数据通信
信号编码技术
http://cs.nju.edu.cn/yafeng/
Room 301, Building of CS
问题解答
1. 互联网上使用的编码方式:➢ UTF-8是一种编码方式,它用来实现Unicode。UTF-8是目前
互联网上使用最广的一种Unicode的实现方式。
➢ Unicode是一个符号集,它将世界上所有的符号都纳入其中,每个符号对应一个码点,且每个码点都被给予了一个独一无二的编码,即码点值。Unicode只是一个符号集,它只规定了一个符号对应的二进制代码,但并没有规定怎么进行存储,则需要有统一的编码方式,如UTF-8.
https://blog.csdn.net/hh66__66hh/article/details/83116276
问题解答
UTF-8的编码规则:
A. 对于单字节的符号,字节的第一位设为0,后面7位为这个符号的Unicode码。因此对于英文字母,其UTF-8编码与ASCII编码是一样的。
B. 对于n个字节(n > 1)的符号,第一个字节的前n位设置为1,第n+1位设置为0,后面的每个字节前2位设置为10,剩下的没有提及的二进制位,就是该符号对应的Unicode码,位高低顺序也相同。
汉字“好”(Unicode是\u597d,对应的二进制表示为0101100101111101)
该Unicode应该采用3个字节来编码,因此第一个字节的开头应该是1110,第二、三个字节则是以10开头,因而可以得到其UTF-8的格式应该是1110XXXX 10XXXXXX 10XXXXXX;
11100101| 10100101| 10111101
问题解答
2. 数字信号和模拟信号在信道里的区别:➢ 导向媒体、非导向媒体
➢ 发送方、接收方决定信号的类型
3. 同轴电缆传输的信号类型:➢模拟信号
➢数字信号
4. 全波整流
Signal Encoding Techniques
1. 数字数据,数字信号
• 数字基带传输
2. 数字数据,模拟信号
• 数/模转换
3. 模拟数据,数字信号
• 模/数转换
4. 模拟数据,模拟信号
• 调制,复用
模拟数据数字化
➢数字化(digitization)把模拟数据转变成数字信号的过程:⚫直接使用NRZ-L编码技术传输:模拟数据→数字信号
⚫通过转换使用非NRZ-L编码传输:模拟数据→数字信号
⚫模拟数据转化为数字数据,再转换为模拟信号
➢编解码器(codec) A/D转换
⚫脉码调制 pulse code modulation,
⚫增量调制 delta modulation
模拟数据数字化
➢ 3 steps:Sampling, Quantitating, encoding
脉码调制 Pulse Code Modulation (PCM)
➢ 采样定理:
• “If a signal is sampled at regular intervals at a rate higher than twice the highest signal frequency, the samples contain all information in original signal”
• 例如 4000Hz 音频数据要求 8000 采样/秒
脉码调制 Pulse Code Modulation (PCM)
➢ 采样定理:
• “If a signal is sampled at regular intervals at a rate higher than twice the highest signal frequency, the samples contain all information in original signal”
• 例如 4000Hz 音频数据要求 8000 采样/秒
➢对模拟信号进行采样
• 脉幅调制 Pulse Amplitude Modulation (PAM)
➢为每个模拟样本赋予一个二进制码
脉幅脉冲 脉码脉冲
脉码调制举例
量化(近似)
编码
设模拟抽样信号的取值范围在-a和a之间,量化电平数为M,则在均匀量化时的量化间隔为
且量化区间的端点为
若量化输出电平qi取为量化间隔的中点,则
显然,量化输出电平和量化前信号的抽样值一般不同,即量化输出电平有
误差。这个误差常称为量化噪声,并用信号功率与量化噪声之比衡量其对信号影响的大小。
PCM 量化噪声
SNR=(20lg2 +1.76)dB=(6.02n+1.76)dB
设一个均匀量化器的量化电平数为M,其输入信号抽样值在区间[-a, a]内具有均
匀的概率密度。试求该量化器的平均信号量噪比。
( )a av
M
− − =
viami += i = 0, 1, …, M
