無線網(wǎng)絡技術第2章PPT課件

1、第第2章章 無線通信基礎無線通信基礎 本章主要包括以下內(nèi)容本章主要包括以下內(nèi)容:n2.1 數(shù)據(jù)通信的基本模型數(shù)據(jù)通信的基本模型n2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎計算數(shù)據(jù)通信的基礎計算n2.3 數(shù)據(jù)傳輸損耗數(shù)據(jù)傳輸損耗n2.4 抽樣定理抽樣定理n2.5 脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制PCMn2.6 傅立葉變換和傅立葉分析傅立葉變換和傅立葉分析n2.7 多路復用技術多路復用技術2.1 數(shù)據(jù)通信的基本模型數(shù)據(jù)通信的基本模型n實現(xiàn)信息傳遞所需的一切技術設備和傳輸媒質(zhì)實現(xiàn)信息傳遞所需的一切技術設備和傳輸媒質(zhì)的總和稱為通信系統(tǒng)。信源的作用是把待傳輸?shù)目偤头Q為通信系統(tǒng)。信源的作用是把待傳輸?shù)南⑥D換成原始電信號。信源輸出的

2、信號稱的消息轉換成原始電信號。信源輸出的信號稱為基帶信號。根據(jù)原始電信號的特征，基帶信為基帶信號。根據(jù)原始電信號的特征，基帶信號可分為數(shù)字基帶信號和模擬基帶信號，相應號可分為數(shù)字基帶信號和模擬基帶信號，相應地，信源也分為數(shù)字信源和模擬信源。地，信源也分為數(shù)字信源和模擬信源。n信道是指信號傳輸?shù)耐ǖ?，可以是有線的，也信道是指信號傳輸?shù)耐ǖ?，可以是有線的，也可以是無線的，甚至還可以包含某些設備?？梢允菬o線的，甚至還可以包含某些設備。n信宿是將復原的原始電信號轉換成相應的消息。信宿是將復原的原始電信號轉換成相應的消息。2.1.1 模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)n把信道中傳輸模擬信號的系統(tǒng)稱為模擬通信系把信

3、道中傳輸模擬信號的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)。如圖統(tǒng)。如圖2-22-2所示。這里，一般通信系統(tǒng)模型所示。這里，一般通信系統(tǒng)模型中的發(fā)送設備和接收設備分別為調(diào)制器、解調(diào)中的發(fā)送設備和接收設備分別為調(diào)制器、解調(diào)器所代替。器所代替。圖圖2-22-2模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)模型n對于模擬通信系統(tǒng)，它主要包含兩種重要變換。對于模擬通信系統(tǒng)，它主要包含兩種重要變換。一是把連續(xù)消息變換成電信號和把電信號恢復一是把連續(xù)消息變換成電信號和把電信號恢復成最初的連續(xù)消息。由信源輸出的電信號由于成最初的連續(xù)消息。由信源輸出的電信號由于它具有頻率較低的頻譜分量，一般不能直接作它具有頻率較低的頻譜分量，一般不能直接作為傳輸

4、信號而送到信道中去。因此，模擬通信為傳輸信號而送到信道中去。因此，模擬通信系統(tǒng)里常有第二種變換，即將基帶信號轉換成系統(tǒng)里常有第二種變換，即將基帶信號轉換成其適合信道傳輸?shù)男盘?，這一變換由調(diào)制器完其適合信道傳輸?shù)男盘?，這一變換由調(diào)制器完成；在收端同樣需經(jīng)相反的變換，它由解調(diào)器成；在收端同樣需經(jīng)相反的變換，它由解調(diào)器完成。經(jīng)過調(diào)制后的信號通常稱為已調(diào)信號。完成。經(jīng)過調(diào)制后的信號通常稱為已調(diào)信號。已調(diào)信號有三個基本特性：一是攜帶有消息，已調(diào)信號有三個基本特性：一是攜帶有消息，二是適合在信道中傳輸，三是頻譜具有帶通形二是適合在信道中傳輸，三是頻譜具有帶通形式，且中心頻率遠離零頻。式，且中心頻率遠離零頻

5、。2.1.2 數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)n1.1.數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)數(shù)字頻帶傳輸通信系統(tǒng)n數(shù)字通信的基本特征是，它的消息或信號具有數(shù)字通信的基本特征是，它的消息或信號具有“離散離散”或或“數(shù)字數(shù)字”的特性，從而使數(shù)字通信的特性，從而使數(shù)字通信具有如下的幾點問題。具有如下的幾點問題。n（1 1）數(shù)字信號傳輸時，信道噪聲或干擾所造）數(shù)字信號傳輸時，信道噪聲或干擾所造成的差錯。成的差錯。n（2 2）當需要實現(xiàn)保密通信時，可對數(shù)字基帶）當需要實現(xiàn)保密通信時，可對數(shù)字基帶信號進行人為信號進行人為“擾亂擾亂”（加密），此時在收端（加密），此時在收端就必須進行解密。就必須進行解密。n（3 3）由于數(shù)字通信傳

6、輸?shù)氖且粋€接一個）由于數(shù)字通信傳輸?shù)氖且粋€接一個按一定節(jié)拍傳送的數(shù)字信號，因而接收按一定節(jié)拍傳送的數(shù)字信號，因而接收端必須有一個與發(fā)端相同的節(jié)拍，否則，端必須有一個與發(fā)端相同的節(jié)拍，否則，就會因收發(fā)步調(diào)不一致而造成混亂。就會因收發(fā)步調(diào)不一致而造成混亂。n（4 4）為了表述消息內(nèi)容，基帶信號都是）為了表述消息內(nèi)容，基帶信號都是按消息特征進行編組的，于是，在收發(fā)按消息特征進行編組的，于是，在收發(fā)之間一組組的編碼的規(guī)律也必須一致，之間一組組的編碼的規(guī)律也必須一致，否則接收時消息的真正內(nèi)容將無法恢復。否則接收時消息的真正內(nèi)容將無法恢復。n2.2.數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)n與頻帶傳輸系統(tǒng)

