通信原理第10章-信源编码(7版)
通信原理 (完整)精选全文
数字通信的主要优点：
(a) 失真的数字信号
(b) 恢复的数字信号
数字信号波形的失真和恢复
数字通信的主要缺点：
➢ 占用带宽大 ➢ 设备复杂 ➢ 同步要求高
宽带通信、压缩编码 VLSI、SOC、ASIC 信号处理技术
应用实例：
➢ 数字传输技术：电话、电视、计算机数据等 信号的远距离传输。
➢ 模拟传输技术：有线电话环路、无线电广 播、电视广播等。
狭义信道
有线信道 无线信道
中长波地波 短波电离层反射 超短波、微波视距传输 超短波、微波对流层散射 卫星中继
编码信道 调制信道
信 源
加 密 器
编 码 器
调 制 器
发 转 换 器
信 道
收 转 换 器
解 调 器
解解 码密 器器
信 宿
发送设备
噪 声
接收设备
广义信道
广义信道
调制信道：
调制器输出端到解调器输入端的所有设备和媒介。 研究调制和解调时，常用调制信道。 连续信道/模拟信道。
eo(t)
e0t htei t nt e0t kt ei t nt
n(t)
n(t): 加性干扰 k(t): 乘性干扰
k t 依赖于网络的特性，k t 反映网络特性对 ei t 的作用。
干扰
加性干扰：本地噪声
始终存在
乘性干扰：非理理想信道 与信号共存
sR t sT tht nt
乘性 加性
增量调制DM
军用、 民用电话
Hale Waihona Puke 差分脉码调制DPCM电视电话、 图像编码
其 他 语 言 编 码 方 式 中低速数字电话 ADPCM、 APC、 LPC
按信号复用方式分类
樊昌信《通信原理》(第7版)名校考研真题(信源编码)【圣才出品】
第10章信源编码一、填空题1．脉冲编码调制（PCM）中最常见的二进制码包括：自然二进制码、______和______。
[北科2011研]【答案】折叠二进制码；反射二进制码（格雷码）【解析】通常把从模拟信号抽样、量化，直到变换成为二进制符号的基本过程，称为脉冲编码调制，常用的码型有自然二进制码、折叠二进制码和反射二进制码（又称格雷码）。
2.在模拟信号的数字化过程中，按奈奎斯特速率对模拟基带信号取样，______失真。
进一步在取值域上离散-量化，______失真。
[北科2010研]【答案】无；量化【解析】在模拟信号数字化的过程中，按奈奎斯特速率抽样，所得样值序列含有基带信号的全部信息，故信号无失真；但在量化时有失真，且失真与量化电平数有关，量化级数越多，量化失真越小，属于限失真。
3．对某模拟信号进行线性PCM编码，设抽样频率为8KHZ，编码位数为7，则此PCM 信号的信息速率为______；当抽样频率不变而编码位数由7增大到12时，量化信噪比提高______dB。
[华中科技大学2002研]【答案】56 kbit／s；30【解析】PCM 信号的信息速率b s R f n =⋅，其中n 为每个抽样值所对应的编码位数。
对于一M 个量化电平的线性量化器，其量化信噪比2qq S M N ≈，编码位数2log N M =。
4．A 率PCM 基群共包括______个时隙，每个时隙为______μs；帧长为______比特，因此基群总比特率为______Mbps 。
[南京大学2010研]【答案】32；3.9；256；2.048【解析】语音信号的采样频率取8kHz ，则采样间隔为1/8kHz ＝125μs。
A 律PCM 基群有32个时隙，每个时隙＝3.9μs；每个时隙中填充一个8比特码字，此32个时隙构成一帧，则帧长＝256bit ，总比特率。
5．在信源编码中，______是信源编码和数据压缩的理论基础。
[北邮2006研]【答案】信源的冗余度二、选择题1．模拟信号进行波形编码成为数字信号后（ ）。
通信原理知识点
通信原理知识点1.1 通信的概念什么是通信？答：通信就是由一地向另一地传递消息。
1.2 通信系统的构成答：通信系统由信源、发送设备、信道、接收设备与收信者构成。
数字通信的要紧特点抗干扰能力强；差错可控；易于与各类数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网；易于集成化，从而使通信设备微型化；易于加密处理，且保密强度高；可使用再生中继，实现高质量的远距离通信。
1.2 信源编码与信道编码的概念与区别答：概念：信源编码：用适当的方法降低数字信号的码元速率以压缩频带。
信道编码：在信息码组中按一定的规则附加一些码，以使接收端根据相应的规则进行检错与纠错。
区别：信源编码是用来提高数字信号传输的有效性。
