數(shù)據(jù)通信- 模擬信號(hào)的數(shù)字化技術(shù)01教材

計(jì)算機(jī)學(xué)院1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)第4章模擬信號(hào)的數(shù)字化技術(shù)（1）數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院2第3章復(fù)習(xí)1、信道

是在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中位于發(fā)送端和接收端之間的物理通路，用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，是通信系統(tǒng)的重要組成部分。是進(jìn)行信息交換并允許光電信號(hào)通過的路徑。信道是以傳輸介質(zhì)為基礎(chǔ)的信號(hào)通路，信道不僅有傳輸介質(zhì)，而且包括通信系統(tǒng)中的一些轉(zhuǎn)換裝置。

信道中的傳輸介質(zhì)有光纖、同軸電纜、雙絞線；

轉(zhuǎn)換裝置有編碼器、解碼器、調(diào)制器、解調(diào)器、發(fā)轉(zhuǎn)換器、收轉(zhuǎn)換器。數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院3第3章復(fù)習(xí)2、信道的分類數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院4第3章復(fù)習(xí)3、信道模型數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院5第3章復(fù)習(xí)4、加性噪聲

加性噪聲與信道輸出信號(hào)之間為相加關(guān)系，稱為加性噪聲（或加性干擾）。

即使沒有信號(hào)輸入，在信道的輸出端仍可能有一定功率的輸出（噪聲）。

加性噪聲主要是由內(nèi)部噪聲形成的，不能被消除，是影響通信質(zhì)量的主要因素之一。5、乘性噪聲

如果信道對(duì)輸入信號(hào)作非線性處理，則信道輸出信號(hào)有非線性失真，這種失真只有當(dāng)輸入信號(hào)存在時(shí)才有，稱這種失真為乘性噪聲（或乘性干擾）。數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院6第3章復(fù)習(xí)6、恒參信道

的特點(diǎn)是不產(chǎn)生非線性失真，傳輸特性基本與時(shí)間無關(guān)。包括低通型和帶通型。7、隨參信道隨參信道又稱變參信道，變參信道的特性比恒參信道要復(fù)雜得多，對(duì)信號(hào)的影響比恒參信道也要嚴(yán)重得多。從對(duì)信號(hào)傳輸影響來看，傳輸媒質(zhì)的影響是主要的，而轉(zhuǎn)換器的特性的影響是次要的，甚至可以忽略不計(jì)。數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院7第3章復(fù)習(xí)8、衰減

衰減就是指信號(hào)在信道中傳輸時(shí)，隨著傳輸距離的增加，信號(hào)強(qiáng)度減弱的程度。9、衰落

信號(hào)衰減隨著時(shí)間而隨機(jī)變化的現(xiàn)象。

衰落描述的是衰減的變化。包括吸收型衰落、干涉型衰落和陰影衰落等。10、延遲畸變

通信信號(hào)在傳輸中通過信道所花費(fèi)的時(shí)間稱為信號(hào)延遲，由于信號(hào)延遲而造成的信號(hào)失真稱為延遲畸變。多徑傳輸效應(yīng)造成的；傳輸介質(zhì)的色散效應(yīng)造成的。數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院8第3章復(fù)習(xí)11、噪聲

噪聲指的是通信信道中除了有用信號(hào)外的其他不攜帶有用信息的電信號(hào)。

干擾：有規(guī)律的周期性的無用信號(hào)。

噪聲：無規(guī)律的無用信號(hào)。12、有線信道分類有線信道可以分為雙絞線、同軸電纜、光導(dǎo)纖維和架空明線等。13、關(guān)于雙絞線14、關(guān)于同軸電纜15、關(guān)于光纖數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院9第3章復(fù)習(xí)16、無線通信

指的是以射頻無線電波和光波為傳輸媒介所構(gòu)成的信道。

其中，射頻無線電波包括無線電波和微波，光波主要使用紅外線和激光。

理論上，把頻率在1012Hz以下的范圍內(nèi)的電磁波叫做射頻無線電波，分為無線電波和微波。數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院10第3章復(fù)習(xí)17、信道容量是指單位時(shí)間內(nèi)信道上所能傳輸數(shù)據(jù)的最大容量。

信道包括：調(diào)制信道和編碼信道。

調(diào)制信道是一種連續(xù)信道，可以用連續(xù)信道的信道容量來表征。

編碼信道是一種離散信道，可以用離散信道的信道容量來表征。數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院11第3章復(fù)習(xí)18、連續(xù)信道的信道容量

