通信原理教学精品文稿.ppt

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1、通信原理教学课件1第1页，本讲稿共63页复习复习-电话信号的编码器电话信号的编码器将双极将双极性信号性信号变成单变成单极性信极性信号号正时为正时为“1”，负时为，负时为“0”2第2页，本讲稿共63页复习复习-电话信号的译码器电话信号的译码器c2 c8记忆电路记忆电路7/12变换变换恒流源恒流源极性控制极性控制c1译码输出译码输出3第3页，本讲稿共63页段落非线性码线性码C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8b11 b10 b9 b8 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b01000C5C6C7C80000000C5C6C7C812001C5C6C7C80000001C5C6C7C813

2、010C5C6C7C8000001C5C6C7C8104011C5C6C7C800001C5C6C7C81005100C5C6C7C80001C5C6C7C810006101C5C6C7C8001C5C6C7C8100007110C5C6C7C801C5C6C7C81000008111C5C6C7C81C5C6C7C81000000102451225612864321684211/2b0b11代表的权值复习-7/12变换关系表4第4页，本讲稿共63页9.5 脉冲编码调制脉冲编码调制 9.5.4 PCM系统中噪声的影响系统中噪声的影响 加性噪声的影响加性噪声的影响 A.错码分析：同一码组中出现两

3、个以上错码的 概率非常小。例:当 Pe=10-4时，在一个8位码组中出现1位错码和2位错码的概率分别为量化噪声量化噪声加性噪声加性噪声PCM系统系统中的噪声中的噪声5第5页，本讲稿共63页9.5 脉冲编码调制脉冲编码调制B.1位错码的影响：a.设量化间隔为v，则第i 位码元代表的信号权 值为2i-1 v。若该位码元发生错误，则产生的权值误差将为+2i-1v 或-2i-1v。一个错误码元引起的该码组误差功率的（统计）平均值为b.按时间平均，得到误差功率的时间平均值为6第6页，本讲稿共63页9.5 脉冲编码调制脉冲编码调制c.等效误差电压为：d.加性噪声功率：假设发送端送出的是抽样冲激脉冲，则接收

4、端也是对抽样冲激脉冲译码。所以误差电压（冲激脉冲）的频谱等于e.误差的功率谱密度为：7第7页，本讲稿共63页9.5 脉冲编码调制脉冲编码调制f.经过接收端截止频率为fH的输出低通滤波器后，输出加性噪声功率等于 8第8页，本讲稿共63页9.5 脉冲编码调制脉冲编码调制 量化噪声量化噪声的影响的影响 A.量化误差电压：B.量化误差的频谱：C.量化误差的功率谱密度：D.经过低通滤波器后，输出的量化噪声功率：9第9页，本讲稿共63页9.5 脉冲编码调制脉冲编码调制 E.输出信号功率输出信号功率 a.在低通滤波前信号（冲激脉冲）的平均功率 b.滤波器输出信号功率等于 c.PCM系统的总输出信噪功率比：1

5、0第10页，本讲稿共63页9.5 脉冲编码调制脉冲编码调制 F.分析分析a.在大信噪比条件下（22(L+1)Pe 1）：S/N 1/(4Pe)c.输出信号量噪比等于：d.PCM系统的输出信号量噪比仅和编码位数L有 关，且随L按指数规律增大。11第11页，本讲稿共63页问题的提出：1、8k抽样频率，那么，抽样频率，那么，1路标准路标准A律对律对 数压扩数压扩PCM信号需要用多大的传输信号需要用多大的传输 速率速率?2、如何降低数字电话信号传输所占用、如何降低数字电话信号传输所占用 的带宽的带宽?12第12页，本讲稿共63页第第9章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输n9.1 引言引言n9.2