7、相對應，把沒有調(diào)制器與頻帶傳輸系統(tǒng)相對應，把沒有調(diào)制器/ /解調(diào)器解調(diào)器的數(shù)字通信系統(tǒng)稱為數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)，如的數(shù)字通信系統(tǒng)稱為數(shù)字基帶傳輸通信系統(tǒng)，如圖圖2-42-4所示。所示。 圖圖2-4 2-4 數(shù)字基帶通信系統(tǒng)數(shù)字基帶通信系統(tǒng)n3.3.模擬信號數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)模擬信號數(shù)字化傳輸通信系統(tǒng)n上面論述的數(shù)字通信系統(tǒng)中，信源輸出的信號上面論述的數(shù)字通信系統(tǒng)中，信源輸出的信號均為數(shù)字基帶信號。實現(xiàn)模擬信號數(shù)字化傳輸均為數(shù)字基帶信號。實現(xiàn)模擬信號數(shù)字化傳輸?shù)南到y(tǒng)如圖的系統(tǒng)如圖2-52-5所示。所示。 圖圖2-5 2-5 模擬信號數(shù)字化傳輸?shù)南到y(tǒng)模擬信號數(shù)字化傳輸?shù)南到y(tǒng) 2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎

8、計算數(shù)據(jù)通信的基礎計算n2.2.1 2.2.1 數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率n傳輸速率是指在單位時間內(nèi)傳輸信息的量，它傳輸速率是指在單位時間內(nèi)傳輸信息的量，它是評價通信速度的重要指標。是評價通信速度的重要指標。n1.1.碼元傳輸速率碼元傳輸速率n碼元傳輸速率簡稱傳碼率，它表示單位時間內(nèi)碼元傳輸速率簡稱傳碼率，它表示單位時間內(nèi)信道上實際傳輸碼元的個數(shù)，單位是波特，常信道上實際傳輸碼元的個數(shù)，單位是波特，常用符號用符號“BB來表示。公式（來表示。公式（2-12-1）列出了傳碼）列出了傳碼率的計算。率的計算。 其中其中T T是周期，即傳送單位調(diào)制信號波所用時間，是周期，即傳送單位調(diào)制信號波所用時間，單位

9、是單位是s s。數(shù)據(jù)信號速率數(shù)據(jù)信號速率n信息傳輸速率簡稱傳信率，它表示單位時間信息傳輸速率簡稱傳信率，它表示單位時間（每秒）內(nèi)傳輸實際信息的比特數(shù)，單位為比（每秒）內(nèi)傳輸實際信息的比特數(shù)，單位為比特秒，記為特秒，記為bit/sbit/s、b/sb/s、bpsbps。若進行串行方。若進行串行方式進行數(shù)據(jù)傳輸時，則數(shù)據(jù)信號速率可定義如式進行數(shù)據(jù)傳輸時，則數(shù)據(jù)信號速率可定義如公式（公式（2-22-2）：）： 其中，其中，RBRB為波特率，為波特率，M M為調(diào)制信號波的狀態(tài)數(shù)，為調(diào)制信號波的狀態(tài)數(shù)，T T為單位調(diào)制信號波的時間長度。為單位調(diào)制信號波的時間長度。數(shù)據(jù)信號速率數(shù)據(jù)信號速率n所謂數(shù)據(jù)傳輸速

10、率是指在單位時間內(nèi)數(shù)據(jù)的輸所謂數(shù)據(jù)傳輸速率是指在單位時間內(nèi)數(shù)據(jù)的輸送量，其單位可以是比特、字符等。波特率指送量，其單位可以是比特、字符等。波特率指的是單位時間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)改變的次數(shù)，其的是單位時間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)改變的次數(shù)，其單位為波特。波特率單位為波特。波特率B B與比特率與比特率C C的關系用公式的關系用公式表示為：表示為：C=Blog2M C=Blog2M 或或C=BLC=BL（M M表示為信號的狀表示為信號的狀態(tài)個數(shù)，態(tài)個數(shù)，L L表示傳輸所需要的二進制位數(shù)）表示傳輸所需要的二進制位數(shù)）n比特率指的是數(shù)字信號的傳輸速率，它用單位比特率指的是數(shù)字信號的傳輸速率，它用單位時間內(nèi)傳輸?shù)亩M制

11、代碼的有效位數(shù)來表示，時間內(nèi)傳輸?shù)亩M制代碼的有效位數(shù)來表示，其單位用比特每秒表示。其單位用比特每秒表示。2.2.2 信噪比信噪比 信號在傳輸過程中不可避免地要受到噪聲的影信號在傳輸過程中不可避免地要受到噪聲的影響，信噪比是用來描述在此過程中信號受噪聲響，信噪比是用來描述在此過程中信號受噪聲影響程度的量，信噪比通常是指某一點上的信影響程度的量，信噪比通常是指某一點上的信號功率與噪聲功率之比，用公式（號功率與噪聲功率之比，用公式（2-32-3）表示）表示信噪比：信噪比：2.2.3 香農(nóng)定理香農(nóng)定理n香農(nóng)定理指的是當信號與信道加性高斯白噪聲香農(nóng)定理指的是當信號與信道加性高斯白噪聲的平均功率給定時，

12、在具有一定頻率寬度的平均功率給定時，在具有一定頻率寬度B B的的信道上，香農(nóng)定理可用公式（信道上，香農(nóng)定理可用公式（2-52-5）表示）表示 由公式（由公式（2-42-4）可以推導出公式（）可以推導出公式（2-62-6）n把公式（把公式（2-62-6）帶入公式（）帶入公式（2-52-5）可得到香農(nóng)的）可得到香農(nóng)的公式的另外一種表達式，如公式（公式的另外一種表達式，如公式（2-72-7）所表）所表示。示。 2.3 數(shù)據(jù)傳輸損耗 n在計算機通信技術飛速發(fā)展的今天，各種數(shù)據(jù)在計算機通信技術飛速發(fā)展的今天，各種數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在性能等諸多方面得到了不斷完善。傳輸系統(tǒng)在性能等諸多方面得到了不斷完善。然而在任

