《通信概論》串講講義

應(yīng)考指導(dǎo)

一、考試相關(guān)情況說明

（一）課程基本情況

《通信概論》是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專業(yè)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程的指定教材是全國高等教育自學(xué)考試指導(dǎo)

委員會組編，主編：《通信概論》，

設(shè)置本課程的目的是使考生在熟悉通信的基本概念、原理和技術(shù)的基礎(chǔ)上，對電話系統(tǒng)、移動通信、微

波通信、衛(wèi)星通信、光纖通信系統(tǒng)有一個全面概括的了解和認(rèn)識，為考生將來在通信領(lǐng)域中的工作，以及后

續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下一定的專業(yè)理論基礎(chǔ)。

（二）題型與分值

題型分值分值

單項選擇題共25小題，每題1分25分

填空題共10小題，每題1分10分

名詞解釋題共5小題，每題3分15分

簡答題共6小題，每題5分30分

計算題共2小題，每題10分20分

小計48小題100分

（三）重難點分布

從知識點分布來看，本課程試題覆蓋了教材8章的全部內(nèi)容，從整體來看，教材8章內(nèi)容知識點分布不

均勻。其中1?3章是通信基礎(chǔ)知識和通信技術(shù)知識，這三章的考核內(nèi)容比例共占50%；4?8章是各種通信系

統(tǒng)的介紹，主要考核基本概念，4、5、8章的考核內(nèi)容比例各占12%,6、7章的考核內(nèi)容比例各占7%。

（四）試題難度

從試題難度來看，試題絕大部分屬于基本知識點的識記和領(lǐng)會。對于重點知識每年都會重復(fù)出現(xiàn)，只是

以不同的形式，或者考查不同的內(nèi)容。這一點大家要特別注意，不要以為以前考過的知識點就不會再考。雖

然每年均有偏題出現(xiàn)，一般是屬于課程涉及的較細(xì)的內(nèi)容，但所占比例較低，屬于正常情況?？傮w而言，試

題較為容易。

（五）命題特點

整體上看，出題順序基本上按照教材章節(jié)順序來出題，但并不是特別規(guī)律。此特點有助于我們答題時準(zhǔn)

確把握考點所屬章節(jié)，提高答題正確率。

課程大綱各章所規(guī)定的基本要求、知識點及知識點下的知識細(xì)目，都屬于考核的內(nèi)容。試題覆蓋到章，

主要考慮課程重點、章節(jié)重點，加大重點內(nèi)容的覆蓋度。試題著重考核自學(xué)者對基本概念、基本知識和基本

理論是否了解或掌握，對基本方法是否會用或熟練。

試題對不同能力層次要求的分?jǐn)?shù)比例大致為：識記占35%,領(lǐng)會占35%,應(yīng)用占30%。試題的難度可分為:

