通信原理第4章讲解
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通信原理(樊昌信)第4章信道
有线信道
基带同轴电缆：
50Ω，多用于数字基带传输 速率可达10Mb/s 传输距离<几千米
宽带（射频）同轴电缆：
75Ω，用于传输模拟信号 多用于有线电视（CATV）系统 传输距离可达几十千米
有线信道
光纤
结构：
纤芯 包层
按折射率分类：
阶跃型 梯度型
按模式分类：
多模光纤 单模光纤
无线信道
视线传播 line-of-sight
d
频率： > 30 MHz
h
发射
特性：直线传播、穿透电离层 天线 r
用途：卫星和外太空通信
传播途径
d
D
接收 天线
r
超短波及微波通信
视线传播方式
距离：与天线高度有关
h D2 D2 (m) 8r 50
D 为收发天线间距离(km)
例如 设收发天线的架设 高度均为40 m，则最 远通信距离为：
表 有线信道的线路种类、构造、特征和主要用途
线路种类 双绞线
同轴电缆 光纤
构造
特征
主要用途
便宜、构造简单，
传输频带宽，有漏 话现象，容易混入 杂音
电话用户线 低速LAN
价格稍高，传输
频带宽，漏话感应 少，分支、接头容 易
CATV分配电缆 高速LAN
低损耗，频带宽， 国际间主干线
重量轻，直径小，
国内城市间主
对流层：约 0 ~10 km 平流层：约 10~60 km 电离层：约 60~400 km
60 km
10 km 0 km
电磁波的传播方式：
地波 ground- wave
频率： < 2 MHz 特性：有绕射能力 距离：数百或数千米 用于：AM广播
通信原理》第六版课件第4章
调频合成器的原理
介绍了调频合成器的基本原理 和存在的问题，以及几种常用 的合成技术及其应用。
频率分析与频谱分析
连续信号频谱分析
介绍了连续信号分析中的傅里叶 变换和功率谱密度估计算法，以 及常用的频谱分析工具。
离散信号频谱分析
小波变换分析
阐述了离散信号分析中的离散傅 里叶变换和快速傅里叶变换算法， 以及它们的应用领域。
介绍了小波变换分析的基本原理 和优势，以及它在信号处理和图 像处理中的应用。
数据信号处理
1
采样与重构
Байду номын сангаас
抗混叠滤波器
2
讲述了抗混叠滤波器设计和优化的方法，
以及实际应用中的不足和改进措施。
3
介绍了采样定理和采样过程中的抗混叠 滤波器，以及重构过程与误差控制的方 法。
数字信号的量化
阐述了数字信号的量化原理和编码方法，
介绍了几种基本的相位调制方式和频移 键控技术，以及它们在通信中的应用。
宽带调制与调制方式
宽带调制的概念
阐述了宽带调制的基本原理和实现方法，以及它 在数字通信中的重要性。
频段抖动（FBS）调制方式
介绍了频段抖动调制技术的基本原理和应用，以 及它的特点和实现方法。
调换抖动（Cordic）调制方式
介绍了调换抖动调制技术的基本原理和应用，以 及它的优缺点及改进方法。
通信原理》第六版课件第 4章
本章介绍了调制与解调的基本概念，宽带调制和调制方式，频率合成和锁相 等通信原理的重要知识点。
调频与解调
1
调频基本概念
介绍了调频技术的基本概念和特点，包
调频与解调过程
2
括调变量和调制指数等的定义。
从频谱分析角度描述了调频与解调的基
通信原理(第四章)
27
第4章 信 道 章
四进制编码信道模型
0 0
1 送
端
发
1
收 端
接
2
2
3
3
28ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第4章 信 道 章
4.4 信道特性对信号传输的影响 恒参信道的影响 恒参信道对信号传输的影响是确定的或者 是变化极其缓慢的。因此，其传输特性可以 等效为一个线性时不变网络。 只要知道网络 的传输特性，就可以采用信号分析方法，分 析信号及其网络特性。 线性网络的传输特性可以用幅度频率特 性和相位频率特性来表征。 现在我们首先讨论 理想情况下的恒参信道特性。
平流层 60 km 对流层 10 km 0 km 地 面
6
第4章 信 道 章
电离层对于传播的影响 反射 散射
7
第4章 信 道 章
电磁波的分类： 电磁波的分类： 地波 频率 < 2 MHz 有绕射能力 距离： 距离：数百或数千千米 天波 频率： 频率：2 ~ 30 MHz 特点： 特点：被电离层反射 一次反射距离： 一次反射距离：< 4000 km 寂静区： 寂静区：
13
第4章 信 道 章
4.2 有线信道
明线
14
第4章 信 道 章
对称电缆：由许多对双绞线组成， 对称电缆：由许多对双绞线组成，分非屏蔽 （UTP）和屏蔽（STP）两种。 ）和屏蔽（ ）两种。
塑料外皮
双绞线（ 5对）
图4-9 双绞线
15
第4章 信 道 章
同轴电缆
16
第4章 信 道 章
n2 n1 折射率
25
第4章 信 道 章
4.3.2 编码信道模型
调制信道对信号的影响是通过k(t)和 使已调信号发生波形 调制信道对信号的影响是通过 和n(t)使已调信号发生波形 失真。 失真。 编码信道对信号的影响则是一种数字序列的变换， 编码信道对信号的影响则是一种数字序列的变换，即将 一种数字序列变成另一种数字序列。 一种数字序列变成另一种数字序列。误码 输入、输出都是数字信号， 输入、输出都是数字信号，关心的是误码率而不是信号 失真情况，但误码与调制信道有关， 失真情况，但误码与调制信道有关，无调制解调器时误码由 发滤波器设计不当及n(t)引起 引起。 收、发滤波器设计不当及 引起。 编码信道模型是用数字的转移概率来描述。 编码信道模型是用数字的转移概率来描述。
通信原理第4章(2014年北邮上课精简版)
η AM
边带功率 = AM总功率
调制指数a（调幅系数）
ＡＭ 信号表达式
S AM (t ) = [1 + m (t ) ] Ac cos ωc t