13、何傳輸系統(tǒng)的信號傳輸過程中一定會然而在任何傳輸系統(tǒng)的信號傳輸過程中一定會出現(xiàn)傳輸損耗出現(xiàn)傳輸損耗, ,因為對于各種傳輸系統(tǒng)接收端因為對于各種傳輸系統(tǒng)接收端得到的信號不可能與發(fā)送端傳送出的信號完全得到的信號不可能與發(fā)送端傳送出的信號完全一致。這些損耗會隨機地引起模擬信號的改變，一致。這些損耗會隨機地引起模擬信號的改變，或使數(shù)字信號出現(xiàn)差錯。或使數(shù)字信號出現(xiàn)差錯。2.3.1 衰損衰損n信號在傳輸中將會有部分能量轉化為熱能或者信號在傳輸中將會有部分能量轉化為熱能或者被傳輸介質(zhì)吸收，從而造成信號強度不斷減弱，被傳輸介質(zhì)吸收，從而造成信號強度不斷減弱，這就是衰損。如圖這就是衰損。如圖2-62-6顯示的是

14、信號強度和距顯示的是信號強度和距離之間的關系。離之間的關系。 圖圖2-6 2-6 信號強度與傳輸距離信號強度與傳輸距離2.3.2 失真失真n信號不同頻率的分量在傳輸過程中受到不同程信號不同頻率的分量在傳輸過程中受到不同程度的衰減和延遲的影響，最終使到達接收端的度的衰減和延遲的影響，最終使到達接收端的信號與發(fā)送端送出的初始信號在波形上有所差信號與發(fā)送端送出的初始信號在波形上有所差異，把這種傳輸過程中信號波形的變化稱為失異，把這種傳輸過程中信號波形的變化稱為失真。真。n可有振幅失真，延遲失真?？捎姓穹д妫舆t失真。n振幅失真：由各個頻率分量振幅值發(fā)生不同變振幅失真：由各個頻率分量振幅值發(fā)生不同變

15、化而引起的失真，是由傳輸設備和線路引起的化而引起的失真，是由傳輸設備和線路引起的衰損造成的衰損造成的n延遲失真：由各頻率分量的傳播速度不一致所延遲失真：由各頻率分量的傳播速度不一致所造成的失真，容易造成碼間串擾。造成的失真，容易造成碼間串擾。2.3.3 噪聲噪聲n噪聲是指傳輸和接收之間的某處插入的不必要噪聲是指傳輸和接收之間的某處插入的不必要的信號。它是通信系統(tǒng)性能的主要制約因素。的信號。它是通信系統(tǒng)性能的主要制約因素。數(shù)據(jù)通信中可能出現(xiàn)的噪聲主要有以下四類：數(shù)據(jù)通信中可能出現(xiàn)的噪聲主要有以下四類：n1.1.熱噪聲熱噪聲n熱噪聲是在電阻一類導體中，自由電子的布朗熱噪聲是在電阻一類導體中，自由電

16、子的布朗運動引起的噪聲。運動引起的噪聲。n噪聲功率密度可作為熱噪聲的度量，它以瓦噪聲功率密度可作為熱噪聲的度量，它以瓦/ /赫為單位。赫為單位。1Hz1Hz帶寬內(nèi)存的噪聲值可由公式帶寬內(nèi)存的噪聲值可由公式（2-112-11）計算）計算 式中，式中，N0N0為噪聲功率密度，為噪聲功率密度，K K為玻耳茲曼常數(shù)，為玻耳茲曼常數(shù)，其值是其值是1.38051.380510-2310-23焦耳焦耳/ /開開n2. 2. 交調(diào)噪聲交調(diào)噪聲n交調(diào)噪聲指的是多個不同頻率的信號共享一個傳交調(diào)噪聲指的是多個不同頻率的信號共享一個傳輸媒介時可能產(chǎn)生的噪聲，通常是通信系統(tǒng)中存輸媒介時可能產(chǎn)生的噪聲，通常是通信系統(tǒng)中存

17、在非線性因素造成的。這些信號的頻率是某兩個在非線性因素造成的。這些信號的頻率是某兩個頻率和、差或倍數(shù)。這些非線性因素通常是由元頻率和、差或倍數(shù)。這些非線性因素通常是由元件故障引起的。通常情況下，發(fā)送端和接收端是件故障引起的。通常情況下，發(fā)送端和接收端是以線性系統(tǒng)模式工作的，即輸出為輸入的常數(shù)倍。以線性系統(tǒng)模式工作的，即輸出為輸入的常數(shù)倍。n3.3.串擾串擾n串擾又叫串音，它是指一個信道中的信號對另串擾又叫串音，它是指一個信道中的信號對另一個信道中的信號產(chǎn)生的干擾。串擾分為邊帶一個信道中的信號產(chǎn)生的干擾。串擾分為邊帶線性串擾和邊帶非線性串擾兩種。邊帶線性串線性串擾和邊帶非線性串擾兩種。邊帶線性串

18、擾指的是，當單邊帶通信中的邊帶濾波器對另擾指的是，當單邊帶通信中的邊帶濾波器對另一邊帶的衰減不夠大時，上邊帶信號竄入下邊一邊帶的衰減不夠大時，上邊帶信號竄入下邊帶或下邊帶信號竄入上邊帶所造成的可懂干擾。帶或下邊帶信號竄入上邊帶所造成的可懂干擾。n4.4.脈沖噪聲脈沖噪聲n脈沖噪聲是一種由突發(fā)的振幅很大持續(xù)時間很脈沖噪聲是一種由突發(fā)的振幅很大持續(xù)時間很短，耦合到信號通路中的非連續(xù)尖峰脈沖引起短，耦合到信號通路中的非連續(xù)尖峰脈沖引起的干擾，通常是由一些無法預知的因素造成的的干擾，通常是由一些無法預知的因素造成的脈沖噪聲對模擬數(shù)據(jù)傳輸不會造成明顯影響，脈沖噪聲對模擬數(shù)據(jù)傳輸不會造成明顯影響，但數(shù)字數(shù)

