通信原理復(fù)習(xí)資料

《數(shù)字通信原理》教案數(shù)字通信基礎(chǔ)1．1數(shù)字通信概論（重點(diǎn)）概述1.什么是通信？通信就是信息的傳遞和交流。2.數(shù)字通信技術(shù)的應(yīng)用1）、模擬通信系統(tǒng)的特點(diǎn)和不足2）、典型的數(shù)字通信一、通信的基本概念1.消息、信息和信號(hào)消息：是通信系統(tǒng)傳輸?shù)膶?duì)象。把客觀物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和主觀思維活動(dòng)的狀態(tài)表達(dá)出來(lái)就成為消息(message)。由信源產(chǎn)生；具有各種不同的形式和內(nèi)容：文字、符號(hào)、數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、圖片等；消息是隨機(jī)變化的、不確定的；是信息的載體；信息：人們待知的消息。即消息中包含的待知的、有意義的內(nèi)容。信號(hào)：寄載消息的某種物理形式。即信號(hào)(signal)是消息的運(yùn)載工具，或者說(shuō)傳輸手段。2.信息量信息量:度量信息內(nèi)容多少的量綱(1)信息量I是概率的函數(shù)，即I=I［P(x)］(2)P(x)越小，I越大；反之，P(x)越大，I越小。當(dāng)P(x)=1時(shí)，I=0。(3)假設(shè)若干個(gè)互相獨(dú)立事件的出現(xiàn)概率分別為P(x1)，P(x2)，P(x3)，…，則由這些獨(dú)立事件構(gòu)成的消息所含的信息量等于各獨(dú)立事件信息量之和。也就是說(shuō)，信息量具有相加性，即I=I［P(x1)P(x2)…］=I［P(x1)］+I［P(x2)］+…顯然，信息量I與消息出現(xiàn)的概率P(x)之間的關(guān)系為信源的平均信息量：3.數(shù)字通信與數(shù)字通信系統(tǒng)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)：模擬信號(hào)(或稱連續(xù)信號(hào))：信號(hào)參量的取值是連續(xù)的數(shù)字信號(hào)(或稱離散信號(hào))：信號(hào)的參量取值是離散的模擬通信與數(shù)字通信：模擬通信(或模擬通信系統(tǒng))：信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)數(shù)字通信(或數(shù)字通信系統(tǒng))：信道中傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)二、通信系統(tǒng)的組成1.通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)主要包括以下六個(gè)部分：信源、發(fā)送設(shè)備、信道、噪聲源、接收設(shè)備和信宿。圖1通信系統(tǒng)模型2.模擬通信系統(tǒng)模型圖2模擬通信系統(tǒng)模型3.數(shù)字通信系統(tǒng)模型圖3數(shù)字通信系統(tǒng)模型三、數(shù)字信號(hào)與數(shù)字通信的特點(diǎn)數(shù)字通信已成為通信技術(shù)的主流，它代表了通信技術(shù)的發(fā)展方向。這是因?yàn)榕c模擬通信相比，數(shù)字信號(hào)及數(shù)字通信具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）數(shù)字信號(hào)便于傳輸和交換，便于組成數(shù)字多路通信系統(tǒng)和數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)。(2)數(shù)字信號(hào)便于存儲(chǔ)、處理（加密等）、加工和變換。(3)數(shù)字通信的抗干擾能力強(qiáng)，無(wú)噪聲積累。(4)差錯(cuò)可控。(5)數(shù)字化技術(shù)便于實(shí)現(xiàn)通信設(shè)備的小型化。(6)數(shù)字信號(hào)可通過(guò)壓縮編碼來(lái)降低數(shù)碼率，從而提高信道的利用率，以解決數(shù)字通信占用頻帶較寬的問(wèn)題。四、數(shù)字通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1.傳輸速率(1)碼元傳輸速率又稱碼元速率或傳碼率（RB）指單位時(shí)間(每秒鐘)內(nèi)系統(tǒng)傳輸?shù)拇a元符號(hào)的數(shù)目，單位為波特(Baud)，記為B(注意:不能用小寫)。(2)信息傳輸速率又稱信息速率或傳信率（Rb）指單位時(shí)間(每秒鐘)內(nèi)傳送的信息量的多少，單位為比特/秒(bit/s)，簡(jiǎn)記為b/s或bps。2.頻帶利用率有時(shí)為了進(jìn)一步描述數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸信息的效率，還定義了頻帶利用率η。頻帶利用率是指單位頻帶(每赫茲)內(nèi)的傳輸速率，即3.差錯(cuò)率在數(shù)字通信系統(tǒng)中，差錯(cuò)率越小，系統(tǒng)的可靠性就越高。描述可靠性的主要指標(biāo)是誤碼率和誤比特率。(1)誤碼率是指接收錯(cuò)誤的碼元數(shù)目在傳輸碼元總數(shù)中所占的比例，常用Pe表示，即(2)誤比特率又稱誤信率，是指接收錯(cuò)誤的比特?cái)?shù)在傳輸總比特?cái)?shù)中所占的比例，采用Pb來(lái)表示，即五數(shù)字通信的發(fā)展1.衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信是隨著現(xiàn)代航天技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)代通信方式，它是利用人造衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線電信號(hào)，在多個(gè)地球站之間進(jìn)行信息傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健Ｐl(wèi)星通信系統(tǒng)主要由通信衛(wèi)星(如同步通信衛(wèi)星)、地球站、上行線路和下行線路組成。2.光纖通信光纖通信是以光導(dǎo)纖維(簡(jiǎn)稱光纖)作為傳輸媒體、以光波作為運(yùn)載工具(載波)的通信方式。光纖通信具有容量大、頻帶寬、傳輸損耗小、不受電磁干擾、成本低、通信質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。自1977年世界上第一個(gè)光纖通信系統(tǒng)投入運(yùn)營(yíng)以來(lái)，光纖通信的發(fā)展極為迅速，已成為通信、廣播電視、電力、交通、軍事等領(lǐng)域通信干線的主要傳輸手段。3.移動(dòng)通信移動(dòng)通信是指通信雙方或至少其中一方在運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行信息傳遞的通信方式。移動(dòng)通信不受時(shí)間和空間的限制，交流信息機(jī)動(dòng)、靈活、迅速、方便、自由，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)通信理想的重要手段。1．2信號(hào)（重點(diǎn)）一、信號(hào)表示1、信號(hào)的定義：在通信系統(tǒng)中，信源輸出的諸如文字、語(yǔ)音、圖像等原始消息，經(jīng)過(guò)信源編碼器后變成了隨時(shí)間變化的電壓或電流（電信號(hào)），簡(jiǎn)稱為信號(hào)。2、信號(hào)的表示：用數(shù)學(xué)解析式表示：s(t)=A(t)cos［ωt+φ(t)］用圖形表示：二、信號(hào)分類1.隨機(jī)信號(hào)與確知信號(hào)2.周期信號(hào)與非周期信號(hào)3.能量信號(hào)與功率信號(hào)三、信號(hào)分析與處理1、信號(hào)分析1）什么是信號(hào)分析？將一個(gè)復(fù)雜信號(hào)分解為若干簡(jiǎn)單分量的疊加，并以這些分量的組成情況來(lái)研究信號(hào)的特性。