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1、第三章高速公路通信系统提纲模拟信号数字化数字信号的多路复用3 13 23 3数据差错控制技术模拟信号数字化l模拟信号数字化目的l数字通信系统传输可靠、是发展方向。数字通信系统传输可靠、是发展方向。l自然界的许多信号都是模拟的,将模拟信号转化为自然界的许多信号都是模拟的,将模拟信号转化为数字信号传输可以利用数字传输的优点。数字信号传输可以利用数字传输的优点。l模拟信号转化为数字信号,称为模拟信号转化为数字信号,称为A/D变换。变换。l传输到接收端转换为模拟信号,称为传输到接收端转换为模拟信号,称为D/A变换。变换。模拟信号信源编码数字信号采样采样量化量化编码编码模拟信息源采样、量化和编码数字通信
2、系统译码和低通滤波m(t)skskm(t)模拟随机信号数字随机序列数字随机序列模拟随机信号模拟信号在模拟信号在数字数字通信系统传输结构框图通信系统传输结构框图模拟信号数字化模拟信号数字化l采样l量化l编码l解码m(t)(t)ms(t)采样定时脉冲时间上连续的模拟信号采样信号采样将时间上连续的信号变成时间上离散信号的过程。将时间上连续的信号变成时间上离散信号的过程。用冲激脉冲进行理想采样,采样时间间隔均匀。模拟信号数字化-采样tms(t)-2Ts-Ts 0 Ts 2Ts低通信号冲激采样及频谱-2ws -ws 0 ws 2wsm(t)t0(t)t-2Ts-Ts 0 Ts 2Ts-wm 0 wmM(
3、w)w (w)w-2ws -ws -wm 0 wm ws 2wsMs(w)w模拟信号数字化收端重建的模收端重建的模拟信号拟信号m(t)低通型模拟低通型模拟信号信号m(t)已采样信已采样信号号ms(t)Ts采样定理的含义采样定理的含义 采样后的样值序列含有原模拟信号的信息,如果要把样点恢复成原模拟信号,在采样时要满足一定的条件(香农)采样定理。低通信号的采样定理:低通信号的采样定理:一个频带限制在0fH内的低通信号m(t),如果采样频率fs 2fH,则可以由采样序列无失真地重建恢复原始信号m(t)。模拟信号数字化脉冲载波调制脉冲幅度调制PAM:用基带信号m(t)去改变脉冲的幅度。脉冲宽度调制PW
4、M:用基带信号m(t)去改变脉冲的宽度。脉冲相位调制PPM:用基带信号m(t)去改变脉冲的相位。模拟信号数字化模拟信号数字化l量化l用预先规定的有限个电平来表示模拟采样值的过程用预先规定的有限个电平来表示模拟采样值的过程l上述过程中有限个电平称为量化电平。上述过程中有限个电平称为量化电平。l注意:注意:l采样是把时间上连续信号变换成时间上离散的信号。l量化是将取值连续的采样信号变成取值离散的采样值序列。量化的过程信号的实际值信号的量化值量化误差q7m6q6m5q5m4q4m3q3m2q2m1q1Ts2Ts3Ts4Ts5Ts6Ts7Tsmq(t)m(t)mq(6Ts)m(6Ts)t量化器m(kT
5、s)mq(kTs)采样、量化、编码过程的示意图 图图b b:根据采样定理,根据采样定理,m(t)m(t)经过采经过采样后变成了时间离散、幅度连续的信样后变成了时间离散、幅度连续的信号号mS(t)mS(t)。图图c c:将其送入量化器,就得到了量:将其送入量化器,就得到了量化输出信号化输出信号mq(t)mq(t)。这里采用了这里采用了“四四舍五入舍五入”法将每一个连续采样值归结法将每一个连续采样值归结为某一临近的整数值,即为某一临近的整数值,即量化电平量化电平,这里采用了这里采用了8 8个量化级,将图个量化级,将图(b)(b)中中7 7个个准确样值、分别变换成准确样值、分别变换成4 4、6 6、
6、6 6、4 4、3 3、2 2、2 2。均匀量化的缺陷l-0.52=-1l()/0.52=92%均匀量化严重降低小幅值信号的信噪比,一般采用非均匀量化。非均匀量化实际中常采用的方法有两种:见P123一种是采用一种是采用13折线近似折线近似A律压缩特性律压缩特性一种是采用一种是采用15折线近似折线近似律压缩特性律压缩特性模拟信号数字化A A律压缩特性律压缩特性 A A律压缩特性公式为:律压缩特性公式为:0 x0 xx1x1式中式中A A为压缩系数,表示压缩程度。为压缩系数,表示压缩程度。在上图的曲线中:在上图的曲线中:A A1 1时,时,y=xy=x,为无压缩即均匀量化情况。,为无压缩即均匀量化
