第3章数字通信技术

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1、3.13.1数字通信概述数字通信概述n3 3.1.1 .1.1 数字通信系统的组成数字通信系统的组成n3.1.2 3.1.2 模拟信号数字化基本过程模拟信号数字化基本过程n3.1.3 语音编码方法语音编码方法3.1.1数字通信系统的组成数字通信系统的组成 1、数字通信系统的组成、数字通信系统的组成（1）一次编码）一次编码/一次译码：信源编一次译码：信源编/译码译码n一次编码：一次编码：A/Dn一次译码：一次译码：D/A（2）加密器）加密器/解密器解密器：（3 3）二次编码器）二次编码器/二次译码器：信道编二次译码器：信道编/译码译码n完成自动检错和纠错功能，即差错控制编译码的功能完成自动检错和

2、纠错功能，即差错控制编译码的功能n差错控制基本原理差错控制基本原理n如发一通知：如发一通知：“明天明天14：0016：00开会开会”n差错控制编码根据功能不同可分为：差错控制编码根据功能不同可分为：n检错码检错码n纠错码纠错码n纠删码纠删码3.1.1数字通信系统的组成数字通信系统的组成（4 4）调制器）调制器/解调器解调器 n将输入数字信号变换成将输入数字信号变换成适合于信道传输适合于信道传输的形式，的形式，使信号能较好的通过信道到达接收端。使信号能较好的通过信道到达接收端。n数字通信涉及的技术问题主要的有：数字通信涉及的技术问题主要的有：n模拟信号数字化技术、差错控制编码技术、模拟信号数字化

3、技术、差错控制编码技术、数字调制解调技术以及保密技术；数字调制解调技术以及保密技术；n此外，还有同步技术等。此外，还有同步技术等。3.1.2模拟信号数字化基本过程模拟信号数字化基本过程2、模拟信号数字化基本过程：、模拟信号数字化基本过程：模模/数变换数变换n就是把模拟量变换成数字量的过程，即就是把模拟量变换成数字量的过程，即用有限个用有限个数值的数字信号来代表无限多个数值的模拟信号数值的数字信号来代表无限多个数值的模拟信号其基本过程主要包括：其基本过程主要包括：n抽样、量化与编码三个过程抽样、量化与编码三个过程3.2.2 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM）n基本概念基本概念n脉冲编码调制脉冲

4、编码调制nPCM通信系统通信系统nPCM通信通信系统的组成系统的组成n3.2.1 抽样抽样n3.2.2 量化量化n3.2.3编码编码3.2.2 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM）n脉冲编码调制：脉冲编码调制：nPCMPCM：Pulse Code ModulationPulse Code ModulationnPCM是对模拟信号的瞬时抽样值量化、编是对模拟信号的瞬时抽样值量化、编码，以将模拟信号转换为数字信号的方法。码，以将模拟信号转换为数字信号的方法。nPCM通信系统通信系统3.2.1 抽样抽样 1.模拟信号数字化的第一步：模拟信号数字化的第一步：抽样抽样n将模拟信号在将模拟信号在时间上时间

5、上进行进行离散化离散化的过程。的过程。n在语音信号的波形范围内，每隔一定的时间在语音信号的波形范围内，每隔一定的时间取出模拟信号瞬时幅度值。取出模拟信号瞬时幅度值。2.抽样方法抽样方法3.2.1 抽样抽样3.抽样的原则：抽样的原则：保证接收端从样值序列不失真地保证接收端从样值序列不失真地恢复出原始信号。恢复出原始信号。n奈奎斯特抽样定理：奈奎斯特抽样定理：设连续时间信号设连续时间信号m(t)，其最高截止频率为其最高截止频率为fm，若用时间若用时间间隔间隔Ts1/2fm的开关信号的开关信号sa(t)对对f(t)抽抽样，则样，则m(t)可被抽样后的离散信号可被抽样后的离散信号fs(t)唯一地确定。

6、唯一地确定。3.2.1 抽样抽样4语音信号抽样周期语音信号抽样周期n 根据抽样定理，抽样周期：根据抽样定理，抽样周期：TS1/2*fm=1/2*34001/2*4000=125sn即抽样频率按：即抽样频率按：S=1/TS=1/125s=8KHz的的抽样频率。抽样频率。3.2.2.2.2 量化量化 1.1.量化的概念量化的概念n模拟信号经抽样后得到了模拟信号经抽样后得到了样值序列样值序列。n量化：量化：把幅度连续变化的样值序列变换把幅度连续变化的样值序列变换为幅度取值为有限个的离散样值序列的为幅度取值为有限个的离散样值序列的过程。过程。3.2.2.2.2 量化量化2.量化方法：用量化方法：用分层