19、據(jù)傳輸中脈沖噪聲是產(chǎn)生差錯的主要但數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸中脈沖噪聲是產(chǎn)生差錯的主要來源。來源。2.3.4 通信系統(tǒng)的性能衡量通信系統(tǒng)的性能衡量n一般通信系統(tǒng)的性能指標歸納起來有以下幾個方一般通信系統(tǒng)的性能指標歸納起來有以下幾個方面面: :n（1 1）有效性。（）有效性。（2 2）可靠性。）可靠性。n（3 3）適應性。（）適應性。（4 4）經(jīng)濟性。）經(jīng)濟性。n（5 5）保密性。（）保密性。（6 6）標準性。）標準性。n（7 7）維修性。（）維修性。（8 8）工藝性。）工藝性。nl.l.碼元差錯率碼元差錯率n碼元差錯率簡稱誤碼率，是指發(fā)生差錯的碼元數(shù)碼元差錯率簡稱誤碼率，是指發(fā)生差錯的碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中

20、所占的比例。誤碼率指某一段在傳輸總碼元數(shù)中所占的比例。誤碼率指某一段時間的平均誤碼率，對于同一條數(shù)據(jù)電路由于測時間的平均誤碼率，對于同一條數(shù)據(jù)電路由于測量的時間長短不同，誤碼率就不一樣。誤碼率用量的時間長短不同，誤碼率就不一樣。誤碼率用表達式可表示成公式（表達式可表示成公式（2-122-12）：）：n2.2.信息差錯率信息差錯率n信息差錯率簡稱誤信率，或誤比特率，是指發(fā)信息差錯率簡稱誤信率，或誤比特率，是指發(fā)生差錯的信息量在信息傳輸總量中所占的比例，生差錯的信息量在信息傳輸總量中所占的比例，或者說，它是碼元的信息量在傳輸系統(tǒng)中被丟或者說，它是碼元的信息量在傳輸系統(tǒng)中被丟失的概率。失的概率。 可

21、表示成公式（可表示成公式（2-132-13）：）： n3.3.頻帶利用率頻帶利用率n在比較不同的通信系統(tǒng)的效率時，只看它們的在比較不同的通信系統(tǒng)的效率時，只看它們的傳輸速率是不夠的，還要看傳輸這樣的信息所傳輸速率是不夠的，還要看傳輸這樣的信息所占用的頻帶。通信系統(tǒng)占用的頻帶愈寬，傳輸占用的頻帶。通信系統(tǒng)占用的頻帶愈寬，傳輸信息的能力應該愈大。其計算可表示為公式信息的能力應該愈大。其計算可表示為公式（2-142-14）。）。2.4 抽樣定理抽樣定理n抽樣是把時間上連續(xù)的模擬信號變成一系列時間抽樣是把時間上連續(xù)的模擬信號變成一系列時間上離散的抽樣值的過程。下面用一個簡單的模擬上離散的抽樣值的過程。

22、下面用一個簡單的模擬正弦波來分析抽樣過程。正弦波來分析抽樣過程。n(1)(1)假設在該正弦波上取足夠小的抽樣間隔，直假設在該正弦波上取足夠小的抽樣間隔，直接連接用黑點表示的采樣點就可充分表現(xiàn)正弦波接連接用黑點表示的采樣點就可充分表現(xiàn)正弦波形，顯示如圖形，顯示如圖2-92-9所示。所示。 圖圖2-9 2-9 足夠小采樣結果足夠小采樣結果 n(2)(2)若抽樣間隔為正弦波信號周期若抽樣間隔為正弦波信號周期T T，導致采樣，導致采樣后的信號成為直流信號，顯然抽樣間隔太寬將后的信號成為直流信號，顯然抽樣間隔太寬將導致信號得不到恢復。顯示如圖導致信號得不到恢復。顯示如圖2-102-10所示。所示。 圖圖

23、2-10 2-10 周期點采樣結果周期點采樣結果n(3)(3)若取抽樣間隔為正弦波信號周期的，將得出若取抽樣間隔為正弦波信號周期的，將得出全為全為0 0的數(shù)據(jù)，信號仍然得不到恢復。顯示如圖的數(shù)據(jù)，信號仍然得不到恢復。顯示如圖2-112-11所示。所示。 圖圖2-11 2-11 半周期點采樣結果半周期點采樣結果n(4)(4)若在正弦波信號一個周期若在正弦波信號一個周期T T內(nèi)抽樣三次內(nèi)抽樣三次, ,即即抽樣間隔抽樣間隔T/3T/3，則可以近似地恢復原正弦波信，則可以近似地恢復原正弦波信號。顯示如圖號。顯示如圖2-122-12所示。所示。 圖圖2-12 1/32-12 1/3周期點采樣結果周期點采

24、樣結果2.4.1 低通抽樣定理低通抽樣定理2.4.2 帶通抽樣定理帶通抽樣定理n帶通抽樣的描述如下帶通抽樣的描述如下：2.5 脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制PCMn脈沖編碼調(diào)制，簡稱脈碼調(diào)制，它是一種用一脈沖編碼調(diào)制，簡稱脈碼調(diào)制，它是一種用一組二進制數(shù)字代碼來代替連續(xù)信號的抽樣值，組二進制數(shù)字代碼來代替連續(xù)信號的抽樣值，實現(xiàn)對模擬信號數(shù)字化的取樣技術。脈碼調(diào)制實現(xiàn)對模擬信號數(shù)字化的取樣技術。脈碼調(diào)制的本質(zhì)不是調(diào)制，而是數(shù)字編碼，所以能充分的本質(zhì)不是調(diào)制，而是數(shù)字編碼，所以能充分保證傳輸質(zhì)量。保證傳輸質(zhì)量。2.5.1 PCM實現(xiàn)實現(xiàn)nPCMPCM的系統(tǒng)原理框圖如圖的系統(tǒng)原理框圖如圖2-142-14所