Mimm
q ii
i ,...,2,1,2
1 =+
= −
PCM Quantization Noise
SNR=(20lg2 +1.76)dB=(6.02n+1.76)dB
设一个均匀量化器的量化电平数为M,其输入信号抽样值在区间[-a, a]内具有均
匀的概率密度。试求该量化器的平均信号量噪比。
( )
1 1
2 2
1 1
2
( 1)1
33
1
1 ( ) ( ) ( )
2
1( )
2 2
1
2 12 24
i i
i i
M Mm m
k i k k k i km m
i i
M a i v
k ka i v
i
M
i
m q f m dm m q dma
vm a i v dm
a
M vv
a a
− −= =
− +
− + − =
=
= − = −
= + − +
= =
avM 2=( )
12
2v
N q
=
令 mk为模拟信号的抽样值;mq为量化信号值; f(mk)为信号抽样值mk的概率密度
−=−=a
akkqkqkq dmmfmmmmEN
-
22)()(])[(
因为 所以
3
3 3
1
3 2
1 1
3 2 3 2
k
vm a i v
v v
+ − +
= − −
量化噪声
PCM Quantization Noise设一个均匀量化器的量化电平数为M,其输入信号抽样值在区间[-a, a]内具有均
匀的概率密度。试求该量化器的平均信号量噪比。另外,由于此信号具有均匀的概率密度,故信号功率等于
所以,平均信号量噪比为
或写成
由上式可以看出,量化器的平均输出信号量噪比随量化电平数M的
增大而提高。
− =
=
a
akk v
Mdm
amS
22
2
0 )(122
1
20 MN
S
q
=
MN
S
dBq
lg200 =
dB
典型的压扩函数问题:等间距量化导致无论信号电平是多少,每个样本的绝对误差都相等。结果振幅较低的地方失真较严重。
非线性编码
A−law Compander is primarily used
by Europe and the rest of the world
实际压扩函数A−law and u−law are audio compression schemes (codecs) defined by Consultative
Committee for International Telephony And Telegraphy (CCITT) G.711 which compress
16−bit linear PCM data down to eight bits of logarithmic data.
u−law Compander is used by
North America and Japan
+
+
+
=
11
,ln1
ln1
10,
ln1
xAA
Ax
Ax
A
Ax
y
( )( )
+
+=
1ln
1ln xy
增量调制Delta Modulation (DM)
➢输入的模拟信号用一个阶梯函数来近似
• 在每个采样周期上升或下降一个步长值
➢DM通过近似一个模拟信号的导数,而不是振幅值,
产生一个数据流• DM具有二进制行为,即在每个采样时刻,函数上升或
下降一个恒定的步长值δ
• 输出可以用一个样本对应一个二进制值表示
• 1 表示 up / 0 表示 down
增量调制举例
增量调制
➢编码器:
预测误差ek = mk – mk被量化成两个
电平 +和-。 值称为量化台阶。
这就是说,量化器输出信号rk只取两
个值+ 或-。因此,rk可以用一
个二进制符号表示。例如,用“1”
表示“+ ”,及用“0”表示“- ”。
➢ 译码器:
译码器由“延迟相加电路”组成,它和编码器中的相同。
前一时刻量化值 增量
当前时刻量化值
当前时刻量化值
前一时刻量化值
增量
PCM 调制 vs. Delta 调制➢DM和PCM相比实现简单,在数据率相同的条件下
PCM具有较好的信噪比
➢ PCM编码表示话音数据,需要更多的带宽
• 话音带宽 4kHz,128 级量化 (7 bit)
• 数据率 8000 x 7 = 56kbps
• 数字信号传输带宽 56/2=28kHz
➢仍然采用数字技术传输模拟信号
⚫使用转发器,时分复用解决交调噪声,数字交换技术
➢对于代表数字数据的模拟信号数字化时, PCM比DM更可取
Signal Encoding Techniques
1. 数字数据,数字信号
• 数字基带传输
2. 数字数据,模拟信号
• 数/模转换
3. 模拟数据,数字信号
• 模/数转换
4. 模拟数据,模拟信号
• 调制,复用
模拟调制系统
➢将数据信号与载波信号合并的过程
➢为什么调制模拟信号?
