1、第 1 章习题参考答案1 什么是通信信号？通信系统传送的是消息，而消息只有附着在某种形式的物理量上才能够得以传送，这类物理量通常表现为具有一定电压或电流值的电信号或者一定光强的光信号，它们作为消息的载体统称为通信信号2 什么是数字信号？什么是模拟信号？为什么说 PAM 信号不是数字信号？信号幅度在某一范围内可以连续取值的信号，称为模拟信号；而信号幅度仅能够取有限个离散值的信号称为数字信号。PAM 信号是将模拟信号取样后产生的信号，它虽然在时间上是离散的，但幅值上仍然是连续的，因此仍然是模拟信号。3 什么是信号的时域特性？什么是信号的频域特性？信号的时域特性表达的是信号幅度随时间变化的规律，简称
2、为幅时特性。信号的频域特性表达的是信号幅度随频率变化的规律，它以傅立叶级数展开分解为理论基础。4 什么是信号带宽？信号带宽与什么因素有关？通过信号的频谱图可以观察到一个信号所包含的频率分量。我们把一个信号所包含的最高频率与最低频率之差，称为该信号的带宽。5 周期矩形脉冲信号的频谱有什么特点？矩形脉冲信号的脉宽 与有效带宽有何关系？(1) 该信号频谱是离散的，频谱中有直流分量 A/T、基频 和 n 次谐波分量，谱线间隔为 =2/T； (2) 直流分量、基波及各次谐波分量的大小正比于 A 和 ，反比于周期 T，其变化受包络线 sinx/x 的限制，有较长的拖尾（参见式 1-1） ；(3) 当 =2
3、m/(m=1,2)时，谱线的包络线过零点，因此 =2m/ 称为零分量频率点；(4) 随着谐波次数的增高，幅度越来越小。可以近似认为信号的绝大部分能量都集中在第一个过零点 =2/ 左侧的频率范围内。该点恰好是基频 的 4 次谐波点。通常把 04 这段频率范围称为有效频谱宽度或信号的有效带宽。可见， 越小，有效带宽越大，二者成反比。6 通信系统中的信噪比是如何定义的？信噪比定义为： (dB)，其中 Ps 是该点的信号功率，是 PN 该点的噪声功率。=10g（ ） 7 画出并解释通信系统的一般模型通信系统一般模型信道接收设备发送设备接收设备发送设备信源信宿 信源信宿噪声在通信系统中，发送消息的一端称
4、为信源，接收消息的一端称为信宿。连通信源和信宿之间的路径称为信道。信源发出的消息首先要经发送设备进行变换，成为适合于信道传输的信号形式，再经信道一定距离传输后由接收设备做出反变换恢复出原始的消息，最后被信宿接收。而消息在整个传送过程中的任何一点都有可能受到噪声的干扰。据此，我们可以得到图所示的通信系统一般模型。8 衡量通信系统的主要性能指标有哪些？一个通信系统通常由两个指标来衡量，即系统的有效性和可靠性。有效性指的是单位时间内系统能够传输消息量的多少，以系统的信道带宽(Hz)或传输速率(bit/s)为衡量单位。在相同条件下，带宽或传输速率越高越好。可靠性指的是消息传输的准确程度，以不出差错或差
5、错越少越好。有效性和可靠性经常是相互抵触的，即可靠性的提高有赖于有效性的降低，反之亦然。9 信号失真会导致什么样的结果？由于受到外界干扰和系统本身条件限制，可能会发生畸变，称为信号失真。包括振幅失真、频率失真和相位失真。失真过大，波形畸变，信号的波形难以辨认，导致无法恢复原始信号所包含的信息。10 设调制速率为 4800 波特，当每个信号码元代表 4bit 二进制代码时，试问该系统的数据传输速率是多少？R=B log2 N (bit/s)=4800 log2 4 (bit/s)=9600bit/s11 从不同角度观察，通信传输有哪几种方式？（1 ） 单工与双工通信方式（2）串行与并行通信方式（
6、 3）同步与异步通信方式12 信号带宽与信道带宽的匹配主要考虑什么因素？如果二者不匹配会产生什么影响？二者匹配最主要考虑的是频带匹配。如果被传输信号的频率范围与信道频带相匹配，对信号的传输不会有什么影响；如果信号的有效带宽大于信道带宽，就会导致信号的部分成分被过滤掉而产生信号失真。实际当中可能出现下列几种情况：（1 ）如果信号与信道带宽相同且频率范围一致，信号能不致损失地通过信道；（2 ）如果信号与信道带宽相同但频率范围不一致，该信号的部分频率分量肯定不能通过信道。此时，需要进行频率调制把信号的频带通过频率变换适应信道的频带；（3 ）如果信号带宽小于信道带宽，但信号的所有频率分量包含在信道的通
