作者：朱月秀
出版社：电子工业出版社
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现代通信技术(第3版)试读：
第3版前言
本书自2003年出版，2006年再版以来，深受读者喜爱，先后印刷了10余次，总共印数近5万余册。在此谨向广大热情的读者深表谢意。
此次修订，尽可能对第2版的疏误之处进行修正，并且在原书基础上增加了对第三代移动通信技术的介绍。
21世纪是通信信息时代，宽带上网、移动电话、卫星电视等已迅速地渗透到我们的日常生活之中，显而易见，这是基于通信技术的飞速发展，特别是以光纤通信、卫星通信和移动通信为代表的现代通信技术的突飞猛进的发展。
随着通信的重要性被越来越多的人所认识，不仅是通信专业的学生，而且非通信专业的学生以及其他领域的技术人员都迫切要求学习通信技术。因此，为了使不同专业的学生在有限的时间内基本掌握现代通信技术的基本原理，建立完整的通信系统概念，掌握现代通信网的组成，了解通信技术的发展趋势，我们将以往单独设置的《通信原理》、《卫星通信》、《光纤通信》、《移动通信》、《业务通信网》和《接入网技术》等课程综合成一门《现代通信技术》课程。为适应教学的需要，特组织编写此教材。
全书共分6章，第1章介绍通信的基础知识，第2章介绍卫星通信，第3章介绍光纤通信，第4章介绍移动通信，第5章全面地阐述电话网、有线电视网、数字电视和宽带综合业务数字网的业务通信网，第6章介绍接入网技术。本教材计划学时为64课时。
本书的第1章、第3章、第4章、第5章和第6章主要由朱月秀老师编写，第2章由周珏老师编写，廖继红老师参与了第5章的编写。朱月秀老师担任本书的主编，周珏老师为本书的副主编，朱月秀老师负责全书的统稿工作。上海同济大学天华学院陶亚雄博士主审了全书。
鉴于编者水平有限，加之时间仓促，书中难免存在不足之处，恳请读者批评指正。
编者
2010年2月
参加“新编21世纪高等职业教育电子信息类规划教材”编写的院校名单（排名不分先后）
桂林工学院南宁分院
江西工业工程职业技术学院
江西信息应用职业技术学院
四川工程职业技术学院
江西蓝天职业技术学院
广东轻工职业技术学院
吉林电子信息职业技术学院
广东技术师范职业技术学院
保定职业技术学院
西安理工大学
杭州中策职业学校
辽宁大学高职学院
黄石高等专科学校
天津职业大学
天津职业技术师范学院
天津大学机械电子学院
福建工程学院
九江职业技术学院
湖北汽车工业学院
包头职业技术学院
广州铁路职业技术学院
北京轻工职业技术学院
台州职业技术学院
黄冈职业技术学院
重庆科技学院
郑州工业高等专科学校
济宁职业技术学院
泉州黎明职业大学
四川工商职业技术学院
浙江财经学院信息学院
吉林交通职业技术学院
南京理工大学高等职业技术学院
连云港职业技术学院
南京金陵科技学院
天津滨海职业技术学院
无锡职业技术学院
杭州职业技术学院
西安科技学院
重庆电子工程职业学院
西安电子科技大学
重庆工业职业技术学院
河北化工医药职业技术学院
重庆工程职业技术学院
石家庄信息工程职业学院
广州大学科技贸易技术学院
三峡大学职业技术学院
湖北孝感职业技术学院
桂林电子工业学院高职学院
桂林工学院
河北工业职业技术学院
南京化工职业技术学院
湖南信息职业技术学院
湛江海洋大学海滨学院
江西交通职业技术学院
江西工业职业技术学院
沈阳电力高等专科学校
江西渝州科技职业学院
温州职业技术学院
柳州职业技术学院
温州大学
邢台职业技术学院
广东肇庆学院
漯河职业技术学院
湖南铁道职业技术学院
太原电力高等专科学校
宁波高等专科学校
苏州经贸职业技术学院
南京工业职业技术学院
金华职业技术学院
浙江水利水电专科学校
河南职业技术师范学院
成都航空职业技术学院
新乡师范高等专科学校
吉林工业职业技术学院
绵阳职业技术学院
上海新侨职业技术学院
成都电子机械高等专科学校
天津渤海职业技术学院
河北师范大学职业技术学院
驻马店师范专科学校
常州轻工职业技术学院
郑州华信职业技术学院
常州机电职业技术学院
浙江交通职业技术学院
无锡商业职业技术学院