其中 1 + m(t ) 中的直流为 １，交流为 m(t ) 。为了包络解调 不失真恢复原始基带信号，要求 m ( t ) ≤ 1 。 ＡＭ 信号一般表示为 S AM (t ) = Ac 1+ amn (t ) cos ωc t ，
第4章 模拟调制系统
本章的主要内容
一、调制的目的、定义和分类 二、幅度调制（ＡＭ、ＤＳＢ、ＳＳＢ、ＶＳＢ）
n n n
时域和频域表示、带宽 调制与解调方法
抗噪声性能 三、角度调制（ＦＭ、ＰＭ）
n n n n
基本概念 单频调制时：调频和调相信号的时域表示 宽带调频信号的带宽
抗噪性能 四、频分复用
《通信原理》
解：
(2) 基带信号为随机信号时已调信号的频谱特性 在一般情况下，基带信号是随机信号，如语音信号。此时
，已调信号的频谱特性用功率谱密度来表示。 AM已调信号是一个循环平稳的随机过程，其功率谱密度为 其自相关函数时间平均值的傅里叶变换。 分析可知，在调制信号为确知信号和随机信号两种情况下， 分别求出的已调信号功率表达式是相似的。 参见教材７０页。
H(w)
-w c
形成单边带信号的滤波特性
H(w) 1 -w c 0 1 0 wc w wc w
H(w)
-w c
形成单边带信号的滤波特性
通过推导（参见教材 ７１－７２ 页），可得 ＳＳＢ 信号的时域表达式
S SSB (t) = Ac m(t ) cos ωct m Ac m (t )sin ωct
通信原理第四章
• 2、调幅（AM）信号 如果输入的基带信号带有直流分量，h(t) 是理想理想低通滤波器，得到的输出信 号是有载波分量的双边带信号，表示为：
m(t) m0 m(t)
如果满足m0＞∣m,(t) ∣max 调幅（AM）信号
其时域与频域的表示为：
Sm (t) m(t) cosc
m0 m(t)cosc
c f
3 108 20 103
1.5 104 (m)
式中，λ为波长（m）；c为电磁波传播速度 （光速）（m/s）；f为音频（Hz）。
• 可见，要将音频信号直接用天线发射出 去，其天线几何尺寸即便按波长的百分 之一取也要150米高（不包括天线底座或 塔座）。因此，要想把音频信号通过可 接受的天线尺寸发射出去，就需要想办 法提高欲发射信号的频率（频率越高波 长越短）
Sm
()
1 2
M
(
c
)
M
(
c
)H
()
• 确定H（ω）
•从接收端入手
•VSB信号的解调和SSB信号一样不能用包络 检波，而要采用相干解调法
•通过解调的公式推导说明残留边带滤波器 的传输函数在载频附近必须具有互补对称 特性
• Sm(t)
LPF
m(t)
•
S (t ) =cosωct
－c 0
c
(f) 已 调 信 号 频 谱
调幅AM示意图
• 3、单边带（SSB）信号
从上述的双边带调制（AM和DSB）中可知，上 下两个边带是完全对称的，即两个边带所包含 的信息完全一样。那么在传输时，实际上只传 输一个边带就可以了，而双边带传输显然浪费 了一个边带所占用的频段，降低了频带利用率。 对于通信而言，频率或频带是非常宝贵的资源。 因此，为了克服双边带调制这个缺点，人们又 提出了单边带调制的概念。
通信原理第4章
P(0 / 0) P(1 / 0)
0 接收端
1
1
P(1 / 1)
图4-13 二进制编码信道模型
P(0 / 0)和P(1 / 1) － 正确转移概率 P(1/ 0)和P(0 / 1) － 错误转移概率
散射传播 电离层散射 机理 － 由电离层不均匀性引起 频率 － 30 ~ 60 MHz 距离 － 1000 km以上 对流层散射 机理 － 由对流层不均匀性（湍流）引起 频率 － 100 ~ 4000 MHz 最大距离 < 600 km
有效散射区域
地球
图4-7 对流层散射通信
h
10
第4章 信 道
第4章 信 道
n2 n1 折射率
光纤
结构
(a)
纤芯 包层
n2 n1 折射率
Hale Waihona Puke 按折射率分类 (b) 阶跃型
梯度型 按模式分类
n2 n1 折射率
125
多模光纤
7～10
(c)
单模光纤
单模阶跃折射率光纤
h 图4-11 光纤结构示意图
16
第4章 信 道
损耗与波长关系
1.31 m 1.55 m
0.7
0.9
1.1
1.3
1.5
1.7
光波波长（m）
图4-12光纤损耗与波长的关系
损耗最小点：1.31与1.55 m
h
17
第4章 信 道
4.3 信道的数学模型
信道模型的分类：
调制信道 编码信道
信 息 源
信 源 编
码
加 密
信 道 编
码
数 字 调
制
信道
数 字 解 调
信 道 译
通信原理第四版第4章信道
列发生错误是统计独立的，因此这种信道是无 记忆编码信道。
• p(00)p(10)1 • p(11)p(01)1
2021/1/15
13
多进制无记忆编码信道模型
｛X｝
｛Y｝
x0
y0
x1
y1
… …
xM－ 1
2021/1/15
yN－ 1
14
3、无线信道
• 无线信道利用电磁波在空间中的传播来 传输信号。
• 有线信道利用人造的传导电或光信号的 媒体来传输信号。
k S i( ){ 1 e x p [ j (t)}
• 信道传输函数为
• H () S 0 ()S i() k [ 1 e j (t)]
2021/1/15
41
• 信道幅频特性为
H ()k [ 1 e j ( t ) ]k 1 c o s( t )j s i n( t )
k2 c o s2 (t) j2 sin (t)c o s (t)
29
➢ 幅度-频率失真
• 又称为频率失真，属于线性失真。采用均衡 器补偿。
– (a)所示是典型电话信道特性
(a) 插入损耗～频率特性
2021/1/15
30
➢相位-频率失真
• 相位-频率失真也是属于线性失真。
• 在话音传输中，由于人耳对相频失真不太敏感，因此 相频失真对模拟话音传输影响不明显。
• 可以采用均衡器对相频特性进行补偿， 改善信道传输
第四章 信 道
2021/1/15
1
主要内容
1
2、信道的数学模型