7、带范围内，信号可以无损失地通过信道；（4 ）如果信号带宽大于信道带宽，但包含信号大部分能量的主要频率分量包含在信道的通带范围内，通过信道的信号会损失部分频率成分，但仍可能完成传输；（5 ）如果信号带宽大于信道带宽，且包含信号相当多能量的频率分量不在信道的通带范围内，这些信号频率成分将被滤除，信号严重畸变失真。13 通信系统传输媒介有哪些？简述常见的几种传输媒介的结构及其特点。通信系统传输媒介可以是有线传输媒介，如同轴电缆、双绞线和光缆等；也可以是无线传输媒介，如各波段的无线电波。同轴电缆由一根实心的铜质线作为内导体、一个铜质丝网作为外导体，外导体以内导体为同心轴，所以称为同轴电缆。同轴电缆特点
8、是抗干扰性很强，但传输衰耗较大，适用于有线电视入户敷设。双绞线常用于局域网或短距离的电话用户接入。双绞线是把两根直径约 0.51mm，外包绝缘材料的铜芯线扭绞成有一定规则的螺旋形状。与同轴电缆相比，双绞线抗干扰性差一些，但制造成本低，是一种廉价的有线传输媒介。把若干对双绞线集成一束，并用较结实的外绝缘皮包住，就组成了双绞线电缆。光缆是由若干根光纤集成在一起制成的宽带通信传输媒介，是目前长途干线通信和部分城域网的主要通信线路。其特点是宽带、大容量、衰耗小、传输距离远。无线通信以大气空间作为传输媒介，无线频率范围可从 3KHz300GHz，各频段具有不同的传播特性、途径和规律，因而有不同用途，已获
9、得广泛应用。无线通信媒介的特点是由于地理环境和可能遇到障碍物等因素，会产生不同程度的反射、折射、绕射和散射现象。除了有传输损耗之外还存在着多径效应和衰落现象。14 香农公式的用途是什么？香农公式 （比特/ 秒）表明当信号与信道加性高斯白噪声的平均)1(log2NSBC功率给定时，在具有一定频带宽度的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限值。其主要用途是指出了在信道容量 C、信道带宽 B 和信噪比 S/N 之间可以通过相互提升或降低取得平衡。例如，在扩频通信中通过增大信道带宽来降低对信噪比的要求。15 多路复用的目的是什么？常用的多路复用技术有哪些？多路复用是利用同一传输媒介同时传送多路
10、信号且相互之间不会产生干扰和混淆的一种最常用的通信技术。在发送端将若干个独立无关的信号合并为一个复合信号，然后送入同一个信道内传输，接收端再将复合信号分解开来，恢复原来的信号。多路复用可以大大提高线路利用率，节省线路开支。常用的多路复用技术包括频分、时分和码分。16 调制的目的是什么？简述调制和解调的概念。 把消息“作用” （例如，让信号的幅度随着消息信号的强弱而变化）到载波信号的某个参数上，使得该参数随着消息的变化而变化，于是，载波信号就会“携带”上需要传送的消息。这就是调制的概念。而接收端“感知到”调制的“作用” ，从而检测并恢复出该消息就称为解调。调制有如下两个主要目的: （1 ）把基带
11、信号调制成适合在信道中传输的信号 （2）实现信道的多路复用。17 什么是调幅调频和调相？调幅又称为振幅调制，是指载波信号的幅度随调制信号变化而变化。调频和调相统称为角度调制，分为频率调制和相位调制，简称调频和调相。角度调制过程中载波信号的振幅不变，而其总瞬时相角随调制信号按一定关系变化。载波频率 (t )随调制信号的瞬时幅值变化而变化的调制称为调频。载波瞬时相位 (t)随调制信号瞬时幅值呈线性关系变化的调制称为调相。18 什么是载波键控？有哪些载波键控？用数字信号对载波信号进行调制称为数字调制。其中，用数字信号调制正弦载波信号又称为载波键控，包括幅移键控、频移键控和相移键控。19 简述 2FS
12、K 相干解调原理。以上图所示 2FSK 解调为例。某次接收到的频移键控信号可能是 cos1t 或者是cos2t，其中 1 对应数字信号 1， 2 对应数字信号 0。这个信号与本地载波 cos1t 和cos2t 同时分别相乘，可得如下三种结果之一：cos1t cos1t= cos21t+ cos0=cos21t +1 =1（当高频滤掉之后）cos2t cos2t= cos22t+ cos0=cos22t +1=1（当高频滤掉之后）cos1t cos2t= cos(1+ 2)t+ cos(1-2)t1（当高频滤掉之后）其中倍频分量 21、2 2 以及 1+ 2 都被低通滤波器滤掉。仅剩下等于 1
