通信原理第六章
数据通信原理第6章
码型的频域特性 抗噪声能力 提取位定时信息 简单二元码 1B2B码 AMI码 HDB3码 2B1Q码
2. 二元码
每个码元上传送一位二进制信息
3. 三元码
4. 多元码
每个码元上传送一位多进制信息
28
2.简单二元码的功率谱
花瓣形状：主瓣，旁瓣 主瓣带宽：信号的近似带宽-----谱零点带宽
数字信息--------------->码型---------->数字信息
5
数字基带信号的码型设计原则
⑴ 码型应不含有直流，且低频成分小，尽量减少高频分量以节约 频率资源减少串音；
(2)码型中应含有定时信息，便于提取定时信息；
(3)码型变换设备要简单； (4)编码应具有一定的检错能力； (5)编码方案应对信息类型没有任何限制； (6)低误码率繁殖；
H ( ) GT ( )C( )GR ( )
假定输入基带信号的基本脉冲为单位冲击δ(t)，这样发送 滤波器的输入信号可以表示为
d (t )
k
a (t kT )
k b
图 6 – 6 基带传输系统简化图
38
其中ak 是第k个码元，对于二进制数字信号，ak 的取值为0、 1(单极性信号)或-1、+1(双极性信号)。
(7) 高的编码效率；
6
7
8
1.单极性非归零（NRZ）码 单极性：1---高电平；0---0电平，码元持续期间电平不变 非归零：NRZ (nor-return to zero) 有直流且有固定0电平，多用于终端设备或近距离传输 （线路板内或线路板间）；
特点：发送能量大，有利于提高收端信噪比；信道上占 用频带窄；有直流分量，导致信号失真；不能直接提取 位同步信息；判决门限不能稳定在最佳电平上，抗噪声 性能差；需一端接地。
通信原理(第六章 数字基带传输系统)图片公式
七、什么是眼图？眼图模型、说明什么问题？
八、时域均衡：基本原理、解决什么问题？如何衡量均 衡效果？
一、数字基带系统和频带系统结构
一、数字基带信号(电波形)及其频谱特性(1)
二元码：幅度取值只有两种“1”、“0”或“1”、 “-1”
单极性非归零码：用高低电平分别表示“1”和“0”， 如图6-1(a) 。一般用于近距离之间的信号传输 双极性非归零码：用正负电平分别表示“1”和“0”， 如图6-1(b)。应用广泛，适应于在有线和电缆信道中 传输。 单极性归零码：有电脉冲宽度比码元宽度窄，每个脉 冲都回到零电位。如图6-1(c)。利于减小码元间波形 的干扰和同步时钟提取。但码元能量小，匹配接收时 输出信噪比低些
二、基带传输码的常用码型（4）
HDB3特点：保持AMI码的优点，三元码，无直流分量，主 要功率集中在码速率fb的1/2出附近（如图）。 位定时频率分量为零，通过极性交替规律得到检错能力。 增加了使连0串减少到 至多3个的优点，而不管 信息源的统计特性如何。
对于定时信号的恢复 是十分有利的。广泛应 用于基带传输与接口码。
Pv (w) = 2p å
¥ m =-
Cn d (w - mws )
2
Pv ( f ) = å
2
Cn d ( f - mf s )
2
故稳态波的双边功率谱密度
Pv ( f ) = å
¥ m =-
f s [ PG1 (mf s ) + (1 - P)G2 (mf s )] ? d ( f
mf s )..(6.1 - 14)
代入(6.1-26)得单极性非归零波形的双边功率谱密度
Ps (w) = Ts 2 1 Sa (p fTs ) + d ( f )..(6.1 - 30) 4 4
通信原理第六章 数字信号的频带传输
通信原理ICommunication Theory安建伟北京科技大学通信工程系第六章 数字信号的频带传输6.1 引言 6.2 二进制数字信号正弦型载波调制 6.3 四相移相键控 6.4 M进制数字调制 6.5 恒包络连续相位调制第6章数字信号的频带传输6.1 引言1.数字信号的正弦型载波调制数字信号 d(t) 调制 频带信号 带通信道s ( t ) = A c o s ( 2 π ft + ϕ ) = F ( d ( t ))用数字基带信号去控制正弦型载波的某参量： ¾ 控制载波的幅度，称为振幅键控(ASK)； ¾ 控制载波的频率，称为频率键控(FSK)； ¾ 控制载波的相位，称为相位键控(PSK)。
3北京科技大学通信系第6章数字信号的频带传输2. 数字信号的分类 （1）二进制及M进制(M>2)； （2）按是否满足叠加原理分类： 线性调制及非线性调制； （3）按已调符号约束关系分类 无记忆调制及有记忆调制。