• 高频信号更适于有效信号传输(如 天线长度要求)
• 允许使用频分复用
• 扩展信号带宽,提高系统抗干扰能力,还可实现传输带与信噪比之间的转换
➢模拟数据调制技术
• 调幅 Amplitude
• 调频 Frequency
• 调相 Phase南京广电集团南京交通广播 FM 102.4,经济广播AM 900新闻广播 AM 1008/FM106.9
调幅 Amplitude Modulation
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。
+m(t)
A0
cosct
sAM(t)
时域表示式
m(t) -调制信号;A0 -直流分量。
0 0( ) [ ( )]cos cos ( ) cos
AM c c cs t A m t t A t m t t = + = +
调幅 Amplitude Modulation
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。
时域表示式
m(t) -调制信号;A0 -直流分量。
0 0( ) [ ( )]cos cos ( ) cos
AM c c cs t A m t t A t m t t = + = +
t
t
t
t
( )m t
( )0A m t+
载波
( )AMs t
HH−
( )M
( )AMS
c− c 0
调幅 Amplitude Modulation
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。
时域表示式
m(t) -调制信号;A0 -直流分量。
0 0( ) [ ( )]cos cos ( ) cos
AM c c cs t A m t t A t m t t = + = +
t
t
t
t
( )m t
( )0A m t+
载波
( )AMs t
HH−
( )M
( )AMS
c− c 0
tftxnts ca 2cos)](1[)( +=
归一化的载波和输入信号
x(t) = 归一化输入信号na = 输入信号与载波振幅比
(调制系数na < 1)
调幅 Amplitude Modulation
tftxnts ca 2cos)](1[)( +=
( ) [1 cos 2 ]cos 2
cos 2
cos 2 ( )2
cos 2 ( )2
a m c
c
ac m
ac m
s t n f t f t
f t
nf f t
nf f t
= +
=
+ −
+ +
双边带载波传输: DSBTC
包含(1) 载波频率(2) 一对频率成分,分别与载波fc偏移 fm Hz
归一化的载波和输入信号
调幅带宽
调幅带宽AM信号在1Ω电阻上的平均功率应等于sAM(t)的均方值。当m(t)
为确知信号时,sAM(t)的均方值即为其平方的时间平均,即
若 , 则有
式中 Pc = A02/2 -载波功率, -边带功率。
2 2 2
0
2 2 2 2 2
0 0
( ) [ ( )] cos
[ cos ( ) cos 2 ( ) cos
AM AM c
c c c
P s t A m t t
A t m t t A m t t
= = +
= + +
2/)(2
tmPs =
0)( =tm
ScAM PPtmA
P +=+=2
)(
2
22
0
调幅带宽
2(1 )t c aP P n= +
Pt 是信号s(t)的总传输功率
Pc 是载波传输功率
调制效率
tftxnts ca 2cos)](1[)( +=
2
21
a
a
n
n =
+
?max =
AM 解调 DSB
抑制载波双边带调制DSB-SC,简称DSB
AM信号中,载波分量不携带信息,可以将载波抑制,减少功率消耗
• 时域表示式:无直流分量A0
• 频谱:无载频分量
ttmts cDSB cos)()( =
)]()([2
1)( ccDSB MMS −++=
DSB 调制• 时域表示式:无直流分量A0
• 频谱:无载频分量
• 曲线:
ttmts cDSB cos)()( =
)]()([2
1)( ccDSB MMS −++=
