《现代通信技术基础》第2章-通信网技术基础

度，提高数字信号的有效性；部分系统还包含加密功能，即
在压缩后再进行保密编码。
数字通信系统的基本概念
信道编码：在经过信源编码的信号中增加一些多余的字符，
以求自动发现或纠正传输中发生的错误，其目的是提高信号
传输的可靠性。 调制：目的是使经过编码的信号特性与信道的特性相适应， 使信号经过调制后能顺利通过信道传输。 多路复用：多路信号重复使用一条信道。
图像编码技术
图像信号及其数字化：
平面运动图像信息首先表现为光的强度或灰度，其随着平面
坐标、光的波长和时间而变化。
若只考虑光的能量而不考虑光的波长，在视觉效果上只有黑
白深浅之分而无色彩变化，该图像称黑白图像；对于彩色图
像，任一彩色可分解成红、绿、蓝3种基色。
图像编码技术
在处理图像前，需先将代表图像的连续信号转变为离散信号，
现代通信技术基础
第二版 Introduction to Modern Communication Technology
第2章 通信网基础技术
本章学习目标
理解数字通信系统的基本概念。
理解信源编码中的信号处理过程。
了解信道编码中多路复用、复接与同步等技术应用。 了解数字信号传输的主要内容。 了解数字调制技术基本类型及应用。 了解差错控制编码技术应用。
非线性编码：具有非均匀量化特性的编码码组中各码位的权
值随着输入信号的幅度变化。
模拟信号的数字化处理
4. 脉冲编码调制（PCM）
模拟信号经过抽样、量化、编码完成A / D 变换，称为脉冲编
码调制（PCM）。 标准化的PCM 码组（电话语音）由8位码组代表一个抽样值。 语音模拟信号在发送端经过抽样、量化和编码后得到PCM 信 号，并经过数字信道传输。在接收端，将收到的PCM 码（二
数字通信系统的基本概念
信道与噪声：按信道的传输频带区分，各种信道可归入基
带信道和带通信道两类。数字信号经过信道传输时，信道
的传输特性以及进入信道的外部加性噪声都将对数字信号 加以影响。 同步：数字通信系统中发送端和接收端之间需有共同的时 间标准，使接收端获知所收数字信号中每个符号（码元） 的准确起止时刻，从而同步地进行接收。
信号编码速率为图像处理首要任务。
模拟方式下传输一路电话信号，需一条带宽为4kHz的模拟话 路；而一路标准电视信号的带宽是6 MHz，需要1000条以上 的模拟话路。 数字方式下传输一路电话信号，只需一条64 kbit/s的数字话路， 而采用8位线性码的一路数字电视信号的编码速率为 2×6×106×8 = 96 Mbit/s，需要1000条以上的数字话路。
均匀量化方式会造成大信号时的信噪比有余而小信号时的信
噪比不足，且编码位数多（语音信号需编11位码），加大了 编码的复杂性，并对传输信道有更高的要求。
模拟信号的数字化处理
（2）非均匀量化
实现：采用压缩、扩张的方法，即在发送端对输入信号先进
行压缩，再均匀量化；在接收端则进行相应的扩张处理。 原理：量化级间隔随信号幅度的大小自动调整。在不增大量 化级数的条件下，非均匀量化能使信号在较宽动态范围内的 信噪比达到要求。 标准化的非均匀量化特性：A律13折线压缩特性（我国采用， 如图2-3所示）和μ律15折线压缩特性。
模拟通信系统研究的主要问题：
收发两端的变换过程以及基带信号的特性。
调制与解调原理。 信道与噪声的特性及其对信号传输的影响。 噪声存在条件下的系统性能。
通信系统研究的主要问题
数字通信系统研究的主要问题：
收发信端的变换过程、模拟信号数字化以及数字基带信号的
特性。 数字调制与解调原理。 信道与噪声的特性及其对信号传输的影响。 抗干扰编码与解码，即差错控制编码问题。 保密通信问题。 同步问题。
方法的优化：在算法复杂度和时延之间找到平衡点，并向更
低比特率方移动该平衡点。
语音编码技术
语音编码的性能指标：
语音质量
编码速率
信号延时
算法复杂度
语音编码技术
语音编码方法：
（1）波形编码
从语音信号波形出发，对波形的采样值、预测值或预测误差
值进行编码。
以重建语音波形为目的，尽可能使重建波形接近原信号波形 适应能力强，重建语音质量好，但对编码速率要求较高。 能在64 kbit/s至16 kbit/s的速率上获得较为满意的语音质量。
语音编码技术
①脉冲编码调制（PCM） PCM是固定电话、长途中继和光纤传输的标准码型，速率为 64 kbit/s，采用压扩技术，即非均匀量化。 ②增量调制（DM） 用一位编码反映信号的增量是正或负的一种脉冲编码调制， 并出现了总和增量调制、数字音节压扩增量调制和差分脉码
调制等改进方法。
语音编码技术
以数字方式进行传输，在发送端应先进行模／数（A／D）
变换， 将原始信号转换为时间离散和取值离散的数字信号
模拟信号的数字化处理
模拟信号数字化过程：
①抽样：用时间间隔确定的信号样值序列来代替原在时间上连
