我们介绍用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 1. 自然抽样的脉冲调幅 自然抽样又称曲顶抽样, 它是指抽样后的脉冲幅度 ( 顶部 ) 随被抽样信号 m(t) 变化, 或者说保持了 m(t) 的变化规律 自然抽样的 PAM 脉冲调幅原理框图如图 3-3 所示 设模拟基带信号 m(t) 的波形如图 3-3(a) 所示, 脉冲载波以 s(t) 表示, 它是宽度为 τ, 周期为 T s 的矩形窄脉冲序列, 其中 T s 是按抽样定理确定的, 这里取 T s =1/(2f H ) s(t) 的波形如图

40 第 3 章模拟信号的数字化技术 (b) 所示, 则自然抽样 PAM 信号 m s (t)( 波形见图 3-3(c)) 为 m(t)*s(t) (a) (b) (c) 图 3-3 自然抽样的 PAM 波形 2. 平顶抽样的脉冲调幅 平顶抽样又叫瞬时抽样, 它与自然抽样的不同之处在于它的抽样后信号中的脉冲均具有相同的形状 顶部平坦的矩形脉冲, 矩形脉冲的幅度即为瞬时抽样值 平顶抽样 PAM 信号在原理上可以由理想抽样和脉冲形成的电路产生, 其原理框图及波形如图 3-4 所示, 其中脉冲形成电路的作用就是把冲激脉冲变为矩形脉冲 Q( ω) (a) δ () t T T (t) (b) 图 3-4 平顶抽样信号及其产生原理框图 在实际应用中, 平顶抽样信号采用抽样保持电路 ( 如图 3-5 所示 ) 来实现, 得到的脉冲为矩形脉冲 在后面将讲到的 PCM 系统的编码中, 编码器的输入就是经抽样保持电路得到的平顶抽样脉冲 x(t) 脉冲发生器 C + - x s (t) 图 3-5 抽样和保持电路 以上按自然抽样和平顶抽样均能构成 PAM 通信系统, 也就是说可以在信道中直接传

41 32 现代通信原理与技术简明教程 输抽样后的信号, 但由于它们抗干扰能力差, 目前很少使用, 已被性能良好的脉冲编码调制 (PCM) 所取代 3.2 脉冲编码调制 (PCM) 脉冲编码调制 (PCM) 简称脉码调制, 它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 3-6 所示 首先, 在发送端进行波形编码 ( 主要包括抽样 量化和编码三个过程 ), 把模拟信号变换为二进制码组 编码后的 PCM 码组的数字传输方式可以是直接的基带传输, 也可以是对微波 光波等载波调制后的调制传输 在接收端, 二进制码组经译码后还原为量化后的样值脉冲序列, 然后经低通滤波器滤除高频分量, 便可得到重建信号 图 3-6 PCM 系统原理框图抽样是按抽样定理把时间上连续的模拟信号转换成时间上离散的抽样信号 ; 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, 即指定 M 个规定的电平, 把抽样值用最接近的电平表示 ; 编码是用二进制码组表示量化后的 M 个样值脉冲 图 3-7 给出了 PCM 信号形成的示意图 综上所述,PCM 信号的形成是模拟信号经过 抽样 量化 编码 三个步骤实现的 其中, 抽样的原理已经介绍, 下面主要讨论量化和编码

42 第 3 章模拟信号的数字化技术 33 图 3-7 PCM 信号形成示意图 量化 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称为量化 时间连续的模拟信号经抽样后的样值序列, 虽然在时间上离散, 但在幅度上仍然是连续的, 即抽样值 m(kt) 可以取无穷多个可能值, 因此仍属模拟信号 如果用 N 位二进制码组来表示该样值的大小, 以便利用数字传输系统来传输的话, 那么,N 位二进制码组只能同 M=2 N 个电平样值相对应, 而不能同无穷多个可能取值相对应 这就需要把取值无限的抽样值划分成有限的 M 个离散电平, 此电平被称为量化电平 量化后的信号 m q (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 m q (t) 与 m(t) 的近似程度提高 m q (kt s ) 与 m(kt s ) 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

43 34 现代通信原理与技术简明教程 1. 均匀量化 电平之间的间隔称为量化间隔 量化间隔是均匀的, 把输入信号的取值域按等距离分割 这种量化称为均匀量化 还有一种是量化间隔不均匀的非均匀量化, 非均匀量化克服了均匀量化的缺点, 是语音信号实际应用的量化方式 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,N 为 A/D 变换器的位数, 常用的有 8 位 12 位 16 位等不同精度 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 但在语音信号数字化通信 ( 数字电话通信 ) 中, 均匀量化则有一个明显的不足 : 量化噪比随信号电平的减小而下降 产生这一现象的原因是均匀量化的量化间隔 Δ 为固定值, 量化电平分布均匀, 因而无论信号大小如何, 量化噪声功率固定不变, 这样, 小信号时的量化信噪比就难以达到给定的要求 大信号时量化信噪比大, 小信号时量化信噪比小 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 因此, 均匀量化时输入信号的动态范围将受到较大的限制 为了克服均匀量化的缺点, 实际中往往采用非均匀量化 比如, 对于语音信号来说, 小信号出现的概率要大于大信号出现的概率, 这就使平均信噪比下降 同时, 为了满足一定的信噪比输出要求, 输入信号应有一定范围 ( 即动态范围 ), 由于小信号信噪比明显下降, 也使输入信号范围减小 要改善小信号量化信噪比, 可以采用量化间隔非均匀的方法, 即非均匀量化 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 ( 量化电平必须集中在幅度密度高的区域 ) 来分布量化电平, 以改善量化性能 在商业电话中, 一种简单而又稳定的非均匀量化器为对数量化器, 该量化器在出现频率高的低幅度语音信号处, 运用小的量化间隔, 而在不经常出现的高幅度语音信号处, 运用大的量化间隔 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 所谓压缩器就是一个非线性变换电路, 微弱的信号被放大, 强的信号被压缩 压缩器的入出关系表示为 y=f(x) 接收端采用一个与压缩特性相反的扩张器来恢复 x 图 3-8 画出了压缩与扩张的示意图 通常使用的压缩器中, 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 美国采用 μ 律压扩, 我国和欧洲各国均采用 A 律压扩

