1、 数字通信系统 一、 通信系统 、通信系统的组成 传递信息所需的一切技术设备的总和称为通信系统。通信系统的一般模型如下图。 通信系统由以下几部分组成： 1、 信息源和收信者，根据信息源输出信号的不同可分为模拟信源和离散信源。模拟信源输出连续幅度的信号；离散信源输出离散的符号序列或文字。模拟信源可通过抽样和量化变换为离散信源。 由于信息源产生信息的种类和速率不同，因而对传输系统的要求也各不相同。 2、 发送设备，发送设备的基本功能是将信源和传输媒介匹配起来，即将信源产生的消 息信号变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。变换方式多种多样，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方法。 对于数字通
2、信系统来说，发送设备常常又可分为信道编码和信源编码。信源编码是把连续消息变换为数字信号；而信道编码则是是数字信号与传输媒介匹配，提高传输的可靠性或有效性。 发送设备还包括为达到某些特殊要求所进行的各种处理，如多路复用、保密处理、纠错编码处理等。 3、 传输媒介，从发送设备到接收设备之间信号传递所经过的媒介。有线和无线均有多种传输媒介。传输过程必然引入干扰。媒介的固有特性和 干扰特性直接关系到变换方式的选取。 4、 接收设备，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、解密等。它的任务是从带有干扰的信号中正确恢复出原始消息来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。
3、、通信系统的分类 1、 按消息的物理特征分类 电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统、图像通信系统等。 2、 按调制方式分类 基带传输和调制传输。 基带传输是将未经调制的信号直接传送，调制传输是对各种信号变换方式后传输的总称。 3、 按传输信号的特征分类 按照信道中所传 输的是模拟信号还是数字信号，可以相应的将通信系统分为两类，即模拟通信系统和数字通信系统。 4、 按传送信号的复用方式分类 传送多路信号有三种复用方式，即频分复用、时分复用、码分复用。频分复用是用频谱搬移的方法使不同信号占据不同的频率范围；时分复用是用脉冲调制的方法使使不同的信号占据不同的时间区间；码分复用则是用一组正交的脉冲
4、序列分别携带不同信号。 传统的模拟通信中都采用频分复用。随着数字通信的发展，时分复用通信系统的应用越来越广泛。码分复用主要用于卫星通信的扩展通信系统中。 5、 按传输媒介分类 按传输媒介通信系统可分 为有线和无线两类。 信息源 发送设备 传输媒介 接收设备 收信者 干扰 二、 信源编码 、抽样 抽样是把连续时间模拟信号转换成离散时间连续幅度的抽样信号。 抽样定理是任何模拟信号（语音、图像、以及生物医学信号等等）数字化的理论基础。 1、 低通抽样定理 一个频带限制在（ 0， fH）内的连续信号 x（ t），如果抽样频率 fs 大于或等 于 2fH，则可以由抽样序列 x（ nTs） 无失真的重建恢
5、复原始信号 x（ t） 若抽样频率 fs1 时 ( )()zk dz fxx d x 输入电平落在第 k 层内的概率 11 ()k k k x k k k x k kP P x x x p x x x p x V 量化噪声功率 对数量化器 11( ) ln ( )f x x f xB B x 2 2 22 2( ) ( ) ( )1 2 1 2VVq x xBN f x p x d x x p x d x 而信号功率 S= 2 ()VxV x p x dx SNR= 22 2 2 212 3qSLN B B V对于电话信号，国际电信联盟（ ITU)制定了两种非线性压缩建议，即 A 律压缩和 u
6、 律压缩。我国和欧洲采用 A 律，而北美、日本采用 u 律。 （ ） A 律 对数压缩特性 归一化信号 (x/V)，过载电压为 1， 101 ln1 ln11 ln 1()xAx AAAxA xAfx （ ） 律对数压缩特性 ln 1() ln 1 xfx 01x 下图为，不同 A 值时的 A 律压缩特性，不同 u 值的 u 律压缩特性； A 律压缩的近似实现 13 折线近似 （ 1） 数字压扩法 x 轴：输入信号归一化后，范围按 1/2 递减规律分为 8 段。 y 轴：输出信号归一化后，均匀地分为 8 段。 3、 最佳非均匀量化 最佳非均匀量化是指在最佳玉缩特性 f(x)的情况下，其量化噪声
