（第7讲）
2011-04-121
第五章模拟信号的数字编码
2
5.1 概述
通信系统中的编码技术：
?通信系统中的编码技术
-信源编码：提高通信系统的有效性；
-信道编码：提高通信系统的可靠性。
?模拟信号的数字编码属于信源编码
-波形编码：对统计特性分析后的信号进行编码；波形编码对统计特性分析后的信号进行编码-参量编码：直接提取信号的特征参量，对这些参量进行编码
参量进行编码。
3
图5.1.1模拟信号数字传输的系统框图
511
4
图抽样与恢复
5.2.1
6
8图5.2.2低通信号的抽样与恢复
混叠失真：
523<2时样值序列的频谱产生混叠失真
图5.2.3当抽样频率w
<2w m时，样值序列的频谱产生混叠失真
s
9
从样值序列恢复原模拟信号：
图5.2.1抽样与恢复
10
?非理想抽样和抽样保持
13
图5.2.4非理想抽样
?实际中先用窄脉冲序列进行近似理想的
的抽样，然后再经过展宽电路保持抽出
的样值在脉宽内不变，从而形成平顶的
样值序列，供其后的量化和编码。
图5.2.5抽样保持模型
15
图5.2.6平顶抽样信号的恢复
带通型信号的抽样定理
图5.2.8带通型信号的抽样定理
18
通信原理课程设计报告书 课题名称 模拟信号的数字化及编码仿真—— PCM 系统仿真 姓 名 学 号 院、系、部 电气工程系 专 业 电子信息工程 指导教师 2014年6月22日 ※※※※※※※※※ ※※ ※※ ※ ※ ※※※※※※※※※ 2011级通信原理 课程设计
模拟信号的数字化及编码仿真——PCM 系统仿真 一、设计目的 熟练掌握PCM 编译码原理，理解模拟信号抽样、量化和基于13折线的PCM 编码过程。 二、设计要求 用MATLAB 编码实现模拟信号抽样、量化、编码的过程，画出PCM 编码和未编码波形。如：设输入信号为()sin 2c x t A t π=，对x(t)信号进行抽样、量化和PCM 编码和译码，画出经过PCM 编码与未编码波形。 三、设计原理 通信系统的信源有两大类：模拟信号和数字信号。若输入是模拟信号，则在数字通信系统的信源编码部分需对输入模拟信号进行数字化，或称为“摸/数”变换，将模拟输入信号变为数字信号。数字化过程包括三个步骤：抽样、量化和编码。 模拟信号首先被抽样。通常抽样是按照等时间间隔进行的，虽然在理论上不是必须如此。模拟信号被抽样后，成为抽样信号，它在时间上是离散的，但是其取值仍然是连续的，所以是离散模拟信号。第二步是量化。量化的结果使抽样信号变成量化信号，其取值是离散的。故量化信号已经是数字信号，它可以看成多进制的数字脉冲信号。第三步是编码。最基本和最常用的编码方法是，脉冲编码调制(Pulse Code Modulating ，PCM)，它将量化后的信号变成二进制码元。由于编码方法直接和系统的传输效率有关，为了提高传输效率，常常将这种PCM 信号进一步做压缩编码，再在通信系统中传输。 接收端接收到信号后再对其进行译码，还原出原信号。译码就是把编码后的码流在通过信道传输后得到的码流译成离散时间连续幅度的信号。 图3-1 PCM 系统原理图 1．抽样：将模拟信号转换为时间离散的样本脉冲序列。模拟信号被抽样后，
模拟信号和数字信号的特点分别是什么
第一章 复 习 题 1、模拟信号和数字信号的特点分别是什么? 2、设数字信号码元时间长度为1s μ，如采用四电平传输，求信息传输速率及符号速率。 3、接上题，若传输过程中2秒误1个比特，求误码率。 4、假设频带宽度为1024kHz ，可传输2048s kbit /的比特率，试问其频带利用率为多少? 第一章 复习题答案 1、答：模拟信号的特点是幅度取值是连续的。 数字信号的特点是幅度取值是离散的。 2、答：符号速率为 Bd t N B B 661010 1 1=== - 信息传输速率为 s Mbit s bit M N R B b /2/1024log 10log 6262=?=?== 3、答：误码率＝发生误码个数／传输总码元数 7 6 105.210221-?=??= 4、答： Hz s bit //21010241020483 3 =??==频带宽度信息传输速率η 第二章 复 习 题 1、某模拟信号频谱如题图2.1所示，求满足抽样定理时的抽样频率s f 。若kHz f s 10=，试 画出抽样信号的频谱，并说明此频谱出现什么现
象? 2、画出9=l 的均匀量化信噪比曲线（忽略过载区内的量化噪声功率）。 3、画出6.87,7==A l 的A 律压缩特性的非均匀量化信噪比曲线。 4、为什么A 律压缩特性一般A 取87．6。 5、A 律13折线编码器，8=l ，一个样值为? =93S i ，试 将其编成相应的码字，并求其编码误差与解码误 差。 6、A 律13折线编码器，8=l ，过载电压mV U 4096=，一个样值为mV u S 796-=，试将其编成相应的码字，并求 其编码电平与解码电平。 第二章 复 习 题 答 案 1、kHz f f B kHz f kHz f M M 415,5,10 =-=-=== B f <0 ∴此信号为低通型信号 满足抽样定理时，应有 kHz f f M s 10522=?=≥
基于matlab的模拟信号数字化仿真 作者：李亚琼 学号：1305160425