江门职业技术学院
河北工业职业技术学院
广西工业职业技术学院
天津中德职业技术学院
广州市今明科技公司
安徽电子信息职业技术学院
无锡工艺职业技术学院
合肥通用职业技术学院
江阴职业技术学院
安徽职业技术学院
南通航运职业技术学院
上海电子信息职业技术学院
山东电子职业技术学院
上海天华学院
潍坊学院
浙江工商职业技术学院
广州轻工高级技工学校
河南机电高等专科学校
江苏工业学院
深圳信息职业技术学院
长春职业技术学院
第1章 通信基础知识
内容提要
● 信号、信道的概念和分类。
● 信息的传输方式。
● 通信系统的基本组成及性能指标。
● 通信网的基本结构。
● 抽样、量化、编码的基本概念及抽样定理。
● 模拟信号基带传输的基本概念。
● 数字信号基带传输的基本概念、数字基带信号的码型及数字基带信号的传输原理。
● AM、DSB-SC、SSB、FM的基本概念及其时域、频域特性和调制解调方法。
● 2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK的基本概念及其时域、频域特性和调制解调方法。
● 频分复用的概念及多级复用的构成。
● 时分复用的概念及数字分级复接的构成。
1.1 通信的基本概念
人类是通过嘴巴、耳朵、眼睛等与对方进行信息交换的。但是当人们在相隔较远的地方时，如何进行信息交换呢?这就需要通信来实现。通信的基本任务是解决两地之间消息的传递和交换。例如，将地点A的信息传输到地点B，或者将地点A和地点B的信息双向传输。
实现通信的方式很多。例如，古代人们曾利用信物、烽火、金鼓、旗语等作为通信工具传递信息，现代人们利用电话、传真、电视、国际互联网等进行信息传递和交换。现代的通信是电通信方式，即利用电信号携带所要传递的信息，然后经过各种信道进行传输，达到通信的目的。由于电通信几乎能在任意的通信距离上实现迅速而又准确的信息传递，因而获得了飞速的发展和广泛的应用。1.1.1 信号
信息要用某种物理方式表达出来，通常可以用声音、图像、文字、符号等来表达。由于它们一般不便于高效率、高可靠的远距离传输，因而往往需要将它们转换成更便于传输和处理的信号。因此，可以说信号是信息的载体，是信息的表现形式。一般讲的信号是指电信号，它的表达形式可以是电压、电流或电场等。对信号的描述可以有两种方法，即时域法和频域法。
时域法研究的是信号的电量（电压或电流等）随时间变化的情况，可以用观察波形的方法进行。例如，声音信号与时间t的关系可用一维函数f（t）来描述，如图1.1（a）所示。频域法研究的是信号的电量在频域中的分布情况，可用频谱分析仪观察信号的频谱，语音信号的频率范围大约为20～20000Hz，如图1.1（b）所示，图中F（f）为f（t）的频谱函数。在语音中频谱越高能量就越小，所以在电话中只传送听清对方说话声的300～3400Hz的部分。图1.1 语音信号的波形与频谱图
电信号可以有多种分类方法。若以频率划分，可分为基带信号和频带信号；若以信号参数的状态划分，则可以分为模拟信号和数字信号。
1.基带信号与频带信号
基带信号是指含有低频成分甚至直流成分的信号，通常原始信号都是基带信号。基带信号所占据的频带宽度相对于它的中心频率而言很宽，不适合于长距离传输，更不能进行无线电发送。如语音信号是一种典型的基带信号，它是由人的声音经过话筒转换而成的。
频带信号的中心频率较高，而带宽相对中心频率很窄，因此适合于在信道中传输。基带信号经过各种不同调制方法可以转换成频带信号。如调频广播电台的FM××MHz就是一个频带信号，它是将语音信号调制到××MHz的中心频率上，然后进行发射。如果接收机的频率与电台的频率相同，就能够接收到所发射的信号。
2.模拟信号与数字信号
模拟信号是指电信号参量的取值随时间连续变化的信号。因此，模拟信号也叫连续信号，如图1.2所示。模拟信号电量可以有无限多个取值，如在1.1～1.2V之间的取值范围内，可以取1.1V、1.11V、1.111V等无限多个数值。常见的模拟信号有语音信号、图像信号以及来自各种传感器的检测信号等。图1.2 模拟信号示例
