1.通信原理—南京通信工程学院李志强副教授
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2 模拟信号数字传输
4模拟信号能否在数字通信系统中传输？ 4Of course! 4怎么传？需要什么处理？ 4需要模数（AD）、数模（DA）转换
11
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2 模拟信号数字传输
42.1 脉冲编码调制 PCM
41）在时间上和脉冲幅度上同时把信号离散化，再经过 编码把信号进一步变成二进制代码，即变成了数字信 号。
−∞
f （V）dV
1
b
35
∞ P (1 / 0) = ∫ f （V）dV Vb 0 V ∞ Pe = P(0)∫V f （V）dV + P(1)∫−∞ f（V）dV 0 1
b
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3 数字信号的基带传输
43.4 传输差错率
43）误码率表示
⎧ 1 ρ ⎪ Pe = erfc( ) = Q( ρ ) ⎪ 2 2 ⎨ ⎪ = 1 erfc( 1 ρ ) = Q( ρ ) ⎪Pe 2 2 2 ⎩
6
4 信号的某一参量只能取 有限个数值，并且常常 不直接与信息相对应。
t
t
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1 概述(5)
4“模拟通信”？ “数字通信”？ 4通常把传输模拟信号的通信方式称为模拟通信 4通常把传输数字信号的通信方式称为数字通信 4为什么说“通常”？
7
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1 概述(6)
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14
2 模拟信号数字传输
42.1 脉冲编码调制 PCM
μ律
1 0.9
ln(1 + μx ) ⎧ ⎪ y = ln(1 + μ ) ⎪ ⎨ 1 − e y ln(1+ μ ) ⎪x = ⎪ μ ⎩
0 ≤ x ≤1
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0 5 255 1000
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3 数字信号的基带传输
43.2 基带传输系统 －－ 2）各点波形
27
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3 数字信号的基带传输
43.3 码间串扰 ISI
41）什么是ISI？ 接收端接收到前一个码元的波形串到后一个码元抽样 判决的时刻，影响后一个码元的抽样判决。当波形失真比 较严重时，可能出现前面几个码元的波形同时串到后面， 对后面某一个码元的抽样判决产生影响。这种影响叫做码 间串扰。
当V>Vb 判为“1”码，判决正确 （1）对“1”码 当V<Vb 判为“0”码，判决错误 当V<Vb 判为“0”码，判决正确 当V>Vb 判为“1”码，判决错误
34
（2）对“0”码
{
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3 数字信号的基带传输
43.4 传输差错率
42）误码率计算
P (0 / 1) = ∫
Vb
41）定义 ΔM是将模拟信号变换成仅有一位二进制码组成的数 字信号序列，来表示相邻信号的相对大小，通过相邻抽样 值的相对变化反应模拟信号的变化规律。
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2 模拟信号数字传输
42.2 ΔM 增量调制
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2 模拟信号数字传输
42.2 ΔM 增量调制
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20
41 概述 42 模拟信号数字传输 43 数字信号的基带传输 44 数字信号的载波传输 45 差错控制与编码技术
21
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3 数字信号的基带传输
43.1 数字基带信号码型
41）常用码型 单极性码 双极性码 单极性归零码 双极性归零码 差分码 极性交替转换码 成对的二进制码 三阶高密度双极性码（HDB3码） 多进制（多电平）码
40
为π/4、3π/4、-3π/4、-π/4。可以认为QPSK信号是两路正 交的BPSK信号的合成，表示为：
s (t ) = ui (t ) cos ω c t + u q (t ) sin ω c t
(k-1)Ts ≤ t ≤ kTs
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4 数字信号的载波传输
44.2 四进制调制－－QPSK
采样 压缩 量化编码
12
数字通信 系统
低通滤波
扩张
译码
图 2.1 PCM 通信系统组成
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2 模拟信号数字传输
42.1 脉冲编码调制 PCM
42）PCM信号的码元速率 话音信号的频带范围是300～3400Hz，一般音频滤波 器设置截止频率为4KHz，根据采样定理，对话音信号 的采样频率定为8KHz。 每样值再用8bit进行量化，因此PCM的码率为：
42）PCM和ΔM 的性能比较
PCM和ΔM的比较 是在相同信道带宽 的条件下进行。
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2 模拟信号数字传输
42.2 ΔM 增量调制
42）PCM和ΔM 的性能比较 当k等于4～5时， PCM和ΔM系统的量化信噪功率比差不 多，当k<4， ΔM系统的量化信噪比高于PCM系统，反之 k>5， PCM系统的量化信噪功率比高于ΔM系统。 一般来讲， ΔM系统的设备比PCM简单，对于话音质量要 求高，而信道带宽有容的时候，用PCM系统比较好，如长 途通信。而对话音质量要求不是很高的近距离通信和无线 电通信中，一般都用改进型的增量调制系统。
15
μ为压缩系数， μ越大则压缩效 果愈明显， μ=0相当于无压缩。 式中μ在CCITT建议中取255
0.2 0.1 0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
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2 模拟信号数字传输
42.1 脉冲编码调制 PCM
A律
Ax ⎧ ⎪ y = 1 + ln A ⎪ ⎨ ⎪ y = 1 + ln Ax ⎪ ⎩ 1 + ln A 1 0< x≤ A 1 < x ≤1 A
I 成形滤波器 x(t)=ui(t)cosωct