44 第 3 章模拟信号的数字化技术 35 (a) (b) 图 3-8 压缩与扩张的示意图 早期的 A 律和 μ 律压扩特性是用非线性模拟电路获得的 由于对数压扩特性是连续曲线, 且随压扩参数而不同, 在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的, 因而精度和稳定度都受到限制 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 A 律 (A=87.6)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 μ 律 (μ=255) 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 建议将 G.711 规定的上述两种折线近似压缩律作为国际标准, 且在国际间数字系统相互连接时, 要以 A 律为标准 因此这里重点介绍 A 律 13 折线 A 律 13 折线方程如下 Ax 1 0 x 1+ InA A y= 1+ InAx 1 ± < x 1 1+ InA A A 律 13 折线 ( 如图 3-9 所示 ) 的产生是从不均匀量化的基点出发, 设法用 13 段折线逼近 A=87.6 的 A 律压缩特性 具体方法是 : 把输入 x 轴和输出 y 轴用两种不同的方法划分 设在直角坐标系中,x 轴和 y 轴分别表示输入信号和输出信号, 并假定输入信号和输出信号的最大取值范围都是 +1 至 -1, 即都是归一化的 现在, 把 x 轴的区间 (0,1) 不均匀地分成 8 段, 分段的规律是每次 1/2 取段, 即 : 首先以 1/2 至 1 为一段 ; 再将余下的 0 至 1/2 平分, 取 1/2 至 1/4 为一段 ; 再将余下的 1/4 至 0 平分, 取 1/8 至 1/4 为一段 ; 直至分成 8 段为止 其中第 1 2 段斜率相同 ( 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 由图可见, 这 8 段长度由小到大依次为 1/128,1/128,1/64,1/32, 1/16,1/8,1/4 和 1/2

45 36 现代通信原理与技术简明教程 y 7 第 8 段 斜率 : 1 段 16 2 段 16 3 段 8 4 段 4 5 段 2 6 段 1 7 段 1/2 8 段 1/ x 图 3-9 A 律 13 折线 13 折线各段落的分界点与 A=87.6 曲线十分逼近, 并且两特性起始段的斜率均为 16, 这就是说,13 折线非常逼近 A=87.6 的对数压缩特性 在 A 律特性中, 取 A=87.6 有两个目的 : 一是使特性曲线原点附近的斜率凑成 16, 二是使 13 折线逼近时,x 的八个段落量化分界点近似于按 2 的幂次递减分割, 有利于数字化 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 模拟信息源输出的模拟信号 m(t) 经抽样和量化后得到的输出脉冲序列是一个 M 进制 ( 一般常用 128 或 256) 的多电平数字信号, 如果直接传输的话, 抗噪声性能很差, 因此还要经过编码器转换成二进制数字信号 (PCM 信号 ) 后, 再经数字信道传输 在接收端, 二进制码组经过译码器还原为 M 进制的量化信号, 再经低通滤波器恢复原模拟基带信号, 完成这一系列过程的系统就是前面的脉冲编码调制 (PCM) 系统 其中, 量化与编码的组合称为模 / 数变换器 (A/D 变换器 ); 译码与低通滤波的组合称为数 / 模变换器 (D/A 变换器 )

46 第 3 章模拟信号的数字化技术 码字和码型 二进制码具有抗干扰能力强 易于产生等优点, 因此,PCM 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 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 ( 反射二进码 ) 常用二进制码型如表 3-1 所示 表中列出了用 4 位码表示 16 个量化级时的三种码型 表 3-1 常用二进制码型 抽样值脉冲极性 正极性部分 负极性部分 负极性部分 自然二进制码 折叠二进制码 格雷二进制码 量化级序号 (1) 自然二进码就是一般的十进制正整数的二进制表示, 编码简单 易记, 而且译码可以逐比特独立进行 若把自然二进码从低位到高位依次给以 2 倍的加权, 就可变换为十进数 如设二进码为 (a n-1,a n-2,,a 1,a 0 ) 则 D=a n-1 2 n-1 +a n-2 2 n-2 + +a a 0 2 0

47 38 现代通信原理与技术简明教程 D 便是其对应的十进数 ( 表示量化电平值 ) 这种 可加性 可简化译码器的结构 (2) 折叠二进码是一种符号幅度码 左边第一位表示信号的极性, 信号为正用 1 表示, 信号为负用 0 表示 ; 第二位至最后一位表示信号的幅度 由于正 负绝对值相同时, 折叠码的上半部分与下半部分相对零电平对称折叠, 故名折叠码 其幅度码从小到大按自然二进码规则编码 与自然二进码相比, 折叠二进码的一个优点是, 对于语音这样的双极性信号, 只要绝对值相同, 就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 例如由大信号的 1111 误为 0111, 从表 3-1 可见, 自然二进码由 15 错到 7, 误差为 8 个量化级, 而对于折叠二进码, 误差为 15 个量化级 显见, 大信号时误码对折叠二进码影响很大 如果误码发生在由小信号的 1000 误为 0000, 这时情况就大不相同了, 对于自然二进码误差还是 8 个量化级, 而对于折叠二进码误差却只有 1 个量化级 这一特性是十分可贵的, 因为语音信号小幅度出现的概率比大幅度的大, 所以, 着眼点在于小信号的传输效果 (3) 格雷二进码的特点是 : 任何相邻电平的码组, 只有一位码位发生变化, 即相邻码字的距离恒为 1 译码时, 若传输或判决有误, 量化电平的误差小 另外, 这种码除极性码外, 当正 负极性信号的绝对值相等时, 其幅度码相同, 故又称反射二进码 但这种码不是 可加的, 不能逐比特独立进行, 需先转换为自然二进码后再译码 因此, 这种码在采用编码管进行编码时才用, 在采用电路进行编码时, 一般均用折叠二进码和自然二进码 通过以上三种码型的比较, 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 至于码位数的选择, 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, 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 3~4 位非线性编码即可, 若增至 7~8 位时, 通信质量就比较理想了 在 13 折线编码中, 普遍采用 8 位二进制码, 对应有 M=2 8 =256 个量化级, 即正 负输入幅度范围内各有 128 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=128 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 C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 C 7 C 8 其中第 1 位码 C 1 的数值 1 或 0 分别表示信号的正 负极性, 称为极性码 对于正 负对称的双极性信号, 在极性判决后被整流 ( 相当于取绝对值 ), 以后则按信号的绝对