2）信號(hào)分析的常用方法：時(shí)域分析法、頻域分析法2、信號(hào)處理1）什么是信號(hào)處理？對(duì)信號(hào)進(jìn)行提取、加工、分析、綜合(如濾波、變換、增強(qiáng)、壓縮、估計(jì)、識(shí)別、合成等)等處理過(guò)程的統(tǒng)稱。2）信號(hào)處理的常用方法：時(shí)域處理、頻域處理、空域處理四、頻譜密度1.能量譜密度能量譜密度描述了信號(hào)的能量在頻域上的分布特性。設(shè)能量信號(hào)s(t)頻譜密度函數(shù)為S(f)，利用巴塞伐爾(Parseval)定理，可得到時(shí)域和頻域表示的信號(hào)能量，即2.功率譜密度1)非周期信號(hào)的功率譜密度五、相關(guān)函數(shù)相關(guān)函數(shù)是描述兩個(gè)波形信號(hào)(或一個(gè)波形信號(hào))在間隔時(shí)間τ的兩點(diǎn)上的信號(hào)取值互相依賴程度的函數(shù)。即相關(guān)函數(shù)值越大，表明依賴程度越大，相關(guān)性越強(qiáng)。1、自相關(guān)函數(shù)能量信號(hào)s(t)的自相關(guān)函數(shù)-∞<τ<∞功率信號(hào)s(t)的自相關(guān)函數(shù)－∞＜τ＜∞2、互相關(guān)函數(shù)兩個(gè)能量信號(hào)s1(t)和s2(t)的互相關(guān)函數(shù)-∞<τ<∞兩個(gè)功率信號(hào)s1(t)和s2(t)的互相關(guān)函數(shù)－∞＜τ＜∞六隨機(jī)變量1.隨機(jī)變量的分布函數(shù)隨機(jī)變量可以是離散的，也可以是連續(xù)的。連續(xù)隨機(jī)變量X的分布函數(shù)定義為FX(x)=P(X≤x)隨機(jī)變量在任何區(qū)間(a,b］上取值的概率P(a＜X≤b)=FX(b)-FX(a)2.隨機(jī)變量的概率密度1)連續(xù)變量的概率密度若連續(xù)變量X的分布函數(shù)FX(x)是連續(xù)的，處處可以微分，則稱fX(x)為隨機(jī)變量X的概率密度。只要知道隨機(jī)變量X的概率密度f(wàn)X(x)，就可以確定任何區(qū)間(a,b］上取值的概率，即2)離散隨機(jī)變量的概率密度3.常見(jiàn)隨機(jī)變量1)正態(tài)分布隨機(jī)變量2)均勻分布隨機(jī)變量3)瑞利分布隨機(jī)變量4.隨機(jī)變量的數(shù)字特征1)數(shù)學(xué)期望隨機(jī)變量X的數(shù)學(xué)期望E(X)或X(均值)定義為式中，fX(x)為隨機(jī)變量X的概率密度2)方差隨機(jī)變量X的方差D(X)或σ2(或二階中心矩)定義為式中，σ稱為隨機(jī)變量的標(biāo)準(zhǔn)偏差3)矩隨機(jī)變量X的n階矩定義為七、隨機(jī)過(guò)程1.隨機(jī)過(guò)程的基本概念2.隨機(jī)過(guò)程的統(tǒng)計(jì)特性隨機(jī)過(guò)程在任意時(shí)刻的狀態(tài)是隨機(jī)變量，由此可以利用隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)描述方法來(lái)描述隨機(jī)過(guò)程的統(tǒng)計(jì)特性。3.隨機(jī)過(guò)程的數(shù)字特征1)均值在任意給定的時(shí)刻t，隨機(jī)過(guò)程X(t)的統(tǒng)計(jì)平均值(均值或數(shù)學(xué)期望)為2)方差隨機(jī)過(guò)程X(t)的方差為3)自相關(guān)函數(shù)隨機(jī)過(guò)程X(t)的自相關(guān)函數(shù)為4)自協(xié)方差函數(shù)隨機(jī)過(guò)程X(t)的自協(xié)方差函數(shù)為5)互相關(guān)函數(shù)兩個(gè)隨機(jī)過(guò)程X(t)和Y(t)的互相關(guān)函數(shù)為八平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程1.嚴(yán)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程與寬平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程如果隨機(jī)過(guò)程X(t)的任意維統(tǒng)計(jì)特性不隨時(shí)間的推移而變化，則該隨機(jī)過(guò)程是嚴(yán)平穩(wěn)的。2.時(shí)間平均與各態(tài)歷經(jīng)性若一個(gè)隨機(jī)過(guò)程具有各態(tài)歷經(jīng)性，則它的統(tǒng)計(jì)平均值等于其時(shí)間平均值，隨機(jī)過(guò)程的統(tǒng)計(jì)特性可以通過(guò)某個(gè)樣本函數(shù)xi(t)求時(shí)間平均得到，從而使實(shí)際測(cè)量和計(jì)算大為簡(jiǎn)化。3.平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程自相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的自相關(guān)函數(shù)R(τ)具有以下主要性質(zhì)：(1)R(0)=E［X2(t)］［X(t)的平均功率］(2)R(∞)=E2［X(t)［X(t)的直流功率］(3)R(τ)=R(-τ)［自相關(guān)函數(shù)R(τ)是偶函數(shù)］(4)|R(τ)|≤R(0)［X(t)的平均功率是|R(τ)|的上界］(5)R(0)-R(∞)=σ2［σ2是X(t)的交流功率］4.平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的功率譜密度九高斯過(guò)程1.高斯過(guò)程的定義高斯過(guò)程具有以下主要性質(zhì)：（1）若高斯過(guò)程是寬平穩(wěn)的，則它也是嚴(yán)平穩(wěn)的。（2）若高斯過(guò)程在不同時(shí)刻的取值(隨機(jī)變量)是不相關(guān)的，則它們也是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。（3）若干個(gè)高斯過(guò)程的代數(shù)和所組成的隨機(jī)過(guò)程仍是高斯型。（4）高斯過(guò)程經(jīng)過(guò)線性變換（或線性系統(tǒng)）后仍是高斯型隨機(jī)過(guò)程。2.正態(tài)分布的概率密度的性質(zhì)3.正態(tài)分布函數(shù)十通信系統(tǒng)中的噪聲1.噪聲分類（1）按照來(lái)源分類（2）按照性質(zhì)分類2.熱噪聲熱噪聲是由電阻性元器件中電子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。在通信系統(tǒng)中，電阻器件噪聲、天線噪聲、饋線噪聲和接收機(jī)產(chǎn)生的噪聲都可以等效成熱噪聲。3白噪聲理想白噪聲是指其功率譜密度函數(shù)在整個(gè)頻率域（－∞＜f＜∞）內(nèi)為常數(shù)，即雙邊功率譜密度為W/Hz4.高斯噪聲高斯噪聲是指其概率密度函數(shù)服從高斯分布(即正態(tài)分布)的一類噪聲，熱噪聲就是一種高斯噪聲。5.高斯白噪聲高斯白噪聲是指噪聲的概率密度函數(shù)滿足正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)特性，同時(shí)它的功率譜密度函數(shù)是常數(shù)的一類噪聲。6.窄帶高斯白噪聲窄帶高斯白噪聲的“窄帶”是系統(tǒng)的頻帶比起中心頻率小得多，“白”是指噪聲的功率譜密度函數(shù)是常數(shù)，“高斯”是指噪聲的概率密度函數(shù)服從正態(tài)分布。十一隨機(jī)信號(hào)通過(guò)線性系統(tǒng)1.系統(tǒng)的分類線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)與非時(shí)變系統(tǒng)因果系統(tǒng)與非因果系統(tǒng)2.線性系統(tǒng)模型3．線性系統(tǒng)的頻域傳輸函數(shù)4．線性系統(tǒng)的無(wú)失真?zhèn)鬏?.