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通信技术基础通信技术基础第一章通信技术概述第二章通信系统信号的传输和处理第三章数字基带传输技术第四章数字频带传输技术第五章典型通信系统 通信系统与通信网络通信系统与通信网络 提高信号传输效率的方法提高信号传输效率的方法学习目标学习目标 了解通信系统的组成。了解通信系统的组成。了解通信系统的分类。了解通信系统的分类。了解通信网络的转接与信号交换技术。了解通信网络的转接与信号交换技术。了解通信标准。了解通信标准。通信系统与通信网络通信系统的一般模型通信系统的一般模型如图所示。一、通信系统的组成一、通信系统的组成 信源信源信源是信息产生的“源泉”。在很多情况下信源都是将各种原始消息，如声音、图像等转换为电信号，这种原始的电信号又称为基带信号。常见的信源设备）话筒）数码摄像机）数码相机）计算机）扫描仪）摄像头 发送设备发送设备发送设备对信源发出的电信号进行适当的处理，使其方便在信道中传输。处理的方法很多，如对信号进行放大、调制等。在实际应用中，发送设备和接收设备组合在一起构成通信设备，典型的通信设备是调制解调器（Modem）。信道信道信道是信号传输的通道，又称传输媒介。电信号以电流、电磁波的形式在信道中传播，光信号以光波的形式在光纤中传输。（）有线信道）双绞线。所谓双绞线就是一对绞合在一起且相互绝缘的导线。双绞线）实物图）结构图为了使线路敷设方便，生产厂家将 6 3600对双绞线封装在一个护套内形成电缆。电缆）实心绝缘非填充型电缆）实心绝缘填充型电缆）高频屏蔽型电缆）自承式电缆）钢带铠装型电缆）同轴电缆。同轴电缆（Coaxial Cable）的带宽要比双绞线宽得多。同轴电缆由内导体、绝缘层、外导体和保护层组成。同轴电缆的结构）实物图）结构图）光缆。光缆的主要组成部分是光纤，光纤是由高纯度的石英玻璃制成的，称为裸光纤，其直径约为 125。光纤的结构）实物图）结构图（）无线信道无线信道由无形的空间构成，信号以电磁波的形式在无线信道中传播。信号的无线传输 接收设备接收设备接收设备的作用与发送设备的作用相反，通常是把接收到的信号经过放大、滤波选择、解调后恢复成原来的基带信号，也就是把经过信道传输的信号恢复成原来的信源产生的信号。信宿信宿信宿，顾名思义是信息的归宿。信宿的作用是将来自于接收设备的基带信号恢复成原始信号。一般来说，信源的输出和信宿的输入是相同的，两个设备是对应的。在双向通信中，信源和信宿构成通信终端设备。在终端设备中既有信源又有信宿。噪声噪声 干扰干扰在通信过程中，噪声和干扰是不可避免的。噪声是信道中的噪声以及分散在通信系统各组成部分中的噪声的集中表现。噪声主要来自信道。在无线通信中噪声往往是无法避免的，因此衡量一个通信信道的指标时通常考虑信噪比。信噪比就是有用信号与噪声的功率之比，通常用 SNR 表示。二、通信系统与通信网络二、通信系统与通信网络 通信系统通信系统通信是将信号从一个地方向另一个地方传输的过程。用于完成信号的传递与处理的系统称为通信系统（Communication system）。（）按传输媒介不同分类按传输媒介不同，通信系统可分为有线通信系统和无线通信系统。（）按信道中所传递的信号不同分类按信道中所传递的信号不同，通信系统可分为模拟通信系统和数字通信系统。（）按工作频段不同分类按工作频段不同，通信系统可分为长波通信系统、中波通信系统、短波通信系统、微波通信系统等。（）按调制方式不同分类按调制方式不同，通信系统可分为基带传输系统和频带传输系统。信道传输的是信源发出的没有经过调制（即进行频谱搬移和变换）的原始电信号，称为基带传输。频带传输就是将基带信号的频谱搬移到较高的频带再传输。（）按业务不同分类按业务不同，通信系统可分为电报、电话、传真、数据传输、可视电话、无线寻呼等系统。（）按收信者是否运动分类按收信者是否运动来分，通信系统可分为移动通信系统和固定通信系统。通信网络通信网络由多个通信系统互连而形成的通信体系称为通信网络（Communication Network）。固定电话网的组成示意图三、通信网络的转接与信号的交换三、通信网络的转接与信号的交换信息转接的主要原理是将待传送的信息存储起来，等到信道一有空就发出去。只要存储的时间足够长，例如 24 小时，就可将一天之内信道的忙、空状态均匀化，大大压缩必需的信道容量和转接设备容量。为了进行通信，需要将通信双方的终端用传输信道连接起来。