48 第 3 章模拟信号的数字化技术 39 值进行编码, 因此只要考虑 13 折线中的正方向的 8 段折线就行了 这 8 段折线共包含 128 个量化级, 正好用剩下的 7 位幅度码 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 C 7 C 8 表示 第 2 至第 4 位码 C 2 C 3 C 4 为段落码, 如表 3-2 所示 表示信号绝对值处在哪个段落,3 位码的 8 种可能状态分别代表 8 个段落的起点电平 表 3-2 段落码 段落码段落序号 M2 M3 M 但应注意, 段落码的每一位不表示固定的电平, 只是用它们的不同排列码组表示各段的起始电平 通常把按非均匀量化特性的编码称为非线性编码 ; 按均匀量化特性的编码称为线性编码 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 由于非线性编码的码位数减少, 因此设备简化, 所需传输系统带宽减小 3. 编码原理 实现编码的具体方法和电路很多, 如有低速编码和高速编码 线性编码和非线性编码 ; 逐次比较型 级联型和混合型编码器 这里只讨论目前常用的逐次比较型编码器原理 编码器的任务是根据输入的样值脉冲编出相应的 8 位二进制代码 除第一位极性码外, 其他 7 位二进制代码是通过类似天平称重物的过程来逐次比较确定的 这种编码器就是 PCM 通信中常用的逐次比较型编码器 常用编码 PCM 芯片如表 3-3 所示 表 3-3 几种典型的 PCM 编 译码芯片表 公司 Intel Intel Intel Intel AMI Mitel( 加 ) Motorola 型号 2910(μ) (A) ( 非同步 ) 29C14 29C51 S3506 MT8960(μ) MC14402 MT8963(A) MC14403 工艺 NMOS NMOS CHMOS CHMOS CMOS CMOS CMOS 组成部分 A/D D/A 时隙分配控制电路 A/D D/A 发 收滤波器 A/D 发 收滤波器 A/D 平衡网络第二话路编码 A/D D/A 发 收滤波器 A/D D/A 发 收滤波器 A/D D/A 发 收滤波器

49 40 现代通信原理与技术简明教程 ( 续表 ) 公司 Intel Intel Intel Intel AMI Mitel( 加 ) Motorola 管脚 ±5 电源 /V ±5 ±5 ±5 ±5 ±5 ±5 或 +10 ±12 工作功耗 /mw 低功耗 /mw D/A A/D 参考源 U REP R 串逐次逼近 内含 +3.15V 内含 μ A 可选择 C-R 压扩逐次逼近 内含内含内含外接 2.5V 45~70 3 C-R 压扩逐次逼近内含 (3.15)V 或外接 逐次比较型编码的原理与天平称重物的方法相类似, 样值脉冲信号相当于被测物, 标准电平相当于天平的砝码 预先规定好的一些作为比较用的标准电流 ( 或电压 ), 称为权值电流, 用符号 I W 表示 I W 的个数与编码位数有关 当样值脉冲 I s 到来后, 用逐步逼近的方法有规律地用各标准电流 I W 去和样值脉冲比较, 每比较一次出一位码 当 I s >I W 时, 出 1 码, 反之出 0 码, 直到 I W 和抽样值 I s 逼近为止, 完成对输入样值的非线性量化和编码 实现 A 律 13 折线压扩特性的逐次比较型编码器的原理框图如图 3-10 所示, 它由整流器 极性判决 保持电路 比较器及本地译码电路等组成 L + C2~C8 M M 图 3-10 逐次比较型编码器

50 第 3 章模拟信号的数字化技术 41 (1) 极性判决电路用来确定信号的极性 输入 PAM 信号是双极性信号, 其样值为正时, 在位脉冲到来时刻出 1 码 ; 样值为负时, 出 0 码 ; 同时将该信号经过全波整流变为单极性信号 (2) 比较器是编码器的核心 它的作用是通过比较样值电流 I s 和标准电流 I W, 从而对输入信号抽样值实现非线性量化和编码 每比较一次输出一位二进制代码, 且当 I s >I W 时, 出 1 码, 反之出 0 码 由于在 13 折线法中用 7 位二进制代码来代表段落和段内码, 所以对一个输入信号的抽样值需要进行 7 次比较 每次所需的标准电流 I W 均由本地译码电路提供 (3) 本地译码电路包括记忆电路 7/11 变换电路和恒流源 1 记忆电路用来寄存二进代码, 因除第一次比较外, 其余各次比较都要依据前几次比较的结果来确定标准电流 I W 值 因此,7 位码组中的前 6 位状态均应由记忆电路寄存下来 2 恒流源也称 11 位线性解码电路或电阻网络, 它用来产生各种标准电流 I W 在恒流源中有数个基本的权值电流支路, 其个数与量化级数有关 按 A 律 13 折线编出的 7 位码, 需要 11 个基本的权值电流支路, 每个支路都有一个控制开关 每次应该哪个开关接通形成比较用的标准电流 I W, 由前面的比较结果经变换后得到的控制信号来控制 3 7/11 变换电路就是前面非均匀量化中谈到的数字压缩器 由于按 A 律 13 折线只编 7 位码, 加至记忆电路的码也只有 7 位, 而线性解码电路 ( 恒流源 ) 需要 11 个基本的权值电流支路, 这就要求有 11 个控制脉冲对其控制 因此, 需通过 7/11 逻辑变换电路将 7 位非线性码转换成 11 位线性码, 其实质就是完成非线性和线性之间的变换 (4) 保持电路的作用是在整个比较过程中保持输入信号的幅度不变由于逐次比较型编码器编 7 位码 ( 极性码除外 ) 需要在一个抽样周期 Ts 以内完成 Is 与 IW 的 7 次比较, 在整个比较过程中都应保持输入信号的幅度不变, 因此要求将样值脉冲展宽并保持 这在实际中要用平顶抽样, 通常由抽样保持电路实现 附带指出, 原理上讲模拟信号数字化的过程是抽样 量化以后才进行编码 但实际上量化是在编码过程中完成的, 也就是说, 编码器本身包含了量化和编码的两个功能 下面我们通过一个例子来说明编码过程 4. 译码原理 译码的作用是把收到的 PCM 信号还原成相应的 PAM 样值信号, 即进行 D/A 变换 A 律 13 折线译码器原理框图如图 3-11 所示 常用 PCM 译码芯片如表 3-3 所示 它与逐次比较型编码器中的本地译码器基本相同, 所不同的是增加了极性控制部分和带有寄存读出的 7/12 位码变换电路, 下面简单介绍各部分电路的作用 (1) 串 / 并变换记忆电路的作用是将加进的串行 PCM 码变为并行码, 并记忆下来, 与编码器中译码电路的记忆作用基本相同 极性控制部分的作用是根据收到的极性码 C 1 是 1 还是 0 来控制译码后 PAM 信号的极性, 恢复原信号极性