6、 模拟信号的抽样模拟信号的抽样n9.3 模拟脉冲调制模拟脉冲调制n9.4 抽样信号的量化抽样信号的量化n9.5 脉冲编码调制脉冲编码调制n9.6 差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制n9.7 增量调制增量调制n9.8 时分复用和复接时分复用和复接主要内容主要内容13第13页，本讲稿共63页9.6 差分脉冲编码调制（差分脉冲编码调制（DPCM）9.6.1 预测编码简介预测编码简介预测编码的目的：降低编码的比特率。预测编码的目的：降低编码的比特率。预测编码原理：预测编码原理：先根据前几个抽样值计算出一个预测值，先根据前几个抽样值计算出一个预测值，再取当前抽样值和预测值之差，将此差值编码再取当前抽样值和

7、预测值之差，将此差值编码并传输。此差值称为并传输。此差值称为预测误差预测误差。由于抽样值和由于抽样值和其预测值非常接近，预测误差的可能取值范围其预测值非常接近，预测误差的可能取值范围比抽样值的变化范围小。比抽样值的变化范围小。所以，可以少用编码所以，可以少用编码比特来对预测误差编码，从而比特来对预测误差编码，从而降低其比特率降低其比特率。14第14页，本讲稿共63页9.6 差分脉冲编码调制（差分脉冲编码调制（DPCM）此预测误差的变化范围较小，它包含的冗此预测误差的变化范围较小，它包含的冗余度也小。余度也小。利用减小冗余度的办法，降低了编利用减小冗余度的办法，降低了编码比特率。码比特率。线性预

8、测原理：线性预测原理：若利用前面的几个抽样值的线性组合来预测当前的抽样值，则称为线性预测。若仅用前面的1个抽样值预测当前的抽样值，就是将要讨论的DPCM。15第15页，本讲稿共63页9.6 差分脉冲编码调制（差分脉冲编码调制（DPCM）线性预测编码原理方框图线性预测编码原理方框图(b)译码器译码器译码译码预测预测mk*rk(a)编码器编码器预测预测量化量化编码编码抽样抽样mk mk*m(t)mkekrk16第16页，本讲稿共63页9.6 差分脉冲编码调制（差分脉冲编码调制（DPCM）预测器的输出和输入关系：p 预测阶数，ai 预测系数。注注：编码器中预测器输入端和相加器的连接电路和译码器：编码

9、器中预测器输入端和相加器的连接电路和译码器中的完全一样。中的完全一样。译码器的输出信号译码器的输出信号mk*和编码器中相加和编码器中相加器输出信号器输出信号mk*相同，即等于带有量化误差的信号抽样相同，即等于带有量化误差的信号抽样值值mk。17第17页，本讲稿共63页9.6 差分脉冲编码调制（差分脉冲编码调制（DPCM）9.6.2 差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制(DPCM)的原理及性能的原理及性能DPCM原理原理e0tmk0 T 2T 3T 4T 5T 6Tm0m1m2m3m4m5m6e1e2e3e4e5e6e0e1e2e3e4e5e6样值序列样值序列延迟延迟Ts+mk*mk-1*ek样值序

10、列的恢复样值序列的恢复差值序列差值序列0 T 2T 5T 6Tekt3T 4T18第18页，本讲稿共63页9.6 差分脉冲编码调制（差分脉冲编码调制（DPCM）DPCM系统的量化误差（量化噪声）系统的量化误差（量化噪声）DPCM系统的量化误差qk定义为编码器输入模拟信号抽样值mk与量化后带有量化误差的抽样值mk*之差：设预测误差ek的范围是(+,-)，量化器的量化电平数为M，量化间隔为v，则有19第19页，本讲稿共63页9.6 差分脉冲编码调制（差分脉冲编码调制（DPCM）A.当M=4时，v和M之间关系：+-v v0 vM1M2M3M420第20页，本讲稿共63页9.6 差分脉冲编码调制（差分

11、脉冲编码调制（DPCM）B.假设此量化误差假设此量化误差qk在在(-v/2,+v/2)内是均匀分布内是均匀分布的。若的。若DPCM编码器输出的码元速率为编码器输出的码元速率为Lfs，其中，其中fs为抽样频率；为抽样频率；L=log2M是每个抽样值编码的码是每个抽样值编码的码元数，则元数，则qk的概率密度的概率密度f(qk)可以表示为可以表示为21第21页，本讲稿共63页9.6 差分脉冲编码调制（差分脉冲编码调制（DPCM）C.qk的平均功率D.假设此功率平均分布在从0至Lfs的频率范围内，即其功率谱密度Pq(f)等于 E.量化噪声通过截止频率为fH的低通滤波器之后，功率等于：22第22页，本讲