隨機(jī)信號(hào)通過(guò)線性系統(tǒng)隨機(jī)信號(hào)通過(guò)線性系統(tǒng)的分析，完全建立在確知信號(hào)通過(guò)線性系統(tǒng)的分析原理之上。假定輸入X(t)為平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，現(xiàn)在來(lái)分析輸出隨機(jī)過(guò)程Y(t)的統(tǒng)計(jì)特性。下面我們討論平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程通過(guò)線性系統(tǒng)的情況。1)輸出隨機(jī)過(guò)程Y(t)的數(shù)學(xué)期望2)輸出隨機(jī)過(guò)程Y(t)的自相關(guān)函數(shù)3)輸出隨機(jī)過(guò)程Y(t)的功率譜密度4)白噪聲通過(guò)理想低通濾波器1．3信道一、信道分類1、定義1）狹義狹義的信道是指：信號(hào)的傳輸媒質(zhì)2）廣義包括有關(guān)的變換裝置（收、發(fā)設(shè)備；饋線、天線；調(diào)制、解調(diào)器等）2、分類1）有線信道明線、對(duì)稱電纜、同軸電纜、光纜等2）無(wú)線信道地波、短波電離層反射、超短波或微波視距中繼、人造衛(wèi)星中繼、散射信道廣義信道分類1．調(diào)制信道——通常為模擬2．編碼信道——通常為數(shù)字二、有線信道有線信道的優(yōu)點(diǎn)是傳輸效率和可靠性較高。架空明線：指平行架設(shè)在電線桿上的架空(裸線或帶絕緣層的導(dǎo)線)線路。對(duì)稱電纜：同軸電纜：光纖：三、無(wú)線信道1.電磁波頻率劃分2.電磁波傳播1)地波傳播傳播距離可超過(guò)數(shù)百米或數(shù)千米，信號(hào)穩(wěn)定。2)天波傳播(1)頻率的選擇非常重要(2)天波傳播的隨機(jī)多徑效應(yīng)嚴(yán)重(3)天波傳播不太穩(wěn)定，衰落嚴(yán)重(4)電離層所能反射的頻率范圍很有限3)視線傳播頻率高于30MHz的電磁波將穿透電離層，只能做視線傳播四、信道模型一、調(diào)制信道模型1．特性（1）有一對(duì)或多對(duì)輸入和一對(duì)或多對(duì)輸出（2）絕大部分信道是線性的，滿足疊加定理（3）具有延遲作用和損耗（4）沒(méi)有輸入時(shí)（0輸入）也有輸出2、編碼信道模型五、信道容量1.離散信道的信道容量：2、連續(xù)信道的信道容量：(1)增大S，或減小n0，可以增大C。當(dāng)S→∞，或n0→0時(shí)，有C→∞。(2)增大W，也可以增大C。當(dāng)W→∞時(shí)，C的值有限。1．4信號(hào)帶寬一、信號(hào)帶寬1.基帶信號(hào):原始信號(hào)2.頻帶信號(hào)：調(diào)制信號(hào)3.基帶信號(hào)與頻帶信號(hào)的帶寬4.信號(hào)帶寬定義二、系統(tǒng)帶寬圖4系統(tǒng)帶寬的定義三、信號(hào)帶寬與系統(tǒng)帶寬的關(guān)系在通信系統(tǒng)中，信號(hào)是被傳輸?shù)膶?duì)象，信道是信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ溃盘?hào)的帶寬與系統(tǒng)的帶寬必須保持匹配。如果信道的帶寬確定，則需要合理地設(shè)計(jì)信號(hào)的帶寬；如果信號(hào)的帶寬確定，則需要合理地選擇信道的帶寬。如果信號(hào)的帶寬大于信道的帶寬，則信號(hào)通過(guò)信道后就會(huì)產(chǎn)生失真。1．5信號(hào)設(shè)計(jì)一、信號(hào)設(shè)計(jì)的基本概念二、信號(hào)設(shè)計(jì)的基本原則信號(hào)的設(shè)計(jì)原則應(yīng)為：（1）輸出端信號(hào)在判決時(shí)刻具有最大信噪比。（2）信號(hào)單元具有尖銳的自相關(guān)函數(shù)曲線。（3）信號(hào)單元之間的互相關(guān)量要很小，且與自相關(guān)量差別明顯，即信號(hào)單元之間具有良好的可分辨性。選擇數(shù)字基帶信號(hào)碼型時(shí)，應(yīng)遵循以下基本原則：（1）數(shù)字基帶信號(hào)應(yīng)不含有直流成分，且低頻及高頻分量也應(yīng)盡量地少。（2）數(shù)字基帶信號(hào)中應(yīng)含有足夠大的定時(shí)分量。（3）數(shù)字基帶信號(hào)的碼型應(yīng)對(duì)任何信源都具有透明性，即與信源的統(tǒng)計(jì)特性無(wú)關(guān)。（4）數(shù)字基帶信號(hào)的碼型應(yīng)有利于提高系統(tǒng)的傳輸效率。（5）數(shù)字基帶信號(hào)的碼型具有較強(qiáng)的抗噪聲和抗碼間干擾的能力。偽隨機(jī)碼的設(shè)計(jì)通常應(yīng)遵守以下基本原則：（1）具有良好的相關(guān)特性，即具有尖銳的自相關(guān)函數(shù)曲線，而互相關(guān)函數(shù)接近于零。（2）有足夠長(zhǎng)的碼元周期，以滿足抗偵破、抗干擾和保密通信的要求。（3）有足夠的獨(dú)立碼元序列數(shù)目，以滿足碼分多址通信的需要。（4）易于產(chǎn)生、加工、復(fù)制和控制等。小結(jié)：1、數(shù)字通信概論：基本概念（消息、信息、信號(hào)、信息量）數(shù)字通信系統(tǒng)組成、特點(diǎn)、主要性能指標(biāo)2、信號(hào)（表示、分類、頻譜密度、隨機(jī)變量隨機(jī)過(guò)程、高斯分布）3、信道（有線信道、無(wú)線信道）信道模型、容量4、信號(hào)帶寬、系統(tǒng)帶寬5、信號(hào)設(shè)計(jì)概念、基本原則作業(yè)：1、44（1、2、6）2、45（16、17）第二章信源編碼2．1概述一、壓縮編碼的重要性信源編碼主要解決數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性問(wèn)題。壓縮編碼也稱為數(shù)據(jù)壓縮，數(shù)據(jù)壓縮的主要途徑有以下三種：(1)減小物理空間，如減小對(duì)存儲(chǔ)器、磁盤、磁帶和光盤等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒體的空間要求。(2)減少時(shí)間區(qū)間，如減小傳輸信息所需的時(shí)間等。(3)減小頻譜區(qū)域，如減小傳輸信息所需的帶寬等。二、壓縮編碼分類(1)統(tǒng)計(jì)編碼：指利用消息或消息序列出現(xiàn)概率的分布特性，尋找其出現(xiàn)概率與碼字長(zhǎng)度間的最佳匹配，也稱概率匹配編碼，其目的是使總的代碼長(zhǎng)度最短。(2)預(yù)測(cè)編碼：利用信號(hào)之間的相關(guān)性來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的信號(hào)，通過(guò)對(duì)預(yù)測(cè)的誤差進(jìn)行編碼來(lái)壓縮數(shù)據(jù)量。(3)變換編碼：一種非常有效的限失真編碼方法。其基本的思想是利用信號(hào)在不同函數(shù)空間分布的不同，選擇合適的函數(shù)變換，將信號(hào)從一種信號(hào)空間變換到另一種更有利于進(jìn)行壓縮編碼，然后再對(duì)變換系數(shù)進(jìn)行編碼。(4)識(shí)別編碼：通過(guò)對(duì)信號(hào)的特征進(jìn)行分解，與匯集這些基本特征的樣本進(jìn)行比較對(duì)照識(shí)別，選擇失真最小的樣本編碼。識(shí)別編碼的效率很高，是壓縮編碼研究的熱點(diǎn)之一。三、編碼器的模型圖1編碼器的模型2．2模擬信號(hào)的數(shù)字化（重點(diǎn)）一、模擬信號(hào)的抽樣1.低通模擬信號(hào)的抽樣抽樣：在一系列離散點(diǎn)上對(duì)連續(xù)模擬信號(hào)抽取樣值的過(guò)程，輸出的抽樣信號(hào)(抽樣序列)sT(t)可以表示為原始連續(xù)模擬信號(hào)s(t)與一個(gè)周期性的抽樣脈沖fT(t)相乘的積。抽樣定理：一個(gè)連續(xù)模擬信號(hào)s(t)的頻率|f|≤fm，如果抽樣頻率滿足fs≥2fm，則s(t)可以由抽樣序列惟一地確定。Ts=1/fs為抽樣的最大間隔，稱為奈奎斯特間隔。1)理想抽樣圖2理想抽樣抽樣頻率fs的選取對(duì)信號(hào)恢復(fù)會(huì)有什么影響?