摘要 本文研究的主要内容模拟信号数字化Matlab软件仿真。若信源输出的是模拟信号，如电话传送的话音信号，模拟摄像机输出的图像信号等，若使其在数字信道中传输，必须在发送端将模拟信号转换成数字信号，即进行A/D变换，在接收端则要进行D/A变换。模拟信号数字化由抽样、量化、编码三部分组成。由于数字信号的传送具有稳定性好，可靠性高，方便传送和传送等诸多优点，使得被广泛应用到各种技术中。不仅如此，Matlab仿真软件是常用的工具之一，可用于通信系统的设计和仿真。在科研教学方面发挥着重要的作用。Matlab有诸多优点，编程简单，操作容易、处理数据迅速等。 本文主要阐述的是模拟信号数字化的理论基础和实现方法。利用Matlab提供的可视化工具建立了数字化系统的仿真模型，详细讲述了抽样、量化、编码的设计，并指出了在仿真建模中要注意的问题。在给定的仿真条件下，运行了仿真程序，得到了预期的仿真结果。 关键词：Matlab、模拟信号数字化、仿真 1.1基本原理 模拟信号的数字传输是指把模拟信号先变换为数字信号后，再进行传输。由于与模拟传输相比，数字传输有着众多优点，因而此技术越来越受到重视。此变化成为A/D变换。A/D变换是把模拟基带信号变换喂数字基带信号，尽管后者的带宽会比前者大得很多，但本质上仍属于基带信号。这种传输可直接采用基带传输，或经过熟悉调制后再做频带传输。A/D变化包括抽样、量化、编码三个步骤，如图。 图1.模拟信号数字化 1.1.1抽样定理 抽样就是把模拟信号在时间上的连续变成离散的抽样值。而能不能用这一系列抽样值重新恢复原信号，就需要抽样定理来解决了。所以说，如果我们要传输模拟信号，可以通过传输抽样定理的抽样值来实现而不是非要传输原本的模拟信号。模拟信号数字化的理论基础就是抽样定理，抽样定理的作用不言而喻。 抽样定理：设时间连续信号) f，其最高截止频率为m f，如果用时间间 (t
模拟信号是将源信号的一些特征未经编码直接通过载波的方式发出，是连续的数字信号则是通过数学方法对原有信号进行处理，编码成二进制信号后，再通过载波的方式发送编码后的数字流，是离散的特点：模拟信号：将26个字母对应26种不同的颜色要传递时用不同颜色的滤光片改变电筒射出的光的颜色这里就会表现出模拟信号不可靠（容错性差、易受干扰）的缺点人对颜色的识别可能会有偏差大气对不同颜色的光线吸收程度不同数字信号：将26个字母编码成二进制数字（可参考莫尔斯电码）通过电筒光线的闪烁来传递信号由于光线的闪烁很容易分辨且不容易受到干扰这个通信方案的可靠性就比模拟信号更强模拟信号指幅度的取值是连续的（幅值可由无限个数值表示）。时间上连续的模拟信号连续变化的图像（电视、传真）信号等，时间上离散的模拟信号是一种抽样信号，数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。二进制码就是一种数字信号。二进制码受噪声的影响小，易于有数字电路进行处理，所以得到了广泛的应用。1．模拟通信模拟通信的优点是直观且容易实现，但存在两个主要缺点。（1）保密性差模拟通信，尤其是微波通信和有线明线通信，很容易被窃听。只要收到模拟信号，就容易得到通信内容。（2）抗干扰能力弱电信号在沿线路的传输过程中会受到外界的和通信系统内部的各种噪声干扰，噪声和信号混合后难以分开，从而使得通信质量下降。线路越长，噪声的积累也就越多2．数字通信（1）数字化传输与交换的优越性①加强了通信的保密性。②提高了抗干扰能力。数字信号在传输过程中会混入杂音，可以利用电子电路构成的门限电压（称为阈值）去衡量输入的信号电压，只有达到某一电压幅度，电路才会有输出值，并自动生成一整齐的脉冲（称为整形或再生）。较小杂音电压到达时，由于它低于阈值而被过滤掉，不会引起电路动作。因此再生的信号与原信号完全相同，除非干扰信号大于原信号才会产生误码。为了防止误码，在电路中设置了检验错误和纠正错误的方法，即在出现误码时，可以利用后向信号使对方重发。因而数字传输适用于较远距离的传输，也能适用于性能较差的线路。③可构建综合数字通信网。采用时分交换后，传输和交换统一起来，可以形成一个综合数字通信网。（2）数字化通信的缺点①占用频带较宽。因为线路传输的是脉冲信号，传送一路数字化语音信息需占20?64kHz的带宽，而一个模拟话路只占用4kHz带宽，即一路PCM信号占了几个模拟话路。对某一话路而言，它的利用率降低了，或者详它对线路的要求提高了。②技术要求复杂，尤其是同步技术要求精度很高。接收方要能正确地理解发送方的意思，就必须正确地把每个码元区分开来，并且找到每个信息组的开始，这就需要收发双方严格实现同步，如果组成一个数字网的话，同步问题的解决将更加困难。③进行模/数转换时会带来量化误差。随着大规模集成电路的使用以及光纤等宽频带传输介质的普及，对信息的存储和传输，越来越多使用的是数字信号的方式，因此必须对模拟信号进行模/数转换，在转换中不可避免地会产生量化误差数字信号与模拟信号的区别不在于该信号使用哪个波段（C、KU）进行转发，而在于信号采用何种标准进行传输。如：亚卫2号C波段转发器上是我国省区卫星数字电视节目，它所采用的标准是MPEG-2-DVBS。数字信号与模拟信号的区别不在于该信号使用哪个波段（C、KU）进行转发，而在于信号采用何种标准进行传输。如：亚卫2号C波段转发器上是我国省区卫星数字电视节目，它所采用的标准是MPEG-2-DVBS。模拟信号与数字信号(1)模拟信号与数字信号不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输：模拟数据一般采用模拟信号(AnalogSignal)，例如用一系列连续变化的电磁波(如无线电与电视广播中的电磁波)，或电压信号(如电话传输中的音频电压信号)来表示；数字数据则采用数字信号(DigitalSignal)，例如用一系列断续变化的电压脉冲(如我们可用恒定的正电压表示二进制数1，用恒定的负电压表示二进制数0)，或光脉冲来表示。当模拟信号采用连续变化的电磁波来表示时，电磁波本身既是信号载体，同时作为传输介质；而当模拟信号采用连续变化的信号电压来表示时，它一般通过传统的模拟信号传输线路(例如电话网、有线电视网)来传输。当数字信号采用断