要使多个用户所使用的点对点通信系统构成通信网，必须在用户终端之间适当位置上设立交换局及相应的交换设备。将终端之间通过交换设备连接四、通信标准四、通信标准按照不同级别，标准可分为企业标准、行业标准、国家标准和国际标准。一般来说，企业标准的要求最高，国际标准要求最低。部分标准代号学习目标学习目标 了解通信系统的质量指标。了解通信系统的质量指标。了解信道容量的概念。了解信道容量的概念。了解通信的基本业务。了解通信的基本业务。提高信号传输效率的方法一、通信系统的质量指标一、通信系统的质量指标 有效性指标有效性指标（）信息传输速率（Rb）信息传输速率又称为比特率、传信率，是指数字通信系统在单位时间内传输的比特数，用 Rb 表示，单位为 bit/s、b/s、bps（比特 秒），或 kbits、kb s、kbps（千比特 秒），或Mbits、Mbs、Mbps（兆比特 秒）。（）符号传输速率（RB）符号传输速率又称为码元速率，是指数字通信系统在单位时间内传输的码元数，用RB 表示，单位为 Baud或 Bd（波特）。（）频带利用率（）单位频带内的信息传输速率称为频带利用率（）。设 为信道所需的传输带宽，RB 为信道的信息传输速率，则频带利用率为 可靠性指标可靠性指标（）误码率（Pe）误码率是指在传输的码元总数中发生差错的码元数所占的比例，用 Pe 表示。（）误比特率（Pb）误比特率又称误信率、比特差错率，是指在传输中发生差错的比特数占传输总比特数的比例，用 Pb 表示。二、信道容量二、信道容量信道容量是指信道极限传输信息的能力，即信道无差错传输信息的最大信息速率，记为C。信道容量一般分为编码信道容量和调制信道容量，在实际通信中主要研究调制信道容量。在调制信道中，研究的是模拟信号的传输。在加性高斯白噪声背景下，调制信道的参量是调制信道的带宽、信号功率和高斯白噪声功率。三、通信的基本业务三、通信的基本业务通信的基本业务由传统的电话业务发展为下列业务：传真、可视图文、电子邮件、智能用户电报、电缆电视、图文电视、可视电话、会议电视、多媒体图像通信、高清晰度电视（HDTV）、移动通信等。信号传输方式信号传输方式 将模拟信号转换为数字信号将模拟信号转换为数字信号 提高信号在信道中传输质量的方法提高信号在信道中传输质量的方法 提高线路传输效率的方法提高线路传输效率的方法学习目标学习目标 掌握模拟传输和数字传输的概念。掌握模拟传输和数字传输的概念。掌握串行传输和并行传输的概念。掌握串行传输和并行传输的概念。掌握信号发送和接收方式。掌握信号发送和接收方式。信号传输方式一、模拟传输和数字传输一、模拟传输和数字传输 模拟传输模拟传输代表信息的信号及其参数（幅度、频率或相位）随信息连续变化的信号称为模拟信号。时间上连续的模拟信号称为连续信号，时间上不连续的信号称为离散信号。在通信系统中，往往将时间上不连续的模拟信号称为脉冲幅度调制（PAM）信号。模拟信号）时间上连续的模拟信号）时间上不连续的模拟信号如果信道上传输的信号是模拟信号，则这种信号传输称为模拟传输。模拟传输主要应用在模拟通信系统中，常见的模拟调制方式有调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM），这三种模拟调制的波形如图所示。模拟传输波形 数字传输数字传输在时间上和幅度上均取有限离散数值的信号称为数字信号。数字信号幅度离散，在时间上也是离散的。如果信道上传输的信号是数字信号，则这种信号传输称为数字传输。数字信号）二进制数字信号）四进制数字信号模拟传输与数字传输之间是可以相互转换的，如图所示。模拟传输与数字传输之间的转换数字传输波形 模拟通信和数字通信模拟通信和数字通信根据信道传输信号的差异，通信系统的分类如图所示。通信系统的分类与模拟通信相比，数字通信更能适应现代社会对通信技术的要求。（）抗干扰能力强（）便于加密处理（）易于实现集成化，使通信设备体积小、功耗低（）利于采用时分复用实现多路通信模拟通信与数字通信的抗干扰性能比较）模拟通信）数字通信二、串行传输和并行传输二、串行传输和并行传输 串行传输串行传输将多位二进制码的各位码在时间轴上排列成一行，在一条传输线路上一位一位地传输的方式称为串行传输方式。数据的串行传输和并行传输）串行传输）并行传输 并行传输并行传输用多条传输线路同时传送多位二进制码的传输方式称为并行传输方式。串行传输与并行传输之间的比较串行传输接口技术也在不断发展变化，USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）接口在许多领域得到了广泛的应用。