下面分三種情況加以討論。(1)若選取fs=2fm，則相鄰周期的頻譜間互不重疊，頻率間隔為fs，經(jīng)過(guò)理想低通濾波器，理論上可以由抽樣信號(hào)恢復(fù)原信號(hào)，但需要無(wú)限陡峭截止邊緣的濾波器，這種理想低通濾波器是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。(2)若選取fs＜2fm，即欠抽樣，則相鄰周期的頻譜將發(fā)生頻譜重疊，稱為混疊。因此不能從ST(f)中準(zhǔn)確地分離出信號(hào)s(t)的頻譜S(f)，某些信息將會(huì)丟失。(3)若選取fs＞2fm，即過(guò)抽樣，，用一個(gè)截止頻率為fm的理想低通濾波器就能準(zhǔn)確地從抽樣信號(hào)中恢復(fù)出原信號(hào)。圖3抽樣頻率的選取對(duì)信號(hào)恢復(fù)的影響2)自然抽樣圖4自然抽樣2.帶通模擬信號(hào)的抽樣：式中，B為信號(hào)帶寬；n為小于fm/B的最大整數(shù)，0＜k＜1。當(dāng)n較大時(shí),fs≈2B。二、抽樣信號(hào)的標(biāo)量量化1.量化原理在對(duì)抽樣信號(hào)進(jìn)行量化時(shí)，需要考慮以下兩個(gè)方面的問(wèn)題：(1)若給定量化電平數(shù)L，如何使量化失真最小。(2)若給定量化失真的要求，如何使表示每個(gè)樣值所需的平均比特?cái)?shù)最少。2.標(biāo)量量化假定輸入樣值信號(hào)s(nTs)（簡(jiǎn)記為sn）的概率密度為f(sn)，量化噪聲的平均功率為：量化器輸出信號(hào)的平均功率為：量化器的量化信噪比為：3.均勻量化均勻量化也稱為線性量化，是指整個(gè)量化區(qū)域上的各個(gè)量化間隔相等，即量化電平為：k=0,1,2,…,L-1對(duì)于均勻量化，當(dāng)信源(模擬信號(hào))的概率密度函數(shù)為f(sn)時(shí)，則量化噪聲的平均功率為：量化器輸出信號(hào)的平均功率為：4.最佳量化：出現(xiàn)概率大的抽樣信號(hào)幅度可選擇較小的量化間隔，而出現(xiàn)概率較小的抽樣信號(hào)幅度可選擇較大的量化間隔，從而降低總的量化噪聲平均功率。5.壓擴(kuò)量化圖5壓擴(kuò)量化原理框圖1)A壓縮律A壓縮律的對(duì)數(shù)特性為：式中，x為壓縮器歸一化輸入電壓；y為壓縮器歸一化輸出電壓；A為常數(shù)(A=87.56)，決定壓縮程度。2)μ壓縮律μ壓縮律的對(duì)數(shù)特性為：式中，x為壓縮器歸一化輸入電壓；y為壓縮器歸一化輸出電壓；μ為常數(shù)(μ=255)，決定壓縮程度。三、矢量量化1.基本原理圖6矢量量化原理框圖2.碼書設(shè)計(jì)碼書設(shè)計(jì)的原則：量化失真最小3、初始碼書的選定常用的方法有隨機(jī)法和分裂法4.降低復(fù)雜度1)樹(shù)形搜索矢量量化器2)多級(jí)矢量量化器四、編碼編碼是指對(duì)量化樣值進(jìn)行編碼，常用的方法有自然二進(jìn)制碼和折疊二進(jìn)制碼2．3語(yǔ)音編碼（重點(diǎn)）一、語(yǔ)音編碼概述1.語(yǔ)音編碼分類2、語(yǔ)音編碼的主要性能指標(biāo)1)語(yǔ)音質(zhì)量自然度和可懂度是衡量語(yǔ)音質(zhì)量的兩大指標(biāo)2)編碼速率3)編解碼延時(shí)4)算法復(fù)雜度3.語(yǔ)音編碼的主要途徑語(yǔ)音編碼的主要途徑有：1)利用語(yǔ)音信號(hào)的冗余度，并設(shè)法除去之，從而達(dá)到壓縮語(yǔ)音數(shù)據(jù)的目的。2)利用人類的發(fā)音機(jī)理，通過(guò)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)形成機(jī)理的分析來(lái)構(gòu)造語(yǔ)音生成模型，這樣只需傳輸該模型的特征參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的高效壓縮。3)利用人耳的聽(tīng)覺(jué)特性4.語(yǔ)音編碼標(biāo)準(zhǔn)1)ITU-T制定的語(yǔ)音編碼標(biāo)準(zhǔn)2)數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信的語(yǔ)音編碼標(biāo)準(zhǔn)3)其他語(yǔ)音編碼標(biāo)準(zhǔn)二、語(yǔ)音信號(hào)的波形編碼1.脈沖編碼調(diào)制(PCM）圖7PCM編碼原理圖1)抽樣為了防止混疊失真和噪聲干擾，必須在抽樣前使用一個(gè)抗混疊濾波器來(lái)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波。2)量化圖8采用數(shù)字電路近似實(shí)現(xiàn)A律13折線3)編碼PCM采用折疊二進(jìn)制碼，8位碼組a1a2…a8的碼位安排如下：a1為極性碼，a1=1表示正極性，反之表示負(fù)極性；a2a3a4為段落碼，共8種組合，分別表示對(duì)應(yīng)的8個(gè)分段，第Ⅰ段至第Ⅷ段，通常采用自然碼；a5a6a7a8為段內(nèi)電平碼，共16種組合，表示每段的16個(gè)分級(jí)，通常采用自然碼。2.差值脈沖編碼調(diào)制(DPCM)圖9DPCM原理框圖3.自適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)1)自適應(yīng)預(yù)測(cè)2)自適應(yīng)量化4.子帶編碼(SBC)1)子帶編碼的基本原理圖10子帶編碼原理框圖對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行子帶編碼具有以下特點(diǎn)：(1)將語(yǔ)音信號(hào)分成若干子帶，就可以根據(jù)人耳的聽(tīng)覺(jué)特性來(lái)合理分配各個(gè)子帶的比特?cái)?shù)，以獲得更好的主觀聽(tīng)覺(jué)效果。(2)由于各子帶的量化噪聲限制在本子帶內(nèi)，相互獨(dú)立，互不干擾，因此能避免能量較小頻段上的信號(hào)被其他頻段的量化噪聲所淹沒(méi)，從而改善語(yǔ)音編碼的質(zhì)量。(3)由于各個(gè)子帶的帶寬遠(yuǎn)小于語(yǔ)音信號(hào)的帶寬，因此可使其抽樣速率降低至各個(gè)子帶帶寬的2倍。2)子帶編碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)16、24、32kb/s語(yǔ)音子帶編碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)三、語(yǔ)音信號(hào)的參數(shù)編碼1.語(yǔ)音信號(hào)模型1)語(yǔ)音生成模型人類的發(fā)音器官由三部分組成：①肺和氣管產(chǎn)生氣源；②喉和聲帶稱為氣門；③由咽腔、口腔和鼻腔組成的聲道。2)語(yǔ)音信號(hào)特性語(yǔ)音主要是濁音和清音3)語(yǔ)音信號(hào)產(chǎn)生模型圖11語(yǔ)音信號(hào)產(chǎn)生模型4)語(yǔ)音信號(hào)的線性預(yù)測(cè)模型2.線性預(yù)測(cè)(LPC)聲碼器聲碼器是聲音編碼器的簡(jiǎn)稱，其作用是降低編碼速率。通常聲碼器的編碼速率為1～3kb/s。圖12線性預(yù)測(cè)聲碼器原理框圖線性預(yù)編碼器存在以下不足：①編碼語(yǔ)音的自然度較差，其主要原因是二元激勵(lì)模型過(guò)于簡(jiǎn)單，不能完全反映語(yǔ)音信息的豐富內(nèi)涵；②系統(tǒng)的魯棒性降低，由于二元激勵(lì)模型中清/濁音判決和語(yǔ)音譜中共振峰的作用，影響了清/濁判決和基音提取的準(zhǔn)確性；同時(shí)，噪聲干擾也會(huì)影響清/濁判決和基音提取的準(zhǔn)確性;③語(yǔ)音譜包絡(luò)中共振峰的位置和帶寬估計(jì)有時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的失真。四、語(yǔ)音信號(hào)的混合編碼1.多脈沖激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼(MPLPC)圖13多脈沖激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼原理框圖2.