3 4、有线信道 5、信道特性对信号传输的影响 6、信道中的噪声 7、信道容量
2021/1/15
2
1、信道定义
• p(00)p(10)1 • p(11)p(01)1
2021/1/15
13
多进制无记忆编码信道模型
｛X｝
｛Y｝
x0
y0
x1
y1
… …
xM－ 1
2021/1/15
yN－ 1
14
3、无线信道
• 无线信道利用电磁波在空间中的传播来 传输信号。
• 有线信道利用人造的传导电或光信号的 媒体来传输信号。
k S i( ){ 1 e x p [ j (t)}
• 信道传输函数为
• H () S 0 ()S i() k [ 1 e j (t)]
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41
• 信道幅频特性为
H ()k [ 1 e j ( t ) ]k 1 c o s( t )j s i n( t )
k2 c o s2 (t) j2 sin (t)c o s (t)
29
➢ 幅度-频率失真
• 又称为频率失真，属于线性失真。采用均衡 器补偿。
– (a)所示是典型电话信道特性
(a) 插入损耗～频率特性
2021/1/15
30
➢相位-频率失真
• 相位-频率失真也是属于线性失真。
• 在话音传输中，由于人耳对相频失真不太敏感，因此 相频失真对模拟话音传输影响不明显。
• 可以采用均衡器对相频特性进行补偿， 改善信道传输
第四章 信 道
2021/1/15
1
主要内容
1
2、信道的数学模型
3 4、有线信道 5、信道特性对信号传输的影响 6、信道中的噪声 7、信道容量
2021/1/15
2
1、信道定义
通信原理 第四章 模拟信号的数字化
段落序号
8 7 6
12
11 10
1100
1011 1010 1001
段落码 c2 c3 c4
111 110 101
9
8
7 6 5
1000
0111 0110 0101
5
4 3 2
100
011 010 001
4
3 2 1
0100
0011 0010 0001
1
000
0
0000
18
4.4.3 PCM系统的量化噪声
2 b 2 mi a i 1 mi 1 M
式中，sk为信号的抽样值，即s(kT) sq为量化信号值，即sq(kT) f(sk)为信号抽样值sk的概率密度 E表示求统计平均值 M为量化电平数 mi a iv
q i a i v
v 2
求信号sk的平均功率 ：
S E ( s k ) s k f ( s k )dsk
S / Nq 22(B/fH )
上式表明，PCM系统的输出信号量噪比随系统的带宽 B按指数规律增长。
19
4.5 差分脉冲编码调制
4.5.1差分脉冲编码调制(DPCM)的原理
线性预测基本原理
线性预测 利用前面的几个抽样值的线性组合来预测当前的抽样值 预测误差 当前抽样值和预测值之差 由于相邻抽样值之间的相关性，预测值和抽样值很接近，即误 差的取值范围较小。 对较小的误差值编码，可以降低比特率。
正极性
负极性
折叠二进制码的特点： 有映像关系，最高位可以表示极性，使编码电路简化； 误码对小电压影响小，可减小语音信号平均量化噪声。
17
13折线法中采用的折叠码
8 7 6
12
11 10
1100
1011 1010 1001
段落码 c2 c3 c4
111 110 101
9
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7 6 5
1000
0111 0110 0101
5
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011 010 001
4
3 2 1
0100
0011 0010 0001
1
000
0
0000
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4.4.3 PCM系统的量化噪声
2 b 2 mi a i 1 mi 1 M
式中，sk为信号的抽样值，即s(kT) sq为量化信号值，即sq(kT) f(sk)为信号抽样值sk的概率密度 E表示求统计平均值 M为量化电平数 mi a iv
q i a i v
v 2
求信号sk的平均功率 ：
S E ( s k ) s k f ( s k )dsk
S / Nq 22(B/fH )
上式表明，PCM系统的输出信号量噪比随系统的带宽 B按指数规律增长。
19
4.5 差分脉冲编码调制
4.5.1差分脉冲编码调制(DPCM)的原理
线性预测基本原理
线性预测 利用前面的几个抽样值的线性组合来预测当前的抽样值 预测误差 当前抽样值和预测值之差 由于相邻抽样值之间的相关性，预测值和抽样值很接近，即误 差的取值范围较小。 对较小的误差值编码，可以降低比特率。
正极性
负极性
折叠二进制码的特点： 有映像关系，最高位可以表示极性，使编码电路简化； 误码对小电压影响小，可减小语音信号平均量化噪声。
17
13折线法中采用的折叠码
通信原理第四章
3/169 12:07
第 4章模拟调制系统
4.1幅度调制（线性调制）的原理
定义： 幅度调制：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。 幅度调制器的通用模型如图 4 - 1 所示。
4/169 12:07
m(t)
×
h(t)
sm(t)
cos ω ct
图 4 - 1幅度调制器的一般模型
6
由 于 ： x (t )e jωct ⇔ X (ω − ω c )
1 [δ (t ) + j ] ⇔ u (ω )
2
πt
⇒
sUSB(t)
=
1[m(t)*(δ 4
(t)
+
j πt
)]e
jωct
+
1 [m(t) *(δ 4
(t)
−
j πt
)]e−
jωct
= 1[m(t) + jmˆ (t)]ejωct + 1[m(t) − jmˆ (t)]e−jωct
如图4 - 7所示。