易、較易、較難和難四個等級，對應(yīng)分?jǐn)?shù)比例一般為：2:3:3:2。

從具體題型來看，單選題側(cè)重基本知識點的識記、領(lǐng)會和少量應(yīng)用，填空題、名詞解釋題側(cè)重知識點的

識記，簡答題側(cè)重知識點的識記和領(lǐng)會，計算題側(cè)重知識點的應(yīng)用（特別是前三章的知識點）。

二、本課程的學(xué)習(xí)建議

1.考生在開始學(xué)習(xí)這門課時，應(yīng)根據(jù)自己的情況制定一個切實可行的學(xué)習(xí)計劃，合理安排時間，通?？?/p>

分為二個階段：一是依據(jù)教材分章學(xué)習(xí)和做同步練習(xí)題階段；二是總復(fù)習(xí)階段，其復(fù)習(xí)技巧將在下面單獨介

紹。

2.緊扣大綱復(fù)習(xí)。最好能夠按照大綱中提練的課程內(nèi)容將教材內(nèi)容簡化成自己的學(xué)習(xí)小冊子。也就是將

大綱中課程內(nèi)容總分再充實一下，各知識點都豐富一下。比如說某個概念，要把定義或含義寫在這個概念之

后。利于記憶。此外，要注意課程內(nèi)容中沒有的知識點，如果考核要求中有的話，有必要補(bǔ)充完整。

3.注意總結(jié)教材中各章節(jié)基本知識點、重要知識點，這些知識點都是最容易出題的。

4.每復(fù)習(xí)完一遍教材做一套真題，這樣將近三年試題認(rèn)真做過，教材閱讀幾會強(qiáng)化記憶，一邊閱讀教材

一邊做題會檢查自己對所學(xué)知識的掌握情況，可以有針對性地指導(dǎo)自己的下一輪復(fù)習(xí)。

三、各類題型的特點和答題技巧

（-）單項選擇題

單項選擇題通常是考核教材中的基本知識點，絕大部分知識點屬于識記、領(lǐng)會和少量的應(yīng)用層次。因此,

要想在單項選擇題部分拿高分，甚至拿滿分的話，就必須熟練地掌握教材內(nèi)容。從近三年的試題情況來看，

這部分考查的知識點比較細(xì)，需要大家在仔細(xì)閱讀教材的過程中將一些特殊內(nèi)容標(biāo)識出來，專門予以背誦記

憶。從難度來看，單選題的難度是所有題型中最容易的，應(yīng)該說只要熟讀教材，不會有不會做的題。

（二）填空題

填空題考核側(cè)重知識點的識記，由于分值較小，主要考核重要知識點的識記，確保答題準(zhǔn)確率的方法只

能是提高教材的熟練程度。

（三）名詞解釋題

名詞解釋題基本上都是比較重要的概念，偶爾也會考到一些比較細(xì)的知識點。無論如何，只要在復(fù)習(xí)的

過程中，將教材中的所有概念都一一列出，可以肯定的是名詞解釋題就不會丟分了。

（四）簡答題

簡答題用來考核考生對某方面問題的理解和掌握程度，一般只需要直接作答，答要點即可，不需展開。

（五）計算題

計算題的考核側(cè)重知識點的應(yīng)用，尤其是前三章的知識點是考核重點?？忌仨毷炀氄莆諘局械睦},

熟練應(yīng)用相應(yīng)的計算公式。

第一章通信基礎(chǔ)

本章復(fù)習(xí)建議

本章是通信的基礎(chǔ)知識，涉及到較多的基本概念，在歷年考試中，處于相當(dāng)重要的地位，建議學(xué)員全面

掌握，重點復(fù)習(xí)。從題型來講包括單項選擇題、填空題以及計算題等題型都耍加以練習(xí)。

1.1通信的基本概念

通信就是信息的傳輸和交換。

1.2通信系統(tǒng)的組成

1.2.1通信系統(tǒng)一般模型★

通信系統(tǒng)的作用是將信息從信源傳送到一個或多個目的地。我們把能夠?qū)崿F(xiàn)信息傳輸?shù)囊磺屑夹g(shù)設(shè)備和

傳輸媒質(zhì)（信道）的集合稱為通信系統(tǒng)。

任何一種通信系統(tǒng)的核心包括信源、發(fā)送設(shè)備、傳輸媒質(zhì)（信道）、接收設(shè)備、信宿5部分,如圖1.1所示。

信源—T發(fā)送設(shè)備I——1信道］—［接收設(shè)備信宿

（發(fā)送端）（接收端）

噪聲源

圖Li通信系統(tǒng)的基本模型

1.2.2模擬通信系統(tǒng)模型

按照信道中傳輸信號的特征，可以把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。信道中傳輸模擬信號的

系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng),其典型模型如圖1.2所示。

模擬信源信宿

圖1.2模擬通信系統(tǒng)典型模型

L2.3數(shù)字通信系統(tǒng)模型

利用數(shù)字信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。圖L3描述了一個數(shù)字通信系統(tǒng)的信號流程和

信號處理過程。

信

信

信

信

數(shù)數(shù)信

源

加道

道

源

字字

編

編

洋

信道譯

調(diào)

碼解

碣

得

源照碼

制調(diào)宿

噪聲源

圖L3數(shù)字通信系統(tǒng)一般化模型

1.2.4數(shù)字通信的優(yōu)缺點

1）抗干擾能力強(qiáng),且噪聲不積累。

2）傳輸差錯可控。

3）便于與各種數(shù)字終端接口，用現(xiàn)代計算技術(shù)對信號進(jìn)行處理、加工、變換、存儲，形成綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)。

4）易于集成化,從而使通信設(shè)備微型化、且重量輕，成本低。

5）易于加密處理,且保密強(qiáng)度高。

數(shù)字通信獲得以上優(yōu)點的代價是:①比模擬通信占用更寬的信道帶寬。②數(shù)字通信對同步要求高,因而系

統(tǒng)設(shè)備比較復(fù)雜。

1.3通信系統(tǒng)的分類

1.按通信業(yè)務(wù)分類

通信系統(tǒng)可以分為電報通信系統(tǒng)、電話通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、圖像通信系統(tǒng)和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字通信網(wǎng)

等。

2.按調(diào)制方式分類★

按調(diào)制與否,通信系統(tǒng)可分為基帶系統(tǒng)和調(diào)制（或帶通）系統(tǒng)。

3.按信號特征分類★

按照信道中所傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號,相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分成模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。

4.按傳輸媒介分類★

通信系統(tǒng)可分為有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)兩大類。

5.按工作波段分類★

按通信設(shè)備的工作頻率或波長分為長波通信、中波通信、短波通信、微波通信和光通信系統(tǒng)等。

工作波長和頻率的換算公式為

,c3XIO*m/s

A=—=--------------

ff

1.4通信方式

通信方式是指通信的雙方（或多方）之間的工作方式。

1.4.1單工、半雙工和全雙工通信★

根據(jù)消息傳遞的方向與時間關(guān)系,可分為單工、半雙工及全雙工通信3種。

（1）單工通信指消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞健?/p>

（2）半雙工通信指通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時進(jìn)行收和發(fā)的工作方式。

（3）全雙工通信指通信雙方可同時進(jìn)行收、發(fā)消息的工作方式。

發(fā)端信道收端

b)

發(fā)端收端

信道

信道

收站發(fā)端

圖1.4單工.半雙工和全雙工通信方式示意圖

a）單工b）半雙I：c）全雙L.