唐山学院 通信原理课程设计 题目模拟信号数字化传输系统的设计与仿真分析系 (部) 班级 姓名 学号 指导教师 2017 年 6 月 26 日至2017 年7月 8 日共 2 周
通信原理课程设计任务书 一、设计题目、内容及要求 设计题目：模拟信号数字化传输系统的设计与仿真分析 内容及要求： 1.了解Matlab/Simulink的运行环境及应用领域； 2.逐步熟悉模拟信号数字化传输系统的仿真过程，由简到难； 3.系统仿真及波形分析 (1) 模拟信号抽样过程原理与仿真分析； (2) 模拟信号量化过程原理与仿真分析； (3) PCM编译码系统设计与仿真分析； (4) DPCM编译码系统设计与仿真分析。 (5) 在高斯信道下对PCM系统的性能进行仿真分析。（可选） 二、设计原始资料 通信原理；软件Matlab；计算机一台 三、要求的设计成果（课程设计说明书、设计实物、图纸等） 设计说明书1份，不少于2000字，应包含模拟信号数字化传输系统原理、相关系统设计、相关软件Matlab/Simulink介绍、系统仿真及波形分析。 四、进程安排 第1-2天课设理论讲解及仿真软件介绍、学生练习使用软件 第3-4天相关系统设计 第5-6天系统仿真及波形分析 第7-8天整理、撰写说明书 第9-10天进行测试或答辩 五、主要参考资料 [1]樊昌信、曹丽娜.通信原理.北京:国防工业出版社，2006 [2]刘学勇.详解MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真.北京:电子工业出版社，2011 [3]邵玉斌.MATLAB/Simulik通信系统建模与仿真实例分析.北京:清华大学出版社，2008 [4]张水英，徐伟强.通信原理及MATLAB/Simulink仿真.北京:人民邮电出版社，2012 [5]邵佳，董辰辉. MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真实例精讲.北京:电子工业出版社，2009 指导教师（签名）：教研室主任（签名）：
模拟信号和数字信号的优缺点 模拟信号好还是数字信号好，很多人都会说数字信号，但为 什么数字信号好呢？那就有相当一部分人答不出来了，究竟模拟信 号和数字信号的优缺点在哪呢？ 模拟通信的优点是直观且容易实现，但存在两个主要缺点。 1）保密性差 模拟通信，尤其是微波通信和有线明线通信，很容易被窃听。只要收到模拟信号，就容易得到通信内容。 2）抗干扰能力弱 电信号在沿线路的传输过程中会受到外界的和通信系统内部 的各种噪声干扰，噪声和信号混合后难以分开，从而使得通信质量 下降。线路越长，噪声的积累也就越多 3）不适宜远距离传输 数字化传输优点 1）加强了通信的保密性。 2）提高了抗干扰能力。 3）可构建综合数字通信网。采用时分交换后，传输和交换 统一起来，可以形成一个综合数字通信网 4）适宜远距离传输
由于数字信号在传输过程中可以不断地通过整形和判决再生，因此它可以实现无噪声积累和无非线性失真的高质量长途传输。光 纤所具有的极宽传输带宽和极小传输损耗，使数字通信的广泛应用 成为可能。数字视频光传输与传统的模拟光传输相比，具有如下显 著特性： 1）可级联，随距离的增加，SNR信噪比不会下降。 2）由于是数字传输方式，采用数字编码纠错方式，具有高 稳定性和高可靠性。 3）多路信号同传时，采用数字时分复用技术（TMD），不会 产生模拟传输时的交调失真。 4）稳定性好，环境适应性高，比模拟传输系统易于维护与 调节。 5）易于实现大容量传输，且性价比高。 6）采用无压缩编码，图像信号质量高，达广播级。 在传输中，如视频监控，数据传输等，基本上都是由光端机 来进行的，而视频监控中采用最多的则是视频光端机这类传输设备。
通信原理课程设计 题目模拟信号数字化PCM编码设计 专业电子工程 学号 2011014040 姓名曹尚 指导教师王荣之 时间2013年11月13日 牡丹江师范学院
牡丹江师范学院 本科学生课程设计指导书 题目模拟信号数字化PCM编码设计 班级电子工程 学号2011014040 姓名曹尚 指导教师王荣之 牡丹江师范学院 2013 年11 月13 日
单片机课程设计指导书 课程名称：通信原理 学时数：2周 学分数： 开课院、系（部）、教研室：工学院电子信息科学与技术系 执笔人：王荣之 编写时间： 2013.11.1 一、设计目的 （1）通过对模拟信号数字化PCM编码的分析，加强对PCM编码的了解，并掌握模拟信号数字化的方法。 （2）通过设计，培养分析问题解决问题的能力并掌握MATLAB 的使用。 二、设计任务 对模拟信号进行数字化PCM编码设计 三、设计内容与要求 1. 模拟信号数字化的处理步骤：抽样、量化、编码 2. PCM编码的压缩和扩张原理 3. 用MATLAB或其它EDA工具软件对PCM编码进行使用A律和μ律的压缩和扩张进行软件仿真 四、设计资料及有关规定 1.课程设计的内容独立自主完成，课程设计报告内容完整、格式规范、排版整洁美观
2.设计选用的语言不限，推荐使用MATLAB 五、设计成果要求 设计论文 六、物资准备 1.到图书馆、工学院资料室查阅相关资料 2.到实验室准备芯片作好实验准备 七、主要图式、表式 电路图要求用电路绘图软件画出 八、时间安排 2013.11.1 设计动员，发放设计任务书 2013.11.2-2013.11.3 查阅资料、拟定设计程序和进度计划2013.11.4-2013.11.10 确定设计方案、实验、画图、编写设计 说明书 2013.11.11-2013.11.13 完成设计，交指导教师审阅 2013.11.14 成绩评定 九、考核内容与方式 考核的内容包括：学习态度；技术水平与实际能力；论文(计算书、图纸)撰写质量；创新性；采取审定与答辩相结合的方式，成绩评定按百分制记分。 十、参考书目 1.《通信原理》樊昌信曹丽娜国防工业出版社 2.《数字信号处理教程——matlab释义与实现》陈怀琛电子 工业出版社