信道编码是用来提高数字信号传输的可靠性。
1.3 什么是信息？信息与消息的区别是什么？信息量的计算（看课件内容）答：消息是指通信系统的传输对象，它是事物状态描述的一种具体形式。
信息是指消息中包含的有意义的内容。
设消息所代表的事件出现的概率为P ( x )，则所含有的信息量设有消息x发生的概率为P（x），则所带来的信息量为：连续消息的信息量可用概率密度来描述。
可证明，连续消息的平均信息量(相对熵)为式中，—连续消息出现的概率密度。
x d xfxfxH xx'''-=⎰+-)(log)()(2若a = 2，则信息量的单位为比特(bit ），它代表出现概率为1/2的消息所含有的信息量。
当两个消息等概率时，任一消息所含有的信息量为1比特。
一位二进制数称之1比特，而不管这两个符号是否相等概率。
1.4 衡量通信系统的性能指标有效性、可靠性、安全性、保密性。
1.4 什么是传码率、误码率与传信率？答：码元传输速率是传码率；在传输中出现错误码元的概率叫误码率；信息传输速率叫传信率。
1.5 通信方式单工通信，是指消息只能在一个方向传输的工作方式。
如广播、电视、遥控等。
所谓半双工通信，是指信号能够在两个方向上传输，但不能同时传输，务必是交替进行，一个时间只能同意向一个方向传送。
通信原理课件第5讲 信源编码：CCITT编码,相关信源的编码,信道编码
若产生错码（“0”错成“1”或“1”错成“0”）收端无法发现， 该编码无检错纠错能力
增加一位冗余后具有 检出一位错码的能力
编码二：
消息A----“00”；消息B----“11”
若一位产生错码，变成“01”或“10”，因“01”“10”为禁用码组， 收端可发现有错，但无法确定错码位置，不能纠正，
编码三：
消息A----“000”；消息B----“111” 传输中产生一位或是两位错码，都将变成禁用码组，具有检出 两位错码的能力 在产生一位错码情况下，收端可根据“大数”法则进行正确判 决，能够纠正这一位错码，该编码具有纠正一位错码的能力 在产生两位错码情况下，只具有检错能力 这表明增加两位冗余码元后码具有检出两位错码及纠正一位错 码的能力
6V 6V
2）计算归一化的抽样值具有多少个量化单位，即看它落在哪一个线段内：
0 .4 4 0 9 6 1 6 3 8 .4
则x落在编号为“110”的线段内，该线段被分成16小段，每小段含64个量化单位。
则可计算该抽样值落在哪一个小段上：
1638.41024614.49.6
64
64
即落在第10小段上，则其CCITT标准的编码为：1 110 1001
预测数据为误差信
号和预测器的输出
o
xl xˆl ul
预测数据为误差信
号和预测器的输出
o
xl xˆl ul
线性预测器的系数确定
因为ul是el的量化值，两者之间存在量化误差e。若不考虑量化误差， 即ul = el ，则接收端的线性预测器的输入和重建电平为：
o
xl xˆl ul xˆl el xl
数字通信原理3信源编码
2 q/ 2 e2 p(e)de q/ 2 e2 1 de q2
q/2
q q / 2
12
2010 Copyright
SCUT DT&P Labs
27
均匀量化(续)
第三章 信源编码
量化信噪比与量化电平数M之间的关系
设量化范围为：-VP -- +VP，量化电平数 M=2b
量化间隔：q=2VP/M=2VP/2b
3
＝ 1
12
M i 1
p(mk )q3
q2 12
M i 1
p(mk )q
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26
均匀量化(续) 利用概率的性质
M
p(mk )q 1
i 1
进一步可得量化噪声功率的简化计算公式
2 q2
12
第三章 信源编码
如假设量化噪声服从均匀分布，亦可得
第三章 信源编码
量化误差
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24
标量量化（续） （3）有偏型
第三章 信源编码
（4）非均匀型(对小信号误差小)
量化误差
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均匀量化
第三章 信源编码
模拟信号的取值范围：a －b，
量化电平数为M
量化噪声功率：
2 q
q2 12
= VP2 3M 2
1 12
2VP 2b
2 1 12
2VP
2 2 2b
信号功率：
2 x
信噪比：
VP VP
x2
《数字通信原理》第10章 扩频通信