1.4.2并行傳輸和串行傳輸

按照數(shù)據(jù)代碼傳輸?shù)臅r序,可以分為并行傳輸和串行傳輸。

并行傳輸是將代表信息的數(shù)據(jù)代碼序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時傳輸。

串行傳輸是將數(shù)據(jù)代碼序列以串行方式一個碼元接一個碼元地在一條信道上傳輸。

0()

I1

發(fā)11

接

送00

收

發(fā)00

接方方

送11

收0

方0

方0

圖L5并行傳輸圖L6串行傳輸

1.5信號與頻譜

信號是能夠反映或表示信息的傳輸載體。通信系統(tǒng)的設(shè)計和制造,必然要取決于信號的特性。

研究信號最直觀的方法就是觀察它的時域波形和頻域頻譜。

1.5.1信號分類★

電信號通常是隨時間變化的電壓、電流、電荷或磁通、電磁波或光波的統(tǒng)稱。

（1）確知信號和隨機(jī)信號。

（2）周期信號和非周期信號。

（3）模擬信號和數(shù)字信號。

a）模擬信號b）數(shù)字信號

（4）基帶信號和帶通信號。

1.5.2信號舉例

正弦波是一種最基本的周期信號。它可以用3個參量來描述:振幅、周期或頻率、相位。

（1）振幅指信號的高度或強(qiáng)度。

（2）周期指信號完成一個波形循環(huán)所要經(jīng)歷的時間。

（3）頻率指信號在1s內(nèi)完成的周期數(shù),或每秒鐘完成的循環(huán)次數(shù)?！?/p>

周期⑴和頻率（f）互為倒數(shù)關(guān)系，即

T={/f或f=\/T

【例題】一個正弦波的頻率是10Hz,它的周期是多少？

【答案】T-1〃=l/10s=0.Is

【解析】周期和頻率互為倒數(shù)關(guān)系。

（4）相位描述了波形相對于時間零點的位置，或者說,描述了波形沿時間軸向前或向后平移的偏移量?！?/p>

圖1.10不同相位的正弦波

a)001>)90°c)180°d)270°

正弦信號的一般表達(dá)式為★

(/)=Asin(3t+9)

其中,A為信號的最大振幅；3為信號的角頻率,單位是rad/s;0為信號的初始相位。角頻率和頻率的關(guān)系為:

S=2TT/O

1.5.3時域和頻域★

信號的特性可以從時域和頻域兩個不同的角度來描述。

從時域角度,描述的是信號隨時間變化的特性。

從頻域角度,描述的是信號隨頻率變化的特性。信號在頻域中的性質(zhì)，即頻率特性，由其各個頻率分量的分

布表示。它是信號的最重要的性質(zhì)之一,和信號占用的頻帶寬度以及信號的抗噪聲能力有密切關(guān)系。信號的頻

率特性可以用其頻譜、頻譜密度、能量譜密度或功率譜密度來描述。

1.5.4頻譜和帶寬★

信號頻譜是指它所包含的所有頻率分量的集合,并且通過頻域圖表示。換言之,頻譜是描述信號幅度（或相

位）隨頻率變化的關(guān)系圖。

信號帶寬是指信號占有的頻率范圍。它等于信號的最高頻分量與最低頻分量的頻率差。

B=/H-/L

1.6信道和噪聲

1.6.1信道定義與分類

信道（channel）是以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號通道。根據(jù)信道的特征以及分析問題所需，可以把信道分為狹

義信道和廣義信道。

狹義信道指各種傳輸媒質(zhì)。傳輸媒質(zhì)是可以傳輸電（或光）信號的物質(zhì)，可分為:無線信道和有線信道兩類。

廣義信道是除了包括傳輸媒質(zhì)外，還包括通信系統(tǒng)有關(guān)的變換裝置（如饋線與天線、放大器、調(diào)制器與解

調(diào)器等）所定義的信道。按照廣義信道的功能,可以分為調(diào)制信道和編碼信道等。

1.6.2有線信道

有線信道（有線傳輸媒質(zhì)）可分為:明線、對稱電纜、同軸電纜、光纖等。

L6.3無線信道

無線信道是指可以傳輸電磁波（包括光波）的自由空間或大氣層。如短波電離層反別、超短波或微波視距

中繼、人造衛(wèi)星中繼、微波對流層散射及移動無線電信道等。

根據(jù)通信距離、頻率和位置的不同，電磁波的傳播方式主要有3種:地（面）波傳播、天波傳播和視線傳播。

1.6.4信道噪聲★

噪聲是一種不需要的、有害的電信號。它獨立于有用信號并始終存在。噪聲可以看成是信道中的一種加

性干擾。

噪聲的種類很多。

（1）根據(jù)噪聲的來源進(jìn)行分類，可分為人為噪聲、自然噪聲和內(nèi)部噪聲。

（2）根據(jù)噪聲的性質(zhì)可分為單頻噪聲、脈沖噪聲和起伏噪聲。

1.6.5信道容量★

信道容量是指信道能夠無差錯傳輸?shù)淖畲笃骄畔⑺俾省?/p>

1.香農(nóng)公式★

。=8叫1+9)

香農(nóng)公式表明，當(dāng)信號與信道高斯白噪聲的平均功率給定時,在具有一定頻帶寬度的信道上,理論上單位

時間(S)內(nèi)可能傳輸?shù)男畔⒘康臉O限數(shù)值。只要傳輸速率小于等于信道容量，則總可以找到一種信道編碼方式,

實現(xiàn)無差錯傳輸。

2.重要結(jié)論

1)信道容量C受“三要素”，即B、S、no的限制。

2)提高信噪比(S/N)，可以增大信道容量.