串行接口标准及主要技术指标见表。串行接口标准及主要技术指标三、信号发送和接收方式三、信号发送和接收方式 单工、半双工和全双工通信方式）单工通信）半双工通信）全双工通信 单工通信单工通信信号只能单方向传送，在任何时候都不能进行反向传输的通信方式称为单工传输。半双工通信半双工通信在半双工传输方式中，信号可以在两个方向上传输，但时间上不能重叠，即通信双方不能同时既发送信号又接收信号，而只能交替进行。全双工通信全双工通信在全双工通信方式中，信号可以同时在两个方向上传输。学习目标学习目标掌握采样、量化、编码的概念和原理。掌握采样、量化、编码的概念和原理。将模拟信号转换为数字信号PCM 系统中的信号转换和处理过程如图所示。简单数字通信系统框图一、采样一、采样 采样的概念及电路模型采样的概念及电路模型采样也称取样、抽样，采样通常是以一定的时间间隔 T 提取信号的大小（幅度），其工作过程如图所示。采样过程示意图实现采样的电路模型如图所示。采样电路实际上是一个电子开关，采样脉冲是一个周期性的矩形脉冲。采样电路模型及采样波形示意图 采样定理采样定理理论证明，若时间连续信号 f（t）的最高频率为 fm，只要采样频率 fs 大于或等于 fm 的 倍，即 fs fm，就能够无失真地恢复原时间连续信号。这就是著名的奈奎斯特定理，也称为采样定理（抽样定理或取样定理）。采样保持采样保持采样时，输入的模拟信号的值是连续变化的；采样后，输出的脉冲顶部是变化的。为了获得近似不变的准确的采样值，要求采样脉冲的脉冲宽度尽可能窄。另外，在后面的量化过程中，为了满足量化、编码的要求，采样值必须保持一段时间，这一过程称为采样保持，然后再进行量化、编码。二、量化二、量化量化的过程就是将采样信号的幅度变化范围划分为若干个小间隔，每个小间隔称为一个量化级，每个量化级的电平称为一个量化电平。当采样信号的值处于某一量化级附近时，就用这个量化电平（用 表示）来代替实际的采样值。量化过程示意图 均匀量化均匀量化均匀量化的量化级差在整个信号的电平范围内是均匀分布的，不管信号是大是小，量化级差都相同，见表。均匀量化 非均匀量化非均匀量化非均匀量化对大小信号采用不同的量化级差，大信号时量化级差大一些，小信号时量化级差小一些，见表。非均匀量化实现非均匀量化的方法之一是采用压缩扩张技术。压缩扩张技术的要点是在发送端对输入的信号进行压缩处理后再进行均匀量化，在接收端进行扩张处理，其原理如图所示。非均匀量化的原理压缩和扩张特性曲线）压缩特性）扩张特性 量化噪声量化噪声采样值一旦进行了量化，以后不管如何处理，只能恢复成量化电平，无法再精确地恢复到原信号的值，量化前的信号幅度与量化后的信号幅度出现了误差，这一差值在恢复信号时将会以噪声的形式表现出来，所以将此差值称为量化噪声。三、编码三、编码将每个量化电平用一组二进制代码表示的过程称为编码。脉冲编码调制是通信领域应用最广的波形编码方式，其标准是 ITU-T G.711。PCM编码器的组成框图如图所示。逐次反馈比较型 PCM 编码器的组成框图 码型选择码型选择每一个采样值用 位二进制码表示。以 位码为例构成的各种码型的码组见表。位码构成的码组与所表示数值的对应关系 律律 折线压缩特性曲线折线压缩特性曲线要进行编码就要求量化间隔能成为简单的整数倍关系。在二进制编码中，这种关系为n 倍，其中 n 为整数。压缩特性曲线 各段起始电平与量化台阶 单位：1/2048 律 折线压缩特性曲线 编码过程编码过程编码的方法很多，可以通过查编码表的方法进行编码，也可以通过逐次反馈比较的方法进行编码，本书重点介绍通过逐次反馈比较的方法进行编码。段落码的编码规则段内码的编码原则 段落码的编码过程 解码过程解码过程译码输出信号经过同相或反相放大后变成 PAM 信号，由低通滤波器滤除高频分量后即得到恢复的模拟信号。译码器原理框图学习目标学习目标 掌握信源编码的概念。掌握信源编码的概念。掌握信道编码的概念。掌握信道编码的概念。了解信道编码在了解信道编码在 （长期演进）（长期演进）中的应用。中的应用。提高信号在信道中传输质量的方法信息传输系统的编码、译码如图所示。信息传输系统的编码、译码示意图一、信源编码一、信源编码在数字通信系统中，为了提高数字信号传输的有效性而采取的编码称为信源编码。信源编码有两个作用：一是模 数转换；二是尽可能减少信号中的冗余度，使在单位时间内单位系统带宽上所传输的信息量最大。波形编码波形编码 波形编码的基本原理是在时间轴上对模拟话音信号按照一定的速率来抽样，然后将幅度样本分层量化，再用代码来表示。