38/169 12:07
1 m(t) 2
t
Hh(ω)
1 2
m(t)
£π -2
± sSSB(t)
sSSB
(t)
=
1 2
m(t)
cos ωct
∓
1 2
mˆ
(t) sin
ωct
1 2
mˆ (t)
sin
ωct
图 4 –7 相移法形成单边带信号
39/169 12:07
cosωct
25/169 12:07
DSB调制结论： 1. 由频谱结构可知，发射信号没有载波分
第 4章模拟调制系统
4.1幅度调制（线性调制）的原理
定义： 幅度调制：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。 幅度调制器的通用模型如图 4 - 1 所示。
4/169 12:07
m(t)
×
h(t)
sm(t)
cos ω ct
图 4 - 1幅度调制器的一般模型
6
由 于 ： x (t )e jωct ⇔ X (ω − ω c )
1 [δ (t ) + j ] ⇔ u (ω )
2
πt
⇒
sUSB(t)
=
1[m(t)*(δ 4
(t)
+
j πt
)]e
jωct
+
1 [m(t) *(δ 4
(t)
−
j πt
)]e−
jωct
= 1[m(t) + jmˆ (t)]ejωct + 1[m(t) − jmˆ (t)]e−jωct
如图4 - 7所示。
38/169 12:07
1 m(t) 2
t
Hh(ω)
1 2
m(t)
£π -2
± sSSB(t)
sSSB
(t)
=
1 2
m(t)
cos ωct
∓
1 2
mˆ
(t) sin
ωct
1 2
mˆ (t)
sin
ωct
图 4 –7 相移法形成单边带信号
39/169 12:07
cosωct
25/169 12:07
DSB调制结论： 1. 由频谱结构可知，发射信号没有载波分
通信原理第4章
第4章 信源编码
1. 概述 � 2. 脉冲编码调制 � 3. 增量调制 � 4. 差分脉码调制 � 5. 其他编码技术 � 6. 各种编码技术的应用
�
1
4.1 概述
�
与模拟通信相比，数字通信有许多优点，是当今通信的 发展方向。
� �
如何利用数字通信系统来传输模拟信号？ 模/数变换：脉冲编码调制（PCM） 处理过程： 抽样、量化、编码。
29
（2）非均匀量化的方法
�
非均匀量化的量化间隔与信号的大小有关。当信号 幅度小时，量化间隔小，其量化误差也小；当信号 幅度大时，量化间隔大，其量化误差也大。 实现非均匀量化的方法有两种： 直接非均匀编解码法 模拟压扩法（应用比较多）
� � �
30
�
(A) 直接非均匀量化 (小信号量化区间小 ,大信号量化区间大 )
�
8
PCM信号形成过程示意图
9
4.2.1 抽样
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 样值序列的过程。
图 抽样的输入与输出
关于抽样需要考虑两个问题： 第一，由抽样信号完全恢复出原始的模拟信号，对和抽 样频率有什么限制条件？ 第二，如何从抽样信号还原？
10
1.低通信号的抽样定理
11
�
模 拟 信 源 编 码 数字传 输系统 译 码 收 端
模拟信号数字化传输的系统框图
2
信源编码目的：压缩信源产生的冗余信息，减少传递不 必要信息的开销，从而提高整个传输链路的有效性。
�
模拟信号数字化后，再进行传输的方式分两类： 一、脉冲编码调制（PCM）通信； 二、增量调制 ∆M 通信
3
几种信源编码方法 波形编码：特点是利用抽样定理，恢复原始信号的 波形。如PCM等。 信源 编码 方法 参数编码：提取语音的一些特征信息进行编码，在 收端利用这些特征参数合成语声； 混合型编码：波形编码和参数型编码方式的混合。
1. 概述 � 2. 脉冲编码调制 � 3. 增量调制 � 4. 差分脉码调制 � 5. 其他编码技术 � 6. 各种编码技术的应用
�
1
4.1 概述
�
与模拟通信相比，数字通信有许多优点，是当今通信的 发展方向。
� �
如何利用数字通信系统来传输模拟信号？ 模/数变换：脉冲编码调制（PCM） 处理过程： 抽样、量化、编码。
29
（2）非均匀量化的方法
�
非均匀量化的量化间隔与信号的大小有关。当信号 幅度小时，量化间隔小，其量化误差也小；当信号 幅度大时，量化间隔大，其量化误差也大。 实现非均匀量化的方法有两种： 直接非均匀编解码法 模拟压扩法（应用比较多）
� � �
30
�
(A) 直接非均匀量化 (小信号量化区间小 ,大信号量化区间大 )
�
8
PCM信号形成过程示意图
9
4.2.1 抽样
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 样值序列的过程。
图 抽样的输入与输出
关于抽样需要考虑两个问题： 第一，由抽样信号完全恢复出原始的模拟信号，对和抽 样频率有什么限制条件？ 第二，如何从抽样信号还原？
10
1.低通信号的抽样定理
11
�
模 拟 信 源 编 码 数字传 输系统 译 码 收 端
模拟信号数字化传输的系统框图
2
信源编码目的：压缩信源产生的冗余信息，减少传递不 必要信息的开销，从而提高整个传输链路的有效性。
�
模拟信号数字化后，再进行传输的方式分两类： 一、脉冲编码调制（PCM）通信； 二、增量调制 ∆M 通信
3
几种信源编码方法 波形编码：特点是利用抽样定理，恢复原始信号的 波形。如PCM等。 信源 编码 方法 参数编码：提取语音的一些特征信息进行编码，在 收端利用这些特征参数合成语声； 混合型编码：波形编码和参数型编码方式的混合。
通信原理课件——第四章
点带宽 B 1 Hz。而理想抽样频谱的包络线为一条直线，带
τ 宽为无穷大。
如上所述，脉冲宽度τ越大，自然抽样信号的带宽越小， 这有利于信号的传输。但增大τ会导致时分复用的路数减小， 显然考虑τ的大小时，要兼顾带宽和复用路数这两个互相矛 盾的要求。