3)若噪聲功率趨于零(或噪聲功率譜密度趨于零)，則信道容量趨于無窮大。

4)增大信道帶寬B可以增加信道容量，但不能使信道容量無限制增大。

5)信道容量C一定時,信道帶寬B和信號噪聲功率比S/N之間可以互換。

【例題】具有6.5MHz帶寬的某高斯信道,若信道中信號功率與噪聲功率譜密度之比為45.5MHz,試求其信

道容量。

【答案】根據(jù)香農(nóng)公式

1+焉）平5XIOS、］唯1+簫）Mbit/s

=(6.5x1()6x3)Mbit/s=19.5Mbit/s

【解析】香農(nóng)公式定義(必須熟記及理解香農(nóng)公式)。

1.7多路復(fù)用技術(shù)

復(fù)用就是解決如何利用一條信道同時傳輸多路信號的技術(shù)。其目的是為了充分利用信道的頻帶或時間資

源,提高信道的利用率,擴(kuò)大通信的容量。

目前常用的復(fù)用技術(shù)主要有:頻分復(fù)用(FDM)、時分復(fù)用(TDM)、碼分復(fù)用(CDV)、波分復(fù)用(WDM)等。

1.7.1頻分復(fù)用★

頻分復(fù)用(FDM)是一種按頻率來劃分信道的復(fù)用方式。在FDM中，信道的帶寬被分成多個相互不重疊的頻

段(子通道)，每路信號占據(jù)其中一個子通道,并且各路之間必須留有本被使用的頻帶(防護(hù)頻帶)進(jìn)行分隔，以

防止信號重疊。

消息

圖1.22頻分復(fù)用系統(tǒng)組成原理圖

1.7.2時分復(fù)用★

時分復(fù)用（TDM）是利用分時方式來實現(xiàn)在同一信道中傳輸多路信號的方法。在TDM中，各路信號按分配的

時隙依次定時傳送,即在任意時刻上信道中只有一路信號在傳輸。

TDM通常用于數(shù)字信號的多路傳輸。對于多路電話信號的時分復(fù)用，則是根據(jù)抽樣定理通過脈沖調(diào)制等技

術(shù)來實現(xiàn)的。圖.24a給出了時分多路復(fù)用的原理示意圖。

?i（0-1低―1-----------------------低-1__叫"）

同步旋找開關(guān)

圖1.24時分多路復(fù)用的原理示意圖

a）時分多路紅川原理框圖b）信號的采樣e）信的采樣.?）旋轉(zhuǎn)開關(guān)采集到的信號

TDM的特點是各路信號在頻率上是重疊的,而在時間上是分開的,即任一時刻上，信道中只有一路信號在

傳輸。FDM的特點是各路信號在頻率L是分開的,即頻譜互不重疊,而在時間上是重疊的。

1.7.3碼分復(fù)用

碼分復(fù)用（CDM）中，各路信號碼元在頻譜上和時間上都是重疊的，但是不同用戶傳輸?shù)男盘柺强扛髯圆煌?/p>

的（正交）編碼序列來區(qū)分的。碼分復(fù)用是用正交的脈沖序列分別攜帶不同信號。這種復(fù)用方式多用于空間通

信的擴(kuò)頻通信和移動通信系統(tǒng)中。

1.7.4波分復(fù)用

波分復(fù)用（WDM）是光通信的復(fù)用技術(shù),其原理與頻分復(fù)用類似。

1.8通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)

評價一個通信系統(tǒng)優(yōu)劣的性能指標(biāo)包括:有效性、可靠性、適應(yīng)性、可維護(hù)性等。其中，有效性和可靠性

是通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)。

1.8.1模擬通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)

模擬通信系統(tǒng)的有效性可用傳輸帶寬B來度量。

模擬通信系統(tǒng)的可靠性通常用接收端最終輸出信噪比S/N來度量。

1.8.2數(shù)字通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)

1.數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性可用傳輸速率和頻帶利用率來衡量。

1)碼元速率RB,又稱波特率。它表示每秒傳送的碼元數(shù)目，單位為波特(Baud)。碼元長度(或稱碼元周期)

為T(s)時，有

2)信息速率氐,又稱比特率。它表示每秒傳送的信息量(或比特數(shù))。由于信息量的單位是比特(bit),所

以Rb的單位為比特/秒(bit/s)。

比特率、波特率和信號的進(jìn)制數(shù)M有如下確定的關(guān)系：

即=*/懦,“★

3)頻帶利用率。頻帶利用率n(Baud/Hz或bit/(s?Hz)),它定義為每赫茲內(nèi)所實現(xiàn)的傳輸速率，即

"不或小=豆

2.數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性可用差錯率來衡量。差錯率常用誤碼率和誤信率表示。