當(dāng)信號(hào)與信道中的加性高斯白噪聲的平均功率給定時(shí)，在具有一定頻帶寬度的信道上，理論上單位時(shí)間內(nèi)可能傳輸?shù)男畔⒘康臉O限值。19、香農(nóng)公式香農(nóng)認(rèn)為，受到高斯白噪聲干擾的連續(xù)信道的信道容量為：

其中，B為信道帶寬（Hz），S為信號(hào)功率（W瓦特），n0為噪聲單邊功率譜密度（W/Hz），N=n0*B為噪聲功率（W瓦特）。數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院12第3章復(fù)習(xí)20、離散信道的信道容量

離散信道的信道容量是依據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則計(jì)算的。

奈奎斯特準(zhǔn)則指出，帶寬為B的信道所能傳輸?shù)男盘?hào)的最高碼元速率（即調(diào)制速率）為2B(Baud)。

因此，離散信道的信道容量C可表示為C=2Blog2M(bps)

其中，M為碼元符號(hào)所能取得離散值的個(gè)數(shù)，即M進(jìn)制。數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院13第06次課要求掌握內(nèi)容：1、模擬信號(hào)的概念。2、采樣的定義。3、采用的分類。4、采樣定理。理解內(nèi)容1、采樣的物理過程。2、采樣信號(hào)的數(shù)學(xué)表示數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院144.1概述

模擬信號(hào)：在時(shí)間上和幅度上是連續(xù)變化的信號(hào)。

無論是數(shù)字通信洗頭膏還是模擬通信系統(tǒng)，信源所產(chǎn)生的信息和信宿所接收的信息大部分是模擬信號(hào)。

數(shù)字通信系統(tǒng)具有模擬通信系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)越性，因此數(shù)字通信系統(tǒng)是當(dāng)今使用最多的通信系統(tǒng)。

如果信源信號(hào)是模擬的，必須先把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，即模/數(shù)轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過數(shù)字傳輸系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，在接收端必須把數(shù)字?jǐn)?shù)字信號(hào)再還原成模擬信號(hào)。

將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過程稱為模擬信號(hào)的數(shù)字化。

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院154.1概述

模擬信號(hào)數(shù)字化的過程：

根據(jù)奈奎斯特采樣定理，包括采樣、量化和編碼三個(gè)過程。

模擬信號(hào)數(shù)字化的方法：

波形編碼和參量編碼

波形編碼：直接把時(shí)域波形變換為數(shù)字代碼序列，比特率在16～64kbps范圍內(nèi)，接收端重建信號(hào)的質(zhì)量好。

參量編碼：利用信號(hào)處理技術(shù)，提取信號(hào)的特征參量，再變換為數(shù)字代碼，其比特率在16kbps以下，接收端重建信號(hào)的質(zhì)量不好。數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院164.1概述

波形編碼方法是脈沖編碼調(diào)制（PCM）和增量調(diào)制（△M）。

脈沖編碼調(diào)制是最常用的模擬信號(hào)數(shù)字化方法，它主要是通過采樣、量化和編碼來完成的。數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院174.2采樣

在時(shí)間上和幅度上都連續(xù)的信號(hào)稱為模擬信號(hào)；

在時(shí)間上和幅度上都離散的信號(hào)稱為數(shù)字信號(hào)。

模擬信號(hào)數(shù)字化就是怎樣把時(shí)間上和幅度上都連續(xù)的模擬信號(hào)變換成時(shí)間上和幅度上都離散的數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院184.2采樣1、采樣的定義

所謂采樣是指模擬信號(hào)在時(shí)間域上進(jìn)行離散化的過程，即把一個(gè)時(shí)間上連續(xù)、幅度上連續(xù)的模擬信號(hào)變換成時(shí)間上離散、幅度上連續(xù)的信號(hào)。2、采樣的物理過程x(t)是被采樣的模擬信號(hào)；S為一個(gè)電子開關(guān)，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，輸出被采樣模擬信號(hào)的瞬時(shí)值；當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，輸出為零。

開關(guān)周期性地閉合和斷開就得到采樣信號(hào)xs(nTs)。其中開關(guān)S受周期為Ts的等間隔采樣脈沖序列s(nTs)的控制。數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院194.2采樣