12、稿共63页9.6 差分脉冲编码调制（差分脉冲编码调制（DPCM）信号功率：信号功率：A.若抽样点间隔为若抽样点间隔为T 1/fs，则将限制信号的斜，则将限制信号的斜率不能超过率不能超过 /T。假设输入信号是一个正弦波：假设输入信号是一个正弦波：它的变化速度决定于其斜率：它的变化速度决定于其斜率：23第23页，本讲稿共63页9.6 差分脉冲编码调制（差分脉冲编码调制（DPCM）B.最大斜率等于Ak。为了不发生过载，C.最大允许信号振幅Amax等于D.信号功率为将=(M 1)v/2 代入上式，得到信号量噪比等于24第24页，本讲稿共63页预测自适预测自适应控制应控制ai(n)9.6 差分脉冲编码调

13、制（差分脉冲编码调制（DPCM）n 自适应差分脉码调制（自适应差分脉码调制（ADPCM）DPCM系统原理图系统原理图Sr(k)量化器量化器预测器预测器编码编码解码解码+预测器预测器+SP(k)S(k)Sr(k)d(k)SP(k)d(k)+I(k)I(k)d(k)-DPCM 码流码流信道信道预测自适预测自适应控制应控制ai(n)量化自适量化自适应控制应控制(n)(n)量化自适量化自适应控制应控制(n)A前向后向25第25页，本讲稿共63页第第9章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输n9.1 引言引言n9.2 模拟信号的抽样模拟信号的抽样n9.3 模拟脉冲调制模拟脉冲调制n9.4 抽样信号的量

14、化抽样信号的量化n9.5 脉冲编码调制脉冲编码调制n9.6 差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制n9.7 增量调制增量调制n9.8 时分复用和复接时分复用和复接主要内容主要内容29第29页，本讲稿共63页9.7 增量调制增量调制(M)n 9.7.1 9.7.1 增量调制原理增量调制原理延迟延迟+解码解码译码器译码器 原理框图原理框图二电平二电平量化量化延迟延迟+抽样抽样+-编码器编码器数码数码形成形成+-ck=1ck=0ekrk量化特性量化特性030第30页，本讲稿共63页9.7 增量调制增量调制(M)实用方案实用方案抽样判抽样判决器决器+-积分器积分器脉冲发生脉冲发生器器脉冲发脉冲发生器生器积分

15、器积分器低通低通滤波滤波抽样定时抽样定时31第31页，本讲稿共63页9.7 增量调制增量调制(M)编码过程编码过程二电平量化延迟+抽样+-数码形成+-ck=1ck=0ekrk0rkmk+-ttm0m1m2mkmk-1m1m2-+-ck 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 编码器32第32页，本讲稿共63页trk+-tmk*ck 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0译码原理译码原理9.7 增量调制增量调制(M)延迟延迟+解码解码33第33页，本讲稿共63页9.7 增量调制增量调制(M)实用方案中的实用方案中的 编码过程编码过程抽样判抽样判决器决器+-

16、积分器积分器脉冲发脉冲发生器生器抽样定时抽样定时 ekmp(t)ttm(t)ck 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 TS 34第34页，本讲稿共63页实用方案中译码原实用方案中译码原理理9.7 增量调制增量调制(M)脉冲发脉冲发生器生器积分器积分器低通低通滤波滤波ck 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0tm(t)tek35第35页，本讲稿共63页e(t)e(t)9.7 增量调制增量调制(M)n 9.7.2 增量调制系统中的量化噪声增量调制系统中的量化噪声一般量化噪声一般量化噪声原因原因：阶梯本身的电压突跳：阶梯本身的电压突跳 产生失真。产生失真