51 42 现代通信原理与技术简明教程 图 折线 (A 律 ) 译码器方框图 (2)7/12 变换电路的作用是将 7 位非线性码转变为 12 位线性码 在编码器的本地译码器中采用 7/11 位码变换, 使得量化误差有可能大于本段落量化间隔的一半 译码器中采用 7/12 变换电路, 是为了增加了一个 Δi/2 恒流电流, 人为地补上半个量化级, 使最大量化误差不超过 Δi/2, 从而改善量化信噪比 两种码之间的转换原则是两个码组在各自的意义上所代表的权值必须相等 (3) 寄存读出电路是将输入的串行码在存储器中寄存起来, 待全部接收后再一起读出, 送入解码网络, 实质上是进行串 / 并变换 12 位线性解码电路主要是由恒流源和电阻网络组成, 与编码器中解码网络类同 PCM 系统的性能 1. 信号的码元速率和带宽 由于 PCM 要用 N 位二进制代码表示一个抽样值, 即一个抽样周期 T s 内要编 N 位码, 因此每个码元宽度为 T s /N, 码位越多, 码元宽度越小, 占用带宽越大 显然, 传输 PCM 信号所需要的带宽要比模拟基带信号 m(t) 的带宽大得多 (1) 速率 设 m(t) 为低通信号, 最高频率为 f H, 按照抽样定理的抽样速率 f s 2f H, 如果量化电平数为 M,N 为二进制编码位数, 则码元速率为 R B =f B s (3.2-1) 信息速率为 R b = f s N =f s log 2 M (2) 传输 PCM 信号所需的最小带宽 抽样速率的最小值 f s =2f H, 这时码元传输速率为 R B =f B s=2f H, 按照在无码间串扰和采用理想低通传输特性的情况下, 所需最小传输带宽 (NY 带宽 ) 为 B=R b /2= N f s /2= N f H (3.2-2)

52 第 3 章模拟信号的数字化技术 43 实际中用升余弦的传输特性, 此时所需传输带宽为 B=f b =N f s (3.2-3) 比如, 对于语音信号, 常用的 N=8,f s =8 khz, 实际应用的 B=N f s =64 khz, 显然比直接传输语音信号 (300~3400 Hz) 的带宽 ( 常取 4 khz) 要大得多 2.CM 系统的抗噪声性能 分析 PCM 的系统性能将涉及两种噪声 : 量化噪声和信道加性噪声 由于这两种噪声的产生机理不同, 故可认为它们是互相独立的 量化信噪比, 根据数学统计分析, 在 PCM 系统输出端的将依赖于每一个编码组的位数 N, 并随 N 按指数增加 2 S0 Em [ ( t)] 2 2N = = M = 2 2 N E[ n ( t)] q q 式中, 二进码位数 N 与量化级数 M 的关系为 M=2 N 由上式可见, 若上式表示的 PCM 系统理想的最小带宽 B=N f H, 则又可表示为 S0 2 / H 2 B f N = q 该式表明,PCM 系统输出端的量化信噪比与系统带宽 B 成指数关系, 充分体现了带宽与信噪比的互换关系 信道加性噪声对 PCM 系统性能的影响表现在接收端的判决误码上, 二进制 1 码可能误判为 0 码, 而 0 码可能误判为 1 码 由于 PCM 信号中每一码组代表着一定的量化抽样值, 所以若出现误码, 被恢复的量化抽样值将与发端原抽样值不同, 从而引起误差 3.3 自适应差分脉冲编码调制 ADPCM 64 kb/s 的 A 律或 μ 律的对数压扩 PCM 编码已经在大容量的光纤通信系统和数字微波系统中得到了广泛的应用 但 PCM 信号占用频带要比模拟通信系统中的一个标准话路带宽 (3.1 khz) 宽很多倍, 这样, 对于大容量的长途传输系统, 尤其是卫星通信, 采用 PCM 的经济性能很难与模拟通信相比 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 64 kb/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 32 kb/s 的比特率上达到 64 kb/s 的 PCM 数字电话质量

53 44 现代通信原理与技术简明教程 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 ADPCM 是在差分脉冲编码调制 (DPCM) 的基础上发展起来的, 为此, 下面先介绍 DPCM 的编码原理与系统框图 差分脉码调制 (DPCM) 在 PCM 中, 每个波形样值都独立编码, 与其他样值无关, 这样, 样值的整个幅值编码需要较多位数, 比特率较高, 造成数字化的信号带宽大大增加 然而, 大多数以奈奎斯特或更高速率抽样的信源信号在相邻抽样间表现出很强的相关性, 有很大的冗余度 利用信源的这种相关性, 一种比较简单的解决方法是对相邻样值的差值而不是样值本身进行编码 由于相邻样值的差值比样值本身小, 可以用较少的比特数表示差值 这样, 用样点之间差值的编码来代替样值本身的编码, 可以在量化台阶不变的情况下 ( 即量化噪声不变 ), 编码位数显著减少, 信号带宽压缩 这种利用差值的 PCM 编码称为差分 PCM(DPCM), 其原理如图 3-12 图 3-12 DPCM 系统原理框图 如果将样值之差仍用 N 位编码传送, 则 DPCM 的量化信噪比显然优于 PCM 系统 实现差分编码的一个常用方法是根据前面的 k 个样值预测当前时刻的样值 编码信号只是当前样值与预测值之间的差值的量化编码 在接收端装有与发送端相同的预测器, 它的输出 n 与 e qn 相加产生 信号既是所要求的预测器的激励信号, 也是所要求的解码器输出的重建信号 在无传输误码的条件下, 解码器输出的重建信号 x n 与编码器中的 x n 相同 DPCM 系统达到与 PCM 系统相同的信噪比, 则可降低对量化器信噪比的要求, 即可减小量化级数, 从而减少码位数, 降低比特率 ADPCM 值得注意的是,DPCM 系统性能的改善是以最佳的预测和量化为前提的 但对语音信号进行预测和量化是复杂的技术问题, 这是因为语音信号在较大的动态范围内变化 为了能在相当宽的变化范围内获得最佳的性能, 只有在 DPCM 基础上引入自适应系统 有自适