f (x) 1 x x3
n级的移位寄存器的线性反馈电路产生的序列周期不会超过2n – 1， 若序列周期的最大值为2n – 1，那么该序列就是m序列
产生m序列的充要条件是：特征多项式是本原多项式，即满足： 1）f(x)是既约型的，即f(x)是不能分解因子的多项式； 2）f(x)可整除xm + 1，m = 2n – 1 3）f(x)不可整除xq + 1，q < 2n – 1
地面战术移动通信系统、 民用移动通信系统、 全球定位系统（GPS）、 无线局域网（WLAN）、 测距与测速系统等
引言(续) 扩频的三个特点：
1.信号占用的带宽远远大于发送信息所需的最小带宽，而且几乎 与信息比特速率无关； 2.在发送端需要利用扩频码进行扩频，所采用的扩频码通常是伪 随机序列，与所发送信息本身无关； 3.在接收端需要利用与发送端同步的扩频码进行解扩，以恢复原 始信号。
第 10 章 扩展频谱通信技术
本章的基本内容： 基本概念； 伪随机序列； 直接序列扩频技术； 调频技术； 扩频系统的同步； 扩频技术的应用
10.1 基本概念
引言 扩展频谱技术是数字通信的一个重要发展方向之一 最初应用于军事通信中，具有抗干扰能力强和低检测概率等优
点，以实现战场抗干扰和保密通信 随着技术的发展，已广泛应用于军事通信和民用通信中
10.3 直接序列扩频技术
直接序列扩频技术 发送端：直接利用扩频序列进行扩频处理； 接收端：则需要利用与发送端同步的扩频序列进行解扩处理 BPSK 直接序列扩频是直扩中最简单的形式 假设待发送的数字信号d(t) 为二进制双极性脉冲信号，载波功率 为P，角频率为 0 ，初始相位为零，则载波信号s(t)可以表示为
樊昌信《通信原理》(第7版)章节题库(绪 论)【圣才出品】
/
符号）
5．设每秒传送 n 个 M 进制的码元，则信息传输速率为______。
【答案】nlog2M
【解析】对于等概的 M 进制信源，每个码元的信息量为
I
loga
P(x) log2
1 M
log2 M
（bit）
又因为每秒可以传送 n 个 M 进制的码元，则信息传输速率为
Rb nlog2 M （b/s）
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第1章 绪 论
一、选择题 1．在远程多次转发传输时，下面（ ）的陈述是科学的。 A．模拟传输系统的累积噪声可控制到极小 B．数字传输系统的累积噪声可控制到极小 C．数字传输系统无累积噪声 D．模拟传输系统无累积噪声 【答案】B 【解析】与模拟传输系统相比较，数字传输系统的抗干扰能力强，利用中继手段可以实 现无噪声积累；利用信道编码技术可以实现传输差错可控等。通过数字传输技术使得数字传 输系统的安全性得到有力的保障，累积噪声可以控制到极小的范围内。
2．信源编码的目的是提高信息传输的______性；信道编码的目的是提高信息传输的 ______性。
【答案】有效；可靠 【解析】信源编码通过某种压缩编码技术设法减少码元数目以降低码元速率，从而提高 信息传输的有效性；信道编码的作用是进行差错控制，提高通信系统的可靠性。
3．英文字母有 26 个，若每个字母在文章中出现次数均等，则每个字母的信息量为______。
13．设某信息源由 A，B，C，D 四个信息符号组成，发送 A 的概率为 1／2，发送其 余符号的概率相同，且设每一符号的出现是相互独立的，则该信源的平均信息量为______。
误码率为 3 复(2 2.048? 106) 7.32? 10-7 。
通信原理复习资料（有用）
通信原理复习资料（有⽤）第1章1、通信：是指不在同⼀地点的双⽅或多⽅之间进⾏迅速有效的信息传递。
单⼯半双⼯全双⼯串⾏传输：传输慢、但传输距离远。
并⾏传输：传输快、但传输距离近。
两点间直通传输、分⽀传输和交换传输3、信号：是信息的⼀种电磁编码。
信号是信息的载体。
通信系统的基本模弄4、通信系统的主要性能指⽰有效性：是指信息传输的效率。
可靠性：是系统接收信息的准确度。
备注：衡量系统有效性最全⾯的指标是系统的频带利⽤率。
第⼆章⼀、调制的分类：1、根据调制信号分类：模拟调制和数字调制2、根据载波分类：连续载波调制和脉冲载波调制3、根据调制的功能分类：AM、FM、PM4、根据调制前后的频谱关系分类：线性调制和⾮线性调制5、线性调制分为：AM、DSB、SSB、VSB6、单边带调制⽅法有：滤波法、移相法、移相滤波法备注：常规双边带调制（AM）调制效率最低，⽽单边带调（SSB）制效率最⾼解调的⽅法：相⼲解调（同步检波）和⾮相⼲解调（包络检波）。