25、示。首先，在所示。首先，在發(fā)送端進行脈碼調(diào)制，它包括抽樣、量化和編發(fā)送端進行脈碼調(diào)制，它包括抽樣、量化和編碼三個過程碼三個過程 圖圖2-14 PCM2-14 PCM系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)原理框圖n1.1.量化過程量化過程n量化過程與其結果就是將信號抽樣序列的每個樣量化過程與其結果就是將信號抽樣序列的每個樣本幅度本幅度 按照要求的誤差限度，變?yōu)榻频陌凑找蟮恼`差限度，變?yōu)榻频碾x散幅度值。這里假設各樣本的量化過程與結果離散幅度值。這里假設各樣本的量化過程與結果均與其相鄰前后樣本無關。均與其相鄰前后樣本無關。()Sf KTn以為量化間距（臺階），量化級數(shù)量為以為量化間距（臺階），量化級數(shù)量為M M個，

26、并覆蓋信號樣本值的動態(tài)范圍個，并覆蓋信號樣本值的動態(tài)范圍 2Xmax 2Xmax ，如圖，如圖2-152-15所示的雙極性信號的所示的雙極性信號的樣本序列，則量化間隔為公式（樣本序列，則量化間隔為公式（2-162-16）：）：n表表2-12-1給出三種不同量化電平級數(shù)給出三種不同量化電平級數(shù)M M下的量化信噪下的量化信噪比。比。n表表2-1 2-1 不同量化電平級數(shù)不同量化電平級數(shù)M M下的量化信噪比下的量化信噪比 量化電平級數(shù)量化電平級數(shù)M M增大，量化信噪比也增大增大，量化信噪比也增大。n3.PCM3.PCM數(shù)據(jù)的編碼數(shù)據(jù)的編碼n如圖如圖2-152-15給出的雙極性信號抽樣樣本序列，正給出

27、的雙極性信號抽樣樣本序列，正極性部分極性部分4 4個電平由個電平由101101，101101，110110，110110表示，表示，負極性部分負極性部分3 3個電平由個電平由001001，011011，001001表示。然表示。然后將已量化的樣本量化值，按時序以它們所在后將已量化的樣本量化值，按時序以它們所在的量化電平的代碼符號表示。的量化電平的代碼符號表示。 圖圖2-15 2-15 抽樣樣本序列抽樣樣本序列n二元碼二元碼PCMPCM序列可以由幾種編碼方式表示，如表序列可以由幾種編碼方式表示，如表2-22-2所示。所示。/2M2.5.2 差分脈沖編碼調(diào)制差分脈沖編碼調(diào)制DPCMn任何信號任何信

28、號, ,不論語音或圖像不論語音或圖像, ,采用直接采樣采用直接采樣- -量化量化- -編碼的方式進行編碼編碼的方式進行編碼, ,都會發(fā)現(xiàn)碼組之間具有很都會發(fā)現(xiàn)碼組之間具有很強的相關性。由于相關性的存在強的相關性。由于相關性的存在, ,傳輸數(shù)據(jù)中存?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)中存在大量不需要傳輸?shù)男畔⒃诖罅坎恍枰獋鬏數(shù)男畔? ,稱為冗余。當利用稱為冗余。當利用PCMPCM方式編碼時，這些相鄰樣本很可能在一個量化級，方式編碼時，這些相鄰樣本很可能在一個量化級，或只差或只差1 1、2 2個量化級，這樣的個量化級，這樣的PCMPCM碼序列，就產(chǎn)碼序列，就產(chǎn)生了生了“冗余冗余”信息。如果設法在編碼前就去掉這信息。如果設法在

29、編碼前就去掉這些相關性很強的冗余，則可進行更為有效的信息些相關性很強的冗余，則可進行更為有效的信息傳輸。具有此種功能而普遍采用的編碼機制，稱傳輸。具有此種功能而普遍采用的編碼機制，稱為差分脈沖編碼調(diào)制（為差分脈沖編碼調(diào)制（DPCMDPCM）。）。n圖圖2-162-16給出了一個實現(xiàn)給出了一個實現(xiàn)DPCMDPCM功能的系統(tǒng)框圖。功能的系統(tǒng)框圖。 圖圖2-16 DPCM2-16 DPCM功能系統(tǒng)框圖功能系統(tǒng)框圖主要包括以下內(nèi)容主要包括以下內(nèi)容1.1.各量值之間關系各量值之間關系2.DPCM2.DPCM編碼編碼3.DPCM3.DPCM解碼解碼2.5.3 自適應差分脈碼調(diào)制自適應差分脈碼調(diào)制（ADPC

30、M）nADPCMADPCM，即自適應差分脈碼調(diào)制，它是利用樣，即自適應差分脈碼調(diào)制，它是利用樣本與樣本之間的高度相關性和量化階自適應來本與樣本之間的高度相關性和量化階自適應來壓縮數(shù)據(jù)的一種波形編碼技術。圖壓縮數(shù)據(jù)的一種波形編碼技術。圖2-182-18為為ADPCMADPCM編碼器的基本結構圖。它由編碼器的基本結構圖。它由PCMPCM碼碼/ /線形線形碼變換器、自適應量化器、自適應逆量化器、碼變換器、自適應量化器、自適應逆量化器、自適應預測器及量化尺度適配器組成。自適應預測器及量化尺度適配器組成。 圖圖2-18 ADPCM2-18 ADPCM編碼器編碼器nADPCMADPCM譯碼器由自適應量化器