1101… {ai} 串/并
cosωct
41
∑
90°相移
s(t)
10110010… 0100… Q 成形滤波器
y(t) =uq(t)sinωct
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4 数字信号的载波传输
44.2 QPSK－－星座图
01 11
42
1
0 00 10
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通信原理
李志强 副教授 南京通信工程学院
2007年11月
南京
1
亚洲卫星公司 南京通信工程学院
内容
41 概述 42 模拟信号数字传输 43 数字信号的基带传输 44 数字信号的载波传输 45 差错控制与编码技术
2
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1 概述(1)
4什么是“通信”？
T
b
T
b
H(f)
Heq(f)
叠加结果
31
-3/2Ts
-1/2Ts 0 1/2Ts 传输函数
3/2Ts
f
-1/2Ts 0 1/2Ts 等效传输函数
f
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3 数字信号的基带传输
43.3 码间串扰 ISI
44）频带利用率 码元速率Rb和占用传输带宽B的比值，即单位频带所 能传输的码元速率。 理想低通传输特性时 Rb=2W1这个极限速率称之为奈奎斯特速率， 带宽W1称之为奈奎斯特带宽。
13
Rb = 8000 × 8 = 64kbit / s
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2 模拟信号数字传输
42.1 脉冲编码调制 PCM
43）压缩与扩张？ 量化会使信号产生失真；量化可分为均匀量化和非均 匀量化；语音信号是非平稳的随机信号，其短时均方差值 变化超过40dB，考虑不同人，不同的语态以及不同的用户 线长度，动态范围会更大，因此均匀量化器不适合对语音 信号的直接量化。 压缩处理可以使量化SNR在整个动态范围内保持恒定， 而且所有码字的长度相同。接收端相反的处理即是扩张。
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22
3 数字信号的基带传输
23
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3 数字信号的基带传输
43.1 数字基带信号码型
42）为什么这么多码型？ 设计码型是为了便于传输： 是否含有直流分量？ 是否易于收端提取同步？ 是否具有良好的抗噪声性能？
24
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3 数字信号的基带传输
38
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4 数字信号的载波传输
44.1 二进制调制－－BPSK
4BPSK
信息比特ai 1 1 -1 0 0 1 1 0
39
u(t)
cosωct 2PSK cosωct 2PSK
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4 数字信号的载波传输
44.2 四进制调制－－QPSK
4QPSK 对于QPSK信号，ϕk∈{0+λ，π/2+λ，π+λ，3π/2+λ}， 通常取λ=0或π/4。如果取λ=π/4，则QPSK信号的相位取值
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3 数字信号的基带传输
43.3 码间串扰 ISI
42）如何消除ISI？－－采样点无码间串扰 没有码间串扰的h(t)应该通过图中的一些特殊点。这 些特殊点是t=0时h(0)=1和t=kTb时h(kTb)=0的点。
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3 数字信号的基带传输
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1 2 87.56
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A为压缩系数， A越大则压缩 效果愈明显， A=1相当于无 压缩。式中A在CCITT建议中 取87.56
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
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2 模拟信号数字传输
42.2 ΔM 增量调制
43.2 基带传输系统
41）组成
x(t) 脉 冲 输入 形成器 {dk} 定时脉冲 发 送 滤波器 x (t)
T
y(t) 信 道 接 收 滤波器 抽 样 判 决 cp 码 元 再 生
输出 {dk}
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噪声n(t)
同步提 取电路
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3 数字信号的基带传输
43.2 基带传输系统 －－ 2）各点波形
双极性信号 单极性信号
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41 概述 42 模拟信号数字传输 43 数字信号的基带传输 44 数字信号的载波传输 45 差错控制与编码技术
37
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4 数字信号的载波传输
44.1 二进制调制－－BPSK
4BPSK BPSK调制信号用载波的相位携带。BPSK信号的载波相 位共有2个可能的取值，每一个载波相位对应着2个符号集 中的一个符号，在某一个符号间隔内载波的相位取该符号 对应的相位值。
（a）BPSK信号
（b）QPSK信号
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4 数字信号的载波传输
44.2 QPSK－－包络起伏
43
当调制信号的相位发生180°相位跳变时，QPSK信号的包络起伏为100%
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4 数字信号的载波传输
44.2 QPSK－－相位模糊问题
载波提取存在相位模糊，消除相位模糊的方法有两种： 一是将数据分组，每组加报头，专用于载波提取。 二是采用差分相位调制。 差分相位调制：以前一个符号相位作为参考基准，用前后符 号的相位变化来传送信息，则解调结果与相干载波相位的 初始值无关，甚至不提取相干载波也可以实现解调，从而 消除了相位模糊。DBPSK、DQPSK等。
4无码间串扰举例－－理想低通
理想低通下无码间串扰时域波形示意图： 发送码元： …0110...