波形编码具有低复杂度、低时延的特点。波形编码在对信号带宽要求不太严的通信中得到广泛应用（如有线通信）。声源编码声源编码声源编码又称为参量编码，它是指对信源信号在频域或其他正交变换域提取特征参量，并将特征参量转换为数字代码进行传输。其反过程为解码，即将收到的数字序列转换后恢复成特征参量，再依据此特征参量产生发送端语音信号。混合编码混合编码混合编码由波形编码和声源编码结合而成，以达到波形编码的高质量和声源编码的低速率等优点。混合编码数字语音信号中包括若干语音特征参量，又包括部分波形编码信息。二、信道编码二、信道编码为了提高数字通信的可靠性而采取的编码称为信道编码，信道编码又称为差错控制编码或纠错编码。提高系统传输的可靠性，降低误码率的常用方法有以下两类。降低数字信道本身引起的误码降低数字信道本身引起的误码可采取的方法有选择高质量的传输线路、改善信道的传输特性、增加信号的发送能量、选择有较强抗干扰能力的调制解调方案等。采用差错控制编码采用差错控制编码（即信道编码）即信道编码）它的基本思想是通过对信息序列做某种变换，使原来彼此独立、相关性极小的信息码元产生某种相关性，在接收端可以利用这种规律性来检查并纠正信息码元在信息传输中所造成的差错。三种差错控制方式示意图）检错重发（）前向纠错（）混合差错控制（）三、信道编码在三、信道编码在 LTE 中的应用中的应用 CRC纠错编码纠错编码CRC 称为循环冗余码，它是在信息码右边加上几位校验码，以增加整个编码系统的码距和查错纠错能力。咬尾卷积编码咬尾卷积编码LTE 系统的卷积码编码器采用了咬尾编码方法，LTE 中规定了使用的咬尾卷积编码的约束长度为，码率为 。Turbo 码码 来自 MAC 层的传输块，经过 CRC 校验后，被分割成 LTE Turbo码能够编码的码块，并进行 Turbo 编码和速率匹配，然后进行比特加扰，最后进行调制和天线映射发射出去。信道编码的本质是增加通信的可靠性、提高数据传输效率、降低误码率。学习目标学习目标 掌握频分多路复用掌握频分多路复用（）（）的概念。的概念。掌握时分多路复用掌握时分多路复用（）（）的概念。的概念。掌握多址通信方式的原理。掌握多址通信方式的原理。提高线路传输效率的方法拨号上网最常用的电话线就采取了多路复用技术，如图所示，这样在上网的同时也不影响电话的接入与拨出。模拟电话用户线的多路复用一、多路复用一、多路复用所谓信道复用是指在同一个信道上同时传输多路信号而互不干扰的一种技术，如图所示。最常用的信道复用方式是频分复用（FDM）、时分复用（TDM）、码分复用（CDM）和波分复用（WDM）。传统的模拟通信中都采用频分复用。信道复用）不使用复用技术）使用复用技术 频分多路复用频分多路复用频分复用就是在发送端利用不同频率的载波将多路信号的频谱调制到不同的频段，以实现多路复用。频分复用的多路信号在时间上重叠，但在频率上不会重叠，合并在一起通过一条信道传输，到达接收端后可以通过中心频率不同的带通滤波器彼此分离开来。频分复用系统的主要缺点是设备庞大复杂，成本较高。时分多路复用时分多路复用时分复用（TDM）就是借助“把时间帧划分成若干时隙和各路消息占有各自时隙”的方法来实现在同一条公共信道上传输多路信号。这种按照一定时间次序依次循环地传输各路消息以实现多路通信的方式称为时分多路通信。与频分复用相比，时分复用具有以下优点：（）TDM 多路信号的合路和分路都是数字电路，比 FDM 的模拟滤波器分路简单可靠。（）FDM 系统对信道的非线性失真要求很高，相反 TDM 系统对信道的非线性失真要求可适当降低。时分复用系统框图（发送端）PCM30/32 路通信系统简介路通信系统简介为了提高信道利用率和适应不同介质的传输，数字通信中常将多路信源编码输出组合成不同数码率的群路（集合）信号。我国规定采用的是 PCM30/32路制式，即一帧共有 32 个时隙，可以传送 30路电话，复用的路数 n 32 路，其中话路数为 30。时分复用系统框图（接收端）（）帧与复帧结构 PCM30/32路通信系统的帧与复帧结构如图所示。路通信系统的帧与复帧结构二、多址技术二、多址技术 频分多址频分多址（FDMA）方式方式频分多址以频率作为用户信号的分割参量，它把系统可利用的无线频谱分成若干互不交叠的频段（信道），这些信道按照一定的规则分配给系统用户，一般是分配给每个用户一个唯一的频段（信道）。在实际应用时，为了防止各用户信号相互干扰和因系统的频率漂移造成频段（信道）之间的重叠，各用户频段（信道）之间通常都要留有一段间隔频段，称为保护频段。