31、、自適應預測器、譯碼器由自適應量化器、自適應預測器、線形碼線形碼/pcm/pcm變換器、量化尺度適配器以及同步變換器、量化尺度適配器以及同步編碼調(diào)整組成。編碼調(diào)整組成。ADPCMADPCM譯碼器的結構如圖譯碼器的結構如圖2-192-19所表示。所表示。 圖圖2-19 ADPCM2-19 ADPCM譯碼器譯碼器2.6 傅立葉變換和傅立葉分析傅立葉變換和傅立葉分析n傅立葉變換是調(diào)制理論的基礎，調(diào)制指的是用傅立葉變換是調(diào)制理論的基礎，調(diào)制指的是用原始信號原始信號f(t)f(t)去控制高頻簡諧波或周期性的脈去控制高頻簡諧波或周期性的脈沖信號的某一參量，使它們隨沖信號的某一參量，使它們隨 f(t)f(t

32、)線性變化。線性變化。其中把原始信號稱為調(diào)制信號或基帶信號，把其中把原始信號稱為調(diào)制信號或基帶信號，把調(diào)制后得到的信號稱為已調(diào)信號。調(diào)制后得到的信號稱為已調(diào)信號。2.6.1 頻譜的傅立葉變換頻譜的傅立葉變換n在通信系統(tǒng)的研究中常常遇到非周期信號，它在通信系統(tǒng)的研究中常常遇到非周期信號，它通常是單個脈沖，即在通常是單個脈沖，即在t+t+只有這一個只有這一個脈沖，如圖脈沖，如圖2-202-20（a a）的方波脈沖）的方波脈沖f(t)f(t)。若以。若以大于脈沖寬度的周期大于脈沖寬度的周期T T重復此波形，則構成周重復此波形，則構成周期信號如圖期信號如圖2-202-20（b b）所示。）所示。 (a

33、) (a) 非周期信號非周期信號 (b) (b) 周期信號周期信號 圖圖2-20 2-20 信號波形信號波形2.6.2 傅立葉變換的相關性質(zhì)傅立葉變換的相關性質(zhì)2.7 多路復用技術多路復用技術n在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中, ,傳輸媒體的帶寬往往超過傳輸媒體的帶寬往往超過傳輸單一信號的需求傳輸單一信號的需求, ,為了有效地利用通信線為了有效地利用通信線路路, ,希望一個信道同時傳輸多路信號希望一個信道同時傳輸多路信號, ,這就是所這就是所謂的多路復用技術。采用多路復用技術能把多謂的多路復用技術。采用多路復用技術能把多個信號組合起來在一條物理信道上進行傳輸。個信號組合起來在一條物理信道上進行

34、傳輸。多路復用技術的理論依據(jù)是信號分割原理。多路復用技術的理論依據(jù)是信號分割原理。2.7.1 頻分多路復用頻分多路復用n頻分多路復用頻分多路復用FDMFDM，指的是按照頻率參量的差別，指的是按照頻率參量的差別來分割信號的復用方式。來分割信號的復用方式。FDMFDM的基本原理是若干的基本原理是若干通信信道共用一條傳輸線路的頻譜。通信信道共用一條傳輸線路的頻譜。n圖圖2-222-22給出了給出了FDMFDM的一般情況。在該圖中的一般情況。在該圖中, ,有有4 4個個信號源輸入到一個多路復用器上信號源輸入到一個多路復用器上, ,復用器用不同復用器用不同的頻率的頻率(f1,f2,f3,f4)(f1,f

35、2,f3,f4)調(diào)制每一個信號。每個調(diào)調(diào)制每一個信號。每個調(diào)制后的信號都需要一個以它的載波頻率為中心的制后的信號都需要一個以它的載波頻率為中心的帶寬，稱之為通道。帶寬，稱之為通道。 圖圖2-22 2-22 頻分多路復用頻分多路復用2.7.2 2.7.2 時分多路復用時分多路復用TDMTDM n在數(shù)字通信系統(tǒng)內(nèi)通常使用時分多路復用技術，在數(shù)字通信系統(tǒng)內(nèi)通常使用時分多路復用技術，即即TDMTDM技術。技術。TDMTDM的理論基礎是抽樣定理。的理論基礎是抽樣定理。TDMTDM的復用過程可以由圖的復用過程可以由圖2-262-26所示。如圖中所示。如圖中3 3路信路信號通過一個高速旋轉的開關輪轉來使用公

36、共信號通過一個高速旋轉的開關輪轉來使用公共信道。各路信號首先通過相應的低通濾波器，使道。各路信號首先通過相應的低通濾波器，使輸入信號變?yōu)閹扌盘?。然后再送到抽樣開關輸入信號變?yōu)閹扌盘枴Ｈ缓笤偎偷匠闃娱_關( (或轉換開關或轉換開關) )，轉換開關，轉換開關( (電子開關電子開關) )每秒將各每秒將各路信號依次抽樣一次，這樣路信號依次抽樣一次，這樣3 3個抽樣值按先后個抽樣值按先后順序錯開納入抽樣間隔之內(nèi)。合成的復用信號順序錯開納入抽樣間隔之內(nèi)。合成的復用信號是是3 3個抽樣消息之和。由各個消息構成單一抽個抽樣消息之和。由各個消息構成單一抽樣的一組脈沖叫做一幀，一幀中相鄰兩個抽樣樣的一組脈沖叫做

37、一幀，一幀中相鄰兩個抽樣脈沖之間的時間間隔叫做時隙，未能被抽樣脈脈沖之間的時間間隔叫做時隙，未能被抽樣脈沖占用的時隙部分稱為防護時間。沖占用的時隙部分稱為防護時間。 圖圖2-26 2-26 時分復用原理時分復用原理n多路復用信號可以直接送入信道傳輸，或者加到多路復用信號可以直接送入信道傳輸，或者加到調(diào)制器上變換成適于信道傳輸?shù)男问胶笤偎腿胄耪{(diào)制器上變換成適于信道傳輸?shù)男问胶笤偎腿胄诺纻鬏敗５纻鬏?。n在接收端，合成的時分復用信號由分路開關依次在接收端，合成的時分復用信號由分路開關依次送入各路相應的重建低通濾波器，恢復出原來的送入各路相應的重建低通濾波器，恢復出原來的連續(xù)信號。在連續(xù)信號。在TDM