7、情况。A A值越大,在小信号处斜率越大,对提高小信号信噪比越有利。值越大,在小信号处斜率越大,对提高小信号信噪比越有利。A律压缩特性ly表示归一化的输出值。x表示归一化的输入值。A是压扩参数,表示压缩的程度。l当A时,压缩特性与A律13折线压缩特性相似。lA律13折线压缩特性对小信号信噪比的改善是靠牺牲大信号的量化信噪比换来的。模拟信号数字化lA律13折线的建立对对x轴不均匀分成轴不均匀分成8段,分段的方法是每次以二分之段,分段的方法是每次以二分之一对分。一对分。对对y轴在轴在01范围内均匀分成范围内均匀分成8段,每段间隔均为段,每段间隔均为1/8。把把x,y各对应段的交点连接起来构成各对应段
8、的交点连接起来构成8段直线。段直线。模拟信号数字化l13折线近似A律l以上分析的是第一象限,对于双极性信号,在第三象限也有对以上分析的是第一象限,对于双极性信号,在第三象限也有对称的一组折线,也是称的一组折线,也是7根。根。l但其中靠近零点的但其中靠近零点的1、2段斜率也都等于段斜率也都等于16,与正方向的第,与正方向的第1、2段斜率相同,又可以合并为一根,因此,正、负双向共有段斜率相同,又可以合并为一根,因此,正、负双向共有2(8-1)-1=13 折,故称其为折,故称其为13折线。折线。l各段的斜率见下表。各段的斜率见下表。与与 13 折线压缩特性的比较折线压缩特性的比较y01x01按折线分
9、段时的x01段落12345678斜率16168421模拟信号数字化l编码l把量化的电平值表示成二进制码组的过程。把量化的电平值表示成二进制码组的过程。l将模拟信号的经过采样、量化变换为数字信号,然将模拟信号的经过采样、量化变换为数字信号,然后再变换成代码传输,这种方式称为脉冲编码调制后再变换成代码传输,这种方式称为脉冲编码调制(PCM)。模拟信号数字化极性码段落码段内码l编码编码?模拟信号数字化l编码模拟信号数字化l解码l是编码的反变换。是编码的反变换。l采用专门的编码和解码芯片。采用专门的编码和解码芯片。提纲模拟信号数字化数字信号的多路复用3 13 23 3数据差错控制技术多路复用:多路复用
10、:1.多个信号互不干扰的在同一信道传输。多个信号互不干扰的在同一信道传输。2.多路复用提高信道的利用率。多路复用提高信道的利用率。复复用用器器信道信道解解复复用用终端终端1 1终端终端2 2终端终端n n至终端至终端1至终端至终端2至终端至终端n多路复用提纲模拟信号数字化数字信号的多路复用3 13 23 3数据差错控制技术数据差错控制技术(P141)l为了提高数字信号传输的为了提高数字信号传输的有效性有效性而采取的而采取的编码。编码。l为了提高数字通信的为了提高数字通信的可靠性可靠性而采取的编码。而采取的编码。l信道编码方法:信道编码方法:在信息序列上附加上在信息序列上附加上监督监督码元码元,
11、发现和纠正错误。,发现和纠正错误。数据差错控制技术l原理信道数据监督码元(校验码)逻辑关系逻辑关系差错控制方式差错控制方式 差错控制方式差错控制方式l前向纠错l发送端经信道编码后可以发出具有纠错能力的发送端经信道编码后可以发出具有纠错能力的码元.l接收端译码后不仅可以发现错误码,而且可以判断接收端译码后不仅可以发现错误码,而且可以判断错误码的位置并予以自动纠正。错误码的位置并予以自动纠正。差错控制方式差错控制方式l检错重发方式l优点主要表现在:优点主要表现在:l(1)只需要少量的冗余码,就可以得到极低的输)只需要少量的冗余码,就可以得到极低的输出误码率;出误码率;l(2)有一定的自适应能力;)
12、有一定的自适应能力;l不足主要表现在:不足主要表现在:l(1)需要)需要反向信道反向信道,故不能用于单向传输系统,故不能用于单向传输系统,并且实现重发控制比较复杂;并且实现重发控制比较复杂;l(2)通信效率低,不适合严格实时传输系统。)通信效率低,不适合严格实时传输系统。差错控制方式差错控制方式l混合纠错方式l前向纠错方式前向纠错方式+检错重发方式。检错重发方式。差错控制方式差错控制方式l纠错编码的基本原理l数据帧表示为(n,k),n表示码组的长度;k信息的长度;r=n-k表示校验码长度。nkr差错控制方式差错控制方式l常用的分组码l1.奇偶校验码奇偶校验码(VRC)见)见P141图图3-20