数字信号与模拟信号相反，是指电信号参量的取值是离散的且只有有限个状态的信号。因此，数字信号也叫离散信号。如图1.3（a）所示是二进制数字信号，它只有两种取值，分别用0和1表示。当然也可以有多进制数字信号，如四进制、八进制等，如图1.3（b）所示就是四进制数字信号，分别用0、1、2、3表示四种取值。常见的数字信号有电报、传真、计算机数据等信号。图1.3 数字信号1.1.2 信道
信道是信号的传输媒质，它可分为有线信道和无线信道两类。有线信道包括明线、双绞线、同轴电缆和光纤等，而无线信道是由无形的空间构成，利用电波进行通信。
1.有线信道
目前广泛使用的有线信道主要有双绞线、同轴电缆和光纤，它们的构造、特征及主要用途如表1.1所示。表1.1 有线信道的线路种类、构造、特征和主要用途
双绞线构造简单且价格便宜，但传输损耗大，且随着频率升高双绞线间产生漏话现象。另外，不能对电磁波产生屏蔽，容易混入外部杂音。双绞线主要使用于100kHz以下或数字信号10Mb/s以下的信息传输，被广泛应用于电话端局和用户之间的连线，或低速局域网计算机之间连线。
一般高频率信号的传输和长距离的传输都使用同轴电缆。同轴电缆的频带要比双绞线宽得多，它的外部金属能屏蔽中心导体的电磁波，因而不容易混入杂音。由于这些特点，它被广泛用于数百兆赫兹的模拟信号传输，也可用于1Gb/s的数字传输。因为电视的频段在91.25～900MHz范围，所以有线电视（CATV）的分配电缆都采用同轴电缆。
光纤与双绞线、同轴电缆相比较，具有无可比拟的低损耗、传输频带宽、无电磁感应、不漏话且质轻、径细等极优良的性能。国际间、国内城市间长距离大容量的传输线路使用的同轴电缆很快被光纤替代了。伴随着制造光纤技术的日益提高，成本不断下降，甚至原来以双绞线、同轴电缆为主要传输线路的高层大楼、办公室等内部通信也开始使用光纤了。
2.无线信道
无线信道是利用电波传输信号。电波是一种在空间传播的物质，是全世界共同拥有的资源和财产。电波是指频率在3000GHz以下的电磁波，电磁波包括电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和g 射线8等，它们都是以光速3×10m/s传播的，人们根据电波的波长对它进行命名，如图1.4所示。图1.4 电波的名称
电波是从天线发射出来的，不同的频率其天线的形状、尺寸也各不相同，并且电波传播方式也多种多样，主要传播方式有地表面波、直射波和电离层反射波。表1.2列出了电波的工作频段、传播方式及主要用途。表1.2 无线信道的工作频率、传播方式和主要用途
如图1.5所示是电波的各种传播路径。地球的表面是一个球面，绕地球表面进行传播的电波称地表面波，中波以下频段的电波主要以地表面波形式传播。电波发送端与接收端在视距范围内直接传播的方式称为直射波，超短波以上波段的电波主要以直射波为主。受地表面曲率的影响，直射波的传播范围一般不超过50km。电离层反射波是指电波经过电离层反射到地面的电波，短波频段电波的电离层反射波最为明显。图1.5 电波的传播路径1.1.3 信息的传输方式
信息的传输方式可以有以下几种分类：按照通过传输线路信息的形式不同可以将传输方式分为模拟传输和数字传输；按照传输方法可分为串行传输和并行传输；按照信号的流向可分为单工、半双工和全双工三种通信方式。
1.1.3.1 模拟传输和数字传输
根据信道中传送的是模拟信号还是数字信号，将通信传输方式分成模拟传输方式和数字传输方式。应当指出，模拟传输方式和数字传输方式是以信道传输信号的差异为标准的，而不是根据原始输出的信号来划分。若将原始输出的模拟信号经过模/数变换，成为数字信号，就可以用数字传输方式传送，在接收端再进行相反的数/模变换，即可还原出原始的模拟信号。
1.1.3.2 串行传输和并行传输
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。用数量等于二进制码的位数的多条传输线路同时传送多位码的传输方式称为并行传输方式。如图1.6所示是两种传输方式的示意图。