17、。(a)一般量化噪声 过载量化噪声过载量化噪声原因原因：信号变化过快引起失真。：信号变化过快引起失真。衡量：衡量：最大跟踪斜率最大跟踪斜率 解决：解决：选择合适的选择合适的 和和fs(b)过载量化噪声36第36页，本讲稿共63页9.7 增量调制增量调制(M)不过载情况下量化噪声功率的计算不过载情况下量化噪声功率的计算A.假设量化误差假设量化误差e(t)在区间在区间(-,+)内均匀分布，则内均匀分布，则e(t)的概率分布密度的概率分布密度B.e(t)的平均功率为的平均功率为C.功率谱密度功率谱密度D.通过截止频率为通过截止频率为fm的低通滤波器后的功率的低通滤波器后的功率37第37页，本讲稿共6

18、3页9.7 增量调制增量调制(M)信号量噪比信号量噪比A.信号功率：设输入信号为信号功率：设输入信号为其斜率最大值为其斜率最大值为A k，要求不发生过载，则，要求不发生过载，则B.保证不过载的临界振幅保证不过载的临界振幅Amax应该等于应该等于C.最大信号功率最大信号功率38第38页，本讲稿共63页9.7 增量调制增量调制(M)最大信号量噪比最大信号量噪比结论结论：最大信号量噪比和：最大信号量噪比和抽样频率抽样频率fs的三次方成正比，的三次方成正比，而和信号频率而和信号频率fk的平方成反比，即抽样频率每提高一倍，的平方成反比，即抽样频率每提高一倍，量化信噪比提高量化信噪比提高9dB，信号，信号

19、频率频率每提高一倍，量化信噪每提高一倍，量化信噪比比下降下降6dB 39第39页，本讲稿共63页 M与与PCM的比较：的比较：相同：相同：均用二进制数字信号表示模拟信号传输均用二进制数字信号表示模拟信号传输 不同：不同：PCM以一组二进制代表一位抽样值大小；以一组二进制代表一位抽样值大小；M用用一位一位二进制码代表相邻两样值的相对大小。二进制码代表相邻两样值的相对大小。不同编码位数不同编码位数N值的值的PCM与与 M的性能比较：的性能比较：9.7 增量调制增量调制(M)若若PCM 系统的编码位数系统的编码位数N4（码率较低）时，增量调（码率较低）时，增量调制的量化信噪比高于制的量化信噪比高于P

20、CM 系统。系统。40第40页，本讲稿共63页 M的优点：的优点：在在比特率低时，比特率低时，M的量化信噪比优于的量化信噪比优于PCM ；实现电路比实现电路比PCM简单，简单，M只编一位码，接收只编一位码，接收 端不需要码字同步。端不需要码字同步。M的缺点：的缺点：当输入信号变化斜率大时，当输入信号变化斜率大时，M会出现过会出现过 载现象。载现象。为了避免过载现象，应取为了避免过载现象，应取 fs Amaxw wmax。采样频率采样频率fs 增大时，会使信息速率增大时，会使信息速率 增大，给传输带来不便。增大，给传输带来不便。9.7 增量调制增量调制(M)41第41页，本讲稿共63页9.7 增

21、量调制增量调制(M)脉冲脉冲发生器发生器抽样抽样判决器判决器+-积分器积分器抽样定时抽样定时连码检测连码检测平滑回路平滑回路n 数字压扩自适应增量调制（数字压扩自适应增量调制（CVSD）42第42页，本讲稿共63页第第9章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输n9.1 引言引言n9.2 模拟信号的抽样模拟信号的抽样n9.3 模拟脉冲调制模拟脉冲调制n9.4 抽样信号的量化抽样信号的量化n9.5 脉冲编码调制脉冲编码调制n9.6 差分脉冲编码调制差分脉冲编码调制n9.7 增量调制增量调制n9.8 时分复用和复接时分复用和复接主要内容主要内容43第43页，本讲稿共63页9.8 时分复用和复接时分