信号数据可以用于表示任何信息，如符号、文字、语音、图像等，从表现形式上可归结为两类：模拟信号和数字信号。模拟信号与数字信号的区别可根据幅度取什是否离散来确定。模拟信号指幅度的取值是连续的（幅值可由无限个数值表示）。时间上连续的模拟信号连续变化的图像（电视、传真）信号等，如图1-1（a）所示。时间上离散的模拟信号是一种抽样信号，如图1-1（b）所示，它是对图1-1（a）的模拟信号每隔时间T抽样一次所得到的信号，虽然其波形在时间上是不连续的，但其幅度取值是连续的，所以仍是模拟信号，称之为脉冲幅度调制（PAM，简称脉幅调制）信号。 数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。二进制码就是一种数字信号。二进制码受噪声的影响小，易于有数字电路进行处理，所以得到广泛的应用。1．模拟通信 模拟通信的优点是直观且容易实现，但存在两个主要缺点。 （1）保密性差 模拟通信，尤其是微波通信和有线明线通信，很容易被窃听。只要收到模拟信号，就容易得到通信内容。 （2）抗干扰能力弱 电信号在沿线路的传输过程中会受到外界的和通信系统内部的各种噪声干扰，噪声和信号混合后难以分开，从而使得通信质量下降。线路越长，噪声的积累也就越多。 2．数字通信 （1）数字化传输与交换的优越性 ①加强了通信的保密性。语音信号经A／D变换后，可以先进行加密处理，再进行传输，在接收端解密后再经D/A变换还原成模拟信号。 数字加密处理可简单描述如下，Y1表示语音变成的数字信号Y1＝1011101100001，采用8位密码C＝10001101。在送到传输线路之前，将密码“加”到语音码中去，X＝Y1＋C（密码C连续重复），则传输的数字信号为 X＝Y1＋C＝1011101100001 Y1 ＋1000110110001 C ————————————— 0011011010000 X 显然X≠Y1，即便有人窃听到X码，也不能马上得到Y1码。在接收端，只要再将相同密码C与数码X相加，就能丰碑成原来的语音数码Y1，即 Y1＝X＋C＝0011011010000 X ＋1000110110001 C ————————————— 1011101100001 Y1 可见，语音数字化为加密处理提供了十分有利的条件，且密码的位数越多，破译密码就越困难。 ②提高了抗干扰能力。数字信号在传输过程中会混入杂音，可以利用电子电路构成的门限电压（称为阈值）去衡量输入的信号电压，只有达到某一电压幅度，电路才会有输出值，并自动生成一整齐的脉冲（称为整形或再生）。较小杂音电压到达时，由于它低于阈值而被过
第一章 复 习 题 1、模拟信号和数字信号的特点分别是什么? 2、设数字信号码元时间长度为1s μ，如采用四电平传输，求信息传输速率及符号速率。 3、接上题，若传输过程中2秒误1个比特，求误码率。 4、假设频带宽度为1024kHz ，可传输2048s kbit /的比特率，试问其频带利用率为多少? 第一章 复习题答案 1、答：模拟信号的特点是幅度取值是连续的。 数字信号的特点是幅度取值是离散的。 2、答：符号速率为 Bd t N B B 661010 11===- 信息传输速率为 s Mbit s bit M N R B b /2/1024log 10log 6262=?=?== 3、答：误码率＝发生误码个数／传输总码元数 76105.210 221-?=??= 4、答：Hz s bit //210 102410204833 =??==频带宽度信息传输速率η 第二章 复 习 题 1、某模拟信号频谱如题图2.1所示，求满足抽样定理时的抽样频率s f 。若kHz f s 10=，试 画出抽样信号的频谱，并说明此频谱出现什么现象? 2、画出9=l 的均匀量化信噪比曲线（忽略过载区内的量化噪声功率）。 3、画出6.87,7==A l 的A 律压缩特性的非均匀量化信噪比曲线。 4、为什么A 律压缩特性一般A 取87．6。 5、A 律13折线编码器，8=l ，一个样值为?=93S i ，试将其编成相应的码字，并求其编码误差与解码误差。 6、A 律13折线编码器，8=l ，过载电压mV U 4096=，一个样值为mV u S 796-=，试将其编
成相应的码字，并求其编码电平与解码电平。 第二章 复 习 题 答 案 1、kHz f f B kHz f kHz f M M 415,5,100=-=-=== B f <0 ∴此信号为低通型信号 满足抽样定理时，应有 kHz f f M s 10522=?=≥ 若kHz f s 10=，抽样信号的频谱为： 此频谱的一次下边带与原始频带重叠，即没有防卫带。 2、 e e e x x x N N S N l lg 2059lg 205123lg 20lg 203lg 20)/(512 ,9q +=+?=+?===均匀 3、 x x x N N S A N l q lg 2047lg 201283lg 20lg 203lg 20)/(6 .87,128,7+=+?=+?====均匀 246.87ln 16.87lg 20ln 1lg 20=+=+=A A Q )39lg 20(dB x -≤