30
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3 数字信号的基带传输
43.3 码间串扰 ISI
43）采样点无码间串扰的频域表述 ∞ π 2iπ H eq (ω) = ∑ H (ω + ) = 常数; | ω | ≤
i =−∞
32
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3 数字信号的基带传输
43.4 传输差错率
41）噪声的影响 发“1”码时，收到的是A+n(t); 发“0”码时，收到的是
33
{
-A+n(t) 对双极性码 n(t) 对单极性码
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3 数字信号的基带传输
43.4 传输差错率
41）噪声的影响
4“通信”指信息的传输与交换。
3
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1 概述(2)
4一个通信系统由哪些要素组成？
信 息 源
发送 设备
信道
接收 设备
收 信 者
4
噪声源
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1 概述(3)
4“模拟信号”？ “数字信号”？
5
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1 概述(4)
4 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 与信息相对应。
4数字通信 VS 模拟通信 ？ 4抗噪声性能好 4可消除噪声积累 4便于采用信道编码、加密 4便于业务综合
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1 概述(7)
4通信系统的质量指标有哪些”？ 4有效性：码元速率、信息速率 4可靠性：误码率
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41 概述 42 模拟信号数字传输 43 数字信号的基带传输 44 数字信号的载波传输 45 差错控制与编码技术
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2 模拟信号数字传输
4模拟信号能否在数字通信系统中传输？ 4Of course! 4怎么传？需要什么处理？ 4需要模数（AD）、数模（DA）转换
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2 模拟信号数字传输
42.1 脉冲编码调制 PCM
41）在时间上和脉冲幅度上同时把信号离散化，再经过 编码把信号进一步变成二进制代码，即变成了数字信 号。
−∞
f （V）dV
1
b
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∞ P (1 / 0) = ∫ f （V）dV Vb 0 V ∞ Pe = P(0)∫V f （V）dV + P(1)∫−∞ f（V）dV 0 1
b
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3 数字信号的基带传输
43.4 传输差错率
43）误码率表示
⎧ 1 ρ ⎪ Pe = erfc( ) = Q( ρ ) ⎪ 2 2 ⎨ ⎪ = 1 erfc( 1 ρ ) = Q( ρ ) ⎪Pe 2 2 2 ⎩
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4 信号的某一参量只能取 有限个数值，并且常常 不直接与信息相对应。
t
t
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1 概述(5)
4“模拟通信”？ “数字通信”？ 4通常把传输模拟信号的通信方式称为模拟通信 4通常把传输数字信号的通信方式称为数字通信 4为什么说“通常”？
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1 概述(6)
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2 模拟信号数字传输
42.1 脉冲编码调制 PCM
μ律
1 0.9
ln(1 + μx ) ⎧ ⎪ y = ln(1 + μ ) ⎪ ⎨ 1 − e y ln(1+ μ ) ⎪x = ⎪ μ ⎩
0 ≤ x ≤1
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0 5 255 1000
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3 数字信号的基带传输
43.2 基带传输系统 －－ 2）各点波形
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3 数字信号的基带传输
43.3 码间串扰 ISI
41）什么是ISI？ 接收端接收到前一个码元的波形串到后一个码元抽样 判决的时刻，影响后一个码元的抽样判决。当波形失真比 较严重时，可能出现前面几个码元的波形同时串到后面， 对后面某一个码元的抽样判决产生影响。这种影响叫做码 间串扰。
当V>Vb 判为“1”码，判决正确 （1）对“1”码 当V<Vb 判为“0”码，判决错误 当V<Vb 判为“0”码，判决正确 当V>Vb 判为“1”码，判决错误
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（2）对“0”码
{
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3 数字信号的基带传输
43.4 传输差错率
42）误码率计算
P (0 / 1) = ∫
Vb
41）定义 ΔM是将模拟信号变换成仅有一位二进制码组成的数 字信号序列，来表示相邻信号的相对大小，通过相邻抽样 值的相对变化反应模拟信号的变化规律。
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2 模拟信号数字传输
42.2 ΔM 增量调制