( )DSBs t
t
t
t
HH−
( )M
( )DSBS
c− c 0
(信号波形参考下一页)
傅里叶级数/傅里叶变换
DSB 调制• 时域表示式:无直流分量A0
• 频谱:无载频分量
• 特点:
1. 调制效率 100%
2. 节省载波功率
3. 缺点:不能用包络检波,需要使用相干解调,较复杂
无法从载波中提取同步信息
ttmts cDSB cos)()( =
)]()([2
1)( ccDSB MMS −++=
DSB 解调• 时域表示式:无直流分量A0
• DSB相干解调
ttmts cDSB cos)()( =
LPF( )ms t ( )ps t ( )ds t
( ) cos cc t t=
( ) ( ) cos
1 1( ) ( ) cos 2
2 2
p m c
c
s t s t t
m t m t t
=
= +
( ) ( )1
( )2
ds t m t m t=
SSB 调制
单边带调制(SSB)原理:
双边带信号两个边带中的任意一个都包含了调制信号频谱M()的所有频谱成分,因此仅传输其中一个边带即可。这样既节省发送功率,还可节省一半传输频带,这种方式称为单边带调制。
产生SSB信号的方法:滤波法和相移法。
SSB 调制
( )m t ( )DSBs t
( )c t载波
( )H ( )SSBs t
1,( ) ( )
0,
c
USB
c
H H
= =
1,( ) ( )
0,
c
LSB
c
H H
= =
• 滤波法及SSB信号的频域表示
– 滤波法的原理方框图-用边带滤波器,滤除不要的边带:
图中,H()为单边带滤波器的传输函数,若它具有如下理想高通特性,则可滤除下边带:
若具有如下理想低通特性:
则可滤除上边带。
SSB 调制
( )m t ( )DSBs t
( )c t载波
( )H ( )SSBs t
• 滤波法及SSB信号的频域表示
– 滤波法的原理方框图-用边带滤波器,滤除不要的边带:
( )DSBS
c−c 0
( )USBH
c− c 0
( )USBS
c− c 0
M( )
-H
H
SM( )
- c c
O
O
上边带 下边带 下边带 上边带
-c
c
O
上边带频谱
O-c
c
下边带频谱
SSB 调制
• SSB信号的解调
SSB信号的解调和DSB一样,不能采用简单的包络检波,因为SSB信号也是抑制载波的已调信号,它的包络不能直接反映调制信号的变化,所以仍需采用相干解调。
• SSB信号的性能
SSB信号的实现比AM、DSB要复杂,但SSB调制方式在传输信息时,不仅可节省发射功率,而且它所占用的频带宽度比AM、DSB减少了一半。它目前已成为短波通信中一种重要的调制方式。
角度调制
• FM和PM信号的一般表达式
角度调制信号的一般表达式为
式中,A -载波的恒定振幅
[ct +(t)] = (t) -信号的瞬时相位
(t) -瞬时相位偏移
d[ct +(t)]/dt = (t)-瞬时角频率
d(t)/dt -瞬时频率偏移
)](cos[)( ttAts cm +=
角度调制
• PM-调相
• FM-调频
• 频率可以被定义为信号相位的变化速率
)()('
)](2cos[)(
tmnt
ttfAtS
f
cc
=
+=
)()(
)](2cos[)(
tmnt
ttfAtS
p
cc
=
+=
( ) cos[ ( )]PM c ps t A t n m t= +
( ) cos[ ( ) ]FM c fs t A t n m d = +
角度调制
• FM与PM之间的关系
– 由于频率和相位之间存在微分与积分的关系,所以FM与
PM之间是可以相互转换的。
– 比较下面两式
– 如果将调制信号先微分,而后进行调频,则得到的是调相
波,这种方式叫间接调相;同样,如果将调制信号先积分,
而后进行调相,则得到的是调频波,这种方式叫间接调频。
( ) cos[ ( )]PM c ps t A t n m t= +
( ) cos[ ( ) ]FM c fs t A t n m d = +
角度调制
• FM与PM之间的关系
– 如果将调制信号先微分,而后进行调频,则得到的是调相