54 第 3 章模拟信号的数字化技术 45 应系统的 DPCM 称为自适应差分脉冲编码调制, 简称 ADPCM ADPCM 的主要特点是用自适应量化取代固定量化, 用自适应预测取代固定预测 自适应量化指量化台阶随信号的变化而变化, 使量化误差减小 ; 自适应预测指预测器系数 {ai} 可以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 通过这两点改进, 可大大提高输出信噪比和编码动态范围 如果 DPCM 的预测增益为 6~11dB, 自适应预测可使信噪比改善 4 db; 自适应量化可使信噪比改善 4~7dB, 则 ADPCM 比 PCM 可改善 16~21dB, 相当于编码位数可以减小 3 位到 4 位 可见, 在维持相同的语音质量下,ADPCM 允许用 32 kb/s 比特率编码, 这是标准 64kb/s PCM 的一半 因此, 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 3.4 增量调制 (ΔM) 增量调制简称 ΔM 或 DM, 它是继 PCM 后出现的又一种模拟信号数字传输的方法, 可以看成是 DPCM 的一个重要特例 其目的在于简化语音编码方法 ΔM 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, 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 ΔM 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 ΔM 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 本节将简要论述增量调制原理 简单增量调制 1. 编译码的基本思想 不难想到, 一个语音信号, 如果抽样速率很高 ( 远大于奈奎斯特速率 ), 抽样间隔很小, 那么相邻样点之间的幅度变化不会很大, 相邻抽样值的相对大小 ( 差值 ) 同样能反映模拟信号的变化规律 若将这些差值编码传输, 同样可传输模拟信号所含的信息 此差值又称 增量, 其值可正可负 这种用差值编码进行通信的方式, 就称为 增量调制 (Delta Modulation), 缩写为 DM 或 ΔM 阶梯波 m (t) 有两个特点 : 第一, 在每个 Δt 间隔内,m (t) 的幅值不变 ; 第二, 相邻间隔

55 46 现代通信原理与技术简明教程 的幅值差不是 +σ( 上升一个量化阶 ), 就是 -σ( 下降一个量化阶 ) 利用这两个特点, 用 1 码和 0 码分别代表 m (t) 上升或下降一个量化阶 σ, 则 m (t) 就被一个二进制序列表征 ( 见图 3-13 横轴下面的序列 ) 于是, 该序列也相当表征了模拟信号 m(t), 实现了模 / 数转换 除了用阶梯波 m (t) 近似 m(t) 外, 还可用另一种形式 图中虚线所示的斜变波 m 1 (t) 来近似 m(t) 斜变波 m 1 (t) 也只有两种变化 : 按斜率 σ/δt 上升一个量阶和按斜率 -σ/δt 下降一个量阶 用 1 码表示正斜率, 用 0 码表示负斜率, 同样可以获得二进制序列 由于斜变波 m 1 (t) 在电路上更容易实现, 实际中常采用它来近似 m(t) t 11 t 12 t 13 图 3-13 增量编码波形示意图 与编码相对应, 译码也有两种形式 一种是收到 1 码上升一个量阶 ( 跳变 ), 收到 0 码下降一个量阶 ( 跳变 ), 这样把二进制代码经过译码后变为 m (t) 这样的阶梯波 另一种是收到 1 码后产生一个正斜率电压, 在 Δt 时间内上升一个量阶 σ, 收到 0 码后产生一个负斜率电压, 在 Δt 时间内下降一个量阶 σ, 这样把二进制代码经过译码后变为如 m 1 (t) 这样的斜变波 考虑到电路上实现的简易程度, 一般都采用后一种方法 这种方法可用一个简单的 RC 积分电路, 即可把二进制代码变为 m 1 (t) 这样的波形, 如图 3-14 所示 图 3-14 积分器译码原理

56 第 3 章模拟信号的数字化技术 简单 ΔM 系统方框图 从 ΔM 编 译码的基本思想出发, 我们可以组成一个如图 3-15 所示的简单 ΔM 系统方框图 发送端编码器是相减器 判决器 积分器及脉冲发生器 ( 极性变换电路 ) 组成的一个闭环反馈电路 其中, 相减器的作用是取出差值 e(t), 使 e(t)=m(t)-m 1 (t) 判决器也称比较器或数码形成器, 它的作用是对差值 e(t) 的极性进行识别和判决, 以便在抽样时刻输出数码 ( 增量码 )c(t), 即如果在给定抽样时刻 t i 上, 有 e(t i )=m(t i )-m 1 (t i )>0, 则判决器输出 1 码 ; 如有 e(t i )=m(t i )-m 1 (t i )<0, 则输出 0 码 积分器和脉冲产生器组成本地译码器, 它的作用是根据 c(t) 形成预测信号 m 1 (t), 即 c(t) 为 1 码时,m 1 (t) 上升一个量阶 σ,c(t) 为 0 码时,m 1 (t) 下降一个量阶 σ, 并送到相减器与 m(t) 进行幅度比较 + E mt ˆ () 图 3-15 简单 ΔM 系统框图 注意, 若用阶梯波 m (t) 作为预测信号, 则抽样时刻 t i 应改为 t-i, 表示 t i 时刻的前一瞬间, 即相当于阶梯波形跃变点的前一瞬间 在 t-i 时刻, 斜变波形与阶梯波形有完全相同的值 接收端解码电路由译码器和低通滤波器组成 其中, 译码器的电路结构和作用与发送端的本地译码器相同, 用来由 c(t) 恢复 m 1 (t), 为了区别收 发两端完成同样作用的部件, 我们称发端的译码器为本地译码器 低通滤波器的作用是滤除 m 1 (t) 中的高次谐波, 使输出波形平滑, 更加逼近原来的模拟信号 m(t) 由于 ΔM 前后两个样值的差值的量化编码, 所以 ΔM 实际上是最简单的一种 DPCM 方案 PCM 与 ΔM 系统的比较 PCM 和 ΔM 都是模拟信号数字化的基本方法 ΔM 实际上是 DPCM 的一种特例, 所以有时把 PCM 和 ΔM 统称为脉冲编码 但应注意,PCM 是对样值本身编码,ΔM 是对相