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院204.2采樣3、采用脈沖的數(shù)學(xué)表示

采樣脈沖序列為：數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院214.2采樣

對(duì)于采樣信號(hào)xs(nTs)，模擬信號(hào)x(t)和采樣脈沖s(nTs)之間的關(guān)系，可以用數(shù)學(xué)公式表示為xs(nTs)=x(t)s(nTs)

該公式表示采樣信號(hào)xs(nTs)是由模擬信號(hào)x(t)與采樣脈沖s(nTs)相乘得到的。

因此實(shí)際的采樣過程通常是用一個(gè)乘法器實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院224.2采樣4、采樣的分類（1）理想采樣

如果采樣窄脈沖的寬度て足夠小，當(dāng)て趨于0時(shí)，這種采樣脈沖序列稱為理想沖激序列，這種采樣稱為理想采樣。數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院234.2采樣4、采樣的分類（1）理想采樣

離線采樣是不可能實(shí)現(xiàn)的。

在實(shí)際中通常采用脈沖寬度相對(duì)于采樣周期很窄的窄脈沖序列近似代替理想沖激脈沖序列進(jìn)行采樣。數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院244.2采樣4、采樣的分類（2）自然采樣

在實(shí)際電路中，采樣窄脈沖的寬度て不可能無限小，在窄脈沖寬度て持續(xù)期內(nèi)，采樣值如果隨被采樣信號(hào)的幅度變化，這種采樣方法稱為自然采樣。

幅度為1、寬度為て、周期為T的周期脈沖序列：數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院254.2采樣4、采樣分類（3）平頂采樣

采樣值如果不隨被采樣信號(hào)的幅度變化，這種采樣方法稱為平頂采樣。

才采樣過程中，成時(shí)間Ts為采樣周期，稱fs=1/T為采樣頻率。數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院264.2采樣4、采樣分類（3）平頂采樣

平頂采樣的采樣信號(hào)xs(nTs)是否包含模擬信號(hào)x(t)的全部信息呢？

用采樣信號(hào)xs(nTs)是否可以完全恢復(fù)出模擬信號(hào)x(t)呢？

采樣定理描述的是一個(gè)時(shí)間連續(xù)的模擬信號(hào)經(jīng)過采樣變成時(shí)間離散序列之后，能否用這些離散序列樣值不失真地恢復(fù)原來的模擬信號(hào)。

即，傳輸模擬信號(hào)不一定要傳輸模擬信號(hào)本身，只需傳輸模擬信號(hào)的一部分就可以了。數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院274.2采樣5、采樣定理

低通信號(hào)采樣定理：對(duì)于一個(gè)頻率在[0,fH]內(nèi)的時(shí)間連續(xù)信號(hào)x(t)，若以采樣頻率fs(fs>=2fH)對(duì)其進(jìn)行等間隔采樣，則x(t)將被其采樣信號(hào)xs(nTs)完全確定，或者說，可以從采樣信號(hào)xs(nTs)中無失真地恢復(fù)出原信號(hào)x(t)。

低通信號(hào)是指信號(hào)的頻率在0～fH范圍內(nèi)的信號(hào)，其中fH是信號(hào)的上限截止頻率（最高頻率）。

低通信號(hào)的帶寬B=fH。數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院284.2采樣5、采樣定理

顯然，Ts=1/Fs。1/(2fH)稱為奈奎斯特間隔，記為TN2fH稱為奈奎斯特速率，記為fN。

奈奎斯特間隔就是能夠唯一確定連續(xù)信號(hào)x(t)的最大的采樣間隔；

奈奎斯特速率就是能夠唯一確定連續(xù)信號(hào)x(t)的最小的采樣頻率。數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院294.2采樣5、采樣定理

在頻域表示法中，習(xí)慣于用角頻率ω來描述信號(hào)。

若用ωH表示低通信號(hào)的最高角頻率，則采樣頻率ωs>=2ωH時(shí)才能夠保證從采樣信號(hào)中無失真地恢復(fù)出原始信號(hào)。

角頻率ωs、頻率fs和采樣周期之間的關(guān)系為：

ωs=2πfs，Ts=2π/ωs，（Ts=1/fs）數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院304.2采樣5、采樣定理

