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1、,数字通信电子教案,第 1 章 概 述,本章从信系统模型的构成、数字传输方式、数字通信的特点、数字通信复用技术、数字通信系统的主要指标等作比较全面的概括介绍,并提出一些最基本的概念。,本章学习要点: (1)通信系统及数字通信系统模型的构成; (2)数字信号和模拟信号的特点; (3)数字通信的特点; (4)数字通信系统的主要指标,1.1 通信及通信系统构成,信息的传递和交换的过程称为通信。信息可以有多种表现形式,如语言、文字、数据、图像等。近代通信系统也是种类繁多、形式各异,但可以把通信系统概括为一个统一的模型。这一模型包括信源、变换器、信道、反变换器、信宿和噪声源六个部分。模型框图如图1-1所
2、示。,图1-1 通信系统模型,模型中各部分功能如下: (1)信源 信源是指发出信息的信息源,或简单地说是信息的发出者。,(2)变换器 变换器的功能是把信源发出的信息变换成适合在信道上传输的信号。,(3)信道 信道是信号传输媒介的总称。,(4)反变换器 反变换器具有与变换器相反的逆变换功能。,(5)信宿 信宿是指信息传送的终点,也就是信息接收者。,(6)噪声源 噪声源并不是一个人为实现的实体,但在实际通信系统中又是客观存在的。,在模型中的噪声源是以集中形式表示的,实际上这种干扰噪声可能在信源信息初始产生的周围环境中就混入了,也可能从构成变换器的电子设备中引人。,1.2 信息、信号及分类,通信的目
3、的就是传递或交换信息。与通信结合较紧密的一个定义是“用来消除不定性的东西”。通信的过程就是传递“用来消除不定性的东西”。,信号是携带信息的载体: 信号应具有某种可以感知的物理参量如电压、电流及光波强度和频率等。通常称为语声信号、图像信号、数据信号等。,根据信号物理参量基本特征的不同,信号可以分为两大类:模拟信号和数字信号。,模拟信号: 模拟信号的特点是信号强度(如电压或电流)的取值随时间连续变化。模拟信号的一般表示如图1-2(a)所示。,图1-2模拟信号与数字信号示例,数字信号: 与模拟信号相反,数字信号强度参量的取值是离散变化的,其示例如图1-2(b),(c)所示。,1.3 模拟通信和数字通
4、信,按其在传输信道中所传输信号的类别的不同,通信系统可分为模拟通信和数字通信两大类。,1.3.1、模拟通信 信源所发出的信息经变换器变换和处理后,送往信道上传输的是模拟信号的通信系统称为模拟通信系统。模拟通信系统的一般构成模型如图1-3所示。图1-4所示,就是简单模拟话通信系统的实例。,图1-3 模拟通信系统模型,图1-4 简单模拟电话通信系统,1.3.2、数字通信 与模拟通信相对应,信源所发出的信息经变换和处理后,送往信道上传输的是数字信号的通信系统称为数字通信系统。语声信号的数字通信系统构成图如图1-5所示。,图1-5 语声数字通信系统示意图,1.3.3、 数字信号的时分复用传输 时分多路
5、复用利用了信号的时间离散性,也就是使各路信号在不同的时间占用信道进行传输,在接收端由不同的时间取出对应的信号。,具体来说,把时间分成均匀的时间间隙,将每路信号的传输时间分配在不同的时间间隙内,达到各路互相分开的目的,如图1-8所示。,图1-8 时分复用示意图,时分复用的电路结构示意图如图1-9所示。图中SA1和SA2为电子转换开关,它们在同步系统的控制下以同起点、同速度顺序同步旋转,以保证收、发两端同步工作。,在发端,开关的旋转接点接于某路信源时,就相当于取出某路信源信号的离散时间的幅度数值。,旋转接点按顺序旋转,就相当于按顺序取出各路信源信号在离散时间的幅度数值并合成,然后经模/数变换电路变