57 48 现代通信原理与技术简明教程 邻样值的差值的极性 ( 符号 ) 编码 这是 ΔM 与 PCM 的本质区别 1. 抽样速率 PCM 系统中的抽样速率 f s 是根据抽样定理来确定的 若信号的最高频率为 f m, 则 f s 2f m 对语音信号, 取 f s =8kHz 在 ΔM 系统中传输的不是信号本身的样值, 而是信号的增量 ( 即斜率 ), 因此其抽样速率 f s 不能根据抽样定理来确定 ΔM 的抽样速率与最大跟踪斜率和信噪比有关 在保证不发生过载, 达到与 PCM 系统相同的信噪比时,ΔM 的抽样速率远远高于奈奎斯特速率 2. 带宽 ΔM 系统在每一次抽样时, 只传送一位代码, 因此 ΔM 系统的数码率为 f b =f, 要求的最小带宽为 BBΔM= 0.5f s 实际应用时 B ΔM =f s 而 PCM 系统的数码率为 f b =Nf s 在同样的语音质量要求下,PCM 系统的数码率为 64 khz, 因而要求最小信道带宽为 32 khz 而采用 ΔM 系统时, 抽样速率至少为 100 khz, 则最小带宽为 50 khz 通常,ΔM 速率采用 32 khz 或 16 khz 时, 语音质量不如 PCM 3. 量化信噪比 在相同的信道带宽 ( 即相同的数码率 f b ) 条件下 : 在低数码率时,ΔM 性能优越 ; 在编码位数多, 码率较高时,PCM 性能优越 这是因为 PCM 量化信噪比为 S0 2N ( ) PCM 10lg2 6NB d N 它与编码位数 N 成线性关系, 如图 3-16 所示 q 图 3-16 不同 N 值的 PCM 性能比较曲线

58 第 3 章模拟信号的数字化技术 49 ΔM 系统的数码率为 f b =f s,pcm 系统的数码率为 f b =2Nf m 当 ΔM 与 PCM 的数码率 f b 相同时, 有 f s =2Nf m, 可得 ΔM 的量化信噪比为 S0 3 fm 2 ( ) ΔM 10lg[0.32 N ( ) ]db N f q 它与 N 成对数关系, 并与 f m /f h 有关 当取 f m /f h =3000~1000 时, 它与 N 的关系如图 3-16 所示 比较两者曲线可看出, 若 PCM 系统的编码位数 N<4( 码率较低 ) 时,ΔM 的量化信噪比高于 PCM 系统 4. 信道误码的影响 在 ΔM 系统中, 每一个误码代表造成一个量阶的误差, 所以它对误码不太敏感 故对误码率的要求较低, 一般在 10-3 ~10-4 而 PCM 的每一个误码会造成较大的误差, 尤其高位码元, 错一位可造成许多量阶的误差 ( 例如, 最高位的错码表示 (2N-1) 个量阶的误差 ) 所以误码对 PCM 系统的影响要比 ΔM 系统严重些, 故对误码率的要求较高, 一般为 10-5 ~ 10-6 由此可见,ΔM 允许用于误码率较高的信道条件, 这是 ΔM 与 PCM 不同的一个重要条件 5. 设备复杂度 PCM 系统的特点是多路信号统一编码, 一般采用 8 位 ( 对语音信号 ), 编码设备复杂, 但质量较好 PCM 一般用于大容量的干线 ( 多路 ) 通信 ΔM 系统的特点是单路信号独用一个编码器, 设备简单, 单路应用时, 不需要收发同步设备 但在多路应用时, 每路独用一套编译码器, 所以路数增多时设备成倍增加 ΔM 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,ΔM 的优点已不再那么显著 在传输语音信号时,ΔM 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 ΔM ΔM 一般用在通信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 h 3.5 小结 本章在介绍抽样定理和脉冲幅度调制的基础上, 重点讨论模拟信号数字化的两种方式, 即 PCM 和 ΔM 的原理及性能, 并简要介绍它们的改进型 : 差分脉冲编码调制 (DPCM) 自适应差分脉冲编码调制 (ADPCM) 和增量总和调制 数字压扩自适应增量调制的原理

59 50 现代通信原理与技术简明教程 3.6 习题 1. 简述抽样定理 2. 什么是 PAM? 3. 试画出 PCM 通信的原理方框图, 标出各点波形, 并简述 PCM 通信的基本过程 4. 什么叫抽样? 什么叫量化? 什么叫编码? 5. 什么是均匀量化和非均匀量化? 6. 什么是 A 律 13 折线法? 7. 简述 ΔM 的基本原理 8. 简述 ΔM 的各类改进型, 他们都是为解决什么矛盾而产生的? 9. 试简要比较 PCM 和 ΔM 的工作原理 系统组成 应用场所 以及主要优缺点 10.PCM 和 ΔM 的代码分别代表抽样信号的什么? 11. 对于话音信号, 它的频率范围为 0~3400Hz, 采用 PCM 技术, 采样频率应该是多少? 12. 对载波基群为 60~108 khz 的模拟信号, 它的抽样频率等于多少?

60 第 4 章数字基带传输技术 4.1 数字基带传输概述 来自数据终端的原始数据信号, 如计算机输出的二进制序列 电传机输出的代码, 或者是来自模拟信号经数字化处理后的 PCM 码组 ΔM 序列等等都是数字信号 这些信号往往包含丰富的低频分量, 甚至直流分量, 因而称之为数字基带信号 在某些具有低通特性的有线信道中, 特别是传输距离不太远的情况下, 数字基带信号可以直接传输, 我们称之为数字基带传输 而大多数信道, 如各种无线信道和光信道, 则是带通型的, 数字基带信号必须经过载波调制, 把频谱搬移到高载处才能在信道中传输, 我们把这种传输称为数字频带 ( 调制或载波 ) 传输 目前, 虽然在实际应用场合, 数字基带传输不如频带传输那样广泛, 但对于基带传输系统的研究仍是十分有意义的 一是因为在利用对称电缆构成的近程数据通信系统广泛采用了这种传输方式 ; 二是因为数字基带传输中包含频带传输的许多基本问题, 也就是说, 基带传输系统的许多问题也是频带传输系统必须考虑的 ; 三是因为任何一个采用线性调制的频带传输系统可等效为基带传输系统来研究 因此, 本章主要介绍数字基带传输, 关于模拟基带信号的数字化传输和数字频带传输分别在第 3 章和第 5 章中讨论 基带传输系统的基本结构如图 4-1 所示 它主要由信道信号形成器 信道 接收滤波器和抽样判决器组成 为了保证系统可靠有序地工作, 还应有同步系统 a b c d e g f 图 4-1 数字基带传输系统