数字数据的模拟信号编码 要在模拟信道上传输数字数据，首先数字信号要对相应的模拟信号进行调制，即用模拟信号作为载波运载要传送的数字数据。 载波信号可以表示为正弦波形式：f(t)=Asin(ωt+φ)，其中幅度A、频率ω和相位φ的变化均影响信号波形。因此，通过改变这三个参数可实现对模拟信号的编码。相应的调制方式分别称为幅度调制ASK、频率调制FSK和相位调制PSK。结合ASK、FSK和PSK可以实现高速调制，常见的组合是PSK和ASK 的结合。 1. 幅度调制 幅度调制简称调幅，也称为幅移键控（ASK amplitude-shift keying） 调制原理：用两个不同振幅的载波分别表示二进制值"0"和"1"。 图2-3-5 幅度调制 2. 频率调制 频率调制简称调频，也称为频移键控（FSK frequency-shift keying） 调制原理：用两个不同频率的载波分别表示二进制值"0"和"1"。 图2-3-6 频移键控 3. 相位调制
(1) 绝对相移键控 绝对相移键控用两个固定的不同相位表示数字“0”和“1”（见图2-3-7），用公式可表示为： 图2-3-7 绝对相移键控 (2) 相对相移键控法 相对相移键控用载波在两位数字信号的交接处产生的相位偏移来表示载波所表示的数字信号。最简单的相对调相方法是：与前一个信号同相表示数字“0”，相位偏移180度表示“1”，如图2-3-8所示。这种方法具有较好的抗干扰性。 图2-3-8 相对相移键控 数字数据的数字信号编码 数字数据的数字信号编码，就是要解决数字数据的数字信号表示问题，即通过U ( t ) = U m sin(ω t +π )数字“1” =U m sin(ω t + 0 ) 数字“0 ”
模拟数据(Analog Data)是由传感器采集得到的连续变化的值，例如温度、压力，以及目前在电话、无线电和电视广播中的声音和图像。数字数据(Digital Data)则是模拟数据经量化后得到的离散的值，例如在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据。目前，ASCII美国信息交换标准码(American Standard Code for Information Interchange)已为ISO国际标准化组织和CCITT国际电报电话咨询委员会所采纳，成为国际通用的信息交换标准代码，使用7位二进制数来表示一个英文字母、数字、标点或控制符号；图形、音频与视频数据则可分别采用多种编码格式。 模拟信号与数字信号 (1)模拟信号与数字信号 不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输：模拟数据一般采用模拟信号(Analog Signal)，例如用一系列连续变化的电磁波(如无线电与电视广播中的电磁波)，或电压信号(如电话传输中的音频电压信号)来表示；数字数据则采用数字信号(Digital Signal)，例如用一系列断续变化的电压脉冲(如我们可用恒定的正电压表示二进制数1，用恒定的负电压表示二进制数0)，或光脉冲来表示。当模拟信号采用连续变化的电磁波来表示时，电磁波本身既是信号载体，同时作为传输介质；而当模拟信号采用连续变化的信号电压来表示时，它一般通过传统的模拟信号传输线路(例如电话网、有线电视网)来传输。当数字信号采用断续变化的电压或光脉冲来表示时，一般则需要用双绞线、电缆或光纤介质将通信双方连接起来，才能将信号从一个节点传到另一个节点。 (2)模拟信号与数字信号之间的相互转换 模拟信号和数字信号之间可以相互转换：模拟信号一般通过PCM脉码调制(Pulse Code Modulation)方法量化为数字信号，即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制值，例如采用8位编码可将模拟信号量化为2^8=256个量级，实用中常采取24位或30位编码；数字信号一般通过对载波进行移相(Phase Shift)的方法转换为模拟信号。计算机、计算机局域网与城域网中均使用二进制数字信号，目前在计算机广域网中实际传送的则既有二进制数字信号，也有由数字信号转换而得的模拟信号。但是更具应用发展前景的是数字信号。
第1章概述 一、模拟信号与数字信号的特点 模拟信号——幅度取值是连续的连续信号 离散信号 数字信号——幅度取值是离散的二进码 多进码 连续信号 离散信号 ●数字信号与模拟信号的区别是根据幅度取值上是否离散而定的。 ●离散信号与连续信号的区别是根据时间取值上是否离散而定的。 二、模拟通信与数字通信 ●根据传输信道上传输信号的形式不同，通信可分为 模拟通信——以模拟信号的形式传递消息（采用频分复用实现多路通信）。 数字通信——以数字信号的形式传递消息（采用时分复用实现多路通信）。 ●数字通信传输的主要对象是模拟话音信号等，而信道上传输的一般是二进制的数字信 号。 所要解决的首要问题 模拟信号的数字化，即模／数变换（A/D变换） 三、数字通信的构成 ●话音信号的基带传输系统模型 四、数字通信的特点 1、抗干扰能力强，无噪声积累 对于数字通信，由于数字信号的幅值为有限的离散值（通常取二个幅值），在传输过程中受到噪声干扰，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，再生成已消除噪声干扰的原发送信号。由于无噪声积累，可实现长距离、高质量的传输。