1)誤碼率Pe?它是指接收的錯誤碼元數(shù)在傳輸總碼元數(shù)中所占的比例,或者說是碼元在傳輸中被傳錯的

概率,即

p錯誤碼元數(shù)

百輸總碼元數(shù)

2)誤信率Pb,又稱誤比特率。它是指接收的錯誤比特數(shù)在傳輸總比特數(shù)中所占的比例，即

p錯誤比特數(shù)

k堿總比特數(shù)

【例題】設(shè)A系統(tǒng)以2000bit/s的比特率傳輸2PSK調(diào)制信號的帶寬為2000Hz,B系統(tǒng)以2000bit/s的比

特率傳輸4PSK調(diào)制信號的帶寬為1000Hz。試問：哪個系統(tǒng)更有效？

【答案】

2000..,,

=—-bit/(s-Hz)=lbit/(s-Hz)

A系統(tǒng)-=萬2000

2000..“

=^x^bit/(s?Hz)=2hit/(s-Hz)

B系統(tǒng)1000

所以,B系統(tǒng)的有效性更好。

【解析】兩個傳輸速率相等的系統(tǒng)其傳輸效率并不一定相同。因為,真正衡量數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)

是頻帶利用率。

1.9通信技術(shù)發(fā)展簡史

表1?3通信技術(shù)發(fā)展簡史

年份事件

1837英爾斯發(fā)明了有線電報

1864麥克斯仔預(yù)占了電強(qiáng)箱射

1876貝爾發(fā)明廣電話

1887繇茲驗證r麥克斯韋的理論

1900馬克尼件次發(fā)射橫跨大西洋的無線電信號

1904弗萊明發(fā)明女空.極曾

1905費集登通過無戰(zhàn)電波傳送語國。音樂

1906福雷斯特發(fā)明其電二極管放大器

1918阿摒斯特朗發(fā)明同外般無線接收機(jī)

1920卜森將抽樣定理用于遒儲系統(tǒng)

1931電傳打字機(jī)*務(wù)何世

1933阿帆斯特朗發(fā)明調(diào)頻技術(shù)

1936英國BBC電視臺開檢

1937甲.夫斯（Alec-Reeve.）提出脈沖編碼則制（PCM）

1946美國研制出第11電子數(shù)字計算機(jī)

1947貝爾實般室的布萊頓.巴丁和少克奈發(fā)明晶體管

1948用農(nóng)發(fā)表信息論

1953第-條橫渡大西洋的電話電纜成功婚設(shè)

梅登我小「激光器；美國發(fā)射第敕通信口早3962年hU早通信步入安川階段；實舲性的

1960~1970

PCM系統(tǒng)；實驗性的光通俏；集成電路；登.”實況電視轉(zhuǎn)播（1968年）

商用通信IJ.星投入使用；第一塊單片微處碑器問世；演示修筑電話系燒；出現(xiàn)個人汁舁機(jī)，大燎

1970~1980

根集成電路時代到來；光舒通信系統(tǒng)；分組交換的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)系統(tǒng)

移動、蜂窩電話系統(tǒng)；名功能數(shù)字顯小㈱；可編程數(shù)字處理器；芯片加密；小縮光盤；單片數(shù)丁編

1980-1990

譯碼器；出現(xiàn)IBMM：機(jī)；傳真機(jī)廣泛使用；以太網(wǎng)發(fā)展；數(shù)字俏”處理器的發(fā)展

11型全球定僮系統(tǒng)＜（"、＞充成；其小“神衛(wèi)用地面站；株今業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN）發(fā)戰(zhàn)；蜂窩電話

1990~2000的廣泛應(yīng)川；囚恃網(wǎng)的個人和角業(yè)應(yīng)用的普及；擴(kuò)頻詡信系統(tǒng)；數(shù)7電視；數(shù)手R爪系tk（DTV）；

個人通信系統(tǒng)（PC§＞時代

電干貨幣的收用和普及；數(shù)字家丑；數(shù)字出版物：遠(yuǎn)程醫(yī)療；智能大樓；*r通俏；流早余跡通

信t軟件無線電；亶牙技術(shù)寬帶技術(shù)、Zigk。技術(shù).WiMAX技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

第二章模擬信號數(shù)字化及其傳輸

本章復(fù)習(xí)建議

本章仍是通信的基礎(chǔ)知識，涉及到較多的基本概念（重點了解抽樣定理、PCM原理等），在歷年考試中,

處于相當(dāng)重要的地位，建議學(xué)員全面掌握，重點復(fù)習(xí)。從題型來講包括單項選擇題、填空題、名詞解釋以及

計算題等題型都要加以練習(xí)。

2.1概述

模擬信號數(shù)字化一般需要以下3個基本環(huán)節(jié)：

1）模/數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）——將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；