61 52 现代通信原理与技术简明教程 图 4-1 中各部分的主要作用如下 (1) 信道信号形成器基带传输系统的输入是由终端设备或编码器产生的脉冲序列, 它往往不适合直接送到信道中传输 信道信号形成器的作用就是把原始基带信号变换成适合于信道传输的基带信号, 这种变换主要是通过码型变换和波形变换来实现的, 其目的是与信道匹配, 便于传输, 减小码间串扰, 利于同步提取和抽样判决 (2) 信道是允许基带信号通过的媒质, 通常为有线信道, 如市话电缆 架空明线等 信道的传输特性通常不满足无失真传输条件, 甚至是随机变化的 另外信道还会进入噪声 在通信系统的分析中, 常常把噪声 n(t) 等效, 集中在信道中引入 (3) 接收滤波器的主要作用是滤除带外噪声, 对信道特性均衡, 使输出的基带波形有利于抽样判决 (4) 抽样判决器是在传输特性不理想及噪声背景下, 在规定时刻 ( 由位定时脉冲控制 ) 对接收滤波器的输出波形进行抽样判决, 以恢复或再生基带信号 而用来抽样的位定时脉冲则依靠同步提取电路从接收信号中提取, 位定时的准确与否将直接影响判决效果 图 4-2 给出了图 4-1 所示基带系统的各点波形示意图 (a) O (b) O t t (c) O t (d) O t (e) O t (f) O (g) O 图 4-2 基带系统个点波形示意图 t t 其中,(a) 是输入的基带信号, 这是最常见的单极性非归零信号 ;(b) 是进行码型变换后的波形 ;(c) 对 (a) 而言进行了码型及波形的变换, 是一种适合在信道中传输的波形 ; (d) 是信道输出信号, 显然由于信道频率特性不理想, 波形发生失真并叠加了噪声 ;(e) 为接收滤波器输出波形, 与 (d) 相比, 失真和噪声减弱 ;(f) 是位定时同步脉冲 ;(g) 为

62 第 4 章数字基带传输技术 53 恢复的信息, 其中第 4 个码元发生误码, 误码的原因之一是信道加性噪声, 原因之二是传输总特性 ( 包括收 发滤波器和信道的特性 ) 不理想引起的波形延迟 展宽 拖尾等畸变, 使码元之间相互串扰 此时, 实际抽样判决值不仅有本码元的值, 还有其他码元在该码元抽样时刻的串扰值及噪声 显然, 接收端能否正确恢复信息, 在于能否有效地抑制噪声和减小码间串扰, 这两点也正是本章讨论的重点 4.2 数字基带信号 数字基带信号是指消息代码的电波形, 它是用不同的电平或脉冲来表示相应的消息代码 数字基带信号 ( 以下简称为基带信号 ) 的类型有很多, 常见的有矩形脉冲 三角波 高斯脉冲和升余弦脉冲等 最常用的是矩形脉冲, 因为矩形脉冲易于形成和变换, 下面就以矩形脉冲为例介绍几种最常见的基带信号波形 传输码型的选择, 主要考虑以下几点 : (1) 码型中低频 高频分量尽量少 ; (2) 码型中应包含定时信息, 以便定时提取 ; (3) 码型变换设备要简单可靠 ; (4) 码型具有一定检错能力, 若传输码型有一定的规律性, 则就可根据这一规律性来检测传输质量, 以便做到自动监测 ; (5) 编码方案对发送消息类型不应有任何限制, 适合于所有的二进制信号 这种与信源的统计特性无关的特性称为对信源具有透明性 ; (6) 低误码增殖 ; (7) 高的编码效率 1. 单极性不归零波形 单极性不归零波形如图 4-3(a) 所示, 这是一种最简单 最常用的基带信号形式 这种信号脉冲的零电平和正电平分别对应着二进制代码 0 和 1, 或者说, 它在一个码元时间内用脉冲的有或无来对应表示 0 或 1 码 其特点是 : (1) 发送能量大, 有利于提高接收端信噪比 ; (2) 在信道上占用频带较窄 ; (3) 极性单一, 有直流分量, 脉冲之间无间隔, 将导致信号的失真与畸变 ; 且由于直流分量的存在, 无法使用一些交流耦合的线路和设备 ; (4) 不能直接提取位同步信息, 位同步信息包含在电平的转换之中, 当出现连 0 序列时没有位同步信息 ;

63 54 现代通信原理与技术简明教程 (5) 接收单极性 NRZ 码的判决电平应取 1 码电平的一半 2. 双极性不归零波形 在双极性不归零波形中 脉冲的正 负电平分别对应于二进制代码 1 0, 如图 4-3(b) 所示, 由于它是幅度相等 极性相反的双极性波形, 主要特点是 : (1) 从统计平均角度来看, 1 和 0 数目各占一半时无直流分量, 但当 1 和 0 出现概率不相等时, 仍有直流成份 ; (2) 接收端恢复信号的判决门限为 0, 因而不受信道特性变化的影响, 容易设置并且稳定, 因此抗干扰能力强 ; (3) 可以在电缆等无接地线上传输 +E +E E +E E +E +E E +3E + E E 3E 图 4-3 几种常见的基带信号波形 3. 单极性归零波形 单极性归零波形与单极性不归零波形的区别是有电脉冲宽度小于码元宽度, 每个有电脉冲在小于码元长度内总要回到零电平 ( 见图 4-3(c)), 所以称为归零波形 单极性归零波形可以直接提取定时信息, 是其他波形提取位定时信号时需要采用的一种过渡波形 脉冲宽度 τ 与码元宽度 T b 之比 τ/t b 叫占空比 单极性 RZ 码与单极性 NRZ 码比较, 除仍具有单极性码的一般缺点外, 主要优点是可以直接提取同步信号 此优点虽不意味着单极性归零码能广泛应用到信道上传输, 但它却是其他码型提取同步信号需采用的一个过渡码型 即它是适合信道传输的, 但不能直接提取同步信号的码型, 可先变为单极性归零