二、平顶抽样
平顶抽样又称为瞬时抽样，从波形上看，它与自然抽样 的不同之处在于抽样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，如图4-11（a）所示。在实际应用中，平顶抽样信号 采用脉冲形成电路（也称为“抽样保持电路”）来实现， 得到顶部平坦的矩形脉冲。
图4-25 PCM系统的原理图
4.5.2 PCM
[例4.5.1]
4.5.3 PCM系统的抗噪声性能分析
4.6 语音压缩编码
4.6.1语音压缩编码技术的概念
通常，人们把话路速率低于64kb/s的语音编码方 法，称为语音压缩编码技术。常见的语音压缩编 码有差值脉冲编码调制（DPCM）、自适应差值脉 冲编码调制（ADPCM）、增量调制（DM或M）、自 适应增量调制（ADM）、参量编码、子带编码 （SBC）等。
第四章 模拟信号的数字传输
4.1 引言 4.2 抽样 4.3 量化 4.4 编码 4.5 脉冲编码调制系统 4.6 语音压缩编码 4.7 图像压缩编码
4.1 引言
图4-1 PCM通信系统原理图
图4-2 PCM信号形成过程示意图
4.2 抽样
所谓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样值序列的过程，如 图4-3所示。
4.3 量化
图4-13 量化的输入和输出
4.3.1均匀量化
图4-14 量化过程及量化误差
[例4.3.1]
τ 宽为无穷大。
如上所述，脉冲宽度τ越大，自然抽样信号的带宽越小， 这有利于信号的传输。但增大τ会导致时分复用的路数减小， 显然考虑τ的大小时，要兼顾带宽和复用路数这两个互相矛 盾的要求。
二、平顶抽样
平顶抽样又称为瞬时抽样，从波形上看，它与自然抽样 的不同之处在于抽样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，如图4-11（a）所示。在实际应用中，平顶抽样信号 采用脉冲形成电路（也称为“抽样保持电路”）来实现， 得到顶部平坦的矩形脉冲。
图4-25 PCM系统的原理图
4.5.2 PCM
[例4.5.1]
4.5.3 PCM系统的抗噪声性能分析
4.6 语音压缩编码
4.6.1语音压缩编码技术的概念
通常，人们把话路速率低于64kb/s的语音编码方 法，称为语音压缩编码技术。常见的语音压缩编 码有差值脉冲编码调制（DPCM）、自适应差值脉 冲编码调制（ADPCM）、增量调制（DM或M）、自 适应增量调制（ADM）、参量编码、子带编码 （SBC）等。
第四章 模拟信号的数字传输
4.1 引言 4.2 抽样 4.3 量化 4.4 编码 4.5 脉冲编码调制系统 4.6 语音压缩编码 4.7 图像压缩编码
4.1 引言
图4-1 PCM通信系统原理图
图4-2 PCM信号形成过程示意图
4.2 抽样
所谓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样值序列的过程，如 图4-3所示。
4.3 量化
图4-13 量化的输入和输出
4.3.1均匀量化
图4-14 量化过程及量化误差
[例4.3.1]
第四章《通信原理》信道
理想无失真信道， 理想无失真信道，它的
H ( jω ) = ke
jω t d
H ( jω ) = k 幅频特性 (ω ) = ωt d 相频特性
实际的信道往往不能满足这些要求。例如电话信号 实际的信道往往不能满足这些要求。 的频带在300Hz 3400Hz范围内 300Hz范围内； 的频带在300Hz-3400Hz范围内；而电话信道的幅频特性 和相频特性示于下图。
调制信道 编码信道
1、调制信道 指从调制器输出到解调器输入端的所有变换装置 及传输媒介。因为从调制解调角度而言， 及传输媒介。因为从调制解调角度而言，调制信道仅 对已调信号进行传输，因此可视为一个整体。 对已调信号进行传输，因此可视为一个整体。
2、编码信道 、 指从编码器输出到译码器输入端的所有变换装置 及传输媒介。因为从编译码的角度而言， 及传输媒介。因为从编译码的角度而言，它们之间的 一切环节只起了传输数字信号的作用， 一切环节只起了传输数字信号的作用，因此可视为一 个整体。 个整体。
第四章 信道
在讲通信系统模型中我们知道， 在讲通信系统模型中我们知道，信道是信息传 输的媒介。它可分为两大类：有线信道和无线信道。 输的媒介。它可分为两大类：有线信道和无线信道。 传统的固定电话网用有线信道作为传输媒介。 传统的固定电话网用有线信道作为传输媒介。而无 线电广播则是用无线信道传播电台节目。 线电广播则是用无线信道传播电台节目。 信号在信道中传输，一方面受信道特性的影响； 信号在信道中传输，一方面受信道特性的影响； 另一方面还要受到信道中噪声的影响。 另一方面还要受到信道中噪声的影响。本章简单介 绍信道特性和信道中的噪声， 绍信道特性和信道中的噪声，以及信道特性对信号 传输的影响。 传输的影响。
一、加性噪声的分类
通信原理与通信技术(第三版)第4章增量调制
。
05
增量调制的改进与发展
增量调制算法的优化
动态阈值设定
01
根据信号的动态变化，自适应调整阈值，提高信号的识别精度。
抗噪声性能增强
02
通过改进算法，降低噪声对增量调制的影响，提高信号的抗干
扰能力。
降低误码率
03
优化算法，减少误码率，提高信号传输的可靠性。
增量调制与其他调制方式的结合
增量调制与脉冲编码调制结合
动态范围是指通信系统在接收信号时能够承受的最大和最 小信号强度之间的范围。
增量调制动态范围原理
增量调制系统通过比较相邻抽样点的幅度差来传输信息，因此 其对信号幅度的变化较为敏感，具有较小的动态范围。
动态范围性能分析
通过仿真和实验等方法，可以分析增量调制系统在不同动态范 围下的性能表现，从而评估其在各种实际应用场景中的适用性
利用增量调制对信号进行初步压缩，再通过脉冲编码调制进行进一步压缩，提高 传输效率。
增量调制与正交幅度调制结合