2、便于加密处理 3、采用时分复用实现多路通信 4、设备便于集成化、小型化 5、占用频带较宽 五、数字通信系统的主要性能指标 ● 有效性指标 P7 ·信息传输速率——定义、公式l n f f s B ??=、物理意义 ·符号传输速率——定义、公式（B B t N 1= ）、关系：M N R B b 2 log = ·频带利用率——是真正用来衡量数字通信系统传输效率的指标（有效性） 频带宽度符号传输速率= η Hz Bd / 频带宽度 信息传输速率= η Hz s bit // ● 可靠性指标 P8 ·误码率——定义 ·信号抖动 例1、设信号码元时间长度为s 7106-?，当（1）采用4电平传输时，求信息传输速率和符号传输速率。（2）若系统的带宽为2000kHz ,求频带利用率为多少Hz s bit //。 解：（1）符号传输速率为 Bd t N B B 6 7 1067.110 611?=?= = - 数据传信速率为 s Mbit M N R B b /34.34log 1067.1log 2 6 2 =??== （2）Hz s bit //67.110 20001034.33 6=??= = 频带宽度 信息传输速率η 例2、接上题，若传输过程中2秒误1个比特，求误码率（误比特率）。 解：误码率（误比特率）＝差错比特数／传输总比特数 7 6 10 5.110 34.321-?=??=
第六章（模拟信号的数字传输）习题及其答案 【题6－1】已知信号()m t 的最高频率为m f ，由矩形脉冲()m t 进行瞬时抽样，矩形脉冲的宽度为2τ，幅度为1，试确定已抽样信号及其频谱表示式。 【答案6－1】 矩形脉冲形成网络的传输函数 ()( )( )2 2 Q A Sa Sa ωτ ωτ ωττ== 理想冲激抽样后的信号频谱为 1 ()(2) =2 s m m m n s M M n f T ωωω ωπ∞ =-∞ = -∑ 瞬时抽样信号频谱为 ()()()( )(2)2 H s m n s M M Q Sa M n T τ ωτ ωωωωω∞ =-∞ == -∑ ()H M ω中包括调制信号频谱与原始信号频谱()M ω不同，这是因为()Q ω的加权。 瞬时抽样信号时域表达式为 ()()()()H s n m t m t t nT q t δ∞ =-∞ = -*∑ 【题6－2】设输入抽样器的信号为门函数()G t τ，宽度200ms τ=，若忽略其频谱的第10个零点以外的频率分量，试求最小抽样速率。 【答案6－2】 门函数()G t τ的宽度200ms τ=，其第一个零点频率1150f Hz τ==，其余零 点之间间隔都是1τ ，所以第10个零点频率为110500m f f Hz ==。忽略第10个 零点以外的频率分量，门函数的最高频率是500Hz 。由抽样定理，可知最小抽样速率21000s m f f Hz ==。
【题6－3】设信号()9cos m t A t ω=+，其中10A V 。若()m t 被均匀量化为40 个电平，试确定所需的二进制码组的位数N 和量化间隔v ?。 【答案6－3】 ()m t 需要被量化为40个电平，即40M =，表示40个电平需要的二进制码 组位数 2[log ]16N M =+= 量化间隔 22100.540 A v V M ??= == 【题6－4】已知模拟信号抽样的概率密度()f x 如下图所示。若按四电平进行均匀量化，试计算信号量化噪声功率比。 【答案6－4】 根据()f x 图形可知 10<1()1 -1001x x f x x x x -≤?? =+≤≤??≥? x 动态范围为：1(1)2v =--= 量化级间隔为：2 0.54 v v M ?= == 量化区间端点和量化输出为：01m =-，10.5m =-，20m =，30.5m =，41m =； 10.75q =-，20.25q =-，30.25q =，40.75q =。 量化信号功率为：
模拟信号与数字信号之间的优缺点及两者之间的转换 概述：信号数据可用于表示任何信息，如符号、文字、语音、图像等，从表现形式上可归结为两类：模拟信号和数字信号。模拟信号与数字信号的区别可根据幅度取值是否离散来确定。 模拟数据(Analog Data)是由传感器采集得到的连续变化的值，例如温度、压力，以及目前在电话、无线电和电视广播中的声音和图像。数字数据(Digital Data)则是模拟数据经量化后得到的离散的值，例如在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据。目前，ASCII美国信息交换标准码(American Standard Code for Information Interchange)已为ISO国际标准化组织和CCITT国际电报电话咨询委员会所采纳，成为国际通用的信息交换标准代码，使用7位二进制数来表示一个英文字母、数字、标点或控制符号；图形、音频与视频数据则可分别采用多种编码格式。 模拟信号与数字信号： （1）模拟信号与数字信号： 不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输：模拟数据一般采用模拟信号(Analog Signal)，例如用一系列连续变化的电磁波(如无线电与电视广播中的电磁波)，或电压信号(如电话传输中的音频电压信号)来表示；数字数据则采用数字信号(Digital Signal)，例如用一系列断续变化的电压脉冲(如我们可用恒定的正电压表示二进制数1，用恒定的负电压表示二进制数0)，或光脉冲来表示。当模拟信号采用连续变化的电磁波来表示时，电磁波本身既是信号载体，同时作为传输介质；而当模拟信号采用连续变化的信号电压来表示时，它一般通过传统的模拟信号传输线路(例如电话网、有线电视网)来传输。