7、频率调制分为：划分依据是瞬时相位偏移是否⼩于0.5窄带调制（NBFM）宽带调制（WBFM）8、调频分为：直接调频和间接调频间接调频：是选积分，然后再调相如下图：第3章1、PCM （脉冲编码调制）包括三个部分：抽样、量化、编码。
2、数字信息的电脉冲表过程称码型变换。
应该考虑的问题：低频和⾼频频率分量应尽量少，特别是不能含有直流分量；不能有长连0和1码，以便提取同步定时信息；具有⾃检⾃纠能⼒。
3、⼆元码的极性图P534、抽样定理分为：⾃然抽样和平顶抽样（性能⽐⾃然抽样性能好）5、量化分为：均匀量化和⾮均匀量化备注：只要确定了量化器，则⽆论抽样值⼤⼩如何，其量化噪声的平均功率值都是固定不变的；因为，X （T ）较⼩时，输出信噪⽐就很低，弱信号的量化信噪⽐就可能⽆法达到额定要求⽽对还原解调产⽣较⼤的影响。
6、⾮均匀量化分为：A 率13折线（中国使⽤）和U 率15折线。
A=87.6 U=2557、编码：⾃然⼆进制码组、折叠⼆进制码组、格雷⼆进制码组。
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：
1 . A 压缩律
1
非均匀量化
y1
x － 归一化输入电压 y － 归一化输出电压
2.
A
律 13 折 线
图10-14 对称输入13折线压缩特性
3 . 压缩律 及其 15 折线
非均匀量化
=0 时无压缩效果
A律和 律不易用 电子线路准确实现
，
实用中分别采用 13折线和15折线。
15 折 线
-3B -2B -B
0
B 2B 3B
f
-fH -fL 2fH = 2(3+k)B
fL fH
f
-fH -fL
3f s
fL fH
fs 与 fL 关系
n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 n=6
§10.3
模拟脉冲调制
PAM、 PDM、PPM
实际抽样 ������ —— 自然抽样的PAM
m(t)
课 件
第10章
信源编码
通信原理（第7版）
樊昌信 曹丽娜 编著
本章内容:
抽样 — 低通信号和带通信号
量化 — 标量（均匀/非均匀）和矢量
第10章 信源编码
脉冲编码调制 — PCM、 DPCM 、ADPCM
增量调制 — ∆M
时分复用 — TDM、准同步数字体系（PDH）
压缩编码 — 语音、图像和数字数据
fH fs
此时，不能无失真重建原信号 。
因此，抽样速率 必须满足：
这就从 频域角度 证明了 低通抽样定理。
重建原信号 ：
低通滤波器HL( f )
m (t )
内插公式
抽样与恢复原理框图：
欲传 m(t)，只需传 ms(t)，收端根据其抽样值就能无 失真地重建原信号 m(t)，条件是：
§10.2.2 带通模拟信号的抽样定理
(a) 发送端
PCM信号 输入
译 码
低通 滤波
模拟信号 输出
(b) 接收端
模拟信号数字化过程 ---“抽样、量化和编码”
§10.5.2 常用二进制码
表
10 │ 4
—— 编码考虑的问题之一
样值脉冲极性 量化级序号 自然二进制码 折叠二进制码 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1
§10.2
模拟信号的抽样
抽样定理 --- 模拟信号数字化和时分多路复用的理论基础
§10.2.1 低通模拟信号的抽样定理
定理：最高频率小于 fH 的模拟信号m(t) 可由其等间隔的 抽样值唯一确定，抽样间隔Ts 或 抽样速率 fs 应满足：
证明： 设单位冲激序列
：
其周期T = 抽样间隔Ts
a 2
1 ( x qi ) dx mi 1 2a i 1
mi 2
M
平均信号量噪比
V 2 1 ( x a iV ) dx a ( i 1) V 2 2a i 1
M a iV 3 3 2 M V V 1 V 12 24a 12 i 1 2a M
定理：
|M(f)|
B
(a) fH = nB
f H = 3B
f s = 2B
-3B -2B -B
B 2B
3B
-fH -fL
2fH = 6B
fL fH
f
|Ms(f)|
-fH -fL
3f s
|M(f)|
0
fL fH
B
f
(b) fH = nB+kB
fH = 3B+kB 2(3+k) B= 3fs 推广： n=任意整数 2(n+k) B= nfs
C5 C6 C7 C8
段内 码 量化级 序号
C5 C6 C7 C8
段 内 码
8 7～ 6 5 4 3 2 1