13、和小于 1 的两种情况。 在抽样判决中判决比较两个低通滤波输出电平的大小，上大判为 1，下大判为0。第 2 章习题参考答案1 什么是数字通信系统？ 数字通信和数据通信有什么区别？传送数字信号的通信系统称为数字通信系统。数字通信与数据通信也有一定的区别。一般来讲，数据通信从信源到信宿都是数字信号，而数字通信的信源往往是模拟信号，需要进行模拟/数字转换之后才能进行传输。2 与模拟通信相比数字通信有哪些优势？（1 ）抗干扰能力强，无噪声累积 （2 ）数据形式统一，便于计算处理（3 ）易于集成化，小型化（4 ）易于加密处理数字通信系统虽然需要占用较宽频带，技术上也较为复杂，但与其所具有的巨大优势相比不
14、构成问题的主要方面。因此，数字化通信已经成为当代通信领域主要技术手段。3 什么是抽样定理？如果一个连续信号 u(t)所含有的最高频率不超过 fh，则当抽样频率 fs2fh 时，抽样后得到的离散信号就包含了原信号的全部信息。因此，要求频率 fs 至少要满足 fs2fh。4 为什么要作非均匀量化？把信号幅值均匀等间隔地量化称为均匀量化或线性量化。设被量化信号的幅度变化范围是U，把-U+U 均匀地等分为=2U/N 的 N 个量化间隔就是均匀量化。其中，N 称为量化级数，称为量化级差或量化间隔。在均匀量化方式中，当信号幅值与接近时，量化信噪比显著恶化。于是需要对输入信号采用非均匀量化。非均匀量化的量化
15、级差随着信号幅值的大小而变化。当输入信号幅值较小时，量化间隔变小，反之则变大。具体方法是，在对输入信号量化之前先对其进行非线性压缩，改变大小信号之间的比例关系，让小信号作适当的放大（扩张） ，而大信号时作适当的缩小（压缩） 。这样处理后得到的信号等效于非均匀量化。同时为了恢复信号的比例关系，接收端需要进行与发送端作用相反的非线性扩张。5 量化误差是怎样产生的？量化噪声是如何定义的？量化值取每个量化级的中间值，所以实际抽样值与量化值之间存在误差，这种误差称为量化误差。量化误差就好像在在原始信号上叠加了一个额外噪声，称为量化噪声。量化信噪比定义为 20lg(Us/Uz)，其中 Us 是取样信号电平
16、，U z 是量化误差。6 13 折线 A 律是如何实现的？13 折线 A 律如图所示。图中上下半区各由 8 条由折半点相连形成的折线组成，由于靠近原点附近的 1、2 两段折线斜率相同，故合并为一条，上半区仅剩 7 条折线。上下半区合并后共有 13 条折线组成，简称 13 折线 A 律。xy 1/21/81/321/6 1/4/641/281/82/3/84/586/7/81O7 简述 PCM30/32 系统帧结构。一帧的时长规定是 125s，划分为 32 个等时隙，编号为 TS0TS31，因此，3.90625s/时隙。时隙 TS0 用作转送帧同步，时隙 TS16 用作传送信令，其余 30 个时
17、隙分别用作 30 个话路。每个时隙 8bit，一帧共有 256bit。为了便于同步控制，每 16 帧构成一个复帧，时长是 2ms。这里所说的信令是指专门用于控制系统设备动作的信号。TS 16 把多个用户的信令放在一起由独立时隙传送，称为共路信令。保 留 3.91 s32路 时 隙 ， 125 s， 256bit16帧 ， 20msF0 F15F14F13F12F1F10F9F8F7F6F5F4F3F2F1TS0123465 14110987 3102982762542321019817601101A111偶 帧TS0奇 帧TS0 帧 同 步 0011A2abcdacbd话 路CH1-5 话 路
18、CH17-CH31信 令 时 隙F015 话 路 时 隙8 话音速率 64Kbps 是如何来的？为了实现话音的不失真传输，抽样速率必须达到话音最高频率的 2 倍。通常人类话音最高频率不超过 4000Hz， 因此抽样速率取 8000 次/ 秒。或者说为了准确无误地传送一路话音信号，每秒必须传送该路信号抽样值 8000 次。按照每个抽样值 8bit 编码，则每话路要求传输 8000 次8bit=64Kbps。9 什么是差分脉冲编码调制（DPCM）？根据模拟信号的两个相邻抽样值之间幅度差值动态变化范围较小并具有较强相关性的特点，若仅对相邻抽样值的差值进行编码，则由于差值信号的能量远小于整个信号幅值，