波,这种方式叫间接调相;同样,如果将调制信号先积分,
而后进行调相,则得到的是调频波,这种方式叫间接调频。
( )m t ( )FMs tFM
调制器
( )m t ( )FMs t积分器
PM
调制器
( )m t ( )PMs tPM
调制器( )m t ( )PMs t
微分器FM
调制器
(a)直接调频 (b)间接调频
(c)直接调相 (d)间接调相
特点与应用
• AM:优点是接收设备简单;缺点是功率利用率低,抗干扰能力差。主要用在中波和短波调幅广播。
• DSB调制:优点是功率利用率高,且带宽与AM相同,但设备较复杂。应用较少,一般用于点对点专用通信。
• SSB调制:优点是功率利用率和频带利用率都较高,抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于AM,而带宽只有AM的一半;缺点是发送和接收设备都复杂。SSB常用于频分多路复用系统中。
• FM: FM的抗干扰能力强,广泛应用于长距离高质量的通信系统中。缺点是频带利用率低,存在门限效应。
调频立体声广播
原理:FM立体声广播中,声音在空间上被分成两路音频信号,一个左声道信号L,一个右声道信号R,频率都在50Hz到15kHz之间。左声道与右声道相加形成和信号(L+R),相减形成差信号(L-R)。在调频之前,差信号(L-R)先对38kHz的副载波进行抑制载波双边带 (DSB-SC) 调制,然后与和信号(L+R)进行频分复用后,作为FM立体声广播的基带信号,其形成过程如下图所示:
差信号
和信号
调频立体声广播
• 0~15kHz用于传送(L+R)信号• 23kHz~53kHz用于传送(L-R)信号• 59kHz~75kHz则用作辅助通道• (L-R)信号的载波频率为38kHz• 在19kHz处发送一个单频信号(导频)• 在普通调频广播中,只发送0—15kHz的(L+R)信号
调频立体声广播
• 立体声广播信号的解调
– 接收立体声广播后先进行鉴频,得到频分复用信号。对频分复用信号进行相应的分离,以恢复出左声道信号L和右声道信号R。
倍频
课程思考/测试题
课程相关问题(辅助理解,无需提交,不计成绩):
课程习题(作业)
课本(截止日期:4.14日晚23:55):
5.15; 5.16; 5.17; 5.20; 5.21; 5.22; 5.23; 5.25
提交方式:http://cslabcms.nju.edu.cn
• 请大家尽量提交word文件,方便系统查重。(命名:学号+姓名+第*章)
• 若提交遇到问题请及时发邮件或在下一次上课时反馈。
课程习题(作业)
课程习题(作业)
课程习题(作业)
课外作业(开发类,5月15日前完成)
•两台设备A和B,A为手机或者电脑,B为电脑
➢如果A为智能手机/手表/感知模块,请将A感知到的传感器数据(如图像、声音、惯性传感器数据等)实时发送到B,并在B端处理后立即将结果发给A显示 (Online, harder, higher score)
➢如果A为电脑,请在A读取某个图像、视频、音频、文件等数据(由自己的手机录制相关数据),并将A获得的数据发送到B,在B处理完数据后立即将结果发回A显示(Offline)
作业目标:检测人脸朝向、判断声源的发射方位、计算设备A的姿态等。
课外作业(报告类,5月15日前完成)• 可选主题:
➢移动场景下的数据通信质量➢如何保护移动设备用户的隐私➢如何采用群智感知技术实现热点位置推荐➢多WiFi接入点环境下出现的机遇与挑战➢…(可自拟与本课程内容相关的其他题目)…
• 开发类、报告类,二选一完成
• 个人独立完成
• 开发类包含源码、可运行的程序、对应的技术文档(>=5页),报告类对应的文档>=6页
• 完成基本内容的前提下:Online基准分为10分,15分为上限;Offline基准分为8分,15分为上限;报告类基准分为6分,10分为上限。
总结
问题?
http://cs.nju.edu.cn/yafeng/
Room 301, Building of CS
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