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第5章数据信号频带传输

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信号频带传输 第5章数据信号
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第5章 数据信号的频带传输 频带传输系统 5.1 数字调幅 5.2 数字调相 5.3 频移键控(FSK) 5.4 各种调制方式的信道频带利用率比较 5.6 最小移频键控(MSK) 5.5 数字调幅调相 5.7 格型编码调制(TCM)的概念 5.8 数据信号数字传输 5.9 本章节教学说明 Ø本章重点学习数据信号的频带传输相关理 论 Ø本章主要学习调幅、调相、调频相关原理 和方法 Ø本章主要系统介绍了数据信号的数字传输 过程 本章节内容概述 Ø2ASK Ø2DPSK Ø2FSK Ø多相调制 本章节学习重点、难点 Ø2ASK Ø2DPSK ØM-QAM 本章节学习目标 Ø掌握2ASK的基本原理和QAM的调制方式 Ø重点掌握2DPSK的调制和解调 Ø重点理解多相调制的相关原理 Ø掌握数据信号的数字传输过程 本章节学习能力要素及基础要求 Ø课前预习相关内容 Ø了解现实中数据信号的数字传输例子 本章节学习方法建议 Ø预习复习结合 Ø实验操作与课堂学习结合 Ø自学与探讨结合 Ø课后作业与章节个人总结结合 Ø寻求教师答疑与学习反馈结合 频带传输又称调制传输,它主要适用 于电话网信道的传输。 5.1 频带传输系统 基带传输和频带传输主要是由于传输 的信道不同,频带传输需要对信号进行调 制。 所谓调制,就是在基带数据信号上附 加一个载波,通过载波的帮助使基带信号 在带通信道上传输,就如我们骑马上山, 马就相当于载波。 频带传输系统与基带传输系统的区别 在于:频带传输系统在发送端增加了调制 ,在接收端增加了解调,以实现信号的频 带搬移。 调制和解调综合起来实现的设备称为 调制解调器(Modem)。 图5-1 频带传输基本结构 调制的定义:所谓调制,就是用基带 信号对载波波形的某些参数进行控制,使 这些参量随基带信号的变化而变化。 用以调制的基带信号是数字信号,所 以又称为数字调制。 在调制解调器中都选择正弦(或余弦 )信号作为载波。 这是因为正弦信号形式简单,便于产 生和接收,且由于正弦信号有幅度、频率 、相位3种基本参量,因此可以构造数字调 幅、数字调相和数字调频3种基本调制方式 。 5.2 数字调幅 5.2.1 ASK信号调制解调原理 图5-2 数字调幅基本框图 图5-3 2ASK信号波形 ASK已调波的解调,可用非相干解调 和相干解调两种方法。 图5-4 包络检波示意图 5.2.2 2ASK调制波功率谱 如果设s(t)的功率谱密度为 (f ) = P(1−P)+ (1−P) 式中,G(f )为g(t)的傅里叶变换,如果 s(t)是单极性不归零矩形脉冲序列,对 的所有整数时G(nf )=0,则由上式可知没有 直流分量。 图5-5 2ASK信号的功率谱密度示意图 5.2.3 单边带和残余边带调制的概念 ASK信号具有两个边带,而且两个边 带是含有相同的信息。 为了提高信道频带利用率,只需传送 一个边带就能实现信息传递。 残余边带调制是介于双边带和单边带 之间的一种调制方法,它是使已调双边带 信号通过一个残余边带滤波器,使其双边 带中的一个边带的绝大部分和另一个边带 的小部分通过,形成所谓的残余边带信号 。 5.2.4 正交幅度调制 正交幅度调制的基本思想是将两路独 立的基带波形分别对两个相互正交的同频 载波进行抑制载波的双边带调制,所得到 的两路已调信号叠加起来的过程,称为正 交幅度调制。 图5-6 正交幅度调制信号的产生和解调 图5-7 正交调幅功率谱示意图 通过正交幅度调制信号的产生和解调 ,我们看到了其自身的优越性,它可以成 功地在传输信号频带不增加的情况下,通 过两路信号的正交来提高传输信号的有效 性。 