当数字信号采用断续变化的电压或光脉冲来表示时，一般则需要用双绞线、电缆或光纤介质将通信双方连接起来，才能将信号从一个节点传到另一个节点数字信号，只要走了，则为有信号，不走则为无信号，走的时间越长则信号越强，脉冲宽度越短同样信号也越强。 总之数字信号的优点：容量大，抗干扰能力强，保密性好，同样的发射功率传输距离更远，受地形或障碍物影响较小，接口丰富，扩展能力强等等。 （2）模拟信号与数字信号之间的相互转换： 模拟信号和数字信号之间可以相互转换：模拟信号一般通过PCM脉码调制(Pulse Code Modulation)方法量化为数字号，即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制值，例如采用8位编码可将模拟信号量化为2^8=256个量级，实用中常采取24位或30位编码；数字信号一般通过对载波进行移相(Phase Shift)的方法转换为模拟信号。计算机、计算机局域网与城域网中均使用二进制数字信号，目前在计算机广域网中实际传送的则既有二进制数字信号，也有由数字信号转换而得的模拟信号。但是更具应用发展前景的是数
实验二模拟信号数字化传输系统的建模与分析 一、实验目的 1. 进一步掌握Simulink 软件使用的基本方法； 2. 熟悉信号的压缩扩张； 3. 熟悉信号的量化； 4. 熟悉PCM 编码与解码。 二、实验仪器 带有MATLAB 和SIMULINK 开发平台的微机。 三、实验原理 3.1 信号的压缩和扩张 非均匀量化等价为对输入信号进行动态范围压缩后再进行均匀量 化。中国和欧洲的PCM 数字电话系统采用A 律压扩方式，美国和日本 则采用μ律方式。设归一化的话音输入信号为[ 1, 1] x∈? ，则 A 律压缩器的输出信号y 是： 其中，sgn(x) 为符号函数。A 律PCM 数字电话系统国际标准中， 参数A=87.6。 Simulink 通信库中提供了“A-Law Compressor”、“A-Law Expander”以及“Mu-Law Compressor”和“Mu-Law Expander”来实 现 A 律和? 律压缩扩张计算。 压缩系数为87.6 的A 律压缩扩张曲线可以用折线来近似。16 段折 线点坐标是 其中靠近原点的4 段折线的斜率相等，可视为一段，因此总折线 数为13 段，故称13 段折线近似。用Simulink 中的“Look-Up Table ” 查表模块可以实现对13 段折线近似的压缩扩张计算的建模，其中，压 缩模块的输入值向量设置为 [-1,-1/2,-1/4,-1/8,-1/16,-1/32,-1/64,-1/128,0,1/128,1/64,1/32,1/16,1/8,1 /4,1/2,1] 输出值向量设置为[-1:1/8:1]
扩张模块的设置与压缩模块相反。 3.2 PCM 编码与解码 PCM 是脉冲编码调制的简称，是现代数字电话系统的标准语音编码方式。A 律PCM 数字电话系统中规定：传输话音信号频段为300Hz到3400Hz ，采样率为8000 次/ 秒，对样值进行13 折线压缩后编码为8bit二进制数字序列。因此，PCM 编码输出的数码速率为64Kbps 。 PCM 编码输出的二进制序列中，每个样值用8 位二进制码表示， 其中最高比特位表示样值的正负极性，规定负值用“0 ”表示，正值用“1 ”表示。接下来3 位比特表示样值的绝对值所在的8 段折线的段落号，最后 4 位是样值处于段落内16 个均匀间隔上的间隔序号。在数学上，PCM 编码的低7 位相当于对样值的绝对值进行13 折线近似压缩后的7bit 均匀量化编码输出。 四、实验内容 1. 设计一PCM 编码器，要求该编码器能够对取值在[-1 ；1] 内的归一 化信号样值进行编码； 2. 设计一个对应于以上编码器的PCM 解码器； 3. 在以上两项内容的基础上，建立PCM 串行传输系统，并在传输信 道中加入指定错误概率的随机误码。 五、实验过程 1、PCM编码器建模与仿真 框图 参数设置：saturation限幅器：上限值为1，下限值为-1. Relay：
主要是与离散的数字信号相对的连续的信号。模拟信号分布于自然界的各个角落，如每天温度的变化，而数字信号是人为的抽象出来的在时间上不连续的信号。电学上的模拟信号是主要是指幅度和相位都连续的电信号，此信号可以被模拟电路进行各种运算，如放大，相加，相乘等。 模拟信号是指用连续变化的物理量表示的信息，其信号的幅度，或频率，或相位随时间作连续变化， 如目前广播的声音信号，或图像信号等。 模拟信号与数字信号的区别 (1)模拟信号与数字信号 不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输：模拟数据一般采用模拟信号(Analog Signal)，例如用一系列连续变化的电磁波(如无线电与电视广播中的电磁波)，或电压信号(如电话传输中的音频电压信号)来表示；数字数据则采用数字信号(Digital Signal)，例如用一系列断续变化的电压脉冲(如我们可用恒定的正电压表示二进制数1，用恒定的负电压表示二进制数0)，或光脉冲来表示。当模拟信号采用连续变化的电磁波来表示时，电磁波本身既是信号载体，同时作为传输介质；而当模拟信号采用连续变化的信号电压来表示时，它一般通过传统的模拟信号传输线路(例如电话网、有线电视网)来传输。当数字信号采用断续变化的电压或光脉冲来表示时，一般则需要用双绞线、电缆或光纤介质将通信双方连接起来，才能 将信号从一个节点传到另一个节点。 (2)模拟信号与数字信号之间的相互转换 模拟信号和数字信号之间可以相互转换：模拟信号一般通过PCM脉码调制(Pulse Code Modulatio n)方法量化为数字信号，即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制值，例如采用8位编码可将模拟信号量化为2^8=256个量级，实用中常采取24位或30位编码；数字信号一般通过对载波进行移相(P hase Shift)的方法转换为模拟信号。计算机、计算机局域网与城域网中均使用二进制数字信号，目前在计算机广域网中实际传送的则既有二进制数字信号，也有由数字信号转换而得的模拟信号。但是更具应用 发展前景的是数字信号。 模拟信号的数字传输 图所示为一简单增量调制的仿真实验原理图。图中的话音信号源采用了一个高斯噪声源经过3KHz低通滤波器后的输出来模拟。调整图中的图符5的增益可以改变差值Δ的大小。在接收端，解调器未使用与本地