串行传输的通信成本低但速度慢，而并行传输的传输速度快但成本高。因此，在通信线路长即远距离传输时使用串行传输方式，而在短距离的计算机之间或计算机与外部设备（如打印机、显示器等）之间使用并行传输方式。
1.1.3.3 单工、半双工和全双工通信
1.单工通信单
单工通信是指信息的流动方向始终固定为一个方向的通信方式。虽然能够逆向传输应答监视信号，但不能在反方向传输信息，如图1.7（a）所示。图1.6 数据的串行传输和并行传输
例如，电视机、收音机只能接收信号，而不能反方向传送信号，它是一种类似于单行道路的通信方式。
2.半双工通信
这是一种信息流动方向可以随时改变的通信方式，信息的流动方向有时是从A流向B，有时是从B流向A。但任何时刻只能由其中的一方发送数据，另一方接收数据，如图1.7（b）所示。由于传输方向不断交换，所以传输效率会有所下降。图1.7 单工、半双工、全双工的通信方式
例如，无线电收、发两用机和银行的联机系统都属于这种方式。它是一种类似于单向交互通行道路的通信方式。
3.全双工通信
全双工通信是指可以同时向两个方向传输信息的通信方式，如图1.7（c）所示。这种通信方式可以相互交换大量的信息。虽然是同时双向传输信息，但不一定非要在两个方向上分别敷设传输线路，如将发送、接收的信号频率分离，引入频分复用技术就可实现双向通信。
例如，电话通信、宽带上网等都是属于这种通信方式。它是一种类似于双向通行道路的通信方式。1.1.4 通信系统
1.1.4.1 通信系统的基本组成
信号的传递与处理由通信系统完成。通信系统的一般模型如图1.8所示，它包括信源、发送设备、信道、噪声源、接收设备和信宿六个部分。图1.8 通信系统的一般模型
模型中各个部分的功能如下。
1.信源
信源即为信息的来源，它的作用是将原始信息转换为相应的电信号，即基带信号。常用的信源有电话机的话筒、摄像机等。
2.发送设备
发送设备的功能是对基带信号进行各种变换和处理，比如放大、调制等，使其适合于在信道中传输。
3.信道
信道即为发送设备和接收设备之间用于传输信号的媒介。
4.接收设备
接收设备的功能与发送设备的相反，其作用是对接收信号进行必要的处理和变换，以便恢复出相应的基带信号。
5.信宿
信宿指信息的接收者，它是与信源相对应的，其作用是将恢复出来的基带信号转换成相应的原始信息。常用的信宿有电话机的听筒、耳机、显示器等。
6.噪声源
噪声源是信道中的噪声以及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表现。
如果通信距离较远，还必须加上中继器，对被衰减的信号进行放大或再生，然后再传送。
1.1.4.2 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1.9所示。图1.9 通信系统的分类
利用模拟基带信号传递信息的系统称模拟基带传输系统，如麦克风和放大器之间的信息传输。利用模拟频带信号传递信息的系统称模拟调制传输系统，如电视、广播等系统。利用数字基带信号传递信息的系统称数字基带传输系统，如计算机和周边设备（打印机等）之间的信息传输。利用数字频带信号传递信息的系统称数字调制传输系统，如高清晰度数字电视、GSM移动通信系统等。
信道中传输的是模拟基带信号或模拟频带信号的通信系统称为模拟通信系统。信道中传输的是数字基带信号或数字频带信号的通信系统称为数字通信系统。模拟通信系统仅使用模拟传输方式，而由于数字频带信号是模拟信号，因此数字通信系统既可以使用模拟传输方式又可使用数字传输方式。
目前无论是模拟通信还是数字通信都已获得广泛的应用，但近年来数字通信无论是在理论上还是技术上都有了突飞猛进的发展。与模拟通信相比，数字通信更能适应现代社会通信技术越来越高的要求。这是由于它本身具有一系列模拟通信无法比拟的特点。其主要优点如下：（1）抗干扰能力强。在远距离通信中，中继器可以对数字信号波形进行整形、再生而消除噪声和失真的积累，但对模拟信号来说，中继器对传输信号放大的同时，对叠加在信号上的噪声和失真也进行了放大，如图1.10所示。此外还可以采用各种差错控制编码方法进一步改善传输质量。图1.10 模拟通信和数字通信抗干扰性能比较（2）便于加密处理。在数字通信中易于采用复杂、非线性长周期的码序列对信号进行加密，从而使通信具有高强度的保密性。（3）易于实现集成化，使通信设备体积小，功耗低。由于数字通信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。（4）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实现时分多路复用。