規(guī)則脈沖激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼(RPELPC)圖14規(guī)則脈沖激勵(lì)編碼器原理框圖3.碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼(CELP)小結(jié)：1、壓縮編碼的重要性、分類；2、模擬信號(hào)的數(shù)字化（重點(diǎn)）[抽樣、量化]3、語(yǔ)音信號(hào)的波形編碼（重點(diǎn)）PCM（A律13折線法）作業(yè)：102（1、3、4）數(shù)字傳輸技術(shù)3．1概述一、概述數(shù)字信號(hào)的傳輸通?？煞譃榛鶐鬏敽皖l帶傳輸?；鶐盘?hào)：由消息轉(zhuǎn)換得到的原始電信號(hào)所占據(jù)的頻帶通常從直流和低頻開(kāi)始，因而稱為基帶信號(hào)。頻帶傳輸：數(shù)字基帶信號(hào)必須經(jīng)過(guò)調(diào)制，將信號(hào)頻譜搬移到某個(gè)高頻載波頻帶上才能在信道中傳輸。二、數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸圖1數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸 基帶研究的意義（1）頻帶傳輸也存在基帶處理問(wèn)題（2）是數(shù)字通信的趨勢(shì)、高低頻都可（3）理論上：線性調(diào)制頻帶傳輸可以由一個(gè)等效的基帶傳輸系統(tǒng)來(lái)代替3．2數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸（重點(diǎn)）一、數(shù)字信號(hào)波形與頻譜單個(gè)矩形脈沖波形可表示為單個(gè)矩形脈沖的頻譜可表示為在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，則隨機(jī)脈沖序列可表示為：隨機(jī)脈沖序列的雙邊功率譜密度可表示為：(1)對(duì)單極性全占空比(τ=Ts)的不歸零矩形脈沖序列(2)對(duì)于半占空比(τ=Ts/2)的歸零矩形脈沖序列二．?dāng)?shù)字基帶信號(hào)的傳輸碼型1、傳輸信道對(duì)基帶傳輸碼型的要求基帶信號(hào)特點(diǎn)： 含有豐富的直流和低頻成分，不適合于直接傳輸結(jié)果：產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變傳輸用的波形要求 （1）代碼：應(yīng)編碼用于傳輸用的碼型——傳輸碼型的選擇 （2）波形：電波形應(yīng)該適應(yīng)信道——基帶脈沖的選擇傳輸碼：又稱線路碼，取決于實(shí)際信道和系統(tǒng)工作的條件特性和要求：1) 能從相應(yīng)的基帶信號(hào)提取定時(shí)信息2) 無(wú)直流成分、較少的低頻成分3) 不受信源變化影響4) 較高的傳輸效率5) 有檢錯(cuò)能力2.常用的傳輸碼型(1)單極性不歸零碼(NRZ碼)(2)單極性歸零碼(RZ碼)（3）Manchester（曼徹斯特）雙相碼（4）CMI——反轉(zhuǎn)碼（5）AMI碼（傳號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼）（6）HDB3碼——AMI改進(jìn)碼（7）5B6B碼圖2常用的傳輸碼型（8）擾碼和解擾①擾碼和解擾原理就是將二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)在傳輸前先作“隨機(jī)化”處理，改變數(shù)字信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性，使之變?yōu)閭坞S機(jī)序列，達(dá)到限制連“0”碼(或連“1”碼)長(zhǎng)度的目的。②m序列產(chǎn)生及特性③擾碼和解擾實(shí)現(xiàn)三、數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)1、數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的組成圖3數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的組成各部分功能如下：(1)碼型編碼器的作用是將si(t)變?yōu)檫m合于信道傳輸?shù)拇a型。(2)發(fā)送濾波器的作用是將s(t)變?yōu)檫m合于信道傳輸?shù)牟ㄐ魏蛪嚎ss(t)的頻帶以減小進(jìn)入信道信號(hào)的帶寬，從而提高信道的頻帶利用率。(3)經(jīng)過(guò)信道傳輸后信號(hào)中疊加有噪聲n(t)。n(t)的頻率范圍很寬(通常認(rèn)為是白噪聲)。(4)接收濾波器的作用是濾除帶外噪聲以提高判決點(diǎn)的信噪比，減少誤碼。(5)均衡器用于均衡信道畸變，減小碼間干擾的影響。(6)抽樣判決器的作用是在最佳時(shí)刻對(duì)信號(hào)進(jìn)行抽樣，從含有噪聲的信號(hào)r(t)中再生出數(shù)字基帶信號(hào)，抽樣定時(shí)由位同步器得到。(7)碼型解碼器的作用是將傳輸碼型變換為數(shù)字基帶信號(hào)。2.數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)模型圖4數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)模型基帶傳輸系統(tǒng)的總傳輸特性為：H(ω)=GT(ω)C(ω)GR(ω)其沖激響應(yīng)為：接收濾波器輸出信號(hào)r(t)可表示為抽樣判決器對(duì)r(t)進(jìn)行抽樣判決，以得到所傳輸?shù)脑紨?shù)字基帶信號(hào)。3.數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)無(wú)碼間串?dāng)_的條件1)碼間串?dāng)_2)無(wú)碼間串?dāng)_的時(shí)域條件：在假設(shè)信道和接收濾波器所產(chǎn)生的延時(shí)t0=0時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為上式表明，無(wú)碼間串?dāng)_的基帶傳輸系統(tǒng)的沖激響應(yīng)除t=0時(shí)取值不為零外，其他抽樣時(shí)刻t=kTs的抽樣值均為零。3)無(wú)碼間干擾的頻域條件：4)理想低通系統(tǒng)圖5理想低通系統(tǒng)5)升余弦滾降系統(tǒng)圖6升余弦滾降系統(tǒng)對(duì)于升余弦滾降系統(tǒng)，所需帶寬與碼元傳輸速率的關(guān)系為：滾降系數(shù)α越大，“尾巴”就越短，旁瓣電平幅度就越小，使得輸出信號(hào)對(duì)定時(shí)誤差的敏感度也就越小。4.數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的抗噪聲性能圖7數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的抗噪聲性能1)雙極性信號(hào)的抗噪聲性能設(shè)判決電路的判決門限為Vd，判決規(guī)則為：零均值高斯噪聲的幅度概率密度函數(shù)為：發(fā)送信號(hào)幅度為－A時(shí)，為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，令抽樣值r(kTs)=r,接收信號(hào)r=－A+nR(kTs)（nR(kTs)=r+A）的概率密度函數(shù)為：而當(dāng)發(fā)送信號(hào)幅度為A時(shí)，接收信號(hào)r=A+nR(kTs)（nR(kTs)=r－A）的概率密度函數(shù)為：假設(shè)發(fā)送“1”和“0”碼的概率分別為P(1)、P(0)，則數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的總誤碼率為：通常，P(0)=P(1)=1/2，于是有V*d=0，此時(shí)系統(tǒng)的總誤碼率為：2)單極性信號(hào)的抗噪聲性能3)性能比較四、部分響應(yīng)基帶傳輸系統(tǒng)1.第Ⅰ類部分響應(yīng)波形 圖8第Ⅰ類部分響應(yīng)波形及其頻譜2.