4北京科技大学通信系第6章数字信号的频带传输6.2 二进制数字信号的正弦载波调制1. 二进制通断键控（OOK或2ASK） 2. 二进制移频键控（2FSK） 3. 二进制移相键控（2PSK或BPSK） 4. 2PSK的载波同步 5. 差分移相键控（DPSK）5北京科技大学通信系第6章数字信号的频带传输 (OOK) 6.2.1 二进制通断键控二进制通断键控(OOK： On-Off Keying) 又名二进制振幅键(2ASK)，它是以单极性 不归零码序列来控制正弦载波的导通与关 闭。
即正弦载波的幅度随数字基带信号而 变化。
6北京科技大学通信系第6章数字信号的频带传输1. OOK信号的产生a) 模拟法n = −∞∑+∞a nδ ( t − nTb )b (t ) =a n = 0 或1脉冲成形 滤波器 冲激响应 g T ( t )n = −∞∑+∞a n g T ( t − nTb )sO O K (t ) A cos(2π f c t )b) 键控法载波 cosωct开关电路1 0KSOOK(t)b(t)7北京科技大学通信系第6章数字信号的频带传输¾时域表示b( t ) =n = −∞∑a∞ngT ( t − nTb )其中b(t)为单极性矩形不归零脉冲序列。
通信原理讲义-第六章 数字信号的载波传输1二进制调制
数字信号的调制可以看成特殊调制信号 的模拟调制，类似模拟调制的情况，数 字调制也是用调制信号调制载波的三个 参数：振幅、频率、相位。 相应地称为：幅度键控、频率键控、相 位键控。
6.1 二进制数字调制
二进制数字调制是指调制信号为二进制 基带信号，这种调制信号仅有两种电平， 表示为“1”和“0”： 二进制数字调制又分为： 二进制幅度键控 二进制频率键控 二进制相位键控
数字基 带信号 二进制幅度键控s2ASK(t)
载波Acoswct
二进制幅度键控解调（非相干）
带通 滤波器
1 0.5 0 -0.5 -1 0 1 0.5 0 -0.5 -1 0 1 0.5 0 -0.5 -1 0 100 200 300 400 500 600 100 200 300 400 500 600 100 200 300 400 500 600
1 A1 0 0 0 1 ……
由调频理论，调制后信号的瞬时频率 w(t)=w0+KFMf(t) 而对单极性二元基带信号只有两种电平： f(t)=0或1， 故：w1= w0+KFM w2= w0。
二进制频率键控调制后的时域波形
1
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1
二进制差分相位键控的调制方法
二元单 极性码 输入 相对码 差分编码 二进制差分相位 键控DPSK输出
Acos(wct)
载波发生器
差分编码原理：
后一位与新生成的前一位码做模2和得到新生成的码
绝对码：1 0 0 1 0 1 1 0 相对码：1 1 1 0 0 1 0 0
二进制差分相位键控的解调（相干）
通信原理第6章 模拟信号的数字传输
可见：量化电平增加一倍，即编码位数每增加一位， 量化信噪比提高6分贝。
2020/1/25
第6章 模拟信号的数字传输
11
6.1.2 量化
对于正弦信号，大信号出现概率大，故量化信噪比近
似为
Sq Nq
dB
6k
2
(dB）
对于语音信号，小信号出现概率大，故量化信噪比近 似为
取样定理描述：一个频带限制在 0 ~ f H内的连续信
号
m(t ) ，如果取样速率
fs
2
f
，则可以由离散样值
H
序列ms (t)无失真地重建原模拟信号 m(t) 。
取样定理证明：
ms (t) m(t) Ts (t)
M s ( f ) M ( f ) Ts ( f )
Ts ( f )
第６章 模拟信号的数字传输
1、数字通信有许多优点:
抗干扰能力强，远距离传输时可消除噪声积累 差错可控，利用信道编码可使误码率降低。 易于和各种数字终端接口中； 易于集成化，使通信设备小型化和微型化 易于加密处理等。
2、实际中有待传输的许多信号是模拟信号
语音信号； 图像信号； 温度、压力等传感器的输出信号。
于前一个时刻的值上升一个台阶；每收到一个代码 “0”就下降一个台阶。 编码和译码器
2020/1/25
第6章 模拟信号的数字传输
25
6.2.2 △Ｍ系统中的噪声