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2 模拟信号数字传输
42.2 ΔM 增量调制
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20
41 概述 42 模拟信号数字传输 43 数字信号的基带传输 44 数字信号的载波传输 45 差错控制与编码技术
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3 数字信号的基带传输
43.1 数字基带信号码型
41）常用码型 单极性码 双极性码 单极性归零码 双极性归零码 差分码 极性交替转换码 成对的二进制码 三阶高密度双极性码（HDB3码） 多进制（多电平）码
40
为π/4、3π/4、-3π/4、-π/4。可以认为QPSK信号是两路正 交的BPSK信号的合成，表示为：
s (t ) = ui (t ) cos ω c t + u q (t ) sin ω c t
(k-1)Ts ≤ t ≤ kTs
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4 数字信号的载波传输
44.2 四进制调制－－QPSK
采样 压缩 量化编码
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数字通信 系统
低通滤波
扩张
译码
图 2.1 PCM 通信系统组成
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2 模拟信号数字传输
42.1 脉冲编码调制 PCM
42）PCM信号的码元速率 话音信号的频带范围是300～3400Hz，一般音频滤波 器设置截止频率为4KHz，根据采样定理，对话音信号 的采样频率定为8KHz。 每样值再用8bit进行量化，因此PCM的码率为：
42）PCM和ΔM 的性能比较
PCM和ΔM的比较 是在相同信道带宽 的条件下进行。
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2 模拟信号数字传输
42.2 ΔM 增量调制
42）PCM和ΔM 的性能比较 当k等于4～5时， PCM和ΔM系统的量化信噪功率比差不 多，当k<4， ΔM系统的量化信噪比高于PCM系统，反之 k>5， PCM系统的量化信噪功率比高于ΔM系统。 一般来讲， ΔM系统的设备比PCM简单，对于话音质量要 求高，而信道带宽有容的时候，用PCM系统比较好，如长 途通信。而对话音质量要求不是很高的近距离通信和无线 电通信中，一般都用改进型的增量调制系统。
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μ为压缩系数， μ越大则压缩效 果愈明显， μ=0相当于无压缩。 式中μ在CCITT建议中取255
0.2 0.1 0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
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2 模拟信号数字传输
42.1 脉冲编码调制 PCM
A律
Ax ⎧ ⎪ y = 1 + ln A ⎪ ⎨ ⎪ y = 1 + ln Ax ⎪ ⎩ 1 + ln A 1 0< x≤ A 1 < x ≤1 A
I 成形滤波器 x(t)=ui(t)cosωct
1101… {ai} 串/并
cosωct
41
∑
90°相移
s(t)
10110010… 0100… Q 成形滤波器
y(t) =uq(t)sinωct
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4 数字信号的载波传输
44.2 QPSK－－星座图
01 11
42
1
0 00 10
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通信原理
李志强 副教授 南京通信工程学院
2007年11月
南京
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亚洲卫星公司 南京通信工程学院
内容
41 概述 42 模拟信号数字传输 43 数字信号的基带传输 44 数字信号的载波传输 45 差错控制与编码技术
2
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1 概述(1)
4什么是“通信”？
T
b
T
b
H(f)
Heq(f)
叠加结果
31
-3/2Ts
-1/2Ts 0 1/2Ts 传输函数
3/2Ts
f
-1/2Ts 0 1/2Ts 等效传输函数
f
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3 数字信号的基带传输
43.3 码间串扰 ISI
44）频带利用率 码元速率Rb和占用传输带宽B的比值，即单位频带所 能传输的码元速率。 理想低通传输特性时 Rb=2W1这个极限速率称之为奈奎斯特速率， 带宽W1称之为奈奎斯特带宽。
13
Rb = 8000 × 8 = 64kbit / s
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42.1 脉冲编码调制 PCM
43）压缩与扩张？ 量化会使信号产生失真；量化可分为均匀量化和非均 匀量化；语音信号是非平稳的随机信号，其短时均方差值 变化超过40dB，考虑不同人，不同的语态以及不同的用户 线长度，动态范围会更大，因此均匀量化器不适合对语音 信号的直接量化。 压缩处理可以使量化SNR在整个动态范围内保持恒定， 而且所有码字的长度相同。接收端相反的处理即是扩张。
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3 数字信号的基带传输
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3 数字信号的基带传输
43.1 数字基带信号码型
42）为什么这么多码型？ 设计码型是为了便于传输： 是否含有直流分量？ 是否易于收端提取同步？ 是否具有良好的抗噪声性能？
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4 数字信号的载波传输