第Ⅳ類部分響應(yīng)系統(tǒng)五、時(shí)域均衡1.信道特性與均衡許多通信信道(例如電話、無(wú)線信道)的傳輸特性可以用幅度頻率特性和相位頻率特性來(lái)表征，即：無(wú)失真?zhèn)鬏敆l件為：均衡是一種消除或減小碼間串?dāng)_的信號(hào)處理或?yàn)V波技術(shù)。均衡可分為頻域均衡和時(shí)域均衡。2.時(shí)域均衡原理在數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)中，時(shí)域均衡器置于接收濾波器和抽樣判決器之間；在數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)中，時(shí)域均衡器則置于解調(diào)器的低通濾波器和抽樣判決器之間。實(shí)現(xiàn)時(shí)域均衡的方法有多種，常用的方法是使用橫向?yàn)V波器(也稱橫截濾波器)來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)域均衡。圖9橫向?yàn)V波器3.均衡準(zhǔn)則均衡器的性能完全取決于有限長(zhǎng)橫向?yàn)V波器各抽頭系數(shù)。既然抽頭數(shù)是有限的，就總會(huì)存在一定的碼間串?dāng)_。均衡器的目標(biāo)是：通過(guò)調(diào)整抽頭系數(shù)，使失真最小，從而獲得最佳的均衡效果。均衡效果可用峰值失真和均方失真來(lái)度量。1)峰值失真準(zhǔn)則2)最小均方失真準(zhǔn)則4.預(yù)置式均衡器圖10預(yù)置式自動(dòng)均衡器的原理框圖5.自適應(yīng)均衡器6.非線性均衡器3.3數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸（重點(diǎn)）一、調(diào)制與解調(diào)圖11數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的原理框圖調(diào)制的主要目的有：(1)將數(shù)字基帶信號(hào)頻譜搬移到高頻處，以便于以高頻電磁波（電信號(hào)）形式發(fā)射出去。(2)便于實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用。通過(guò)調(diào)制使各路基帶數(shù)字信號(hào)頻譜搬移到指定的位置，互不重疊，互不干擾。(3)便于改善系統(tǒng)性能。二、二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)1.二進(jìn)制幅度鍵控(2ASK)其中2ASK信號(hào)的時(shí)域表示為：二進(jìn)制單極性全占空比不歸零數(shù)字基帶信號(hào)s(t)的雙邊功率譜密度Ps(f)為：2ASK信號(hào)的功率譜密度P2ASK(f)為：圖12二進(jìn)制幅度鍵控(2ASK)原理框圖圖132ASK信號(hào)的解調(diào)2.二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK)在二進(jìn)制頻移鍵控中，載波頻率隨二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)1或0而變化，“1”對(duì)應(yīng)于載波頻率f1,“0”對(duì)應(yīng)于載波頻率f2。二進(jìn)制頻移鍵控已調(diào)信號(hào)可表示為： 其功率譜密度可以近似表示為兩個(gè)不同載波的二進(jìn)制幅度鍵控（2ASK）信號(hào)功率譜密度的疊加，即圖14二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK)原理框圖波形：圖152FSK信號(hào)的典型波形二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK)信號(hào)的解調(diào)方法主要有非相干解調(diào)法和相干解調(diào)法，3.二進(jìn)制相移鍵控(2PSK)在二進(jìn)制相移鍵控中，載波的相位隨二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)1或0而改變，通常用已調(diào)載波的0°和180°分別表示“1”或“0”。二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)可表示為式中，an為雙極性，即圖16二進(jìn)制相移鍵控(2PSK)原理框圖波形： 圖172PSK信號(hào)的典型波形4.二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPSK)2DPSK是利用前后相鄰碼元的載波相對(duì)相位變化來(lái)表示數(shù)字信息的，即相對(duì)調(diào)相。假設(shè)前后相鄰碼元的載波相位差為Δφ，則數(shù)字信息與Δφ之間的關(guān)系為： 圖18二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPSK)原理框圖圖19二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPSK)典型波形圖20DPSK相干解調(diào)器5.二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率性能比較三、多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)1.多進(jìn)制數(shù)字幅度鍵控(MASK)M進(jìn)制數(shù)字幅度鍵控信號(hào)可表示為：圖214ASK信號(hào)的典型波形2.多進(jìn)制頻移鍵控(MFSK)MFSK信號(hào)可表示為：圖224FSK信號(hào)波形圖23MFSK系統(tǒng)原理框圖3.多進(jìn)制相移鍵控(MPSK)1)MPSK信號(hào)表示：MPSK信號(hào)的矢量圖表示：2)4PSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)圖244PSK信號(hào)調(diào)制原理框圖3)4DPSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)4)偏移四相相移鍵控(OQPSK)5)8PSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)四、正交幅度調(diào)制(QAM)1.MQAM原理正交幅度調(diào)制(QAM)是一種幅度/相位聯(lián)合鍵控的調(diào)制方式。它具有較高的頻譜利用率，所以得到了廣泛的應(yīng)用。2.MQAM信號(hào)表示3.MQAM信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)圖25MQAM信號(hào)的調(diào)制原理框圖 圖26MQAM信號(hào)的解調(diào)原理框圖五、最小頻移鍵控(MSK)1.MSKMSK信號(hào)可表示為：其中圖27MSK的相位網(wǎng)格圖圖28MSK信號(hào)調(diào)制原理框圖圖29MSK信號(hào)解調(diào)原理框圖2.GMSK高斯最小頻移鍵控(GMSK)是一種改進(jìn)的MSK調(diào)制方式。圖30GMSK調(diào)制原理框圖六、正交頻分復(fù)用(OFDM)1.OFDM概述圖31多載波傳輸系統(tǒng)的基本原理多載波傳輸技術(shù)有多種，如正交頻分復(fù)用(OFDM)、離散多音頻調(diào)制(DMT)和多載波調(diào)制(MCM)。與單載波系統(tǒng)相比，多載波系統(tǒng)具有如下主要特點(diǎn)：(1)把高速數(shù)據(jù)流變?yōu)榈退僮訑?shù)據(jù)流，使得每個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)符號(hào)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度相對(duì)增加，從而有效減小無(wú)線信道多徑傳播和頻率選擇性衰落所帶來(lái)的碼間串?dāng)_。