如果用频率 f、时间 t 和代码 c 作为三维空间的三个坐标，则 FDMA 系统在这个坐标系中的位置如图所示。频分多址（）方式 时分多址时分多址（TDMA）方式方式时分多址（TDMA，Time Division Multiple Access/Address）技术依靠极其微小的时差，把信道划分为若干不相重叠的时隙，再把每个时隙分配给各个用户专用，在接收端就可以根据发送各个用户信号的不同时间顺序来分别接收不同用户的信号。如果用频率 f、时间 t 和代码 c 作为三维空间的三个坐标，则 TDMA 系统在这个坐标系中的位置如图所示。时分多址（）方式 码分多址码分多址（CDMA）方式方式在码分多址（CDMA，Code Division Multiple Access）通信系统中，不同用户传输信息所用的信号，是用不同的编码序列来区分的，或者说靠信号的不同波形来区分。码分多址系统为每个用户分配了各自特定的地址码，利用公共信道来传输信息。系统的各用户使用互不相关的、相互（准）正交的地址码调制其所发送的信号，在接收端利用码型的（准）正交性，通过地址识别（相关检测），从混合信号中选出相应的信号。如果用频率 f、时间 t 和代码 c 作为三维空间的三个坐标，则 CDMA 系统在这个坐标系中的位置如图所示。码分多址（）方式在图中，每个手机用户由不同的码型所区分，可以在同一时间、同一频段与基站进行通信。系统的工作方式 数字基带信号数字基带信号 数字基带传输系统数字基带传输系统学习目标学习目标 掌握数字基带信号的波形和频谱。掌握数字基带信号的波形和频谱。了解常用线路传输码型。了解常用线路传输码型。数字基带信号一、数字基带信号的波形和频谱一、数字基带信号的波形和频谱 数字基带信号的基本概念数字基带信号的基本概念通常，将信号的转换用 个（或 个、个、个，视进制而定）不同振幅的电压来表示，其频谱从零开始未经变换处理的信号称为数字基带信号。对于实际的信号，波形与频谱这两个侧面相互制约，不能既选择一定形式的波形，又要求一定形状的频谱。所以，频谱有幅度谱和相位谱，如图所示。波形和频谱图）时域波形）对应的频谱图 基带传输对传输信号的要求基带传输对传输信号的要求基带传输对传输的基带信号的基本要求如下：（）基带信号应有利于提高系统的频带利用率。基带信号的编码应尽量使频带压缩。（）基带信号应含有尽量少的直流、极低频及高频分量。基带信号中过多的高频分量则是引起线对间干扰的主要因素。（）基带信号应含有足够大的可供提取同步信号的信号分量。（）基带信号的码型基本上不受信源统计特性的影响。（）基带信号的频谱能量要集中，所占的带宽要窄。（）基带信号的码型对噪声和码间串扰应具有较强的抵抗力和自检能力。（）基带信号的变换电路应简单、成本低、性能好，而且易于调整。数字基带信号的波形数字基带信号的波形信号的波形反映信号的电压或电流随时间变化的关系。对于不同的基带传输系统，由于信道传输特性和要求的不同而需使用不同的基带信号波形。）单极性归零码。单极性归零码的波形如图所示。单极性归零码的波形下面以矩形脉冲为例介绍常用的几种基带信号波形，并在给定代码的情况下，画出相应的二进制脉冲序列波形。）单极性不归零码。单极性不归零码的波形如图所示。单极性不归零码的波形）双极性归零码。双极性归零码的波形如图所示。双极性归零码的波形）双极性不归零码。双极性码的特点是数字信号用两个极性相反而幅度相等的脉冲表示。二进制的“”和“”分别与正、负电平相对应。双极性不归零码的波形）差分码。差分码的波形如图所示。差分码不是用码元本身的电平表示消息代码，而是用相邻码元电平的跳变和不变来表示消息代码。差分码的波形）多值波形（多电平波形）。实际上还存在多个二进制符号对应一个脉冲的情形。这种波形统称为多值波形或多电平波形，它的每一个值可用 个二进制码来表示。多值波形（多电平波形）二、数字基带信号常用线路传输码型二、数字基带信号常用线路传输码型 常用线路传输码型常用线路传输码型（）曼彻斯特码曼彻斯特（Manchester）码又称为分相码、裂相码或双相码，其波形如图所示。曼彻斯特码的波形（）传号交替反转码传号交替反转码简称 AMI（Alternate Mark Inversion）码。此方式是单极性方式的变形，即将单极性方式中的 码仍与 0 电平对应，而 1码对应发送极性交替的正、负电平。码的波形（）HDB3（High Density Bipolar3）码它是 AMI 码的一种改进码，以克服 AMI 码出现连“0”时丢失同步信号的缺点。