2）按數(shù)字傳輸方法——數(shù)字基帶傳輸或數(shù)字調(diào)制傳輸;

3）數(shù)/模轉(zhuǎn)換（D/A）——將數(shù)字信號還原為模擬信。

1.模/數(shù)變換（A/D）的3個步驟★

模擬信號數(shù)字化過程包括:抽樣、量化和編碼,如圖2.1所示。

圖2.1模擬信號的數(shù)字化過程

a）抽樣信號b）研化信號c）懈碼倍號

2.編碼方法和分類

編碼技術(shù)分為波形編碼和參量編碼兩類。

編碼技術(shù)概念優(yōu)點缺點

直接把時域波形變換為數(shù)字代接收端重建信號的質(zhì)

波形編碼要求比特率較高

碼序列。量好

利用信號處理技術(shù),先提取語音

接收端重建信號的質(zhì)

參量編碼信號的特征參量,再將這些參量所需比特率低

量不夠好

變換成數(shù)字代碼。

2.2抽樣定理

所謂抽樣，就是將模擬信號變成一系列時間上離散的抽樣值的過程。

抽樣定理分類：低通抽樣定理和帶通抽樣定理：理想抽樣和實際抽樣。

低通信號和帶通信號是這樣界定的：設(shè)信號的頻率范圍為fL-fH,帶寬為8=九一九，若B>九，則

為低通信號,若3W力,則為帶通信號。

2.2.1低通抽樣定理★

定理:一個頻帶限制在(0,/H)內(nèi)的模擬信號m(t),如果以T41/2/*的間隔對它抽樣，則m(t)將被抽樣

值完全確定。這就是低通信號的抽樣定理。

含義:抽樣后信號ms(t)包含了原模擬信號m(t)的全部信息。所以不必傳輸nKt)本身，只需傳輸它的抽樣信

號ms(t),收端就能從ms⑴中恢復(fù)m(t)。其前提條件是

抽樣間隔Twj,或抽樣速率

若抽樣速率/<2fH,則會產(chǎn)生失真，這種失真叫混疊失真。

2.2.2帶通抽樣定理

定理:對于一個頻帶限制在九~九內(nèi),帶寬為B=，-力.的帶通信號m(t),如果對它進(jìn)行抽樣的最小

抽樣頻率滿足

3中+:)

則m(t)將被抽樣值完全確定。

當(dāng)力?B時,n很大,這時fs工2B。

2.3脈沖振幅調(diào)制

模擬脈沖調(diào)制是以時間上離散的脈沖序列作為載波,用模擬基帶信號m(t)去控制脈沖序列的某個參量

(振幅、寬度和位置)，使其隨m(t)的規(guī)律變化。

脈沖振幅調(diào)制(PAM)：脈沖序列的幅度隨m(t)的規(guī)律變化。

脈寬調(diào)制(PDM)：脈沖序列的寬度隨m(t)的規(guī)律變化。

脈位調(diào)制(PPM)：脈沖序列的位置隨m(t)的規(guī)律變化。

脈沖高度在變化

PAM液也

|膿沖位置不變寬度變化

11■I”「IIPDM波形

膿沖寬變不變豚

沖位置化變化

PPM波形

圖2.5PAM,PD.M.PPM信號波形

用窄脈沖序列進(jìn)行抽樣的兩種PAM方式是：自然抽樣和平頂抽樣。

1.自然抽樣

自然抽樣又稱曲頂抽樣,它是指抽樣后信號的脈沖頂部與原模擬信號波形相同,如圖2.6e所示。

圖2.6自然抽樣過程的波形和頻譜

2.平頂抽樣

平頂抽樣又叫瞬時抽樣,它與自然抽樣的不同之處在于抽樣后信號（見圖2.7b）中的脈沖頂部是平坦的,

脈沖幅度等于瞬時抽樣值。

保持電J?

JLI1

b)

圖2.7抽樣原理他圖及信號波形

a）抽樣保持電路b）信號波形

2.4脈沖編碼調(diào)制

脈沖編碼調(diào)制（PCM）本質(zhì)上是一種模/數(shù)轉(zhuǎn)換方式,它是將模擬信號變換成二進(jìn)制信號的常用方法。

PCM系統(tǒng)原理框圖如圖2.8所示。在發(fā)送端，輸入的模擬信號m（t）經(jīng)“抽樣、量化、編碼”后變成了二進(jìn)制

數(shù)字信號（PCM信號）。在接收端,PCM信號經(jīng)譯碼后還原為量化后的樣值脈沖序列,然后經(jīng)低通濾波器濾除高頻

分量,便可得到重建信號?！?/p>

沖激脈沖

a)

PCM信號模擬信號

輸入輸出

b）

圖2.8PCM系統(tǒng)原理方框圖

G編碼器1＞）洋碼器

抽樣是按抽樣定理把時間上連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為時間上離散的抽樣信號；

量化是把幅度上仍連續(xù)（無窮多個取值）的抽樣信號進(jìn)行幅度離散化,即指定有限個（M個）量化電平,把抽

樣值用最接近的電平表示；

編碼則是用二進(jìn)制碼組表示量化后的信號電平。

2.4.1量化

量化是將抽樣信號幅值進(jìn)行離散化處理的過程。量化后,無限個模擬抽樣值變成了有限個（M個）量化電平

值,也就是說，將模擬抽樣信號（PAM信號）變成了多電平數(shù)字信號。

在量化過程中,量化輸出電平和量化前信號的抽樣值之間會產(chǎn)生誤差,這種誤差稱為量化誤差.