1 1 1 1 0 0 0 0
1 1 0 0 1 1 0 0
1 0 1 0 1 0 1 0
15 14 13 12 11 10 9 8
1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000
ΔVi ——第 i 段的量化间隔 。 不同段落， ΔVi 不同 。前两段相同
50
§10.5.3 电话信号的编译码器
—— 编码的实现
任务 —— 把每个样值脉冲编出相应的 8 位二进码。
11110011…
就送出 一个 PCM 码组
每来 一个 样值 脉冲
各部件的功能：
PAM信号
极性判决：确定样值信号的极性，编出极性码： C1 整流器：双单（样值 的幅度大小）。
特点： 具有镜像特性 优点： ①简化编码过程 ②误码对小电压 的影响小
自 然 二 进 码 和 折 叠 二 进 码
正极性部分
负极性部分
码位的选择与安排
—— 之二，关乎通信质量和设备复杂度
在A律13折线 PCM编码中，共计：
2 8 16=256=28 个量化级
—— 需将每个样值脉冲（Is ）编成 8位 二进制码：
S M2 Nq
M 2N
v 2a / M
S 20 lg M 6N N q dB 含义？
均匀量化的缺点
—— 原因： Nq与信号样值大小无关，仅与量化间隔 V 有关 。
应用：主要用于概率密度为均匀分布的信号，如遥测遥控信号、图 像信号数字化接口中。
——等间隔划分输入信号的取值域
抽样值 设抽样信号 量化值 量化噪声
的取值范围
[a,b]
量化电平数
eq mk - mq
M
则量化间隔
ba v M
分层电平（端点） 量化电平（中点）
信号量噪比 S/Nq
eq mk - mq
——量化器的性能指标之一 的均方值---量化噪声功率为：
量化噪声
mk = m(kTs ) mq = mq (kTs )
信号mk 的平均功率：
输入样值信号 的概率密度
信号量噪比——信号功率与量化噪声功率之比 ：
解：量化噪声功率
Nq E (m mq ) a ( x mq ) f ( x)dx
2 2
a
1 (V ) 2 S x dx M 2 a 2a 12
s
恢复：修正+低通滤波
1 MH( f ) Ts
n
H ( f )M ( f nf )
s
1 1 H ( f )M ( f ) + Ts Ts n= 0
H ( f ) M ( f nf )
n0 s
ˆ ( f )=M ( f ) M H
1 1 HL ( f ) M ( f ) H( f ) Ts
1，样值为正 0，样值为负
保持电路：使每个样值的幅度在 7 次比较编码过程中保持不变。 比较器（核心）：将样值电流 Is与标准电流 Iw 进行逐次比较，
类似天平称物过程
使Iw向Is逐步逼近，从而实现对信号抽样值的非均匀量化和编码。 若 Is＞Iw，输出“1”码 若 Is＜Iw，输出“0”码
记忆电路：寄存前面编出的码，以便确定下一次的标准电流 值 Iw。 7/11变换：将 7 位非线性码转换成 11位线性码，以便恒流源产生
所需的标准电流 Iw。
非线性码与线性码（7/11）：
非线性码 ：
对应
非均匀量化
——只需 7 位（非线性）编码 称为非线性 / 对数PCM编码
M 8 16=128=27
7 6 5 4 3 2 1 0
0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000
起始电平和量化间隔
——之三，确定样值所在的段落和量化级
(幅值)
=
1 2048
---归一化输入电压的最小量化单位
段内码的权值：
C5的权值 —— 8 ΔVi
C6的权值 —— 4 ΔVi
C7的权值 —— 2 ΔVi C8的权值 —— 1 ΔVi
解决方案：非均匀量化
§10.4.3 非均匀量化
—— 量化间隔不相等的量化方法
提高小信号的量噪比
压大补小 y= f (x) 对数特性
压缩-扩张特性
：
-压缩输出
-扩张输入
压缩 特性
入
扩张 特性
出
在接收端，需要采用一个与压缩特性相反的扩张器来恢复信号。
32
均匀 量化
… …
压缩 特性
ITU的两种建议
m(nT ) (t nT )
s s
1/Ts
1 M s ( f ) M ( f ) T ( f ) Ts
M ( f ) ( f n f ) s n
n= 0
理想抽样过程的波形和频谱 ：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
fs ≥ 2fH
混叠失真 ：
若 fs<2 fH