7、方法分层方法可实现量化。可实现量化。n把信号变化的动态范围划分为把信号变化的动态范围划分为若干个区间若干个区间（层），只要某样值信号落在某个区间内，（层），只要某样值信号落在某个区间内，就取该区间内预先规定的某个参考电平就取该区间内预先规定的某个参考电平（如该区间的中间值）作为（如该区间的中间值）作为量化值量化值。n量化值量化值：取各个量化间隔的内：取各个量化间隔的内预先规定的预先规定的某个参考电平某个参考电平（如该区间的中间值）（如该区间的中间值）上次课内容回顾上次课内容回顾n n调制调制调制调制n n模拟信号幅度调制模拟信号幅度调制模拟信号幅度调制模拟信号幅度调制n n数字信号幅度、频率、

8、相位调制数字信号幅度、频率、相位调制数字信号幅度、频率、相位调制数字信号幅度、频率、相位调制n n简单的点对点数字通信系统组成及各部分作用简单的点对点数字通信系统组成及各部分作用简单的点对点数字通信系统组成及各部分作用简单的点对点数字通信系统组成及各部分作用n n模拟信号数字化模拟信号数字化模拟信号数字化模拟信号数字化n n抽样抽样抽样抽样n n量化量化量化量化n n编码编码编码编码3.量化的分类：量化的分类：n均匀量化均匀量化：量化间隔相等的量化。：量化间隔相等的量化。n非均匀量化非均匀量化：量化间隔不相等的量化。：量化间隔不相等的量化。3.2.2.2.2 量化量化举例说明量化过程：均匀量化

9、举例说明量化过程：均匀量化n例如：某信号例如：某信号f(t)的幅度变化范围为的幅度变化范围为0.58.5V，采样采样10次，其值分别为次，其值分别为f(t0)f(t9)n量化级：量化级：上述区间，术语上称为量化级，或上述区间，术语上称为量化级，或量化间隔。量化间隔。n量化电平量化电平：区间内预先规定的某个参考电平。：区间内预先规定的某个参考电平。n量化误差量化误差：抽样值与量化值之间的：抽样值与量化值之间的“归算误差归算误差”，也称为，也称为量化噪声量化噪声。3.2.2.2.2 量化量化3.2.2.2.2 量化量化3.2.3.2.3编码编码1.编码编码n把模拟信号样值幅度变换成对应的数字信号码

10、组把模拟信号样值幅度变换成对应的数字信号码组的过程叫编码的过程叫编码，就是进行，就是进行A/D转换转换。2.2.编码的位数编码的位数 n一个码组内二进制码的个数叫做码组长度。当码一个码组内二进制码的个数叫做码组长度。当码组长度为组长度为2时，可以组成的码组数为时，可以组成的码组数为22=4位。位。n现在使用的现在使用的PCM脉冲编码调制方式中通常采用脉冲编码调制方式中通常采用8位位二进制数字信号的编码二进制数字信号的编码，这样，对取样信号的，这样，对取样信号的量量化分级数化分级数就是就是28256。3.2.3.2.3编码编码 一路模拟语音信号经一路模拟语音信号经PCMPCM编码后，所形成的数编

11、码后，所形成的数字信号速率为多少？字信号速率为多少？n在在PCM通信系统中，一路带宽为通信系统中，一路带宽为4kHz的模拟语音的模拟语音信号先经信号先经8kHz速率的取样，即每秒采速率的取样，即每秒采8000个样值点个样值点n每个样值又量化为每个样值又量化为256个不同量化级中的一个个不同量化级中的一个n最后每个量化值再编码为最后每个量化值再编码为8位二进制码，位二进制码，n便成了便成了8000 8000*8 864kbit/s的数字语音信号。的数字语音信号。3.2.4.2.4译码和低通译码和低通1.译码：译码：n与编码的作用相反，与编码的作用相反，就是把接收的编码信号再转就是把接收的编码信号

12、再转换成与发端一样的不同幅度的量化信号，这种转换成与发端一样的不同幅度的量化信号，这种转换称为数字模拟变换，即换称为数字模拟变换，即D/A变换。变换。n编码和译码就是在二进制码组与量化值之间建立编码和译码就是在二进制码组与量化值之间建立一一对应关系。一一对应关系。2.低通滤波低通滤波:n将译码所得到的量化信号再送入一个将译码所得到的量化信号再送入一个低通滤波器低通滤波器，使它使它恢复成原来的语声信号恢复成原来的语声信号。n低通滤波低通滤波 器的作用是滤除过高频率的成分，使之器的作用是滤除过高频率的成分，使之平滑成缓慢变化的电模拟语声信号。平滑成缓慢变化的电模拟语声信号。3.3 数字信号的时分复

13、用数字信号的时分复用n3.3.1 时分多路复用概述时分多路复用概述n3.3.2 PCM3032路系统路系统3.3.1时分多路复用概述时分多路复用概述1.时分多路复用的概念时分多路复用的概念2.PCM时分多路通信的原理时分多路通信的原理3.PCM时分多路复用的实现时分多路复用的实现4.标准标准PCM时分复用系统时分复用系统3.3.1时分多路复用概述时分多路复用概述1.时分多路复用的概念时分多路复用的概念n多路复用多路复用：n为了提高信道利用率，使多路信号互不干扰为了提高信道利用率，使多路信号互不干扰地在同一信道上传输的方式称为多路复用。地在同一信道上传输的方式称为多路复用。nFDM多用于模拟信号

