數(shù)據(jù)通信- 模擬信號的數(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通過的路徑。信道是以傳輸介質(zhì)為基礎(chǔ)的信號通路，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

如果信道對輸入信號作非線性處理，則信道輸出信號有非線性失真，這種失真只有當(dāng)輸入信號存在時(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，對信號的影響比恒參信道也要嚴(yán)重得多。從對信號傳輸影響來看，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

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

信號衰減隨著時(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

通信信號在傳輸中通過信道所花費(fèi)的時(shí)間稱為信號延遲，由于信號延遲而造成的信號失真稱為延遲畸變。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外的其他不攜帶有用信息的電信號。

干擾：有規(guī)律的周期性的無用信號。

噪聲：無規(guī)律的無用信號。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)男盘柕淖罡叽a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：在時(shí)間上和幅度上是連續(xù)變化的信號。

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。

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)。

如果信源信號是模擬的，必須先把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，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)字信號再還原成模擬信號。

將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程稱為模擬信號的數(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)，接收端重建信號的質(zhì)量好。

參量編碼：利用信號處理技術(shù)，提取信號的特征參量，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)的信號稱為模擬信號；

在時(shí)間上和幅度上都離散的信號稱為數(shù)字信號。

模擬信號數(shù)字化就是怎樣把時(shí)間上和幅度上都連續(xù)的模擬信號變換成時(shí)間上和幅度上都離散的數(shù)字信號。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)的模擬信號變換成時(shí)間上離散、幅度上連續(xù)的信號。2、采樣的物理過程x(t)是被采樣的模擬信號；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

對于采樣信號xs(nTs)，模擬信號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xs(nTs)是由模擬信號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xs(nTs)是否包含模擬信號x(t)的全部信息呢？

用采樣信號xs(nTs)是否可以完全恢復(fù)出模擬信號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。

即，傳輸模擬信號不一定要傳輸模擬信號本身，只需傳輸模擬信號的一部分就可以了。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

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

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

低通信號的帶寬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。

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

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

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

低通信號采樣定理說明，當(dāng)被采樣信號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

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

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

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已知語音信號的頻率為300～3400Hz，對它進(jìn)行等間隔采樣，求信號帶寬、奈奎斯特速率和奈奎斯特間隔。

解：語音信號的最高頻率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、對于脈沖編碼調(diào)制PCM來說，如果對信道帶寬為3KHz信道上的某種語音信號進(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)原語音信號的所有信息，假設(shè)每次采樣允許達(dá)到128個(gè)量化級，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的全部信息，所以f>=3KHz×2，取f=6KHz

每次采樣的量化級是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)