44.1 二进制调制－－BPSK
4BPSK
信息比特ai 1 1 -1 0 0 1 1 0
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u(t)
cosωct 2PSK cosωct 2PSK
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4 数字信号的载波传输
44.2 四进制调制－－QPSK
4QPSK 对于QPSK信号，ϕk∈{0+λ，π/2+λ，π+λ，3π/2+λ}， 通常取λ=0或π/4。如果取λ=π/4，则QPSK信号的相位取值
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3 数字信号的基带传输
43.3 码间串扰 ISI
42）如何消除ISI？－－采样点无码间串扰 没有码间串扰的h(t)应该通过图中的一些特殊点。这 些特殊点是t=0时h(0)=1和t=kTb时h(kTb)=0的点。
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3 数字信号的基带传输
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1 2 87.56
16
A为压缩系数， A越大则压缩 效果愈明显， A=1相当于无 压缩。式中A在CCITT建议中 取87.56
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
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42.2 ΔM 增量调制
43.2 基带传输系统
41）组成
x(t) 脉 冲 输入 形成器 {dk} 定时脉冲 发 送 滤波器 x (t)
T
y(t) 信 道 接 收 滤波器 抽 样 判 决 cp 码 元 再 生
输出 {dk}
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噪声n(t)
同步提 取电路
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43.2 基带传输系统 －－ 2）各点波形
双极性信号 单极性信号
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41 概述 42 模拟信号数字传输 43 数字信号的基带传输 44 数字信号的载波传输 45 差错控制与编码技术
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4 数字信号的载波传输
44.1 二进制调制－－BPSK
4BPSK BPSK调制信号用载波的相位携带。BPSK信号的载波相 位共有2个可能的取值，每一个载波相位对应着2个符号集 中的一个符号，在某一个符号间隔内载波的相位取该符号 对应的相位值。
（a）BPSK信号
（b）QPSK信号
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4 数字信号的载波传输
44.2 QPSK－－包络起伏
43
当调制信号的相位发生180°相位跳变时，QPSK信号的包络起伏为100%
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4 数字信号的载波传输
44.2 QPSK－－相位模糊问题
载波提取存在相位模糊，消除相位模糊的方法有两种： 一是将数据分组，每组加报头，专用于载波提取。 二是采用差分相位调制。 差分相位调制：以前一个符号相位作为参考基准，用前后符 号的相位变化来传送信息，则解调结果与相干载波相位的 初始值无关，甚至不提取相干载波也可以实现解调，从而 消除了相位模糊。DBPSK、DQPSK等。
4无码间串扰举例－－理想低通
理想低通下无码间串扰时域波形示意图： 发送码元： …0110...
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3 数字信号的基带传输
43.3 码间串扰 ISI
43）采样点无码间串扰的频域表述 ∞ π 2iπ H eq (ω) = ∑ H (ω + ) = 常数; | ω | ≤
i =−∞
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3 数字信号的基带传输
43.4 传输差错率
41）噪声的影响 发“1”码时，收到的是A+n(t); 发“0”码时，收到的是
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{
-A+n(t) 对双极性码 n(t) 对单极性码
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3 数字信号的基带传输
43.4 传输差错率
41）噪声的影响
4“通信”指信息的传输与交换。
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1 概述(2)
4一个通信系统由哪些要素组成？
信 息 源
发送 设备
信道
接收 设备
收 信 者
4
噪声源
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1 概述(3)
4“模拟信号”？ “数字信号”？
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1 概述(4)
4 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 与信息相对应。
4数字通信 VS 模拟通信 ？ 4抗噪声性能好 4可消除噪声积累 4便于采用信道编码、加密 4便于业务综合
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1 概述(7)
4通信系统的质量指标有哪些”？ 4有效性：码元速率、信息速率 4可靠性：误码率
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41 概述 42 模拟信号数字传输 43 数字信号的基带传输 44 数字信号的载波传输 45 差错控制与编码技术