当然，数字通信系统的许多优点是用比模拟信号占用更宽的频带而换得的。以电话为例，一路模拟电话仅占用约4kHz带宽，而一路数字电话却要占用20～64kHz的带宽。不过，随着信道带宽很宽的数字微波、卫星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将可以逐步获得解决。
1.1.4.3 通信系统的性能指标
衡量通信系统性能的优劣，最重要的是看它的有效性和可靠性。有效性指的是传输信息的效率，可靠性指的是接收信息的准确度。
有效性和可靠性这两个要求通常是矛盾的。提高有效性会降低可靠性，反之亦然。因此，在实际设计一个系统时，必须根据具体情况寻求适当的折中解决办法。
模拟通信系统和数字通信系统对这两个指标要求的具体内容有很大差别，因此分别予以介绍。
1.模拟通信系统的质量指标
模拟通信系统的有效性用有效传输频带来度量。信道的传输频带越宽，则能够容纳的信息量就越大。例如，一路模拟电话占据4kHz带宽，采用频分复用技术后，一对架空明线最多只能容纳12路模拟电话，而一对双绞线可以容纳120路，同轴电缆的通信量最大可达到10000路。显然同轴电缆的有效性指标比架空明线、双绞线好得多。
模拟通信的可靠性用接收端输出的信噪比来度量。信噪比指输出信号的平均功率 和输出噪声的平均功率 之比，并用分贝值作为衡量的单位，即10lgS/N（dB）。信噪比越大，通信质量越好。如普通电话要求信噪比在20dB以上，电视图像则要求信噪比在40dB以上。
2.数字通信系统的质量指标
数字通信系统的有效性用信息速率来度量。它是指单位时间内传输的信息量（即二进制数字信号码元数），单位用b/s来表示。例如，无线短波最大信息速率只有几百到几千b/s，而光纤、卫星通信系统速率可达几百兆到几千兆b/s，甚至更高。因此可以说只有光纤、卫星等才能为信息高速公路建立传输平台。
数字通信系统的可靠性用误码率来度量。它是指接收错误的码元数与传输的总码元数之比，即-7
在有线或卫星传输信道中误码率可以达到10，而在无线短波信-3道内只能达到10。1.1.5 通信网
1.1.5.1 通信网的基本结构
多用户通信系统互连的通信体系称之为通信网。一般通信网是按业务种类来分的，如通常所说的电话网、数据网及有线电视网等。实现业务通信网的基本网络结构主要有如图1.11所示的四种形式以及它们的组合。图中的小圆圈代表网络转接中心，小圆点代表用户终端（在网络中称为结点），连接线代表通信链路。图1.11 通信网的基本网络结构
1.网型网
见图1.11（a）所示。网型网最具代表性的是完全互连网，各结点之间直接以通信链路连接，通信建立过程中不需要任何形式的转换。这种结构的最大优点是接续质量高，网络的稳定性好。但当用户数量较大时，通信链路数将很大，因而网络投资费用很高。如果通信业务量不是很大的话，经济性会很差。
2.星型网
见图1.11（b）所示。星型网中，各结点都通过转接中心进行连接，N个用户需要N条通信链路。与网型网相比节省许多通信链路，但它需要有转接设备。由于各用户之间的通信都要通过转接点，通信的接续质量和稳定性会受到一定的影响，尤其当转接设备发生故障时，可能会造成整个网内的通信瘫痪。
实用的星型网可以是多层次的，这种结构有时也称为树型结构，长途电话系统就采用这种结构。
3.环型网
见图1.11（c）所示。环型网的拓扑结构为一封闭环形，各结点通过中继器接入网内，各中继器由点到点链路首尾连接，信号单向沿环路逐点传送。环型网的主要优点是通信链路短，初始安装比较容易，故障的诊断比较准确，十分适用于光纤传输介质。但其可靠性差，可扩充性和灵活性也较其他网络差。