22、复用和复接 将将多个用户的多个用户的信息用某种方式连信息用某种方式连接在一起，用同一接在一起，用同一信道传输，这就是信道传输，这就是多路复用多路复用。时间时间频率频率功率功率FDM频分复用频分复用时间时间功率功率TDM频率频率时分复用时分复用时间时间功率功率CDM频率频率码分复用码分复用44第44页，本讲稿共63页9.8 时分复用和复接时分复用和复接n 码分多路复用码分多路复用码调制码调制PN1码调制码调制PN2码调制码调制码解调码解调信道信道码解调码解调码解调码解调路路1路路2路路n路路1路路2路路nPNnPN1PN2PNnLPFLPFLPF45第45页，本讲稿共63页9.8 时分复用和复接

23、时分复用和复接n 码分多路复用原理码分多路复用原理fP(f)t信息tPN码码调制PN码信息OUTfPIN(f)tOUT码fPPN(f)fPOUT(f)fP(f)IN码解调PN码LPF信息fPPN(f)fP(f)其它用户信其它用户信号及干扰号及干扰46第46页，本讲稿共63页9.8 时分复用和复接时分复用和复接n 9.8.1 基本概念基本概念时分多路复用原理时分多路复用原理 mi(t)低通低通1低通低通2低通低通N信道信道低通低通1低通低通2低通低通N同步旋转同步旋转开关开关m1(t)m2 (t)m2(t)m1(t)mN (t)mN(t)47第47页，本讲稿共63页9.8 时分复用和复接时分复用

24、和复接n实例：实例：m1(t)m2(t)1帧T/NT+T/N2T+T/N3T+T/N时隙时隙1旋转开关采集到的信号旋转开关采集到的信号信号信号m1(t)的采样的采样信号信号m2(t)的采样的采样48第48页，本讲稿共63页9.8 时分复用和复接时分复用和复接a.复接和分接复接和分接A.复接：将低次群合并成高次群的过程。由若干链路来的多路时分复用信号，再次复用，构成高次群。各链路信号来自不同地点，其时钟（频率和相位）之间存在误差。所以在低次群合成高次群时，需要将各路输入信号的时钟调整统一。B.分接：将高次群分解为低次群的过程称为分接。49第49页，本讲稿共63页9.8 时分复用和复接时分复用和复

25、接C.标准：标准：关于复用和复接，关于复用和复接，ITU对于对于TDM多路电话多路电话通信系统，制定了通信系统，制定了准同步数字体系准同步数字体系(PDH)和和同同步数字体系步数字体系(SDH)两套标准建议。两套标准建议。50第50页，本讲稿共63页9.8 时分复用和复接时分复用和复接n9.8.2 准同步数字体系准同步数字体系(PDH)ITU提出的两个建议：提出的两个建议：A.E体系 我国大陆、欧洲及国际间连接采用；B.T体系 北美、日本和其它少数国家和地区采用。51第51页，本讲稿共63页9.8 时分复用和复接时分复用和复接层次比特率（Mb/s）路数（每路64kb/s）E体系E-12.048

26、30E-28.448120E-334.368480E-4139.2641920E 5565.1487680T体系T 11.54424T-26.31296T-332.064（日本）48044.736（北美）672T 497.728（日本）1440274.176（北美）4032T5397.200（日本）5760560.160（北美）806452第52页，本讲稿共63页9.8 时分复用和复接时分复用和复接C.E体系的结构图体系的结构图130(30路路 64 kb/s)一次群一次群 2.048 Mb/s复用复用设备设备14路路 2.048 Mb/s二次群二次群 8.448 Mb/s二次复用二次复用4复

27、用复用设备设备三次群三次群 34.368 Mb/s三次复用三次复用复用复用设备设备144路路 8.448 Mb/s五次复用五次复用复用复用设备设备五次群五次群 565.148 Mb/s4路路 139.264 Mb/s四次群四次群 139.264 Mb/s复用复用设备设备144路路 34.368 Mb/s四次复用四次复用53第53页，本讲稿共63页9.8 时分复用和复接时分复用和复接D.E体系的速率：体系的速率：a)基本层(E-1)：30路PCM数字电话信号，每路PCM信号的比特率为64 kb/s。由于需要加入群同步码元和信令码元等额外开销(overhead)，所以实际占用32路PCM信号的比特