将增量调制与正交幅度调制相结合，实现信号的多路复用，提高频谱利用率。
增量调制在无线通信中的应用
01
02
03
无线语音传输
利用增量调制传输语音信 号，实现无线通信中的语 音传输。
无线数据传输
将增量调制应用于无线数 据传输，实现数据的高效 传输。
增量调制的基本原理是利用信 号的微小变化来编码信息。
增量调制的特点
增量调制具有较低的编码速率，因为它只利用信号的微 小变化来编码信息。
它适用于传输连续的模拟信号，如语音信号。
由于其简单性，增量调制在早期的通信系统中得到了广 泛应用。
增量调制对噪声和失真具有较强的鲁棒性。
增量调制的应用场景
05
增量调制的改进与发展
增量调制算法的优化
动态阈值设定
01
根据信号的动态变化，自适应调整阈值，提高信号的识别精度。
抗噪声性能增强
02
通过改进算法，降低噪声对增量调制的影响，提高信号的抗干
扰能力。
降低误码率
03
优化算法，减少误码率，提高信号传输的可靠性。
增量调制与其他调制方式的结合
增量调制与脉冲编码调制结合
动态范围是指通信系统在接收信号时能够承受的最大和最 小信号强度之间的范围。
增量调制动态范围原理
增量调制系统通过比较相邻抽样点的幅度差来传输信息，因此 其对信号幅度的变化较为敏感，具有较小的动态范围。
动态范围性能分析
通过仿真和实验等方法，可以分析增量调制系统在不同动态范 围下的性能表现，从而评估其在各种实际应用场景中的适用性
利用增量调制对信号进行初步压缩，再通过脉冲编码调制进行进一步压缩，提高 传输效率。
增量调制与正交幅度调制结合
将增量调制与正交幅度调制相结合，实现信号的多路复用，提高频谱利用率。
增量调制在无线通信中的应用
01
02
03
无线语音传输
利用增量调制传输语音信 号，实现无线通信中的语 音传输。
无线数据传输
将增量调制应用于无线数 据传输，实现数据的高效 传输。
增量调制的基本原理是利用信 号的微小变化来编码信息。
增量调制的特点
增量调制具有较低的编码速率，因为它只利用信号的微 小变化来编码信息。
它适用于传输连续的模拟信号，如语音信号。
由于其简单性，增量调制在早期的通信系统中得到了广 泛应用。
增量调制对噪声和失真具有较强的鲁棒性。
增量调制的应用场景
通信原理 樊昌信 第4章
(a)
n2 n1 折射率
(b)
n2 n1 折射率
125
7～10
(c)
单模阶跃折射率光纤
25
损耗与波长关系
1.31 m
1.55 m
0.7
0.9
1.1 1.3 光波波长（m）
1.5
1.7
图4-12光纤损耗与波长的关系
损耗最小点：1.31与1.55 m
26
信道的数学模型
调制信道：调制器输出端到解调器输入端的部分。从调制 和解调的角度来看，调制器输出端到解调器输入端的所有 变换装置及传输媒质，不论其过程如何，只不过是对已调 信号进行某种变换。 编码信道：编码器输出端到译码器输入端的部分。
9
天波：天波是靠电磁波在地面和电离层之间来回 反射而传播的，频率范围在2~30MHz。 天波是短波的主要传播途径。可以多次反射，因 而传播距离很远(可上万公里)，而且不受地面障 碍物阻挡。但天波传播的最大弱点是信号很不稳 定的。
天波的传播
10
电离层对于不同波长电磁波表现出不同的特性。
波长短于10m(30MHz)的微波能穿过电离层 波长超过3000km的长波，几乎会被电离层全部吸 收。对于中波、中短波、短波，波长越短，电离 层对它吸收得越少而反射得越多。因此，短波最 适宜以天波的形式传播。 但是，电离层是不稳定的，白天受阳光照射时电 离程度高，夜晚电离程度低。因此夜间它对中波 和中短波的吸收减弱，这时中波和中短波也能以 天波的形式传播。收音机在夜晚能够收听到许多 远地的中波或中短波电台，就是这个缘故。 11
d
接收天线
D2 D2 h 8r 50
h
D
m
通信原理第4章信道1
外套
绝缘
包层 纤维芯
27
根据光纤传输数据模式的不同，它可分为多 模光纤和单模光纤两种。 多模光纤指光在光纤中可能有多条不同角度 入射的光线在一条光纤中同时传播，如图 (a) 所示。这种光纤所含纤芯的直径较粗。
吸收护套
(a) 多模 纤芯 包层
28
单模光纤指光在光纤中的传播没有反射，而 吸收护套 沿直线传播,如图(b)所示。这种光纤的直径非 常细，就像一根波导那样，可使光线一直向前 (a) 多模 纤芯 包层 传播。
绝缘体
芯 芯 芯 6 芯 5 芯 4 1 芯 2 芯 3 芯 7 芯 6 芯 5 芯 4 芯 8 1 芯 2 芯 3
(b)
24
优点：与外界相互干扰小，（外导体接地
起屏 蔽作用），带宽大。
缺点：成本较高（与对称电缆相比）。 应用：比较广泛。如电视电缆（75Ω）， 实验室仪器用的信号电缆（50 Ω）
25
无线电视距中继是指工作频率在超短波和微波 波段时，电磁波基本上是沿视线传播，通信距 离依靠中继方式延伸的无线电电路。相邻中继 站之间的距离一般在40~50公里。
图4-4 无线电中继
13
优点：传输容量大，发射功率小，通信稳定
可靠，节省有色金属。 缺点：每隔50km左右设置一个中继站（微波 为直线传播，而地球为球体）。 应用：主要用于长途干线、移动通信网及某 些数据收集系统。
42
相位－频率畸变
指相位－频率特性偏离线性关系所引起的畸变。
1、理想相频特性是一直线
群延迟－频率特性
( ) td
(a) O (b) td
d ( ) ( ) d
H( )|
O (c)
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因此在大气层中通信时，应避 免使用衰减严重的频率。
衰 减
(dB/km)
水蒸气 氧气（实线）
频率(GHz) (a) 氧气和水蒸气（浓度7.5 g/m3）的衰减
衰 减
(dB/km)
降雨率
频率(GHz)
(b) 降雨的衰减
图4-6 大气衰减
8
第4章 信 道
电磁波的分类：根据通信距离、频率和位置的不同，电磁波的传播分为 地波、天波和视线传播