4.总线型网
见图1.11（d）所示。总线型网采用公共总线作为传输介质，各结点都通过相应的硬件接口连接到总线上，信号沿总线进行广播式传送。总线型网的主要优点是通信链路短，安装容易，可靠性高并易于扩充。但故障诊断和隔离困难，并且终端必须是智能的。
环型网和总线型网在计算机通信中应用较多，在这两种网中，一般传输的信息速率较高。它要求各结点或总线终端结点由较强的信息识别和处理能力。
1.1.5.2 通信网的基本构成
从通信网的基本结构可以看出，通信网主要由终端设备、通信链路和转接交换设备三部分构成。终端设备是通信网中的源点和终点，它除对应于一般通信系统模型中的信源和信宿外，还包括部分发送设备和接收设备。通信链路是网络结点的传输媒介，是信息的传输通道，它除对应于通信系统模型中的信道外，也还包括部分发送设备和接收设备。转接交换设备是现代通信网的核心，它的基本功能是完成接入交换结点链路的汇集、转接、接续和分配。目前广泛使用的转接交换设备有电话网中的电路交换和计算机网中的分组交换等。
1.2 模拟信号数字化
为了使声音、图像及模拟信号在数字通信系统中传输，必须将模拟信号变换成数字信号。模拟信号数字化须经过抽样、量化和编码三个过程。1.2.1 抽样
1.抽样定理及实现抽样的电路模型
将以一定的时间间隔T提取模拟信号的大小（幅度）的操作称为抽样。抽样也称取样、采样，其物理过程如图1.12所示。
实现抽样的电路模型如图1.13所示。图1.13（a）中的开关S在输入信号f（t）和接地点之间周期地开闭，则输出信号就变成了如图1.13（b）所示的时间离散的样值信号fs（t）。图中T是开关的开闭周期；τ是开关和信号f（t）接点闭合的时间，也称为抽样时间宽度。图1.12 抽样过程示意图图1.13 抽样电路模型及抽样波形示意图
2.抽样定理
经过抽样后形成的时间离散的样值信号能否无失真地恢复原来的时间连续信号呢?显然，抽取信号样值的时间间隔越短就能越正确地恢复原始信号。但是，缩短时间间隔会导致数据量增加，所以缩短时间间隔必须适可而止。
理论证明，若时间连续信号f（t）的最高频率为f，只要抽样频H率f大于或等于f的2倍，即f≥2f，就能够无失真地恢复原时间连续sHsH信号。这就是著名的奈奎斯特定理，简称抽样定理。
在电话中传送语音信号时，由于语音信号的频率范围为300～3400Hz，所以只要f≥6800Hz，也就是说在1s内以6800次以上的速率s抽样所得到的离散样值序列就能无失真地恢复原始语音信号。为了留有一定的余量，原国际电话电报咨询委员会（CCITT）规定语音信号的抽样频率为f=8000Hz。s1.2.2 量化
抽样是将在时间轴上连续的信号变换成离散的信号，但抽样后的信号幅度仍然是连续的值（模拟量）。例如，若信号幅度的取大值为5时，抽样后的某一个样值为3.453642…，这种信号无法用有限位二进制数组合来表示，所以还需把幅度上连续的样值信号进行离散化处理。
1.量化的定义
量化是将连续的幅度值变换成离散的幅度值的过程。具体地说，将抽样信号在幅度上划分为若干个分层，在每一个分层范围内的信号使用“四舍五入”的办法取某一个固定的值（量化电平）来表示。若各分层间隔相等，则为均匀量化；反之，各分层间隔不等，则为非均匀量化。量化过程如图1.14所示，量化后各取样电平为1，2，4，5，5，4，3，3，2，2，1，1。图1.14 量化过程示意图
2.量化噪声
量化前的信号幅度与量化后的信号幅度出现了不同，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。为了降低这种噪声，只要将量化时分层间隔减少就可以了，但是减少量化间隔会引起分层数目的增加，导致数据量的增大。所以量化的分层数也必须适当，一般根据所需的信噪比（S/N）来确定。在电话中传送话音时，量化级数取256级，同时还采用非均匀量化。
当均匀量化的级数一定时，信号的幅度越小则量化误差相对信号而言其比值就越大。但采用非均匀量化，将信号小的部分的量化间隔减小，而将信号大的部分的量化间隔加大，这样可以使信噪比保持一定数值，不随信号的幅度值变化而变化。1.2.3 编码