28、率。故其输出总比特率为2.048 Mb/s，此输出称为一次群信号。b)E-2层：4个一次群信号进行二次复用，得到二次群信号，其比特率为8.448 Mb/s。54第54页，本讲稿共63页9.8 时分复用和复接时分复用和复接c)E-3层：按照同样的方法再次复用，得到比特率为34.368 Mb/s的三次群信号；d)E-4层：比特率为139.264 Mb/s；e)由此可见，相邻层次群之间路数成4倍关系，但是比特率之间不是严格的4倍关系。55第55页，本讲稿共63页TS16信令偶帧TS0*1A1 1 1 1 1帧同步码奇帧TS0*0 0 1 1 0 1 1话路(CH1 CH15)话 路(CH16 CH3

29、0)125s16帧1复帧16帧32个时隙F0F1F2F3F4F5F6F7F8F9F10F11F12F13F14F158 bit CH30(1 bit=488.3ns)8 bit(1 bit=488.3ns)保留TS10TS12TS14TS16TS18TS9TS11TS13TS15TS17TS4TS6TS2TS0TS8TS5TS7TS3TS1TS20TS22TS28TS26TS24TS30TS19TS21TS23TS29TS27TS25TS319.8 时分复用和复接时分复用和复接E.E体系的一次群结构体系的一次群结构56第56页，本讲稿共63页9.8 时分复用和复接时分复用和复接PCM-24制式

30、每路码速率：64kbit/s基群码速率：1544kbit/s帧周期帧周期 125 s(193bit)第第1路路第第2路路第第24路路F比比特特第第1路路第第2路路第第24路路F比比特特F.T体系的一次群结构体系的一次群结构57第57页，本讲稿共63页9.8 时分复用和复接时分复用和复接n9.8.3 同步数字体系同步数字体系(SDH)SDH基本概念基本概念A.SDH是针对更高速率的传输系统制定出的全球统一的标准。B.整个网络中各设备的时钟来自同一个极精确的时间标准（例如铯原子钟），没有准同步系统中各设备定时存在误差的问题。C.在SDH中，信息是以“同步传送模块(STM)”的信息结构传送的。一个同

31、步传送模块主要由信息有效负荷和段开销(SOH)组成块状帧结构，其重复周期为125s。59第59页，本讲稿共63页9.8 时分复用和复接时分复用和复接SDH的速率等级的速率等级 目前SDH制定了4级标准，其容量（路数）每级翻为4倍，而且速率也是4倍的关系，在各级间没有额外开销。STM-1：是基本模块，包含一个管理单元群(AUG)和段开销(SOH)。等级比特率(Mb/s)STM-1 155.52STM-4 622.08STM-162488.32STM-649953.2860第60页，本讲稿共63页9.8 时分复用和复接时分复用和复接PDH体系和体系和SDH体系之间的连接关系体系之间的连接关系 指针

32、处理指针处理映映 射射复复 用用定位调整定位调整44.736 Mb/s34.368 Mb/s 1VC-3C-3C-4TU-3TUG-3 3139.264 Mb/sVC-2VC-12VC-11C-12C-11C-2TU-11TU-2TU-12TUG-2 3 4 7 71.544 Mb/s6.312 Mb/s2.048 Mb/sC-n 容器容器-nSTM-NVC-3VC-4AU-4AU-3AUG N 1 361第61页，本讲稿共63页小结小结n 差分脉冲编码调制的基本原理差分脉冲编码调制的基本原理;n DPCM系统的量化误差系统的量化误差;n ADPCM：预测器、量化器；：预测器、量化器；n M编译码原理和量化噪声；编译码原理和量化噪声；n 过载量化噪声分析过载量化噪声分析n 时分复用和复接时分复用和复接62第62页，本讲稿共63页思考题：思考题：1、为什么要引入、为什么要引入DPCM？2、PCM和增量调制中的噪声分别有何和增量调制中的噪声分别有何 影响？影响？作业：作业：3-9,3-1063第63页，本讲稿共63页