1.均勻量化

把輸入信號的取值域等間隔分割的量化稱為均勻量化。

均勻量化對于小輸入信號很不利。為了克服這個缺點,改善小信號的量化信噪比,在實際應(yīng)用中常采用非

均勻量化。

2.非均勻量化★

在非均勻量化時,量化間隔隨信號抽樣值的不同而不同。信號抽樣值小時,量化間隔Av也小;信號抽樣值

大時,量化間隔Av也變大。這樣就可以在保證編碼位數(shù)不變時，以減小大信號的量化信噪比（仍能滿足要求），

來提高小信號的量化信噪比。

實現(xiàn)非均勻量化的方法之一是把輸入信號X先進(jìn)行壓縮處理,然后再把壓縮后的信號y進(jìn)行均勻量化,如圖

2.11所示。所謂壓縮器就是一個非線性變換電路，它的作用是“壓大補(bǔ)小”，即擴(kuò)張小信號,壓縮大信號。注意,

在接收端要采用一個與壓縮特性相反的擴(kuò)張器來恢復(fù)X。

1—I壓.均勻/化?~-…—，擴(kuò)張卜一…

圖2.11非均勻量化

為了使壓縮器起到“壓大補(bǔ)小”的作用，在理論上要求壓縮特性具有對數(shù)特性，即壓縮器的入出關(guān)系應(yīng)為

y=lnx0圖2.12畫出了壓縮特性的示意圖。由圖可見，雖然它的縱坐標(biāo)y是均勻分級的，但由于壓縮的結(jié)果，反映到

輸入信號多就成為非均勻量化了,即信號小時量化間隔Ax小，信號大時量化間隔Ax也大，而在均勻量化中，量化

間隔卻是固定不變的。

困2.12壓縮特性

關(guān)于電話信號的壓縮特性,國際電信聯(lián)盟（ITU）制定了兩種建議,即A壓縮律和口壓縮律,在實際運用中,A

律和口律壓縮特性分別用13折線法和15折線來近似。我國大陸、歐洲各國以及國際間互聯(lián)時采用A律及相應(yīng)的

13折線法,北美、日本和韓國等少數(shù)國家和地區(qū)采用U律及15折線法。

（1）A壓縮律

Ax

1+\nA'

y=

1+11

1+ln.4A

（2）N壓縮律

ln(1+ux)人.

ln(1+")

（3）A律13折線★

A律13折線的產(chǎn)生是從非均勻量化的基本點出發(fā),設(shè)法用13段折線逼近處A=87.6的A律壓縮特性。具體方法

是:將輸入x軸和輸出y軸用兩種不同的方法劃分。對x軸在0?1（歸一化）范圍內(nèi)非均勻分成8段,分段的規(guī)律是

每次以1/2對分,第一次在0?1之間的1/2處對分,第二次在0?1/2之間的1/4處對分,第三次在0?1/4之間在

1/8處對分，其余類推。對y軸在0?1（歸一化）范圍內(nèi)采用等分法，均勻分成8段,每段間隔均為1/8。然后把x,y

各對應(yīng)段的交點連接起來構(gòu)成8段直線，得到如圖2.13所示的折線壓縮特性，其中第1、2段斜率相同（均為16）,

因此可視為一條直線段,故實際上只有7根斜率不同的折線。

圖2.13A律13折線壓縮特性曲線

以上分析的是正方向，由于語音信號是雙極性信號,因此在負(fù)方向也有與正方向?qū)ΨQ的一組折線,也是7根,

但其中靠近零點的1、2段斜率也都等于16,與正方向的第1、2段斜率相同，又可以合并一根，因此，正、負(fù)雙向

共有2X(8-1)-1=13折，故稱其為13折線。但在定量計算時，仍以正、負(fù)各有8段為準(zhǔn).