码的波形【例】模拟信号经过 PVM 编码后得到单极性码 11010000110000100001，为了在基带信道上能够正常传输，试对其进行线路传输码型的变换，编写相应的 AMI码和HDB3码。AMI 码和 HDB3 码的编码过程见表。码和 码的编码过程译码过程见表。码的译码过程几种码的波形（）传号反转（CMI）码传号反转码的波形如图所示。传号反转码是一种双极性二电平不归零码。在CMI 码中，“1”码交替地用“11”和“00”两位码表示，而“0”则固定地用“01”表示。传号反转（）码的波形（）密勒（Miller）码密勒码又称为延迟调制码，可看成是曼彻斯特码的一种变形，其波形如图所示。密勒码的波形 基带传输码型的分析基带传输码型的分析在交流传输方式中，基带传输码型具有以下特点：）曼彻斯特码、密勒码、AMI 码、HDB3码都不含有直流分量，可以作为线路码型。其中，密勒码、HDB3码更适合于速率低于 9600bps 的场合。）从各种码型所占频带宽度来看，以二阶双极性码最窄，为 0 f0 2；以曼彻斯特码最宽，为 0 2f0；其他码型介于两者之间。）不归零码、单极性归零码、密勒码和 AMI码在原始数据中出现连“”码时，将使提取定时同步信号变得困难，因而这几种码型不具有透明性，其他码型则是透明的。）在传输过程中，如两根传输线对调接线位置，曼彻斯特码解码后易发生极性错误，其他码型则不会发生极性错误。）在各种码型发送峰值相同的条件下，AMI 码和HDB3 码的发送功率低于其他码型的发送功率，故对邻道干扰最小。）从抗干扰性能来看，以二电平码为最好，因为其可用限幅器消除叠加在信号电平上的噪声。）密勒码、AMI 码和 HDB3码均有较好的检错能力，这是利用了相邻码元之间存在的某种相关性。学习目标学习目标 了解数字基带传输系统的组成。了解数字基带传输系统的组成。了解数字基带传输的基本准则。了解数字基带传输的基本准则。了解再生中继系统及了解再生中继系统及 标准。标准。数字基带传输系统一、基带传输系统的组成一、基带传输系统的组成不使用调制和解调装置而直接传输基带信号的系统称为基带传输系统。基带传输系统的组成框图 数字基带传输系统各点波形示意图 基带码型编码基带码型编码基带码型编码电路的输入是信源编码输出的二进制脉冲序列，它们一般是单极性不归零码，不适合信道传输。基带码型编码电路的作用是将原始基带信号转换为适合于信道传输的各种码型，如 AMI 码、HDB3码等。发送滤波器发送滤波器发送滤波器又叫信道信号形成网络。码型变换器输出的各种码型是以矩形为基础的，发送滤波器的作用就是将它转换为比较平滑的波形。传输信道传输信道传输信道是允许基带信号通过的媒介，通常不满足无失真传输条件，甚至是随机变化的。信道可以是电缆等狭义信道，也可以是带调制器的广义信道。接收滤波器接收滤波器接收滤波器的作用是滤除混在接收信号中的带外噪声和由信道引入的噪声，对失真波形进行尽可能地补偿（均衡），使输出的基带波形有利于取样判决。取样判决器取样判决器取样判决器是一个识别电路，在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻（由位定时脉冲控制）对接收滤波器的输出波形进行取样判决，再恢复或再生基带信号。基带码型译码基带码型译码基带码型译码将取样判决器送出的信号还原成原始信码。二、数字基带传输的基本准则二、数字基带传输的基本准则 基带传输中的码间串扰基带传输中的码间串扰数字通信的主要质量指标是传输速率和误码率，当信道一定时，传输速率越高误码率越大。由于数字基带信号频谱很宽，在通过一个低通滤波器时，高频部分的分量会受到很大的衰减，信号的波形会发生变化，如图 所示。这是由于作为信道的滤波器的带宽不够而使信号中的高频分量丢失，从而使信号变得平滑。因信道频带有限而产生的基带信号的频率失真是导致基带传输系统产生码间串扰的主要原因。矩形脉冲传输波形失真示意图）传输前的半占空比矩形脉冲）传输后的失真脉冲波形码间串扰的程度与取样时刻、码元速率、基带码型和传输系统的频率特性等因素有关，码间串扰严重时将引起误码。在不考虑噪声影响时，码间串扰对误码的影响如图所示。码元发生误码的原因之一是信道加性噪声，原因之二是传输总特性（包括收、发滤波器和信道的特性）不理想引起的波形延迟、展宽、拖尾等畸变，使码元之间相互串扰。码间串扰对误码的影响 奈奎斯特第一准则奈奎斯特第一准则当基带传输系统具有理想低通滤波器特性（截止频率为 fc）时，以截止频率两倍的速率 RB 2 fc 传输数字信号，则信道输出响应将无码间串扰，这便是奈奎斯特第一准则，这个速率也称为奈奎斯特速率。