采用△Ｍ实现模拟信号数字传输的系统称为△Ｍ系统
△Ｍ系统中引起输出与输入不同的主要原因是：量化 误差和数字通信系统误码引起的误码噪声。
2020/1/25
第6章 模拟信号的数字传输
通信原理第六章
设fH=(n+k)B，其中n为整数，0k<1，则
mn
fs
2 fH m
2B1
k n
2020年2月
西南交通大学电气工程学院
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6.2 脉冲编码调制
特例： 当fH=nB时，m=n，则 fs=2fH/m=2B。
2020年2月
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例：已知
6.2 脉冲编码调制
编码位数每增加一位，量化信噪比就增加6分贝。
2020年2月
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6.2 脉冲编码调制
说明： 1）以上结论是在假设信号抽样值在量化范围内等概 出现时得到的。 对正弦信号，取值较大的样值出现概率大，取值较 小的样值出现概率较小。 对语音信号，由于取值较小的样值出现概率大，而 取值大的样值出现概率反而小。 所以，对正弦信号和语音信理
一个频带限制在0~ fH范围内的模拟信号，若取样速 率大于等于2 fH，则可由样值序列无失真地重建原 始信号。否则取样信号将出现频谱混叠，不能从中 恢复原始信号。
fs=2fH为奈奎斯特速率，它是取样的最低速率； Ts=1/fs=1/(2fH)为奈奎斯特取样间隔，它是所允许的
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2020年2月
1472 1504
西南交通大学电气工程学院
64
2048
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6.2 脉冲编码调制
➢编码 编码：将抽样量化后的离散信号电平值转换为二进 制码组来表示。 译码：将二进制码组再恢复为离散信号电平。
量化电平序号 编码 量化电平序号 编码
0
000
4
100
1
001
5
101
2
010
通信原理第六章ppt课件
§6.2 抽样定理
• 如果想把时间连续的模拟信号变成0/1数字 串，必须先抽样
• 但是，很显然，抽样以后
• 的信号，与原来的信号是
• 不同的
• 能否从抽样信号中恢复原
t
• 信号呢？如果能，有什么条件？
:
§6.2.1 低通信号抽样定理
可以看作下面两 个信号的乘积
t
1
t
t
:
m(t)
t
T (t)
t
➢ 对 Y 的均匀量化，等效为对 X 的非均匀量化。
EY
0 EX
:
三. 编码
➢ 编码就是将量化后的多进制数字信号变换成 二进制数字代码〔逆过程为译码），这是一 种一一对应的变换关系，实为 M 进制与二 进制的转换。
➢ 要求：M ≤ 2N 或N ≥ log2M〔取整数） ➢ N 为二进制码组的码位数。
Hale Waihona Puke 2048 x1 1 8 1 16 1
32 16 8
4
11
128 64
1
第7段的
2
量化间隔 32
1
第 8段的量 2化 0 4 1间 8 0 2隔 64 4 16
16 32
第1、 2段的量化间隔
64
128
1 128
1 第3段的
1
64 量化间隔 232
1
第4段的量化间隔 4
16
可见最小11 1分 6 28辨 210:率 ,4计 8为 1为 个
m(t) 样 ms(t) 化 msq(t) 码 {an} 信道 {an} 码 msq(t) 通 m0(t)
A/D
D/A
➢ 编码——译码为一对变换关系；
➢ 抽样——低通为一对变换关系；
通信原理(陈启兴版) 第6章作业和思考题参考答案
6-1 设发送的二进制信息为1011001，试分别画出OOK 、2FSK 、2PSK 及2DPSK 信号的波形示意图，并总结其时间波形上各有什么特点。
解 OOK 、2FSK 、2PSK 及2DPSK 信号的波形示意图如图6-18所示。
tttt图6-18 信号波形图6-2 设某OOK 系统的码元传输速率为1000B ，载波信号为A cos(4π×106t )。
(1)每个码元中包含多少个载波周期？ (2)求OOK 信号的第一零点带宽。
解：(1) 由题意知66410210()2c f Hz ππ⨯==⨯1000()B R B =故每个码元包含2000个载波周期。