(4)U律15折線

采用15折線逼近u律壓縮特性(U=255)的原理與A律13折線類似。15折線對小信號的量化信噪比改善程度

更好;不過，對于大信號來說，U律要比A律差。

2.4.2編碼

把量化后的有限個信號電平值變換成二進(jìn)制碼組的過程稱為編碼。其逆過程稱為解碼或譯碼。

1.常用二進(jìn)制碼

二進(jìn)制碼具有抗干擾能力強(qiáng)，易于產(chǎn)生等優(yōu)點，因此PCM中一般采用二進(jìn)制碼。對于M=2N個量化電平，可以

用N位二進(jìn)制碼來表示。

日前常用的二進(jìn)制碼有3種:自然二進(jìn)碼、折疊二進(jìn)碼和格雷二進(jìn)碼。

2.碼位的選擇與安排★

碼位數(shù)的選擇，它不僅關(guān)系到通信質(zhì)量的好壞,而且還涉及設(shè)備的復(fù)雜度。

在語音通信中通常采用8位的PCM編碼就能夠保證滿意的通信質(zhì)量。

在13折線中，正、負(fù)方向各有8個段落，每一段再均分為16個量化級，這樣共有M=256個量化級,即正、負(fù)輸入

幅度范圍內(nèi)各有128個量化級。由于M=256=28,所以需要采用8位碼。A律13折線PCM編碼就是將每個抽樣值

轉(zhuǎn)換為8位折疊二進(jìn)碼:C1C2c3c4c5c6c7c8。這8位碼的安排如下：

極性碼段落碼段內(nèi)碼

ClC2c3c4C5c6c7c8

1)極性碼Cl——表示信號樣值脈沖的極性。若極性為正，則C|=1;若極性為負(fù)，則C|=O。

2)段落碼C2c3c4——它的8種可能狀態(tài)分別對應(yīng)表示8個段落的起點電平，如表2.2所示。

表2.2段落碼及其對應(yīng)電平

后化間附

'Ll-K電-他圜（A）段落碼Gc,C4E2京起始電平

81024-20481111024M

7512-102411051232

6256-51210125616

3128-256100I2S8

464-1280I1644

332-64010322

216-32001161

I?0-1600001

注意:表中的△表示歸一化輸入電壓的最小量化單位，即A=l/2048。

3）段內(nèi)碼氣C5c6c7c8——它的16種可能狀態(tài)對應(yīng)代表各段內(nèi)的16個不同的量化級，如表2.3所示。

表2,3段內(nèi)碼

電平段內(nèi)碼電平段內(nèi)碼

序號序號c,GGG

15111!70111

12110040100

II101130011

10101020010

9100110001

810000(XXX)

3.逐次比較法編碼器

【例題】設(shè)輸入信號的樣值電流Is=+1270A,采用逐次比較型編碼器，按A壓縮律13折線將其編成8位PCM

碼組。

【答案】逐次比較型編碼器編碼過程如下：

1）確定極性碼Ci：因為Is為正，所以Ci=l。

2）確定段落碼QC3c4：由表2.2可知,C2表示樣值Is處于前四段還是后四段，故恒流源輸出的第一個標(biāo)準(zhǔn)電流

為:Iwi=128^?

第一次比較結(jié)果為Is>Q,故C2=l,說明樣值Is處于后四段（5?8段）內(nèi)。根據(jù)C2=l,恒流源輸出的第二個標(biāo)準(zhǔn)

電流為：Iw2=512△，以用來比較確定樣值Is處于5?6段還是7?8段。

第二次比較結(jié)果為Is>Iw2,故C3=l,說明樣值Is處于7~8段內(nèi)。根據(jù)QC3=11,恒流源輸出的第三個標(biāo)準(zhǔn)電流為:

IW3=1024AO

第三次比較結(jié)果為Is>lw3,故C4=l。經(jīng)過以上3次比較，編出的段落碼C2c3c4為“111”,說明Is處于第8段。由

表2.2可知，它的起始電平為1024△，量化間隔AV8=64A

3）確定段內(nèi)碼C5c6c7c8：段內(nèi)碼是在確定樣值Is位于第i個段落的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步確定樣值Is在該段落的哪

一個量化級（量化間隔）內(nèi)。首先要確定Is在前8級還是后8級,故恒流源輸出的第四個標(biāo)準(zhǔn)電流為

&=1024+8x64=1536A

第四次比較結(jié)果為故C5=0。由表2.3可知，樣值Is處于前8級（0?7級）。接著要確定Is處于這8級中的前

4級還是后4級,故恒流源輸出的第五個標(biāo)準(zhǔn)電流為

（s=1024+4x64=12804

同理可得,C6=0,C7=l,C8=l?

經(jīng)過以上編碼過程，對于模擬抽樣值Is=+1270△，編出的PCM碼組為C|C2c3c4c5c6c7c8=11110011,它表示Is

處于第8段落的序號為3的量化間隔內(nèi)，其量化電平為1216A故量化誤差等于54Z1

4.譯碼

譯碼（也稱解碼）是編碼的逆過程,即把收到的PCM信號還原成相應(yīng)的PAM信號。

2.4.3PCM信號的帶寬★

二進(jìn)制PCM信號的帶寬取決于數(shù)據(jù)的比特率以及用于表示數(shù)據(jù)的脈沖波形的形狀。設(shè)模擬信號m⑴的最

高頻率為fH,抽樣頻率fsRfH,每個樣值脈沖的二進(jìn)制編碼位數(shù)為N,貝IPCM信號的比特率為

Rb=f?N

當(dāng)使用矩形脈沖時，零點帶寬是脈沖寬度的倒數(shù)。對于二進(jìn)制非歸零信號，脈沖寬度t=l/Rb，所以PCM

信號的第一零點帶寬為

B=R=Nf

當(dāng)使用的脈沖形狀為sinx/x類型時，PCM信號所的最水傳輸帶寬（奈奎斯特帶寬）為

例如，對于電話系統(tǒng)，取fs=8kHz,N=8,則一路電話的比特率為Rb