奈奎斯特速率是信号传输的极限速率。实际的系统不具有理想的传输特性，因此信号传输速率都低于奈奎斯特速率。码间串扰的衡量码间串扰的衡量眼图眼图一个实际的数字基带传输系统是不可能完全消除码间串扰的，尤其是在信道不可能完全确知的情况下，要计算误码率非常困难。评价系统性能的实用方法是分析眼图，即利用示波器观察接收信号波形的质量。基带信号波形及眼图 眼图能直观地表明数字信号传输系统出现码间串扰和噪声的影响，能评价一个基带系统的性能优劣，因此，可将眼图理想化，简化为一个模型，如图所示。掌握眼图的各个指标后，在利用均衡器对接收信号波形进行均衡处理时，只需观察眼图就可以判断均衡效果，确定信号传输的基本质量。眼图模型三、再生中继系统三、再生中继系统 再生中继系统的特点及作用再生中继系统的特点及作用再生中继系统框图如图所示。再生中继的目的是：当信噪比不太大的时候，对失真的波形及时识别判决（识别出是“”码还是“”码），只要不误判，经过再生中继后的输出脉冲会完全恢复为原数字信号序列。基带传输的再生中继系统框图（）再生中继系统的特点）无噪声积累。在数字通信系统中，由于存在再生中继，噪声干扰可以通过对信号的均衡放大、再生判决后去掉，所以理想的再生中继系统是不存在噪声积累的。）有误码积累。因为每个再生中继器都有可能误码，通信距离越长，中继站越多，误码积累越严重。消除误码积累是提高数字通信距离的关键。（）再生中继系统的作用如图所示为三种电缆的衰减特性。三种电缆的衰减特性 脉冲信号经过不同长度的电缆后波形的变化情况如图所示为双极性半占空码序列经过信道传输后的失真波形。双极性半占空码序列经过信道传输后的失真波形）传输前的波形）传输后的波形 再生中继器再生中继器（）电路组成 再生中继器的电路组成）均衡放大电路。均衡放大电路的主要功能是将接收到的失真信号均衡放大成易于取样判决的波形（均衡波形）。放大的目的是为了补偿线路对信号的衰减，为后级电路提供合适的信号幅度。）时钟提取电路。时钟提取电路的主要功能是从输入信号中提取时钟信号，为判决再生电路提供与发送端同频同相的时钟脉冲。）判决再生电路。判决再生电路又称为识别再生电路，其主要功能是从经过均衡放大后的均衡波中判决出“”码或“”码，然后再生出与发送端相同的脉冲波形。再生中继器电路中各点波形（）大规模集成电路再生中继器（CD22301）CD22301 的引脚排列图）电路组成。CD22301的电路组成四、四、RS-232标准及相关标准简介标准及相关标准简介 RS-232标准简介标准简介 RS 是英文“推荐标准”的缩写，232 为标识号。经过历年的使用和发展，RS-232C标准（协议）为 RS232的最新一次修改（1969）标准。RS-232C标准规定了 DTE（Data Terminal Equipment，数据终端设备）和 DCE（Data Communication Equipement，数据通信设备）之间的通信方法。接口）接口实物图）和 连接器引脚的定义 其他相关标准简介其他相关标准简介（）RS-422 标准 RS-422 是传统 Apple 计算机的串口连接标准。它使用差分信号，RS-232使用非平衡参考地的信号。差分传输使用两根线发送和接收信号，相对于 RS-232，它有更好的抗噪性能和更远的传输距离。RS-422的最大传输距离为 4000 英尺（约 1219），最大传输速率为 10Mbps。（）RS-485 标准RS-485是 RS-422 的改进，RS-485和 RS-422都支持多点通信能力，但 RS-485 可允许最多 32 个设备，而 RS-422 的限制为 10 个。RS-485 同时定义了在最大设备个数情况下的电气特性，以保证足够的信号电压。有了多个设备的能力，可以使用单个 RS-485 串口建立设备网络。（）USB接口USB 是一个外部总线标准，用于规范计算机与外部设备的连接和通信。USB 接口可连接 127 种外设，如鼠标和键盘等。USB设备主要具有以下优点：）可以热插拔。）携带方便。）标准统一。）可以连接多个设备。二进制数字调制二进制数字调制 多进制数字调制多进制数字调制 定时和同步原理定时和同步原理学习目标学习目标 掌握二进制幅移键控掌握二进制幅移键控（）（）的工作原理。的工作原理。掌握二进制频移键控掌握二进制频移键控（）（）的工作原理。的工作原理。掌握二进制相移键控掌握二进制相移键控（和和）的的工作原理。工作原理。