13、l表示成为(表示成为(n,n-1)。)。l如果是奇监督码,在附加上一个监督元以后,如果是奇监督码,在附加上一个监督元以后,码长为码长为n的码字中的码字中“1”的个数为奇数个。的个数为奇数个。l如果是偶监督码,在附加上一个监督元以后,如果是偶监督码,在附加上一个监督元以后,码长为码长为n的码字中的码字中“1”的个数为偶数个。的个数为偶数个。差错控制方式差错控制方式l常用的分组码l2.方块校验码方块校验码(LRC)字符位1位2位3位4位5位6位7校验位(偶)N10011100E10001011T10101001W10101111O10011111校验位(偶)100011101差错控制方式差错控制方
14、式l常用的分组码l3.循环冗余校验码循环冗余校验码(LRC)l检错思想:收发双方约定一个检错思想:收发双方约定一个生成多项式生成多项式G(x)(其最高阶和最低阶系数必须(其最高阶和最低阶系数必须为为1),发送方在帧),发送方在帧的末尾加上校验和,使带校验和的信息帧的多项的末尾加上校验和,使带校验和的信息帧的多项式能被式能被G(x)整除。接收方收到后,用整除。接收方收到后,用G(x)除多项除多项式,若有余数,则传输有错。式,若有余数,则传输有错。差错控制方式差错控制方式l常用的分组码l3.循环冗余校验码循环冗余校验码(LRC)l二进制码元的代数表示(报文多项式)二进制码元的代数表示(报文多项式)
15、l模模2多项式代数运算法则(加法多项式代数运算法则(加法=减法?)减法?)l预备知识:预备知识:XOR(异或)(异或)差错控制方式差错控制方式l二进制码元的代数表示(报文多项式)l二进制数字序列:二进制数字序列:1 0 1 0 1 1 1 1l x7 x6 x5 x4 x3 x2 x1 1l M(x)=x7+x5+x3+x2+x1+1差错控制方式差错控制方式l模2多项式代数运算法则(加法=减法?)差错控制方式差错控制方式lXOR(异或)输入相同时输出为输入相同时输出为0。作业l设G(x)=x4+x+1,待发送的数据为,根据上述已知条件设计一程序进行CRC编码的计算,编程语言不限(C,VC,VB
16、,C#等)l要求:l1、提交打印稿,打印稿包含代码和输出、提交打印稿,打印稿包含代码和输出CRC编码的截屏。编码的截屏。l打印稿写明:学号打印稿写明:学号+姓名。姓名。l2、提交时间:、提交时间:5月月11日。日。l常用通讯接口lRS232lRS422lRS485l目前较为常用的串口有目前较为常用的串口有9针串口(针串口(DB9)和)和25针串口针串口(DB25),通信距离较近时),通信距离较近时(12m)。lRS422,RS485较远较远。DB9和和DB25的常用信号脚说明的常用信号脚说明9针串口(DB9)25针串口(DB25)针号功能说明缩写针号功能说明缩写1数据载波检测DCD8数据载波检
17、测DCD2接收数据RXDRXD3接收数据RXDRXD3发送数据TXDTXD2发送数据TXDTXD4数据终端准备DTR20数据终端准备DTR5信号地GNDGND7信号地GNDGND6数据设备准备好DSR6数据准备好DSR7请求发送RTS4请求发送RTS8清除发送CTS5清除发送CTS9振铃指示DELL22振铃指示DELL串口编程l串口编程l基于基于MSCOMM控件的编程控件的编程l基于多线程基于多线程API编程编程串口使用的注意事项l串口使用的注意事项l串口传输数据只要有接收数据针脚和发送针脚就能实现。串口传输数据只要有接收数据针脚和发送针脚就能实现。l同一个串口的接收脚和发送脚直接用线相连。同一个串口的接收脚和发送脚直接用线相连。l接收数据针脚与发送数据针脚相连,彼些交叉,信号地对应相接收数据针脚与发送数据针脚相连,彼些交叉,信号地对应相接接。l不同编码机制不能混接,如不同编码机制不能混接,如RS232C不能直接与不能直接与RS422接口相接口相连。连。l使用现成的调试工具,串口调试助手、串口精灵。使用现成的调试工具,串口调试助手、串口精灵。l强烈建议不要带电插拨串口,插拨时至少有一端是断电的,否强烈建议不要带电插拨串口,插拨时至少有一端是断电的,否则串口易损坏。则串口易损坏。l串口调试工具(串口调试助手)用例:广州科学中心“ITS都市”用例:广州科学中心“ITS都市”
限制150内