19
编码信道 从编码器输出到译码器输入端，所包含的调制器、
定义-由于传播媒体的不均匀性，使电磁波向许多 方向折射的现象。散射的能量主要集中于前方，故 常称为前向散射
7
第4章 信 道
大气层对于传播的影响
电磁波在大气层内（主要 是指氧气、水蒸气、降水）） 传播时，会受到吸收和散播。 使1GHz以上的电磁波的传播 衰减显著增加。在一些特定的 频率上，由于分子谐振现象 （吸收电磁波）而使衰减出现 峰值。
5
第4章 信 道
地球大气层的结构
对流层：地面上 0 ~ 10 km 平流层：约10 ～ 60 km 电离层：约60 ～ 400 km
电离层
60 km
10 km 0 km
平流层
对流层 地面
6
电离层对于传播的影响
反射：对于频率小于30MHz的电磁波. 散射：对于频率在30-60MHz的电磁波。
1.3
1.5
1.7
光波波长（m）
图4-12光纤损耗与波长的关系
损耗最小点：1.31与1.55 m，这两个波长是目 前应用最广泛的波长。
18
第4章 信 道
4.3 信道的数学模型
信道模型的分类：
调制信道 从调制器输出端到解调器输入端,所包含的发转换装
置、 媒质和收转换装置等称为调制信道。 当研究 调制与解调问题时，所关心的是调制器输出的信号 形式、解调器输入端信号与噪声的最终特性，而并 不关心信号的中间变换过程。因此，定义调制信道 对于研究调制与解调问题是方便和恰当的。
地波 频率 < 2 MHz
传播路径
有绕射能力
地面
距离：数百或数千千米 天波
频率：2 ~ 30 MHz
图4-1 地波传播
信号传播路径
特点：被电离层反射
地面
一次反射距离：< 4000 km
存在寂ji静区：电磁波不能到达的区域 图 4-2 天波传播
9
第4章
视线传播：
频率 > 30 MHz 传播距离: 和天线高度有关
频率 － 30 ~ 100 MHz 传播距离 － 1000 km以上
由于空中随时有大量的看不见的流星余迹存在，能够保证信 号断续的传送。因此流星余迹通信只能采用低速存储、高速突 发的断续传输方式传送数据。
13
第4章 信 道
4.2 有线信道
有线信道主要有 三类：明线、对 称电缆和同轴电缆 明线：平行架设 在电线杆上的架空 线路
3
信道中的干扰： 有源干扰 － 加性噪声引起。 无源干扰 － 传输特性不良引起。
本章重点： 介绍信道传输特性和噪声的特性，及其对于信号传
输的影响。
4
4.1 无线信道 为了有效地发射和接收电磁波，要求天线的尺寸不小 于电磁波波长的1/10，因此频率过低，波长过长，天 线尺寸过大，难于制造。故用于通信的电磁波频率都 比较高。
阶跃型 梯度型
n2 n1 折射率 （a）
按模式分类
模式指光线传播 (b)
的路径。右图a,b 为多模光纤，c为
n2 n1 折射率 （b）
单模光纤
125
7～10
(c)
（c） 单模阶跃折射率光纤
图4-11 光纤结构示意图
17
第4章 信 道
损耗与波长关系
1.31 m 1.55 m
0.7
0.9
1.1
14
第4章 信 道
对称电缆：由许多对双导（3）线（称芯线）放在一根保护套内造成， 为减小各对双导线间的干扰，每一对导线都做成扭绞（33）形状， 称为双绞线。
导体 绝缘层
图4-9 双绞线
同轴电缆：由内外两根同心圆柱形导体构成，两根导体间用绝缘体
隔开.
金属编织网 实心介质
保护层
导体
图4-10 同轴线
15
光纤：传输光信号的有线信道是光导纤维，简称
光纤。 结构：由折射率不同的两种导光介质（石英玻璃）
纤维制成的。内层叫纤芯，外层叫包层。 由于纤芯的折射率n1大于包层的折射率n2，光波
会在两层的边界处反射，经过多次反射，实现远距 离传送。
16
第4章 信 道 n2 n1 折射率
按纤芯折射率特性不(a) 同分类
11
散射传播
除上述三种传播方式外，电磁波还可以经过散射方式传播。
电离层散射
机理 － 由电离层不均匀性引起
频率 － 30 ~ 60 MHz
距离 － 1000 km以上
对流层散射
机理 －对流层中的大气存在强烈
的上下对流现象。使大气中存在不
有效散射区域
均匀的湍-tuan流，这种大气的不均匀性
使电磁波产生了散射。
通信原理
1
通信原理
第4章 信 道
2
第4章 信 道
信道：是指以传输媒质为基础的信号通道。 信道分类：
无线信道 －利用电磁波或光波在空中传播信号。无线 信道有：地波传播、短波电离层反射、微波视距中继、 人造卫星中继、移动无线电信道。
有线信道 －利用人造的传导电或光信号的媒体来传输 信号。有线信道 如，明线、对称电缆、同轴电缆及光 纤等。
设收发天线的高度相等，均 等于h，并且h是此两天线间保 持视线的最低高度，则有
d2 r2 (h r)2 d h2 2rh 2rh
设D 是收发天线间距离，则
D2 (2d)2 8rh
将地球半径r=6370km代入后
h D2 D2 m 8r 50
信道ห้องสมุดไป่ตู้
d
发射天线
h
d D
传播途径 接收天线
频率 － 100 ~ 4000 MHz
地球
最大距离 < 600 km
图4-7 对流层散射通信
12
第4章 信 道
流星余迹散射：流星经过大气层时产生的很强的电离余迹使电 磁波散射的现象。
流星余迹
图4-8 流星余迹散射通信
流星余迹特点 － 高度80 ~ 120 km，余迹长度15 ~ 40 km 余迹存留时间：小于1秒至几分钟
r
r
地面
图 4-3 视线传播
图4-4 无线电中继 10
[例] 若要求D = 50 km，则由式(4.1-3)
h D2 D2 502 50
m
8r 50 50
增大视线传播距离的其他途径 ➢ 中继通信 ➢ 卫星通信：静止卫星、移动卫星 ➢ 平流层通信：用位于平流层的高空平台 电台代替卫星作为基站的通信
衰 减
(dB/km)
水蒸气 氧气（实线）
频率(GHz) (a) 氧气和水蒸气（浓度7.5 g/m3）的衰减
衰 减
(dB/km)