二进制数字调制一、一、调制概述调制概述 基带信号调制的过程和作用基带信号调制的过程和作用下图说明了基带信号的特征，无论是模拟基带信号还是数字基带信号都有这样的特点：其频谱是包括（或不包括）直流分量的低通频谱，最高频率和最低频率之比远大于。基带信号的特征如图所示是调制解调信号的变换过程，从中可以看出调制在通信中的作用主要有以下几个方面：（）调制将基带信号频谱搬移到一定的频带范围以适应信道的要求。（）经过调制后的频带信号更容易辐射，从而满足无线通信的要求。（）实现频率分配。（）实现多路复用。（）减少噪声和干扰的影响，提高系统抗干扰能力。调制解调信号的变换过程 调制的类型调制的类型如图所示为调制的基本过程。根据输入信号 s（t）的不同，可以将调制分为模拟调制和数字调制。调制的基本过程如图所示，如果调制以后的频谱和原始信号频谱呈线性搬移关系，则这种调制为线性调制。线性调制和非线性调制 数字调制的种类数字调制的种类数字调制用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息，其过程类似于对高频载波信号进行开关控制的工作状态，所以数字调制通常称为数字键控。数字调制的种类二、二、二进制幅移键控二进制幅移键控 2ASK（通断键控（通断键控 OOK）用数字基带信号对载波幅度进行调制的方式称为幅移键控。幅移键控（也称振幅调制）记作 ASK，或称其为开关键控（通断键控），记作 OOK（On Off Keying）。二进制幅移键控通常记作 2ASK。基本原理及其产生方法基本原理及其产生方法（）基本原理2ASK的原理是利用代表数字信息的“0”或“1”码的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出，有载波输出时表示发送“1”码，无载波输出时表示发送“0”码，如图所示。信号波形示意图（）产生方法）模拟振幅调制法。通过乘法器直接将高频载波和二进制数字基带信号（单极性不归零码波形）相乘得到 2ASK 信号。）数字键控法。由二进制数字基带信号去控制一个开关电路，当信码为“1”时，开关接通，有高频载波输出；当信码为“0”时，开关断开，无高频载波输出。波形的产生方法）模拟振幅调制法）数字键控法在实际应用中，2ASK信号的实现方法如图所示。信号的实现方法 2ASK信号的解调方法信号的解调方法从已调信号中恢复基带信号的过程称为解调，它是调制的逆过程，有两种基本解调方法，即非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检波法）。简单来说，非相干解调是指接收端不需要恢复载波信号即可实现解调，而相干解调则是在接收端必须恢复与发送端一致的载波才能实现解调。（）2ASK信号的非相干解调非相干解调又称包络检波法，其原理如图所示。低通滤波器的作用是滤除高频杂波，使基带信号（包络）通过。信号的非相干解调如图所示是2ASK信号的非相干解调的各点波形。信号的非相干解调（包络检波）框图中各点波形）通过带通滤波器后的波形）全波整流后的波形）包络检波器检出的包络）取样判决后恢复的波形（）2ASK信号的相干解调相干解调就是同步解调，如图所示。采用相干解调接收端必须提供一个与 2ASK信号载波保持同频、同相的相干载波信号，可以通过窄带滤波器或锁相环来提取同步载波。信号的相干解调（同步解调）信号的相干解调框图中各点波形三、三、二进制频移键控二进制频移键控（2FSK）用数字基带信号对载波频率进行调制的方式称为频移键控，频移键控（也称为频率调制）记作 FSK，二进制数字频移键控通常记作 2FSK。基本原理及其产生方法基本原理及其产生方法（）基本原理 2FSK的原理是用载波的频率变化传送数字信号，即用所传送的数字信号控制载波的频率变化，而载波的幅度则保持不变。如图所示为 2FSK信号波形示意图。信号波形示意图（）产生方法）模拟调频法。所谓模拟调频法就是用输入的基带脉冲去控制一个振荡器的某种参数而达到改变振荡器频率的目的，其电路框图如图 所示。）频率选择法。2FSK信号的另一种产生方法是频率选择法，即利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通，如图 所示。波形的产生方法）模拟调频法）频率选择法 2FSK 信号的解调方法信号的解调方法2FSK信号同样有两种基本的解调方法，即相干解调（相干接收法）和非相干解调（包络检波法）。频率选择法产生 信号的电路原理图及各点波形）电路原理）各点波形（）相干解