38、TDM中，發(fā)送端的轉換開關和接收中，發(fā)送端的轉換開關和接收端的分路開關必須同步。所以在發(fā)端和收端都設端的分路開關必須同步。所以在發(fā)端和收端都設有時鐘脈沖序列來穩(wěn)定開關時間，以保證兩個時有時鐘脈沖序列來穩(wěn)定開關時間，以保證兩個時鐘序列合拍。鐘序列合拍?？疾旄拍羁疾旄拍頽1.1.幀幀nTDMTDM傳送信號時，將通信時間分成一定長度的幀。傳送信號時，將通信時間分成一定長度的幀。每一幀又被分成若干時間片。在具有每一幀又被分成若干時間片。在具有N N路輸入系路輸入系統(tǒng)中，每個幀至少含有統(tǒng)中，每個幀至少含有N N個時間片。個時間片。n如圖如圖2-272-27顯示的是顯示的是4 4路信號進行的多路復用系統(tǒng)路

39、信號進行的多路復用系統(tǒng) 圖圖2-27 TDM2-27 TDM幀的格式幀的格式n2.2.交錯交錯 同步時分多路復用器關鍵部件是高速的電子開關，同步時分多路復用器關鍵部件是高速的電子開關，當開關移動到某個設備前，該設備就有機會向公當開關移動到某個設備前，該設備就有機會向公共通路傳輸規(guī)定大小的數(shù)據(jù)。開關的這種以固定共通路傳輸規(guī)定大小的數(shù)據(jù)。開關的這種以固定的速率和固定的順序在設備間的移動過程就稱作的速率和固定的順序在設備間的移動過程就稱作交錯。交錯。n3.3.幀定位比特幀定位比特 在每幀的開始附加一個或多個同步比特，以便于在每幀的開始附加一個或多個同步比特，以便于解復用器根據(jù)輸入信息進行同步，從而精

40、確地分解復用器根據(jù)輸入信息進行同步，從而精確地分離各時間片。離各時間片。n4.4.比特填充比特填充 同步不同傳輸速率的數(shù)據(jù)源，使得不同數(shù)據(jù)同步不同傳輸速率的數(shù)據(jù)源，使得不同數(shù)據(jù)源間速率匹配，主要是通過復用器在設備的數(shù)源間速率匹配，主要是通過復用器在設備的數(shù)據(jù)流中插入附加的比特。據(jù)流中插入附加的比特。2.7.3 統(tǒng)計時分多路復用統(tǒng)計時分多路復用STDMn同步同步TDMTDM方式中，幀中時間片與用戶一一對應，方式中，幀中時間片與用戶一一對應，用戶沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時也占用這個時間片，因而浪用戶沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時也占用這個時間片，因而浪費資源。為了提高時隙的利用率，可以采用按需費資源。為了提高時隙的利用率，可

41、以采用按需分配時隙的技術，以避免每幀中出現(xiàn)空閑時隙的分配時隙的技術，以避免每幀中出現(xiàn)空閑時隙的現(xiàn)象，這種動態(tài)分配時隙方式工作的技術稱為統(tǒng)現(xiàn)象，這種動態(tài)分配時隙方式工作的技術稱為統(tǒng)計時分多路復用計時分多路復用nSTDMSTDM系統(tǒng)復用器的一側與幾條低速線路相連，系統(tǒng)復用器的一側與幾條低速線路相連，另一側是高速復用線路；每條低速線路都有一另一側是高速復用線路；每條低速線路都有一個與之相聯(lián)系的個與之相聯(lián)系的I/OI/O緩沖區(qū)。在發(fā)送端，復用緩沖區(qū)。在發(fā)送端，復用器首先掃描各條低速線路，將輸入數(shù)據(jù)組織成器首先掃描各條低速線路，將輸入數(shù)據(jù)組織成STDMSTDM幀；幀；STDMSTDM幀長度可以是固定的也

42、可以是不幀長度可以是固定的也可以是不固定的；時間片位置也可以是不固定的；所以固定的；時間片位置也可以是不固定的；所以每幀不僅包含數(shù)據(jù)，還有地址信息。在接收端，每幀不僅包含數(shù)據(jù)，還有地址信息。在接收端，解復用器根據(jù)解復用器根據(jù)STDMSTDM幀結構將時隙數(shù)據(jù)分發(fā)給合幀結構將時隙數(shù)據(jù)分發(fā)給合適的輸出緩沖區(qū)，直到輸出設備。適的輸出緩沖區(qū)，直到輸出設備。n1.1.每幀一源格式每幀一源格式n幀中只包含一個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)及其地址信息。數(shù)幀中只包含一個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)及其地址信息。數(shù)據(jù)字段的長度是可變的，并且數(shù)據(jù)字段的結束就據(jù)字段的長度是可變的，并且數(shù)據(jù)字段的結束就標志著整個幀的結束。標志著整個幀的結束。n2.2

43、.每幀多源格式每幀多源格式n這種方法允許在一個幀中壓縮多個數(shù)據(jù)。此時，這種方法允許在一個幀中壓縮多個數(shù)據(jù)。此時，除了需要指明數(shù)據(jù)源的地址外，還需要給出數(shù)據(jù)除了需要指明數(shù)據(jù)源的地址外，還需要給出數(shù)據(jù)字長，因此改進地址和數(shù)據(jù)字長的標志方法可使字長，因此改進地址和數(shù)據(jù)字長的標志方法可使這種方法更加有效。使用相對尋址的方法就可以這種方法更加有效。使用相對尋址的方法就可以減少地址字段。減少地址字段。2.7.4 波分多路復用波分多路復用WDM n波分多路復用波分多路復用WDMWDM是是2020世紀末的新技術，用于世紀末的新技術，用于提高光纖的利用率，主要用于全光纖網(wǎng)組成的提高光纖的利用率，主要用于全光纖網(wǎng)