将量化后的信号变换成二进制数，即用0和1的码组合来表示的处理过程称为编码。当量化级数为8级时，可以用3位二进制数表示3这些量化电平（8=2）。例如，图1.14（b）量化后各种样值电平为0、1、2、4、5、5、4、3、3、2、2、1、1，则其编码为000、001、010、100、101、101、100、011、011、010、010、001、001。一般语音信号的量化级数取256级，所以必须用8位二进制数来进行编码。
通常将模拟信号经抽样、量化及编码的过程称为脉冲编码调制（PCM），简称脉码调制。
例1.1 对频率范围为30～300Hz的模拟信号进行PCM编码。（1）求最低抽样频率f。s（2）若采用均匀量化，量化电平数为L=64，求PCM信号的信息速率R。b
解：（1）根据抽样定理，最低抽样频率为：（2）由量化电平数L可求出编码位数n，即
PCM信号的信息速率为：
模拟信号经过脉码调制成为数字信号进行传输时，根据适当的距离，通过中继器对信号进行再生，可以清除噪声影响，使长距离传输仍保持良好的信噪比。因此从20世纪60年代开始，电话通信系统的各端局交换机之间的传输已逐步发展为PCM方式。现在，脉码调制技术不仅使用于语音信号，还使用于图像信号及其他任何模拟信号的数字化处理。
特别是近年来，由于超大规模集成电路技术的飞速发展，使模拟信号从抽样、量化到编码只用1个集成芯片就能完成，使模拟信号的数字化很容易实现。现在，PCM方式不断地被广泛应用，如CD、VCD等记忆媒体所有信号都是用数字录制的。数字录制方式的优点是无论进行多少次再生都可得到完全相同的信号。为了像音乐那样尽可能求得好的信噪比和宽的动态范围，若进行量化时减小量化间隔，就可以在任何时候都能得到质量好的逼真信号。
1.3 信号的基带传输
1.3.1 模拟信号的基带传输由声音、图像变换成的电信号都是模拟基带信号。模拟基带信号直接在信道中传输的传输方式称为模拟信号的基带传输。
最典型的模拟信号基带传输系统是电话用户接入网中的传输系统。用户接入网是指公共交换电话网（PSTN）中端局交换机与各用户连接的网络。电话信号以基带形式在用户接入网中传输，目前传输介质主要为双绞线。另一个常见的模拟信号基带传输的例子是音频信号、视频信号的传输，在摄像机、录像机、电视机以及其他音频、视频设备之间，声音、图像信号的短距离传输常常用基带形式传输。传输介质一般用特性阻抗为75Ω的同轴电缆。1.3.2 数字信号的基带传输
数据终端设备的原始数据信号以及模拟信号经数字化处理后的脉冲编码信号都是数字基带信号。数字基带信号直接在信道中传输的传输方式称为数字信号的基带传输。
1.3.2.1 数字基带信号的码型
数字基带信号是指数字信息的电脉冲表示，电脉冲的形式称为码型。数字基带信号的码型种类很多，这里介绍几种应用较广的数字基带信号的码型。
1.单极性非归零码
数字信号的二进制码元1和0分别用高电平和低电平（常为零电平）两种取值来表示，在整个码元期间电平保持不变，此种码通常记做NRZ（Not Return Zero）码，如图1.15（a）所示。这是一种最简单最常用的码型，很多终端设备输出的都是这种码。因为一般终端设备都有一端是固定的零电位，因此输出单极性码最为方便。
2.双极性非归零码
数字信号的二进制码元1和0分别用正电平和负电平表示，在整个码元间电平保持不变，如图1.15（b）所示。双极性码元无直流成分，适合在无接地的传输线路上传输。图1.15 几种常用的数字基带信号的码型
3.单极性归零码
此码常记做RZ（Return Zero）码。与单极性非归零码不同，RZ码发送时，高电平在整个码元期间T内只持续一段时间τ，在其余时间则返回到零电平。发送零时用零电平，如图1.15（c）所示。τ/T称为占空比，通常使用半占空码。
4.双极性归零码
它是双极性码型的归零形式，如图1.15（d）所示。由图可知，此时对应每一码元都有零电平的间隙，即使是连续的1和0，都能很容易地分辨出每一个码元的起止时间。
5.差分码