(2) OOK 信号的第一零点带宽为222000()B sB R Hz T === 6-3 设某2FSK 传输系统的码元速率为1000B ，已调信号的载频分别为1000Hz 和2000Hz 。
发送数字信息为1011010B 。
(1)试画出一种2FSK 信号调制器原理框图，并画出2FSK 信号的时域波形图； (2)试讨论这时的2FSK 信号应选择怎样的解调解调器？ (3)试画出2FSK 信号的功率谱密度示意图。
解：(1) 2FSK 信号可以采用模拟调频的方式产生，也可以采用数字键控的方式产生。
数字键控方式的调制器原理框图如图6-19所示。
图6-19键控法产生2FSK 信号的原理图由题意知，码元传输速率R B =1000B ，若设“1”码对应的载波频率为f 1=1000Hz ，“0”码对应的载波频率为f 1=2000Hz ，则在2FSK 信号的时间波形中，每个“1”码元时间内共有1个周期的载波，每个“0”码元时间内有2个周期的载波。
2FSK 信号的时间波形如图6-20所示。
【注：实际中键控法的波形一般不连续。
】t2FSK图6-20 2FSK 信号的时间波形(2) 由于2FSK 信号的频谱有较大的重叠，若采用非相干解调是上下支路有较大串扰，使解调性能下降。
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09.04.2020
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自适应△M
M的问题：如上所述，过大的步长会导致粒状噪 声，而过小的步长则会导致斜率过载失真。
自适应△M的思想：
根据输入信号的变化（快慢）来改变步长。如果输入 信号变化很快，则选择较大的步长，这样输出就能够 很快地跟踪输入信号，因此不会导致斜率过载失真。 当输入信号比较平坦时(变化较慢)，选择较小的步长 值以防止粒状噪声的产生。
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• M 调制系统的性能
Rbfs bits/s
SQNR832
fs3 0.04 fs3
fK 2fm
fK 2fm
fm为 信 号 最 高 频 率
注意： 1） M 系统性能随抽样频率呈3次方关系。 代价，传输速率（带宽）的增加
2）不同的信号（频率 fk ）分量性能有差异。 3）DPCM的特例： 1
第6章 信源与信源编码
§6.6.2 差分脉冲编码调制(DPCM) §6.6.3 增量调制( M) TDM（补充） §6.8 数字音频传输和数字音频记录 §6.9 JPEG 图像编码标准
09.04.2020
1
一、DPCM
PCM系统的问题：在PCM系统中，在对信息信号
抽样以后，通过使用标量量化器，分别将每个抽样值 独立地量化。这说明,先前的抽样值并不对新抽样值的 量化产生影响。
量化
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输出代码：“1” 输出代码：“0”
编码
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△M系统
+ -
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量化,Q：n
11，，
X X
n n
Yˆn' 1 Yˆn' 1
编
码
：
" "
1 0
" "
， n 0 ， n 0
量化台阶 ：
在设计增量调制系统时，步长是一个十分重要的参数。 如果值很大，则调制器很快适应输入信号的快速变化， 但同时在输入信号变化缓慢时会导致过分大的量化噪声。 这种情况如下图所示：
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假定输入的正弦信号为：
X(t)A si2 n fK t
故，斜率表示为
K (t) X '(t) A 2fK c o s2fK t
Kma x A2fK
为避免（斜率）过载失真，我们选择步长为：
K m a x T s fs ， 也 就 是 说 ， 2A (ffK s)
Yˆn' Xˆ n
将该结果代入(B)式，可得：
YˆnYnXˆnXn
上式表明，Y n 和其量化值之间的量化误差，X n 和其量化值 之间的量化误差相等。