续的信号，在时间上将模拟信号离散化。 ②量化：用有限个幅度值来近似原连续变化的幅度值，把模拟 信号的连续幅度变为有限数量且有一定间隔的散值。 ③编码：按一定规律，把量化后的信号编码形成一个二进制数 字码组输出。
量化方法：把样值的最大变化范围划分成若干个相邻的间隔。 当某样值落在某一间隔内，其输出数值就用此间隔内的某一 固定值来表示。
模拟信号的数字化处理
（1）均匀量化 采用相等的量化间隔对采样得到的信号作量化。 实际信号可看成量化输出信号与量化误差之和，量化失真率 与最小量化间隔的平方成正比。 量化失真在信号中的表现类似于噪声，也有很宽的频谱，被 称为量化噪声，并用信噪比来衡量。
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2.2 信源编码
信源编码：针对信源发送信息所进行的压缩编码。
信源编码处理的前提：模拟信号的数字化。
压缩编码技术：为提高传输效率，在保证一定信号质量的前
提下，尽可能地去除或降低信号中冗余信息，以减小传输所
用带宽。
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2.2.1 模拟信号的数字化处理
对时间连续和取值连续的原始语音和图像等模拟信号，若
语音编码技术
⑤自适应变换编码（ATC）
将语音在时间上分段，每段取样后经数字正交变换转至频域
（时域－频域变换），取相应各组频域系数，然后对系数进
行量化、编码和传输；对接收端则进行相反处理，以恢复时
域信号，再将各时段信号连成语音，速率为12~16 kbit/s 。
语音编码技术
（2）参量编码
在语音信号某特征空间抽取特征参量，构造语音信号模型，
2.6.1 差错控制的概念
2.6.2 差错控制编码
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2.1 概 述
通信系统是构成各种通信网的基础。数字通信已成为现代
通信技术的主流。数字通信系统中融合了计算机软硬件技
术，是构成现代通信网的基础。
按照信道传送信号的不同，通信可以分为模拟通信和数字
通信。
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2.1.1 通信系统研究的主要问题
码提供了依据。
图像编码技术
若能够去除这些冗余信息，使用尽量少的比特数来表示和重
建图像，就可实现图像的压缩。
图像压缩原理如图2-5所示。
---用于GSM移动通信
②CELP（码本激励线性预测编码）
---用于CDMA （IS-95） 移动通信
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2.2.3 图像编码技术
图像通信的特点:
通信效率高
形象逼真 便于记录 功能齐全 信息量大，占用频带宽
图像编码技术
图像信息量大而所需传输带宽和存储空间多，压缩数字图像
图像编码技术
模拟图像通信的特点：
占用的频带宽。
需采用相位均衡器解决模拟信道中传输时线性相位特性问题
图像信号在相邻帧的对应位臵间及在同一帧的相邻位臵间，
具有很强的相关性。 图像信息量大，而模拟信号压缩方法的压缩率很小，且对图 像质量的影响较大。 模拟图像信号传输时有噪声积累效应，使图像传输劣化。
图像编码技术
数字图像通信的特点： 可多次中继而不致引起噪声严重积累：适于多次中继的远距 离图像通信，也适于在存储中的多次复制。 有利于采用压缩编码技术：在一定的信道频带条件下可获得 比模拟传输更高的通信质量；可采用抗干扰编码技术，提高 抗干扰性能；易于实现保密通信。 体积小、功耗低。 易与联网，便于综合业务的应用。 占用信道频带较宽等缺点。
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2.1.2 数字通信系统的基本概念
数字通信的特点：
传输质量高、抗噪声性能强
抗干扰能力强
保密性好
易于与现代技术相结合
数字信号可压缩
设备体积小、重量轻
数字通信系统的基本概念
数字通信系统模型如图2-1所示。
信源：把消息转换成电信号的设备。
信源编码：基本部分是压缩编码，用以减小数字信号的冗余
利用参量量化过程生成码字进行传输，在接收端利用码字重 建语音信号一种编码方式。 根据从语音段中提取的参数，在接收端合成一个新的声音相 似（但波形不尽相同）的语音信号，实现该过程的系统称声 码器。
语音编码技术
参量编码应用于利用无线信道的移动通信等设备：
①RPE-LTP（规则脉冲激励长时预测编码）
③自适应差分编码调制（ADPCM）
综合脉冲编码调制和增量调制的特点，依据相邻样值的差值
编码的方式，有效地消除了语音信号中的冗余度，提高了编 码的有效性，速率为32 kbit/s。 ④子带编码（SBC） 对输入模拟信号进行频域分割的一种编码方式，其优点是各 子带可选择不同的量化参数以分别控制它们的量化噪声。
模拟信号的数字化处理