在差分码中，1和0分别用电平的跳变和不跳变来表示。当用电平跳变表示1，电平不跳变表示0，称为传号差分码；而用电平跳变表示0，电平不跳变表示1，则称为空号差分码。如图1.15（e）和（f）所示。
6.数字双相码
数字双相码又称曼彻斯特码。它是用一个周期的方波表示1，用它的反相波形表示0。这样就等效于用2位码表示信息中的1位码。一种规定是用10表示0，用01表示1，如图1.15（g）所示。
1.3.2.2 数字基带信号的传输原理
数字基带信号的传输模型如图1.16所示，相应各点的波形则如图1.17所示。图1.16 数字基带信号的传输模型
基带信号（a）在到达接收端时，由于经过滤波器的滤波，受到信道特性的影响会失真，同时还会由于干扰和噪声的影响使波形的形状发生变化（b）。信号的失真可以用均衡器加以校正，经过均衡放大后，信号的波形已比较接近原信号（c）。然后将该信号送入整形电路进行整形（d），最后经过抽样判决，恢复基带信号（e）。
图1.17（e）显示的再生信号与图1.17（a）的发送信号有两点不同：一是产生传输延时，这是由于信道（尤其是发送、接收滤波器）造成的；二是发生误码，误码产生的原因主要是由于传输频带的限制造成矩形脉冲失真而产生拖尾，再加上信道噪声的干扰造成了误判。
从上述过程可以看出，抽样脉冲序列（f）与发端的时钟要严格同步，否则将直接影响判决结果。图1.17 数字基带信号传输模型中各点的波形
1.4 模拟调制与解调
各种传输信道都有一定的工作频率范围。例如，调频广播的频率范围是88～108MHz，短波通信的频率范围是3～30MHz。而它们所要传送的话音、图像等都是频率很低的基带信号。因此，必须将这些基带信号变换成适合传输信道的信号形式，这一处理过程称为调制。基带信号称调制信号，用于调制的高频余弦信号称为载波，调制后的信号称为已调波。在通信系统的接收端，将从已调波中取出原来信号的处理过程称为解调。
载波具有振幅、频率、相位等要素。调制就是让载波的某一个要素随调制信号变化。因此，相应地有振幅调制、频率调制和相位调制。频率和相位都是表示余弦波角度的要素，所以将频率调制和相位调制统称为角度调制。
模拟调制一般采用振幅调制和频率调制。AM无线电语音广播和电视广播的图像信号传输采用振幅调制。AM是Amplitude Modulation（振幅调制）的缩写。FM无线电语音广播和电视广播的声音信号传输采用频率调制。FM是Frequency Modulation（频率调制）的缩写。1.4.1 振幅调制
1.常规调幅（AM）
设载波为c（t）=Acosω，调制信号为f（t），则常规调幅信号可ct以写为
为了简单起见，设调制信号f（t）为一个单一频率的余弦波信号，即f（t）=Acosω，且ω》ω。则AM波可写为：mmtcm
这里，称为调幅指数。
如果用图形来表示AM波s（t），则当A＜A，即β＜1时，AMmcAMAM波如图1.18（c）所示，它的包络线与调制信号成正比，称正常调幅。如果A=A，即β=1时，AM波如图1.19（a）所示，称满调mcAM幅。如果A＞A，即β＞1时，AM波如图1.19（b）所示，它的包mcAM络线发生变形，称过调幅。
下面观察AM波的频谱，使用三角函数的积化和差公式将式（1-2）变形，则为：
由此可见，AM波是由频率分别为ω、ω+ω、ω-ω的三个信ccmcm号相加而成的，第一项是载波，第二、第三项分别称上边带、下边带，频谱分布如图1.20所示，上边带是调制信号平移了ω，而下边带是调c制信号以ω=0的纵轴为对称轴进行翻转，然后平移ω。因此两个边带c中任何一个边带都包含调制信号的全部信息。图1.18 调幅方式图1.19 AM波的波形图1.20 AM波的频谱
如果调制信号f（t）像语音信号一样，其频率具有一定的带宽，则AM波的频谱如图1.21所示，它由载波和调制信号经过频谱搬移而产生的上、下两个边带组成。图1.21 具有一定带宽的AM波的频谱
AM波的带宽是调制信号最高频率的2倍，如图1.21所示的调制信号的最高频率为ω，则AM波占有的带宽为：H
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