然而，Y n 的变化范围与 X n 的变化范围相比要小得多， 因此可以用较少的比特数进行量化。
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● 简单形式-实现
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+ -
基于发送端框图，可得
Yn Xn Yˆn'1
且
Yˆn' Yˆn Yˆn'1
(A)
量化器（Q）输入端和输出端之间的量化误差：
Y ˆ n Y n Y ˆ n ( X n Y ˆ n ' 1 ) Y ˆ n X n Y ˆ n ' 1 Y ˆ n ' X n
即： YˆnYnYˆn' Xn
(B )
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在接收端有：
Xˆn YˆnXˆn1
+ +
(C )
Yˆn' YˆnYˆn'1 (A) Y ˆnYnY ˆn' Xn (B)
如果对 Y ˆ n ' 和 X ˆ n 选择一样的初始条件,即：Yˆ'1 Xˆ1 0 通过比较(A)式(C)式，所有的n下，有：
•量化比特数
其 中 fs为 抽 样 速 率 ， fm为 低 通 滤 波 器 的 截 止 频 率 。
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二、增量调制(△M：Delta modulation) 增量调制是简单的DPCM方案。 增量调制原理，如下图所示 ：
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X ˆi X X ˆˆii 1 1 ， , 如 如 果 果X X((ttii)) X X((ttii 1 1))
Yˆ0' Y'1 Yˆ0 Yˆ0 Yˆ1' Y0' Yˆ1 Yˆ0 Yˆ1
因为
XYˆˆnn'
Yˆn'1 Yˆn
Xˆ
' n1
Yˆn
(A) (C )
Yˆ2' Y1' Yˆ2 Yˆ0 Yˆ1 Yˆ2 M
Yˆn'
Y' n 1
Yˆn
Yˆ0
Yˆ1
Yˆ2
L
Yˆn
选择 Yˆ'1 Xˆ'1 0，(零初始状态)，可得：
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三、时分复用(TDM)
TDM：Time division multiplexing
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• 性能分析
在DPCM（话音）传输系统中，通常采用4比特量化。因此： 典型的数据速率（话音）：
R b f s v 2 f m v 2 4 k H z 4 3 2 k b p s
对于频率为f k 的正弦信号，有：
量化信噪比：
SQNR3 82 fkf2s3 fm(22 1)2
取决于
• 抽样频率 •信号频率
然而，当一个带宽限制随机过程以奈奎斯特速率
或更高速率抽样时，抽样值通常是互相关的随机变量， 除非随机过程的频谱在带宽范围内是平坦的(如白噪 声)。
这表示先前的抽样值含有关于下一个抽样值的信息， 而这些信息可以用来提高系统的性能。
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PCM：差分脉冲编码调制 DPCM是PCM系统的改进形式。
它对两个相邻抽样值的差值进行量化。由于两 个相邻抽样值的互相关性很大，而它们的差值变化 很小，因而只需较少的比特数进行量化就可以达到 一定程度的性能。
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DPCM系统
发送端
接收端
Q：均匀量化或非均匀量化 T：延迟器，延迟为一个抽样间隔 (TTs)....T1
Yˆn'
n
Yˆi
i 0
n
Xˆ
n
Yˆi
i 0
因此，要想得到 Yˆn' 和 Xˆ n ，只须计算 Yˆi ,i 0,...,n 的 累加值。 如果使用脉冲代替抽样值，则累加器将变为积 分器。
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简化的DPCM 系统模型为：
+ -
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