低通信號(hào)采樣定理：對(duì)于一個(gè)頻率在[0,fH]內(nèi)的時(shí)間連續(xù)信號(hào)x(t)，若以采樣頻率fs(fs>=2fH)對(duì)其進(jìn)行等間隔采樣，則x(t)將被其采樣信號(hào)xs(nTs)完全確定，或者說，可以從采樣信號(hào)xs(nTs)中無失真地恢復(fù)出原信號(hào)x(t)。

低通信號(hào)采樣定理說明，當(dāng)被采樣信號(hào)x(t)的最高頻率為fH時(shí)，則x(t)的全部信息都包含在采樣間隔Ts不大于1/(2fH)的等間隔采樣里，在信號(hào)最高頻率分量的每一個(gè)周期內(nèi)，起碼要采樣兩次。數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院314.2采樣5、采樣定理

低通信號(hào)采樣定理：對(duì)于一個(gè)頻率在[0,fH]內(nèi)的時(shí)間連續(xù)信號(hào)x(t)，若以采樣頻率fs(fs>=2fH)對(duì)其進(jìn)行等間隔采樣，則x(t)將被其采樣信號(hào)xs(nTs)完全確定，或者說，可以從采樣信號(hào)xs(nTs)中無失真地恢復(fù)出原信號(hào)x(t)。

或者說，任何一個(gè)時(shí)間連續(xù)頻帶有限的模擬信號(hào)，都可以用其離散采樣值精確地恢復(fù)。數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院324.2采樣5、采樣定理

理論上，理想的采樣頻率為低通信號(hào)帶寬fH的兩倍，即2fH。

如果采樣頻率fs<2fH，則無法保證由采樣信號(hào)無失真地恢復(fù)出原信號(hào)；

但是，如果采樣頻率fs遠(yuǎn)大于2fH，則所得到的采樣信號(hào)會(huì)包含大量冗余信息。

因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，通常采樣頻率為(2.5～5)fH。數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院334.2采樣5、采樣定理

例4-1已知語音信號(hào)的頻率為300～3400Hz，對(duì)它進(jìn)行等間隔采樣，求信號(hào)帶寬、奈奎斯特速率和奈奎斯特間隔。

解：語音信號(hào)的最高頻率fH=3400Hz，最低頻率fL=300Hz，帶寬B=fH-fL=3100Hz。

奈奎斯特速率fN=2fH=6800Hz

奈奎斯特間隔TN=1/(2fH)=147us

實(shí)際使用中，由時(shí)分?jǐn)?shù)字程控交換機(jī)組成的電話交換網(wǎng)語音信號(hào)的采樣頻率fs=8000Hz，采樣周期Ts=125us。數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院34課堂練習(xí)7-1、對(duì)于脈沖編碼調(diào)制PCM來說，如果對(duì)信道帶寬為3KHz信道上的某種語音信號(hào)進(jìn)行采樣，那么采樣頻率f最少取什么值時(shí)采樣的樣本就可以包含足夠重構(gòu)原語音信號(hào)的所有信息，假設(shè)每次采樣允許達(dá)到128個(gè)量化級(jí)，計(jì)算傳輸采樣數(shù)據(jù)的速率。答：根據(jù)采樣定理采樣頻率大于等于信道帶寬的2倍，采樣值可以包含原始信號(hào)的全部信息，所以f>=3KHz×2，取f=6KHz

每次采樣的量化級(jí)是128，所以每次采樣需要7位二進(jìn)制位保存采樣值，因此傳輸采樣數(shù)據(jù)的速率為7×6K=42Kbps(3分)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院35課堂練習(xí)7-2、采用異步傳輸方式，設(shè)數(shù)據(jù)位為7位，1位校驗(yàn)位，1位停止位，則其通信效率為()A.30%B.70%C.80%D.20%答：B數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院36課堂練習(xí)7-3、T1載波的數(shù)據(jù)傳輸率為()A.1MbpsB.10MbpsC.2.048MbpsD.1.544Mbps答：D數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院37課堂練習(xí)7-4、采用相位幅度調(diào)制PAM技術(shù)，可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率，例如采用8種相位，每種相位取2種幅度值，可使一個(gè)碼元表示的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)為()A.2位B.8位C.16位D.4位答：D數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院38課堂練習(xí)7-5、若信道的復(fù)用是以信息在一幀中的時(shí)間位置(時(shí)隙)來區(qū)分，不需要另外的信息頭來標(biāo)