14、的复用多用于模拟信号的复用nTDM多用于数字信号的复用多用于数字信号的复用3.3.1时分多路复用概述时分多路复用概述2.PCM时分多路通信的原理时分多路通信的原理：n时分多路通信的理论根据：时分多路通信的理论根据：抽样定理抽样定理n一路连续的模拟话音信号一路连续的模拟话音信号S(t)的相邻样值之间有的相邻样值之间有125s的时间空隙，这是时分复用的关键。的时间空隙，这是时分复用的关键。n为了充分利用传输信道的为了充分利用传输信道的带宽能力和提高通信系带宽能力和提高通信系统的有效性，统的有效性，在在125s的的抽样抽样空闲时间内插入其它空闲时间内插入其它路的信号。路的信号。n只要各路信号在时间上

15、能区分开（不重叠）只要各路信号在时间上能区分开（不重叠），那，那么同一信道就能传送多路信号，达到了多路复用么同一信道就能传送多路信号，达到了多路复用的目的。的目的。3.3.1时分多路复用概述时分多路复用概述3.PCM时分多路复用的实现（抽样时间错开）时分多路复用的实现（抽样时间错开）n要注意的是：要注意的是：为了在接收时能够正确地还原各路为了在接收时能够正确地还原各路信号，保证各路信号的正确分离信号，保证各路信号的正确分离，收、发端旋转，收、发端旋转开关必须开关必须同步同步：n一方面：保持双方旋转速度要完全相同一方面：保持双方旋转速度要完全相同n另一方面：另一方面：保证旋转开关起止位置一致保证

16、旋转开关起止位置一致3.3.1 时分多路复用概述时分多路复用概述3.3.1时分多路复用概述时分多路复用概述基本概念：基本概念：基本概念：基本概念：n n帧帧帧帧：抽样时各路信号每轮一次的总时间（即开关抽样时各路信号每轮一次的总时间（即开关抽样时各路信号每轮一次的总时间（即开关抽样时各路信号每轮一次的总时间（即开关旋转一周的时间），也就是一个抽样周期。旋转一周的时间），也就是一个抽样周期。旋转一周的时间），也就是一个抽样周期。旋转一周的时间），也就是一个抽样周期。（125125s s）n n时隙（路时隙）时隙（路时隙）时隙（路时隙）时隙（路时隙）：合路的：合路的：合路的：合路的每个样值信号每个样

17、值信号每个样值信号每个样值信号所允许占所允许占所允许占所允许占的时间间隔（的时间间隔（的时间间隔（的时间间隔（如如如如3232路复用，每个路时隙路复用，每个路时隙路复用，每个路时隙路复用，每个路时隙=125/32=125/32）n n位时隙位时隙位时隙位时隙：1 1位码元的时间（如一个样值为位码元的时间（如一个样值为位码元的时间（如一个样值为位码元的时间（如一个样值为8 8bitbit，则则则则位时隙位时隙位时隙位时隙=路时隙路时隙路时隙路时隙/8)/8)3.3.1时分多路复用概述时分多路复用概述 (a)(b)TDM子信道示意图子信道示意图 3.3.1时分多路复用概述时分多路复用概述4.标准标

18、准PCM时分复用系统时分复用系统nPCM3032路路时时分分复复用用系系统统（抽抽样样周周期期Ti=125s内，可以安排内，可以安排32路时分复用信号路时分复用信号）中国和欧洲各国使用。中国和欧洲各国使用。nPCM24路路时时分分复复用用系系统统（在在抽抽样样周周期期内内，可可安安排排24路时分复用信号路时分复用信号）北美和日本使用。北美和日本使用。3.3.2 PCM3032路系统路系统nPCM30/32系统的含义：系统的含义：n在在1 1帧帧Ti=125s时间时间内，内，共分为共分为32个路时隙，个路时隙，n30个路时隙分别用来传送个路时隙分别用来传送30路话音信号，路话音信号，n一个路时隙

19、用来传送帧同步码，一个路时隙用来传送帧同步码，n另一个路时隙用来传送信令码。另一个路时隙用来传送信令码。nPCM30/32系统的帧结构系统的帧结构3.3.2 PCM3032路系统路系统n对于对于PCM30PCM303232路系统路系统n帧周期帧周期：n帧长度帧长度：n路时隙路时隙：n位时隙位时隙：nPCM3032路系统总的路系统总的信息传输码率（基群信息传输码率（基群信息传输码率（基群信息传输码率（基群速率）速率）速率）速率）为为或或 125s32 8256bit125s323.91 s3.91s80.488sVb=256bit/125s=2048kbit/sVb=8000(帧帧/s)32(时隙时隙/帧帧)8（bits/时隙）时隙）=2.048Mb/s作业作业n什么是复用？说明什么是复用？说明FDM和和TDM的基本的基本原理？原理？n什么是抽样、量化、编码？（简述模什么是抽样、量化、编码？（简述模拟信号数字化的基本过程。）拟信号数字化的基本过程。）