7、 2q 取最小值。下面图 中给出了非均匀量化中 f(x)及量化间隔 ()k x 的关系。由图可见， z 信号是均匀量化间隔 ，而相应的输入x 信号是非均匀量化间隔 ()k x 。 最佳压缩特性 fx)与信号方差有关。在给定压缩特性 fx)的情况下，当信号方 差 x 变动时， 2q就会偏离最小值而增加，从而使 2/qS 下降，这种情况称为量化器的方差失配。 当输入信号均方差偏离 ,xopt 变动时， 2/q dBS 急剧下降。尽管最佳压缩特性下，信噪比最大值可达 3 5. 5dB.但信噪比大于 20dB 的动态范围还不到 20dB，远远不能满足长途电话 45dB 动态范围的要求。因此、最佳压缩特
8、性并没有获得实际应用与推广。 、编码 PCM编码原理 在数字通信中，一般都采用二进制码。 PCM原理图可表示为图 ： PCM 原理图 把量化后信号电平值转换成二进制码组的过程为编码，其逆过程称为解码或译码。模拟信号经过取样和量化以后，在时间上和幅度取值上都变成了离散的数字信号。 如果量化级数为 N，则信号幅度上有 N 个取值，形成有 N个电平值的多电平码。但这种具有 N个电平值的多电平码信号在传输过程中会受到各种干扰，并会产生畸变和衰减，接收端难以正确识别和接收。如果信号是二 进制码，则只要接收端能识别出是“ 1”码还是“ 0”码即可。所以二进制码具有抗干扰能力强的优点，且容易产生， PCM
9、常用的二进制码组是折叠码。当信道传输中有误码时，折叠码由此产生的失真误差 最小。量化级为 N 时，则量化离散值共有 N个。将每个离散值用一组二进制码表示。这一组二进制码的位数为 L，则有 2L N。 L为码字位， N 为量化级数。以位码为例其中第一位码为极性码，第二、三、四位为段落码，最后四位为段内码，如图所示 极性码 段落码 段内码 图 1-4 PCM 码字的分配 为符合语音信号的传送，现有的 PCM 编码需采用 Kb/s 的律或律压扩方法，所以最小频带理论值为 kHz。因此在保持相同质量指标的条件下，降低数字化语音数码率，可以有效的提高数字通信系统的频带利用率。通常把低于 Kb/s 数码率
10、的语音编码方法称为语音压缩编码技术，常用的是差分脉码调制（ DPCM） ,而这种方法经过发展形成了自适应差分脉 码调制（ ADPCM），它能在 Kb/s数码率上达到符合 Kb/s 数码率的语音质量要求。DPCM(Differential Pulse Code Modulation)简称差值编码， 是对模拟信号幅度抽样的差值进行量化编码的调制方式。这种方式是用已经过去的抽样值来预测当前的抽样值，对它们的差值进行编码。对于有些信号 (例如图像信号 )由于信号的瞬时斜率比较大，很容易引起过载，因此，不能用简单增量调制进行编码，除此之外，这类信号也没有像话音信号那种音节特性，因而也不能采用像音节压扩那
11、样的方法，只能采用瞬时压扩的方 法。但瞬时压扩实现起来比较困难，因此，对于这类瞬时斜率比较大的信号，通常采用 这 种综合了增量调制和脉冲编码调制两者特点的调制方法进行编码 。 差值编码可以提高编码频率，这种技术已应用于模拟信号的数字通信之中。 在 DPCM 中，只将前面一个抽样值当作预测值，再取当前抽样值和预测值之差进行编码并传输。 DPCM 仿真结构模型如图： DPCM 系统的输出信噪比为： 当 N、 MS 0 Nq ， 与 PCM 系统比较：将式上式改写如下 可见：当 N和 fs fk较大时， DPCM的性能要优 于 PCM。 ADPCM 是在差分脉码调制 DPCM 的基础上发展起来的，
12、ADPCM 的主要改进是量化器与预测器均采用自适应方式，及量化器与预测器的参数能根据输入信号的统计特性自适应于最佳或接近于最佳参数状态。 ADPCM 中的预测信号是用线性预测的方法产生的，线性预测器可分为极点预测器与零点预测器。 设定预测器的预测系数有多种方法，有前向自适应预测算法，后向序贯自适应预测算法，梯度符号算法。在实际应用中，语音信号的功率变化范围可达 dB 左右，而最佳量化器的 dn， dqn值均与输入量化器的功率有关，为了使量化器始 终出于最佳或接近于最佳状态，2 3 3202 2 2 23 ( 1 ) 3 ( 1 )88ssq k m k mD PCMS N M f fNMN f f f f 222 320 1283 ）（ Nmksq fffNNS 20 2 , 1Nq P CMS NN