44、組成的通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)。WDMWDM是將一條單纖轉換為多條是將一條單纖轉換為多條“虛虛纖纖”，每條，每條“虛纖虛纖”工作在不同的波長上。波工作在不同的波長上。波分多路復用技術實際上是在光纖信道上使用頻分多路復用技術實際上是在光纖信道上使用頻分多路復用的一個變種。頻率不同，對應的光分多路復用的一個變種。頻率不同，對應的光的波長就不同，它利用了光具有不同的波長的的波長就不同，它利用了光具有不同的波長的特征。光信號用波長而不是頻率來表示所使用特征。光信號用波長而不是頻率來表示所使用的光載波。的光載波。WDMWDM和和FDMFDM不同之處是光波頻率很高。不同之處是光波頻率很高。但是但是WDMWDM與

45、與FDMFDM使用的技術原理是一樣的，只要使用的技術原理是一樣的，只要每個信道使用的頻率范圍各不相同，就可以使每個信道使用的頻率范圍各不相同，就可以使用波分多路復用技術，將光纖信道分為多個波用波分多路復用技術，將光纖信道分為多個波段，每個波段傳輸一種波長的光信號。段，每個波段傳輸一種波長的光信號。n1.1.基本原理基本原理n波分多路復用在發(fā)送端，利用波分多路復用設波分多路復用在發(fā)送端，利用波分多路復用設備將不同信道的信號調(diào)制成不同波長的光，并備將不同信道的信號調(diào)制成不同波長的光，并復用到光纖信道上。在接收方，采用波分復用復用到光纖信道上。在接收方，采用波分復用設備分離不同波長的光信號。設備分離

46、不同波長的光信號。WDMWDM復用原理如圖復用原理如圖2-282-28所示。所示。 圖圖2-28 2-28 波分多路復用原理波分多路復用原理 n波分多路復用使用無源的衍射光柵來實現(xiàn)不同波分多路復用使用無源的衍射光柵來實現(xiàn)不同光波的合成和分解。即如圖光波的合成和分解。即如圖2-292-29所示所示 圖圖2-292-29n2.WDM2.WDM的的3 3種結構種結構n（1 1）光多路復用單向單纖傳輸系統(tǒng)）光多路復用單向單纖傳輸系統(tǒng)n光多路復用單向單纖傳輸系統(tǒng)結構，如圖光多路復用單向單纖傳輸系統(tǒng)結構，如圖2-302-30所所示，圖中示，圖中T T為光發(fā)送器，為光發(fā)送器，R R為光接收器。為光接收器。

47、圖圖2-30 2-30 單向單纖傳輸系統(tǒng)單向單纖傳輸系統(tǒng) n(2)(2)光雙向單纖傳輸系統(tǒng)光雙向單纖傳輸系統(tǒng)n在一根光纖中實現(xiàn)兩個方向信號的同時傳輸在一根光纖中實現(xiàn)兩個方向信號的同時傳輸, ,兩兩個方向信號分別由不同的波長承載個方向信號分別由不同的波長承載, ,實現(xiàn)彼此的實現(xiàn)彼此的通信聯(lián)絡通信聯(lián)絡, ,這種結構也稱為單纖全雙工通信系統(tǒng)。這種結構也稱為單纖全雙工通信系統(tǒng)。光多路復用雙向單纖傳輸結構如圖光多路復用雙向單纖傳輸結構如圖2-312-31所示。所示。 圖圖2-31 2-31 雙向單纖傳輸系統(tǒng)雙向單纖傳輸系統(tǒng)n(3)(3)光分路插入傳輸系統(tǒng)光分路插入傳輸系統(tǒng)n在這種系統(tǒng)中，兩端都需要一組復

48、用在這種系統(tǒng)中，兩端都需要一組復用/ /解復用器解復用器MDMD，復用器將光信號，復用器將光信號33，44插接到光纖中，解插接到光纖中，解復用器將光信號復用器將光信號11，22從光纖信號中分接出來，從光纖信號中分接出來，通過不同波長光信號的合流與分流實現(xiàn)信息的上、通過不同波長光信號的合流與分流實現(xiàn)信息的上、下通路。光分路插入傳輸系統(tǒng)，如圖下通路。光分路插入傳輸系統(tǒng)，如圖2-322-32所示。所示。 圖圖2-32 2-32 光分路插入傳輸系統(tǒng)光分路插入傳輸系統(tǒng)2.7.5 碼分多址復用碼分多址復用CDMAnCDMACDMA即碼多分址，是一種信道復用技術，它允即碼多分址，是一種信道復用技術，它允許每

49、個用戶在同一時刻同一信道上使用同一頻許每個用戶在同一時刻同一信道上使用同一頻帶進行通信。碼分多址系統(tǒng)以擴頻技術為基礎，帶進行通信。碼分多址系統(tǒng)以擴頻技術為基礎，增強了系統(tǒng)的抗干擾、抗多徑、隱藏、保密和增強了系統(tǒng)的抗干擾、抗多徑、隱藏、保密和多址能力。多址能力。nCDMACDMA的關鍵是信息在傳輸以前要進行特殊的編的關鍵是信息在傳輸以前要進行特殊的編碼，編碼后的信息混合后不會丟失原來的信息。碼，編碼后的信息混合后不會丟失原來的信息。n適用于適用于CDMACDMA的擴頻技術是直接序列擴頻。它的的擴頻技術是直接序列擴頻。它的產(chǎn)生包括調(diào)制和擴頻兩個步驟。在產(chǎn)生包括調(diào)制和擴頻兩個步驟。在CDMACDMA系統(tǒng)中，系統(tǒng)中，不同用戶傳送的信息是靠各自不同的編碼序列不同用戶傳送的信息是靠各自不同的編碼序列來區(qū)分的。雖然信號在時間域和頻率域是重疊來區(qū)分的。雖然信號在時間域和頻率域是重疊的，但用戶信號可以依靠各自不同的編碼來區(qū)的，但用戶信號可以依靠