19、就可以使量化级数大大地减少，从而有利于减少编码的位数，在相同传输速率下，可以成倍地提高信道的传输容量。我们把这种对相邻抽样值的差值进行量化、编码的过程，称为差值脉冲编码调制(DPCM)。10 脉冲增量调制 M 原理是什么？脉冲增量调制是把信号的当前抽样值与其前一个抽样值之差进行比较并编码，而且只对这个差值的符号进行编码，而不对差值的大小编码。具体来说，如果两个前后抽样差值为正就编为“1”码；差值为负就编为 “0”码。因此数码 “1”和“0”只是表示信号相对于前一时刻的增减，不代表信号的绝对值。11 什么是数字同步和数字复接？有哪些数字复接方式？数字同步是指系统中各关键节点位置的信号频率必须保持
20、步调一致，因此，这种同步又称为网同步。数字同步是数字通信系统正常工作的最基本要求。把若干个低速率分支数字码流合成汇接为一路高速数字码流的过程，称为数字复接。数字复接是提高信道利用率实现高速率数字传输的基本手段。数字复接方法有按位复接、按字复接和按帧复接三种。12 什么是基带数字传输？基带传输有哪几种常见码型？试分别画出二进制代码11001000100 矩形脉冲的单极性、双极性、单极性归零、双极性归零、差分曼彻斯特编码的波形。在数字通信系统中，最终送入信道传输的数字信号可能来自模数转换后的数字脉冲编码序列，也可能来自计算机终端或其它数字设备。这些数字信号所占据的频谱范围通常从直流或低频开始，称为
21、基带数字信号。把这些数字信号直接送入线路传输称为基带数字传输基带传输常用的是曼彻斯特码、CMI 码等。0 010001001 10t(a)(i)(h)(g)(f)(e)(d)(c)b ttttttta单 极 性 非 归 零 码 (b)双 极 性 非 归 零 码 (c)单 极 性 归 零 码 (d) 双 极 性 归 零 码(e) 差 分 码 f AMI码 (g) HDB3码 h 曼 彻 斯 特 码 i传 号 反 转 码13 什么是数字信号的频带传输？当基带数字信号频率范围与信道不相匹配时，把基带数字信号进行调制后再行传输，就是数字信号的频带传输。14 试分析多进制数字调频的调制与解调原理。 串
22、并 变换检 波 器 BPF逻 辑 电路 2逻 辑 电路 1抽 样 判决f1 信道fM门 电 路f2 +门 电 路门 电 路接收滤波器BPFBPF检 波 器检 波 器12M12M12k输入输出 f1f2fMMFSK 用 M 个不同载波频率代表 M 种数字信息。MFSK 系统的组成方框图如图 2.17所示。发送端采用键控选频的方式，接收端采用非相干解调方式。图中实现的是 M 进制数据调制解调过程。15 试解释调相加调幅的十六进制复合调制原理。用一个数字信号或者一个数字信号加一个模拟信号对同一载波信号的两个参数同时进行调制称为复合调制。图示出了数字绝对调相加调幅的复合调制实现的 16 进制调制矢量图
23、。该调制方案采用 12 个绝对相位值来表示 16 种状态，但为了以每个相位值代表 4 位二进制数，还需要在这 12 个相位值中选择 4 个相位取二值电平（图中 1011、1111、0011 和0111） ，扩展出 4 个同相位但不同电平值的状态。这样原来 2400baud 的码元速率可以实现9 600bit/s 的数据传输速率。16 PDH 有哪两类标准系列？为什么称为准同步数字体系？ITU-T 早期推荐了两类从基群到五次群复接等级的数字速率系列。一类以 1.544 Mb/s为基群速率；另一类以 2.048 Mb/s 为基群速率。表 2.4 示出了两系列各次群的速率和话路数。这两类数字速率系列
24、各次群比特率相对于其标准值有一个规定的容差，而且是异源的，各节点时钟允许存在少量的频率漂移误差，因此这是一种准同步复接方式，统称为准同步数字体系（PDH: Plesiochronous Digital Hierarchy）17 SDH 的主要特点是什么？简述 SDH 标准速率等级。画图说明 SDH 的帧结构并说明个部分的作用。 由一系列的 SDH 网元组成，可在光纤网中实现同步信息传输、复用、分插或交叉连接； 块状帧结构中安排了丰富的管理比特，大大增强了网络管理能力； 网络能在极短的时间内从失效的故障状态自动恢复业务而无需人为干涉； 有标准化的信息结构等级规范，称为同步传输模块 STM-N。不