6、为数字信号,再与同步信号合成即可送给信道传输。在接收端,首先分出同步信号,再进行数/模变换后即可由旋转开关分别送给相应的信息接收者。,图1-9 时分多路复用电路结构示意图,1.4 数字通信特点及性能指标,1.4.1、数字通信的特点 1 抗干扰能力强,无噪声积累 在数字通信中,由于数字信号的幅度值为有限个数的离散值(通常取两个幅值),在传输过程中受到噪声干扰虽然也要叠加噪声。,但当信噪比还没有恶化到一定程度时,即在适当的距离,采用再生的方法即可消除噪声干扰,将信号再生成原发送的信号,如图1-10所示。,因此,数字通信方式可做到无噪声积累,故可实现长距离、高质量的传输。,图1-10 两类通信方式抗
7、干扰性能比较,2 便于加密处理 数字通信的加密处理比模拟通信更容易实现。以语声数字通信为例,经过数字变换后的信号就可以用简单的数字逻辑运算进行加密处理,如图1-11所示,图中C为加密密码。,如传输过程不产生差错,则解密输出的Y2应与发送端送入加密电路的Y1完全相同。,图1-11 数字通信加密方法示意图,3 利于采用时分复用实现多路通信 数字信号本身可以很容易用离散时间信号表示,在两个离散时间之间可以插入多路离散时间信号以实现时分多路复用。,4 设备便于集成化、小型化 由于数字通信系统中大部分电路都是由数字电路来实现的,微电子技术的发展可使数字通信便于用大规模和超大规模集成电路来实现。,5 占用
8、频带宽 一路数字电话频带一般为64KHz,而一路模拟电话所占频带仅为4KHz,前者是后者的16倍。然而随着信道带宽很宽的数字微波通信、卫星通信和光纤通信等系统的利用,以及数字频带压缩技术的发展,数字通信占用频带宽的问题正逐步缩小。,1.4.2、数字通信系统的主要性能指标 1. 有效性指标,(1)信息传输速率 信道的传输速率是以每秒钟所传输的信息量来衡量的。 信息传输速率的单位是比特/秒,或写成bit/s,即是每秒传输二进制码元的个数。,(2)符号传输速率 符号传输速率也叫码元速率。它是指单位时间内所传输码元的数目,其单位为“波特”(bd)。 信息传输速率与符号传输速率的关系是 (1-2),(3
9、)频带利用率 频带利用率是指单位频带内的传输速率。即 (1-3),(1-4),2 .可靠性指标 衡量数字通信系统可靠性的主要指标是:,(1)误码率 在传输过程中发生误码的码元个数与传输的总码元数之比,通常以来表示, (1-5),误码率是多次统计结果的平均量,所以这里指的是平均误码率。,(2)信号抖动 在数字通信系统中,信号抖动是指数字信号码元相对于标准位置的随机偏移,其示意图如图1-12所示。,图1-12 信号抖动示意图,1.5 语声信号数字化编码的分类,根据语声信号的特点及数字化编码的实现方法,语声信号的数字化编码可划分为三大类型。,波形编码:是对信号波形进行的编码,前述PCM方式即为波形编码的一种。这种编码具有较高的重建信号质量。波形编码的概念就是在发送端根据语声信号波形的特点,把语声信号变换为数字信号,而在接收端经解码再恢复发送端原语声的波形。,参量编码:是提取语声信号的一些特征参量,对其进行的编码。它主要是跟踪波形产生的过程,传送反映波形产生的主要变化参量,在接收端利用这些参量根据语声产生过程的机理恢复语声。这种编码的特点是编码速率低,但语声质量要低于波形编码。,混合编码:介于波形编码与参量编码之间的一种编码,即在参量编码的基础上,引入了一定的波形编码的特征,以达到改善语声信号自然度的目的。,在语声信号数字化编码中混合编码和参量编码都是属于语声信号压缩编码。,
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