(2)在傳統(tǒng)的頻分多路(FDM)傳輸中，將頻帶分為若干個(gè)不相交的子頻帶來(lái)傳輸并行數(shù)據(jù)流，在接收端用一組濾波器來(lái)分離各個(gè)子信道。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單直接，缺點(diǎn)是頻帶利用率低。(3)在OFDM中，各個(gè)子載波的調(diào)制和解調(diào)可以采用快速傅里葉變換(FFT)來(lái)實(shí)現(xiàn)。(4)可采用動(dòng)態(tài)比特分配和動(dòng)態(tài)子信道分配的方法使系統(tǒng)達(dá)到最大信息傳輸速率。2.OFDM基本原理OFDM信號(hào)的復(fù)數(shù)形式為：式中，fn為第n路子載波的載波頻率；dn(t)為第n路子載波上的復(fù)數(shù)信號(hào)，dn(t)在一個(gè)碼元間隔Ts內(nèi)為常數(shù)dn(t)=dn,0≤t≤Ts圖32OFDM信號(hào)調(diào)制原理框圖3.OFDM實(shí)現(xiàn)圖33OFDM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3.4數(shù)字復(fù)用技術(shù)一、頻分多路復(fù)用(FDM)頻分多路復(fù)用簡(jiǎn)稱頻分復(fù)用，是指按頻率分割信號(hào)的方法。它是其他數(shù)字多路復(fù)用技術(shù)的基礎(chǔ)。圖34頻分多路復(fù)用原理框圖二、時(shí)分多路復(fù)用(TDM)1.時(shí)分多路復(fù)用原理時(shí)分多路復(fù)用簡(jiǎn)稱時(shí)分復(fù)用，是指按時(shí)刻分割信號(hào)以實(shí)現(xiàn)多路傳輸?shù)姆椒ǎ跁r(shí)分多路復(fù)用中，各路信號(hào)占用信道的時(shí)刻各不相同。圖35時(shí)分多路復(fù)用原理框圖2.PDH復(fù)用原理1)體系結(jié)構(gòu)2)PCM基群幀結(jié)構(gòu)3)PCM30/32路制式定時(shí)系統(tǒng)3.數(shù)字復(fù)接1)數(shù)字復(fù)接原理圖36數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)組成2)數(shù)字復(fù)接方式3)同步復(fù)接4)異步復(fù)接圖37異步復(fù)接原理框圖4.碼速調(diào)整5.SDH復(fù)用原理SDH作為一種新的傳輸體制，其主要特點(diǎn)有：(1)具有全世界統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口(NNI)，真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)字傳輸體制的全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。(2)采用標(biāo)準(zhǔn)化的信息結(jié)構(gòu)等級(jí)，即同步傳輸模塊STM-N，大大簡(jiǎn)化了復(fù)接與分接過(guò)程。(3)在SDH幀結(jié)構(gòu)中安排了豐富的管理維護(hù)比特，大大增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)管理(OAM)能力。(4)采用同步復(fù)接方式和靈活的復(fù)用映射結(jié)構(gòu)，利用設(shè)置指針，可直接插入或取出低速支路信號(hào)。(5)SDH不僅適用于光纖傳輸，也適用于微波、衛(wèi)星等傳輸方式。(6)采用自愈環(huán)手段，SDH具有較高的可靠性和較強(qiáng)的自愈能力。三、碼分多路復(fù)用(CDM)（了解）1.正交編碼若一種編碼中，任意兩個(gè)碼組均為超正交碼，則稱這種編碼為超正交編碼。2.正交碼3.碼分多路復(fù)用原理四、波分復(fù)用(WDM)（了解）1.WDM原理圖38波分復(fù)用的原理框圖2.WDM特點(diǎn)3.工作波長(zhǎng)區(qū)的選擇4.典型波分復(fù)用系統(tǒng)3.5數(shù)字信號(hào)的最佳接收（了解）一、概述1.最佳接收問(wèn)題2.最大信噪比接收準(zhǔn)則與數(shù)字信號(hào)的匹配濾波接收濾波器的作用體現(xiàn)在：抑制帶外噪聲，最大限度地減小濾波器的輸出噪聲，減小噪聲對(duì)信號(hào)判決的影響；②提取有用信號(hào)，最大限度增強(qiáng)濾波器輸出有用信號(hào)成分。3.最小差錯(cuò)概率接收準(zhǔn)則與最佳接收機(jī)二、數(shù)字信號(hào)的匹配濾波接收1.匹配濾波器的原理 圖40數(shù)字信號(hào)匹配濾波接收的分析模型由匹配濾波器的傳輸函數(shù)H(ω)可以得到匹配濾波器的單位沖激響應(yīng)h(t)，即：作為接收濾波器的匹配濾波器應(yīng)是物理可實(shí)現(xiàn)的，即匹配濾波器的單位沖激響h(t)應(yīng)滿足：2.匹配濾波接收機(jī)需要說(shuō)明：①匹配濾波接收機(jī)接收數(shù)字信號(hào)可以得到最大輸出信噪比，②若二進(jìn)制信號(hào)的先驗(yàn)概率相等，則匹配濾波接收機(jī)等效于最小差錯(cuò)概率最佳接收機(jī)；③由匹配濾波器構(gòu)成的匹配濾波接收機(jī)可看作是一種相關(guān)接收機(jī)。三、最小差錯(cuò)概率接收準(zhǔn)則1.數(shù)字信號(hào)接收的統(tǒng)計(jì)模型 圖42數(shù)字信號(hào)接收的統(tǒng)計(jì)模型2.數(shù)字信號(hào)的最佳接收準(zhǔn)則四、確知數(shù)字信號(hào)的最佳接收1.確知數(shù)字信號(hào)的最佳接收機(jī)圖43接收原理圖2.確知數(shù)字信號(hào)最佳接收機(jī)的誤碼率Pe=P(s1)P(s2/s1)+P(s2)P(s1/s2)五、隨相數(shù)字信號(hào)的最佳接收1.隨相數(shù)字信號(hào)的最佳接收機(jī)2.二進(jìn)制隨相數(shù)字信號(hào)最佳接收機(jī)的誤碼率六、實(shí)際接收機(jī)與最佳接收機(jī)的性能比較3.6同步技術(shù)（重點(diǎn)）一、概述在數(shù)字通信系統(tǒng)中，同步又稱為定時(shí)，是指收發(fā)雙方在時(shí)間上保持步調(diào)一致。圖442PSK同步接收原理框圖二、載波同步1.直接法直接法是一種自同步法，即設(shè)法從接收信號(hào)中提取同步載波。1)平方變換法圖45平方變換法提取相干載波2)平方環(huán)法圖46平方環(huán)法提取相干載波3)同相正交環(huán)法(科斯塔斯環(huán)) 圖47同相正交環(huán)法的原理框圖2.插入導(dǎo)頻法1)頻域插入導(dǎo)頻法圖48頻域?qū)ьl插入法原理框圖2)時(shí)域插入導(dǎo)頻法

圖49時(shí)域插入導(dǎo)頻法3.載波同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)載波同步系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)有：效率、精度、同步建立時(shí)間和同步保持時(shí)間。三、位同步對(duì)位同步信號(hào)的要求有：①使接收端產(chǎn)生的位同步脈沖頻率等于發(fā)送端的碼元速率；②使接收端在最佳接收時(shí)刻(相位)對(duì)接收碼元進(jìn)行抽樣判決。1.自同步法1)波形變換—濾波法圖50波形變換—濾波法原理框圖2)包絡(luò)檢波—濾波法 圖51包絡(luò)檢波法的原理框圖3)數(shù)字鎖相法2.插入導(dǎo)頻法3.位同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)1)相位誤差2)同步建立時(shí)間3)同步保持時(shí)間4)同步帶寬四、幀同步（自學(xué)）小結(jié)：1數(shù)字信號(hào)的基本帶傳輸（幾種常用的碼型，重點(diǎn)）2數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸（ASK、FSK、PSK、QAM、OFDM等重點(diǎn)）3數(shù)字復(fù)用技術(shù)（FDM、TDM、CDM、WDM）4、數(shù)字信號(hào)的最佳接收（了解）5同步技術(shù)（載波同步為重點(diǎn)）作業(yè)：211（3、4、11）；212（12、15、26）；214（41、46）第四章信道編碼4.1信道編碼的基礎(chǔ)一、信道編碼的基本概念信道編碼是為了提高數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性而采取的措施。