降雨率
频率(GHz)
(b) 降雨的衰减
图4-6 大气衰减
8
第4章 信 道
电磁波的分类：根据通信距离、频率和位置的不同，电磁波的传播分为 地波、天波和视线传播
19
编码信道 从编码器输出到译码器输入端，所包含的调制器、
定义-由于传播媒体的不均匀性，使电磁波向许多 方向折射的现象。散射的能量主要集中于前方，故 常称为前向散射
7
第4章 信 道
大气层对于传播的影响
电磁波在大气层内（主要 是指氧气、水蒸气、降水）） 传播时，会受到吸收和散播。 使1GHz以上的电磁波的传播 衰减显著增加。在一些特定的 频率上，由于分子谐振现象 （吸收电磁波）而使衰减出现 峰值。
5
第4章 信 道
地球大气层的结构
对流层：地面上 0 ~ 10 km 平流层：约10 ～ 60 km 电离层：约60 ～ 400 km
电离层
60 km
10 km 0 km
平流层
对流层 地面
6
电离层对于传播的影响
反射：对于频率小于30MHz的电磁波. 散射：对于频率在30-60MHz的电磁波。
1.3
1.5
1.7
光波波长（m）
图4-12光纤损耗与波长的关系
损耗最小点：1.31与1.55 m，这两个波长是目 前应用最广泛的波长。
18
第4章 信 道
4.3 信道的数学模型
信道模型的分类：
调制信道 从调制器输出端到解调器输入端,所包含的发转换装
置、 媒质和收转换装置等称为调制信道。 当研究 调制与解调问题时，所关心的是调制器输出的信号 形式、解调器输入端信号与噪声的最终特性，而并 不关心信号的中间变换过程。因此，定义调制信道 对于研究调制与解调问题是方便和恰当的。
地波 频率 < 2 MHz
传播路径
有绕射能力
地面
距离：数百或数千千米 天波
频率：2 ~ 30 MHz
图4-1 地波传播
信号传播路径
特点：被电离层反射
地面
一次反射距离：< 4000 km
存在寂ji静区：电磁波不能到达的区域 图 4-2 天波传播
9
第4章
视线传播：
频率 > 30 MHz 传播距离: 和天线高度有关
频率 － 30 ~ 100 MHz 传播距离 － 1000 km以上
由于空中随时有大量的看不见的流星余迹存在，能够保证信 号断续的传送。因此流星余迹通信只能采用低速存储、高速突 发的断续传输方式传送数据。
13
第4章 信 道
4.2 有线信道
有线信道主要有 三类：明线、对 称电缆和同轴电缆 明线：平行架设 在电线杆上的架空 线路
3
信道中的干扰： 有源干扰 － 加性噪声引起。 无源干扰 － 传输特性不良引起。
本章重点： 介绍信道传输特性和噪声的特性，及其对于信号传
输的影响。
4
4.1 无线信道 为了有效地发射和接收电磁波，要求天线的尺寸不小 于电磁波波长的1/10，因此频率过低，波长过长，天 线尺寸过大，难于制造。故用于通信的电磁波频率都 比较高。
阶跃型 梯度型
n2 n1 折射率 （a）
按模式分类
模式指光线传播 (b)
的路径。右图a,b 为多模光纤，c为
n2 n1 折射率 （b）
单模光纤
125
7～10
(c)
（c） 单模阶跃折射率光纤
图4-11 光纤结构示意图
17
第4章 信 道
损耗与波长关系
1.31 m 1.55 m
0.7
0.9
1.1
14
第4章 信 道
对称电缆：由许多对双导（3）线（称芯线）放在一根保护套内造成， 为减小各对双导线间的干扰，每一对导线都做成扭绞（33）形状， 称为双绞线。
导体 绝缘层
图4-9 双绞线
同轴电缆：由内外两根同心圆柱形导体构成，两根导体间用绝缘体
隔开.
金属编织网 实心介质
保护层
导体
图4-10 同轴线
15
光纤：传输光信号的有线信道是光导纤维，简称
光纤。 结构：由折射率不同的两种导光介质（石英玻璃）
纤维制成的。内层叫纤芯，外层叫包层。 由于纤芯的折射率n1大于包层的折射率n2，光波
会在两层的边界处反射，经过多次反射，实现远距 离传送。
16
第4章 信 道 n2 n1 折射率
按纤芯折射率特性不(a) 同分类
11
散射传播
除上述三种传播方式外，电磁波还可以经过散射方式传播。
电离层散射
机理 － 由电离层不均匀性引起
频率 － 30 ~ 60 MHz
距离 － 1000 km以上
对流层散射
机理 －对流层中的大气存在强烈
的上下对流现象。使大气中存在不
有效散射区域
均匀的湍-tuan流，这种大气的不均匀性
使电磁波产生了散射。
通信原理
1
通信原理
第4章 信 道
2
第4章 信 道
信道：是指以传输媒质为基础的信号通道。 信道分类：
无线信道 －利用电磁波或光波在空中传播信号。无线 信道有：地波传播、短波电离层反射、微波视距中继、 人造卫星中继、移动无线电信道。
有线信道 －利用人造的传导电或光信号的媒体来传输 信号。有线信道 如，明线、对称电缆、同轴电缆及光 纤等。
设收发天线的高度相等，均 等于h，并且h是此两天线间保 持视线的最低高度，则有
d2 r2 (h r)2 d h2 2rh 2rh
设D 是收发天线间距离，则
D2 (2d)2 8rh
将地球半径r=6370km代入后
h D2 D2 m 8r 50
信道ห้องสมุดไป่ตู้
d
发射天线
h
d D
传播途径 接收天线
频率 － 100 ~ 4000 MHz
地球
最大距离 < 600 km
图4-7 对流层散射通信
12
第4章 信 道
流星余迹散射：流星经过大气层时产生的很强的电离余迹使电 磁波散射的现象。
流星余迹
图4-8 流星余迹散射通信
流星余迹特点 － 高度80 ~ 120 km，余迹长度15 ~ 40 km 余迹存留时间：小于1秒至几分钟
r
r
地面
图 4-3 视线传播
图4-4 无线电中继 10
[例] 若要求D = 50 km，则由式(4.1-3)
h D2 D2 502 50
m
8r 50 50
增大视线传播距离的其他途径 ➢ 中继通信 ➢ 卫星通信：静止卫星、移动卫星 ➢ 平流层通信：用位于平流层的高空平台 电台代替卫星作为基站的通信