25、同厂家的设备只要符合规范就可以在光路上互联，真正实现横向兼容； 具有兼容 PDH 甚至 B-ISDN 的能力，所以有广泛的适用性。1 - 3一帧S T M - N信息净负荷区域S O H （ 段开销 ）9 * 2 7 0 * N 字节一帧 一帧 一帧 . . . . . . . . . . .A U P T R （ 管理单元指针 ）S O H U45 - 99 * N2 6 1 * NITU-T 蓝皮书 G.707 建议 SDH 的第一级比特率为 155.52Mb/s，记作 STM-1；四个STM-1 按字节同步复接得到 STM-4，比特率为 622.08Mb/s；四个 STM-4 同步复接得
26、到STM-16；比特率为 2488.32Mb/s；四个 STM-16 同步复接得到 STM-64，比特率为9953.28Mb/s。SDH 网的 STM-N 帧结构如图 2.10 所示。其中每一帧共有 9 行，270N 列，N=1、4 、16 或 64 之一，每字节 8bit，帧周期为 125s，帧频 8kHz（每秒 8000 帧） 。字节的传输顺序是从第 1 行开始由左向右，由上至下。SDH 的帧由段开销（SOH ） 、管理单元指针 (AU PTR)和信息净负荷三部分组成。段开销是供网络运行、管理维护的一些附加字节。占用 9N 的 1-3 和 5-9 字节部分。管理单元指针是一组用来指示信息在
27、净负荷区的具体位置。信息净负荷区域是各种信息存放之处。18 试说明差错控制编码的原理。检错编码和纠错编码有什么区别？差错控制编码（抗干扰编码）是在原始数据码元序列中加入监督（冗余）码元，接收端通过判断监督码元的变化情况来获知传输过程中可能出现的错误。其基本原理是：原始数据码元序列本来不带规律性，但通过差错控制编码让其产生规律性并发送出去，接收端则根据这一规律性对码元序列进行检测，一旦出现违规情况，就认为出现了传输错误。检错编码只具有检错功能，即接收方只能判断出所收到的数据是否有错，但不能判断出哪些是错误码元。检错编码通常采用反馈重传技术来纠错。纠错编码不但可以判断出是否有错，而且能够判断出错误
28、的准确位置并加以自我改正。因而纠错编码需要比检错编码增加更多的冗余码元。19 举例说明循环冗余校验的原理。循环冗余校验编码（CRC）是经常采用的一种抗干扰编码方法。CRC 编码是在发送端利用一个生成多项式 G(x) 对一组信息码元进行整除运算，得到一组位长为 r 位的码元作为校验码，附加在该组信息码元之后一起传送。接收端也利用这个生成多项式 G(x)对收到的该组全体码元（包括附加码元）进行整除运算，若余式结果为 0，则将接收到的全体码元去掉校验码（尾部 r 位）就得到原始的信息。举例：g(x)=x4+x3+x2+1 （多项式系数是 11101） ，信息码是 110，产生的 CRC 码是1001
29、0，发送的码元是 110,10010。 1 1 01 1 1 0 1 | 1 1 0 0 0 0 0 01 1 1 0 11 0 0 1 1 01 1 1 0 1余 数 1 0 0 1 0用产生的 CRC 码 110,10010 进行反运算，得到的应该是 110，即原始信息码元：1 1 01 1 1 0 1 | 1 1 0 1 0 0 1 01 1 1 0 11 0 1 1 1 11 1 1 0 1余 数 1 0 0 1 020 ARQ 和 FEC 有什么不同？反馈重传（ARQ ）是检错编码最常用的纠错方法，反馈重传的过程是：将消息分组后，对每一组信息进行编号，接收方一旦检测出某组信息有码元传输错误，就会通知发送方再次发送该组信息。这个过程反复进行，直到接收正确或达到某个发送计数值为止。前向纠错（FEC）是一种既能够检错发现传输错误又能够自动将其纠正的一种差错控制方法。这种方法比较适用于实时通信系统中，它不需要存储信息，也不需要反馈信道，但是所选用的纠错编码要复杂得多。前向纠错反馈重传编码器正向信道译码器信宿信源( b ) 前向纠错正向信道前向纠错反馈重传反向信道信源信宿( c ) 混合纠错
