现代通信技术概论第二章专题研究 习题和.doc

第二章专题研究 1、模拟信号的数字化 利用数字通信系统传输模拟信号，首先需要在发送端把模拟信号数字化，即进行模/数转换；再用数字通信的方式进行传输；最后接受端把数字信号还原为模拟信号，即进行数/模转换。 模/数转换的方法采用最早而且目前应用比较广泛的是脉冲编码调制（PCM）。它对模拟信号的数字化处理包括抽样、量化和编码三个步骤，由此构成的数字通信系统为PCM通信系统，如下图所示。 模拟 模拟 信号 PCM PCM 信号 信号 信号 模/数 数/模 转换 转换 由图可见，PCM主要包括抽样、量化和编码三个过程。抽样是指把时间连续的模拟信号转换成时间离散但幅度仍然连续的抽样信号的过程；量化是指利用预先规定的有限个电平来表示模拟抽样值的过程；编码是将量化后的信号编码形成一个二进制码组输出的过程。在具体实现上，编码与量化通常是同时完成的，换句话说，量化实际是在编码过程中实现的。国际标准化的PCM码组（电话语音）使用8位码组代表一个抽样值。 通过PCM编码后得到的数字基带信号可以直接在系统中传输（即基带传输）；也可以将基带信号的频带搬移到适合光纤、无线信道等传输的频带上再进行传输（即频带传输）。 接收端的数/模转换包含了译码和低通滤波器两部分。译码是编码的逆过程，它将接收到的PCM信号还原为抽样信号（实际为量化值，它与发送端的抽样值存在一定的误差，即量化误差）。低通滤波器的作用是恢复或重建原始的模拟信号，它可以看做是抽样的逆变换。 语音信号的数字化称为语音编码，图像信号的数字化称为图像编码，两者虽然各有特点，但基本原理是一致的。下面以语音信号的PCM编码为例，分析模拟信号的数字化过程，PCM编码方法同样适用于图像编码。 抽样 所谓抽样就是每隔一定的时间间隔Ts（又称抽样间隔）抽取模拟信号的一个瞬时幅度值（样值），即抽样是把时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样序列的过程。抽样中的主要问题在于：抽样间隔Ts应该取多大，才能使上述时间上离散的样值序列包含原模拟信号的全部信息？并且，经过量化、编码、传输和译码后，接收端能否还原出原来时间上连续的模拟信号？这些就是抽样定理要解决的问题。 抽样定理指出：如果一个连续信号f(t)所含有的最高频率不超过fh，则当抽样频率fs≥2 fh时，抽样后得到的离散信号就包含了原信号的全部信息。 例如，单路语音信号频率范围大约是300~3400Hz，最高频率fh=3400Hz，按照ITU-T建议，抽样频率fs=8kHz2 fh。PAL制电视信号最高视频频率fh=6MHz，按照CCIR601建议，抽样频率fs=13.5MHz2 fh。 量化 模拟信号经过抽样后，得到在时间上离散的抽样信号，但其幅度取值仍然是连续的，所以它还是模拟信号，必须对抽样信号进行幅度的离散化处理。所谓量化，就是将抽样后的幅值连续信号变换为有限个离散值信号的过程。 量化分为均匀量化和非均匀量化两种。量化中的主要问题在于：如何提高量化信噪比。 1、均匀量化 把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化。如将取值域均匀等分为N个量化区间，则N称为量化级数或量化电平数。在均匀量化中，每个量化区间的量化电平通常取在各区间的中点，量化间隔（或量化级差）△取决于输入信号的变化范围和量化级数。当信号的变化范围和量化级数确定后量化间隔也被确定，如P.33图2-3所示。 均匀量化的特点是，在量化区内，无论信号大小如何，量化间隔都相等，最大量化误差也就相同。因此，均匀量化有一个明显的不足：小信号的量化信噪比太小，不能满足通信质量要求，而大信号的量化信噪比较大，远远地满足要求。在电话通信中，小信号所占比重较大，显然，均匀量化对提高信噪比不利。为了克服这一缺点，实际上大多采用非均匀量化。 2、非均匀量化 非均匀量化根据信号的不同区间来确定量化间隔，即量化间隔与信号的大小有关。当信号幅度小时，量化间隔小，其量化误差也小；当信号幅度大时，量化间隔大，其量化误差也大。因此量化噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号时的量化信噪比。 在实际应用中，非均匀量化的实现方法通常是采用压缩扩张技术，其特点是在发送端将抽样值进行压缩处理后再均匀量化，在接收端进行相应的扩张处理。采用压缩扩张技术的PCM系统框图