一、模拟信号与数字信号的区别 模拟信号主要是与离散的数字信号相对的连续的信号。 模拟信号是指用连续变化的物理量表示的信息，其信号的幅度，或频率，或相位随时间作连续变化。 模拟信号主要是与离散的数字信号相对的连续的信号。 模拟信号分布于自然界的各个角落，而数字信号是人为的抽象出来的在时间上不连续的信号。 电学上的模拟信号是主要是指幅度和相位都连续的电信号，此信号可以被模拟电路进行各种运算和处理，如放大，相加，滤波等。 数字信号则是模拟数据经量化后得到的离散的值，例如在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据。 模拟信号的主要缺点是它总是受到杂讯（信号中不希望得到的随机变化值）的影响。信号被多次复制，或进行长距离传输之后，这些随机噪声的影响可能会变得十分显着。在电学里，使用接地屏蔽（shield）、线路良好接触、使用同轴或，可以在一定程度上缓解这些负面效应。 噪声效应会使信号产生有损。有损后的模拟信号几乎不可能再次被还原，因为对所需信号的放大会同时对噪声信号进行放大。如果噪声频率与所需信号的频率差距较大，可以通过引入，过滤掉特定频率的噪声，但是这一方案只能尽可能地降低噪声的影响。因此，在噪声在作用下，虽然模拟信号理论上具有无穷分辨率，但并不一定比数字信号更加精确。 数字信号特点：抗干扰能力强、无噪声积累。 在中，为了提高信噪比，需要在信号传输过程中及时对衰减的进行放大，信号在传输过程中不可避免地叠加上的也被同时放大。随着传输距离的增加，噪声累积越来越多，以致使传输质量严重恶化。 对于，由于数字信号的幅值为有限个(通常取两个幅值)，在传输过程中虽然也受到噪声的干扰，但当信噪比恶化到一定程度时，即在适当的距离采用判决再生的方法，再生成没有的和原发送端一样的数字信号，所以可实现长距离高质量的传输。 便于加密处理 的安全性和保密性越来越重要，数字通信的加密处理的比模拟通信容易得多，以话音信号为例，经过数字变换后的信号可用简单的数字逻辑运算进行加密、解密处理。 便于存储、处理和交换 数字通信的信号形式和所用信号一致，都是，因此便于与计算机联网，也便于用计算机对数字信号进行存储、处理和交换，可使通信网的管理、维护实现自动化、智能化。 设备便于集成化、微型 数字通信采用，不需要体积较大的。设备中大部分是数字电路，可用大规模和实现，因此体积小、功耗低。 便于构成综合数字网和综合业务数字网 采用数字传输方式，可以通过进行数字交换，以实现传输和交换的综合。另外，电话业务和各种非话业务都可以实现数字化，构成。 占用信道频带较宽 一路模拟电话的为4kHz带宽，一路数字电话约占64kHz，这是模拟通信目前仍有生命力的主要原因。随着宽频带信道(、数字微波)的大量利用(一对光缆可开通几千路电话)以及技术的发展(可将一路数字电话的数码率由64kb/s压缩到32kb/s甚至更低的数码率)，数字电话的带宽问题已不是主要问题了。
哈尔滨工业大学 信息科学与工程学院 通信原理实验报告 姓名：XXX 学号：XXX 2011年7月15日
一、任务与要求 1.1设计任务 1. 模拟调制与解调 用matlab实现AM、DSB、SSB调制与解调过程。 2. 数字调制与解调 用matlab实现2ASK、2FSK、2PSK调制与解调过程。 1.2设计要求 1. 掌握AM, DSB, SSB 三种调制方式的基本原理及解调过程。 2. 掌握2ASK, 2FSK, 2PSK 三种调制方式的基本原理及解调过程。 3. 学习MATLAB软件，掌握MA TLAB各种函数的使用，能将调制解调过程根据调制解调过程的框图结构，用matlab程序实现，仿真调制过程，记录并分析仿真结果。 4. 对作出的波形和曲线进行分析和比较，讨论实际值和理论值的误差原因和改进方法。 二、设计原理 （1）模拟调制与解调 DSB调制属于幅度调制。幅度调制是用调制信号去控制高频载波的振幅，使其按调制信号的规律而变化的过程。 设正弦型载波c(t)=Acos(wc*t),式中：A为载波幅度， wc为载波角频率。 根据调制定义，幅度调制信号（已调信号）一般可表示为： f(t)=Am(t)cos(t)（公式1-1）,其中，m(t)为基带调制信号。 设调制信号m(t)的频谱为M()，则由公式1-1不难得到已调信号(t)的频谱。 在波形上，幅度已调信号随基带信号的规律呈正比地变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移。 如果在AM调制模型中将直流去掉，即可得到一种高调制效率的调制方式—抑制载波双边带信号(DSB—SC)，简称双边带信号。 其时域表达式为f(t)=m(t)cos(t) 式中，假设的平均值为0。DSB的频谱与AM的谱相近，只是没有了在处的 函数，即f()=[M(w-wc)+M(w+wc)] 其典型波形和频谱如图1-1所示：