信道編碼又稱差錯(cuò)控制編碼或糾錯(cuò)編碼，它的基本思想是：按照某種確定的編碼規(guī)則在待發(fā)送的信息碼元序列中加入一些多余的碼元(監(jiān)督碼元或校驗(yàn)碼元)，在接收端利用該規(guī)則進(jìn)行解碼，以便發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤、糾正錯(cuò)誤，從而提高信息碼元傳輸?shù)目煽啃浴?.信道分類按照噪聲或干擾引起傳輸差錯(cuò)的變化規(guī)律，可以將信道分為以下三類：(1)隨機(jī)差錯(cuò)信道(2)突發(fā)差錯(cuò)信道(3)混合差錯(cuò)信道2.差錯(cuò)控制方式常用的差錯(cuò)控制方式主要有以下三種(1)檢錯(cuò)重發(fā)(ARQ)(2)前向糾錯(cuò)(FEC)(3)混合糾錯(cuò)(HEC)3.信道編碼分類1)線性碼與非線性碼根據(jù)信息碼元與監(jiān)督碼元之間的函數(shù)關(guān)系，信道編碼可分為線性碼和非線性碼。2)分組碼與卷積碼根據(jù)信息碼元與監(jiān)督碼元之間的約束方式，信道編碼可分為分組碼和卷積碼。3)檢錯(cuò)碼與糾錯(cuò)碼根據(jù)碼的用途，信道編碼可分為檢錯(cuò)碼和糾錯(cuò)碼。4)系統(tǒng)碼與非系統(tǒng)碼根據(jù)信息碼元在編碼前后是否保持原來(lái)的形式不變，信道編碼可以分為系統(tǒng)碼和非系統(tǒng)碼。二、信道編碼的基本原理1.分組碼的結(jié)構(gòu)圖2分組碼的結(jié)構(gòu)2.碼重與最小碼距3.檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力顯然，一個(gè)分組碼的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力取決于最小碼距d0的值，分組碼的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力與最小碼距d0之間有如下關(guān)系：(1)為了能檢測(cè)e個(gè)錯(cuò)碼，要求最小碼距d0≥e+1。(2)為了能糾正t個(gè)錯(cuò)碼，要求最小碼距d0≥2t+1。(3)為了能糾正t個(gè)錯(cuò)碼，同時(shí)檢測(cè)e(e＞t)個(gè)錯(cuò)碼，要求最小碼距d0≥t+e+1。三、糾錯(cuò)編碼的信道模型1.隨機(jī)差錯(cuò)編碼信道模型1)二進(jìn)制對(duì)稱信道(BSC)P(Y=0/X=1)=P(Y=1/X=0)=PP(Y=1/X=1)=P(Y=0/X=0)=1－P圖3二進(jìn)制對(duì)稱信道（BSC）2)離散無(wú)記憶信道(DMC)i=0,1,…，q-1；j=0，1，…，Q-1。圖4離散無(wú)記憶信道(DMC)3)離散輸入、連續(xù)輸出信道2.突發(fā)差錯(cuò)編碼信道模型圖5吉爾伯特模型四、信道編碼定理香農(nóng)有擾離散信道的信道編碼定理指出：每個(gè)信道都有一定的信道容量C，對(duì)于給定的傳信率(碼率)Rb(Rb＜C)及碼長(zhǎng)n，總存在一種編譯碼方法，使得差錯(cuò)概率五、差錯(cuò)控制的原理1.原理一(1)對(duì)于相同的碼率Rb，信道容量C大者其可靠性函數(shù)E(Rb)也大。(2)對(duì)于相同的信道容量C，碼率Rb減小時(shí)可靠性函數(shù)E(Rb)增大。2.原理二1)利用冗余度2)噪聲均化六、糾錯(cuò)編碼系統(tǒng)的性能指標(biāo)1.編碼效率2.糾錯(cuò)編碼的誤碼性能3.編碼增益七、常用的檢錯(cuò)碼1.奇偶監(jiān)督碼對(duì)偶監(jiān)督碼有：對(duì)奇監(jiān)督碼有：2.行列監(jiān)督碼圖6奇偶監(jiān)督碼3.恒比碼4.2線性分組碼（重點(diǎn)）一、線性分組碼的基本概念線性分組碼中的分組是指編、譯碼過(guò)程是按分組進(jìn)行的，一般是按每k個(gè)信息碼元一組進(jìn)行編譯碼；而線性則是指分組碼中監(jiān)督碼元按線性方程生成的，即r=n-k個(gè)監(jiān)督碼元是由k個(gè)信息碼元的線性變換產(chǎn)生。二、線性分組碼編碼方程與生成矩陣G假設(shè)輸入信息碼組為m=(m0m1m2)，編碼器輸出碼組為C=(c0c1c2c3c4c5c6)，已知輸入碼與輸出碼的關(guān)系式是c0=m0,cc0=m0,c1=m1,c2=m2,c3=m0+m2,c4=m0+m1+m2，c5=m0+m1,c6=m1+m2可將上述關(guān)系式列成如下編碼線性方程：寫成對(duì)應(yīng)的矩陣形式為：式中，G稱為生成矩陣，由G和信息組就可以產(chǎn)生全部碼字。三、線性分組碼的監(jiān)督方程與監(jiān)督矩陣H由：將上述線性方程寫成如下矩陣形式即： H稱為監(jiān)督矩陣。一旦給定H，信息碼元和監(jiān)督碼元之間的關(guān)系也就確定了。四、校正子(伴隨式)S與譯碼假設(shè)發(fā)送碼組假設(shè)發(fā)送碼組C=(c6c5c4c3c2c1c0)，在傳輸過(guò)程中可能發(fā)生誤碼，接收碼組B=(b6b5b4b3b2b1b0)，則發(fā)送碼組與接收碼組之差定義為錯(cuò)誤圖樣E，也稱為誤差矢量，即E=B－C=B+C，其中E=(e6e5e4e3e2e1e0)，且i=0,1,…,6當(dāng)接收端譯碼時(shí)，用監(jiān)督矩陣H進(jìn)行校驗(yàn)，計(jì)算校正子S，即：當(dāng)ei=0時(shí)，表示該位接收碼元正確；當(dāng)ei=1時(shí)，表示該位接收碼元有錯(cuò)。令S=BHT，稱為伴隨式或校正子。當(dāng)接收端譯碼時(shí)，用監(jiān)督矩陣H進(jìn)行校驗(yàn)，計(jì)算校正子S，即：注：1、校正子S只與錯(cuò)誤圖樣E有關(guān)，與發(fā)送碼字C無(wú)關(guān)。2、接收端譯碼器的任務(wù)就是從校正子S確定錯(cuò)誤圖樣E，然后從接收到的碼字中減去錯(cuò)誤圖樣圖7譯碼過(guò)程框圖五、五、完備碼與漢明碼1.完備碼對(duì)于(n,k)線性分組碼，它有2k個(gè)碼字，2r個(gè)校正子，若該碼要糾正小于等于t個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤，則必須滿足滿足上式條件的線性分組碼稱為漢明碼。注：漢明碼是一種完備碼。2.漢明碼漢明碼是一種常用的線性分組碼，也是糾錯(cuò)能力t=1的完備碼，1950年由Hamming提出。漢明碼的主要特點(diǎn)：3.高萊碼4.3循環(huán)碼（重點(diǎn)）一、循環(huán)碼的概念循環(huán)碼是1957年由普蘭奇(Prange)提出的。它是線性分組碼中最重要的一個(gè)子類。二、循環(huán)碼的碼多項(xiàng)式對(duì)于整數(shù)m進(jìn)行模n運(yùn)算,有：式中，Q為整數(shù)，p＜n。這說(shuō)明：在模n運(yùn)算下，一個(gè)整數(shù)m等于它被n除得的余數(shù)。三、循環(huán)碼的生成多項(xiàng)式和生成矩陣1.循環(huán)碼的生成多項(xiàng)式2.循環(huán)碼的生成矩陣循環(huán)碼的生成矩陣G常用多項(xiàng)式的形式來(lái)表示，即：四、循環(huán)碼的監(jiān)督多項(xiàng)式和監(jiān)督矩陣1.循環(huán)碼的監(jiān)督多項(xiàng)式2.循環(huán)碼的監(jiān)督矩陣由監(jiān)督多項(xiàng)式很容易得到循環(huán)碼的監(jiān)督矩陣，即：五、循環(huán)碼的編碼方法循環(huán)碼的編碼方法可歸納如下：(1)用(1)用xr乘以m(x)。該運(yùn)算的作用是在信息碼元后附加上r個(gè)“0”。例如在(7，3)碼中信息碼組為(110)，它可以寫成m(x)=x2+x；由于r=n－k=7－3=4，所以x