64 第 4 章数字基带传输技术 55 码, 再提取同步信号 4. 双极性归零波形 它是双极性波形的归零形式, 如图 4-3(d) 所示 由图可见, 每个码元内的脉冲都回到零点平, 即相邻脉冲之间必定留有零电位的间隔 它除了具有双极性不归零波形的特点外, 还有利于同步脉冲的提取 5. 差分波形 这种波形不是用码元本身的电平表示消息代码, 而是用相邻码元的电平的跳变和不变来表示消息代码, 如图 4-3(e) 所示 图中, 以电平跳变表示 1, 以电平不变表示 0, 当然上述规定也可以反过来 由于差分波形是以相邻脉冲电平的相对变化来表示代码, 因此称它为相对码波形, 而相应地称前面的单极性或双极性波形为绝对码波形 用差分波形传送代码可以消除设备初始状态的影响, 特别是在相位调制系统中用于解决载波相位模糊问题 6. 多电平波形 上述各种信号都是一个二进制符号对应一个脉冲 实际上还存在多于一个二进制符号对应一个脉冲的情形 这种波形统称为多电平波形或多值波形 例如, 若令两个二进制符号 00 对应 +3E,01 对应 +E,10 对应 -E,11 对应 -3E, 则所得波形为 4 电平波形, 如图 4-3(f) 所示 由于这种波形的一个脉冲可以代表多个二进制符号, 故在高数据速率传输系统中, 采用这种信号形式是适宜的 4.3 基带传输的常用码型 在实际的基带传输系统中, 并不是所有代码的电波形都能在信道中传输 例如, 前面介绍的含有直流分量和较丰富低频分量的单极性基带波形就不适宜在低频传输特性差的信道中传输, 因为它有可能造成信号严重畸变 又如, 当消息代码中包含长串的连续 1 或 0 符号时, 非归零波形呈现出连续的固定电平, 因而无法获取定时信息 单极性归零码在传送连 0 时, 存在同样的问题 因此, 对传输用的基带信号主要有两个方面的要求 : (1) 对代码的要求, 原始消息代码必须编成适合于传输用的码型 ; (2) 对所选码型的电波形要求, 电波形应适合于基带系统的传输 前者属于传输码型的选择, 后者是基带脉冲的选择 这是两个既独立又有联系的问题 本节先讨论码型的选择问题, 后一问题将在以后讨论 传输码 ( 或称线路码 ) 的结构将取决于实际信道特性和系统工作的条件 通常, 传输码的结构应具有下列主要特性 :

65 56 现代通信原理与技术简明教程 (1) 相应的基带信号无直流分量, 且低频分量少 ; (2) 便于从信号中提取定时信息 ; (3) 信号中高频分量尽量少, 以节省传输频带并减少码间串扰 ; (4) 不受信息源统计特性的影响, 即能适应于信息源的变化 ; (5) 具有内在的检错能力, 传输码型应具有一定规律性, 以便利用这一规律性进行宏观监测 ; (6) 编译码设备要尽可能简单, 等等 满足或部分满足以上特性的传输码型种类繁多, 这里准备介绍目前常见的几种 1.AMI 码 AMI 码是传号交替反转码 其编码规则是将二进制消息代码 1 ( 传号 ) 交替地变换为传输码的 +1 和 -1, 而 0 ( 空号 ) 保持不变 例如 : 消息代码 AMI 码 : AMI 码对应的基带信号是正负极性交替的脉冲序列, 而 0 电位持不变的规律 AMI 码的优点是, 由于 +1 与 -1 交替,AMI 码在 1 0 码不等概率情况下, 也无直流成分, 且零频附近低频分量小 因此, 对具有变压器或其他交流耦合的传输信道来说, 不易受隔直特性影响, 高 低频分量少, 能量集中在频率为 1/2 码速处 位定时频率分量虽然为 0, 但只要将基带信号经全波整流变为单极性归零波形, 便可提取位定时信号 此外,AMI 码的编译码电路简单, 便于利用传号极性交替规律观察误码情况 若接收端收到的码元极性与发送端完全相反, 也能正确判决 鉴于这些优点,AMI 码是 CCITT 建议采用的传输码性之一 AMI 码的不足是, 当原信码出现连 0 串时, 信号的电平长时间不跳变, 造成提取定时信号的困难 解决连 0 码问题的有效方法之一是采用 HDB3 码 2.HDB3 码 HDB3 码的全称是 3 阶高密度双极性码, 它是 AMI 码的一种改进型, 其目的是为了保持 AMI 码的优点而克服其缺点, 使连 0 个数不超过 3 个 其编码规则如下 : (1) 当信码的连 0 个数不超过 3 时, 仍按 AMI 码的规则编, 即传号极性交替 ; (2) 当连 0 个数超过 3 时, 则将第 4 个 0 改为非 0 脉冲, 记为 +V 或 -V, 称之为破坏脉冲 相邻 V 码的极性必须交替出现, 以确保编好的码中无直流 ; (3) 为了便于识别,V 码的极性应与其前一个非 0 脉冲的极性相同, 否则, 将四连 0 的第一个 0 更改为与该破坏脉冲相同极性的脉冲, 并记为 +B 或 -B; (4) 破坏脉冲之后的传号码极性也要交替 例如 : 代码 : l 1

66 第 4 章数字基带传输技术 57 AMI 码 : HDB3 码 : V V 1 +1 B00 V +1 1 其中的 ±V 脉冲和 ±B 脉冲与 ±1 脉冲波形相同, 用 V 或 B 符号的目的是为了示意是将原信码的 0 变换成 1 码 虽然 HDB3 码的编码规则比较复杂, 但译码却比较简单 从上述原理看出, 每一个破坏符号 V 总是与前一非 0 符号同极性 ( 包括 B 在内 ) 这就是说, 从收到的符号序列中可以容易地找到破坏点 V, 于是也断定 V 符号及其前面的 3 个符号必是连 0 符号, 从而恢复 4 个连 0 码, 再将所有 -1 变成 +1 后便得到原消息代码 HDB3 码保持了 AMI 码的优点外, 同时还将连 0 码限制在 3 个以内, 故有利于位定时信号的提取 HDB3 码是应用最为广泛的码型,A 律 PCM 四次群以下的接口码型均为 HDB3 码 3.PST 码 PST 码是成对选择三进码 其编码过程是 : 先将二进制代码两两分组, 然后再把每一码组编码成两个三进制数字 (+ - 0) 因为两位三进制数字共有 9 种状态, 故可灵活地选择其中的 4 种状态 表 4-1 列出了其中一种使用最广的格式 表 4-1 PST 码 代码组合 + 模式 模式 为防止 PST 码的直流漂移, 当在一个码组中仅发送单个脉冲时, 两个模式应交替变换 例如 : 代码 : PST 码 : 或 PST 码能提供足够的定时分量, 且无直流成分, 编码过程也较简单 但这种码在识别时需要提供 分组 信息, 即需要建立帧同步 4. 数字双相码 数字双相码又称曼彻斯特 (Manchester) 码 它用一个周期的正负对称方波表示 0,