而且正交幅度调制信号的产生和解调 都相当简单,易于实现。 因此,为了更好地理解正交幅度调制 的特点,我们再从两个方面加以阐述。 Ø第一方面:正交幅度调制的矢量关系 图5-8 正交幅度调制信号产生的矢量表示图 Ø第二方面:星座图表示法 图5-9 正交幅度调制信号的矢量图 图5-10 16QAM星座图 QAM方式的主要特点是有较高的频谱 利用率。 M值越大即星点数越多,其频谱利用 率就越高,目前可以做到M= 64甚至更高 ,故正交幅度调制方式一般应用于高速数 据传输系统中。 5.3 数字调相 数字调相的基本定义为:以基带数据 信号控制载波的相位,使载波的相位随基 带信号的变化而变化称为数字调相,又称 相移键控,简写为PSK。 5.3.1 PSK信号及功率谱密度 数字调相分为两类,即绝对调相(PSK) 和相对调相(DPSK)。 绝对调相信号的变换规则是:数据信号 的“1”对应于已调信号的0°(正弦波)相位; 数据信号的“0”对应于已调信号的180°(余弦 波)相位,或反之。 这里的0°和180°,是以未调载波的0°作参 考相位的。 相对调相信号的变换规则是:数据信 号的“1”使已调信号的相位变化180°相位( 正弦变余弦或者余弦变正弦);数据信号 的“0”使已调信号的相位变化0°相位(不变 ),或反之(简单说就是“遇1变,遇0不变 ”)。 图5-11 PSK信号的波形 5.3.2 二相调相信号的产生和解调 1.2PSK信号的产生和解调 如前所述,2PSK信号与抑制载波的 2ASK信号等效,因此,可以利用双极性基 带信号通过乘法器与载波信号相乘得到 2PSK信号,这是产生2PSK信号的一种方 法。 图5-12 2PSK信号的产生和解调 图5-13 二分频电路相位不定性示意 2.2DPSK信号的产生和解调 PSK和DPSK均是相位变化来反映基带 信号变化的情况,那么两者之间是否存在 内在的联系呢?答案是肯定的。 我们设an、Dn分别表示绝对码序列和 差分码序列,由于相对码是在绝对码的基 础上变化而成的,其相应关系为 = 其中Dn-1为Dn的前移一位,也即在Dn 的前面加上一位1或者0,不影响计算结果 。 假设基带数据序列为 =10110,则其 相对序列为 = 图5-14 PSK和DPSK的内在联系图 图5-15 2DPSK信号的产生 图5-16 差分码变换电路 2DPSK的解调有两种方法:极性比较 法和相位比较法。 图5-17 2DPSK极性比较法解调 图5-18 差分码/绝对码变换 2DPSK信号另一种解调方法是相位比 较法,又称差分相干解调法。 由于2DPSK信号的参考相位是相邻前 一码元的载波相位,故解调时可直接比较 前后码元载波的相位,从而直接得到相位 差携带的数据信息。 图5-19 相位比较法解调的原理框图 图5-20 相位比较法解调过程 5.3.3 多相调制 在数字相位调制中,不仅可以采用二 相调制,还可以采用多相调制,即用多种 相位或相位差来表示数字数据信息。 如果把输入二进制数据的每个比特编 成一组,则构成所谓的比特码元。 每一个比特码元都有2k种不同状态, 因而必须用M = 2k种不同相位或相位差来 表示,称为M相调相。 1.四相调相 四相调相,即4PSK,是用载波的4种 不同相位来表征传送的数据信息。 我们把组成双比特码元的前一信息比 特用A代表,后一信息比特用B代表,并按 格雷码排列,以便提高传输的可靠性。 图5-21 4PSK矢量图 图5-22 调相法产生4PSK信号原理图 图5-23 4PSK信号解调原理图 2.四相绝对调相与相对调相 四相调相和前面一样也有绝对调相和 相对调相之分。 绝对调相的载波起始相位与双比特码 (因为双比特码构成四种相位)之间有一 种固定的对应关系;但是相对码的载波起 始位置与双比特之间没有固定对应关系, 它只是跟前一时刻的双比特码元对应的载 波相位有关,是相对于前一时刻的相位变 化而得到。 其关系式为 其中, 为本时刻相对调相已调载波 起始相位, 为前一时刻相对调相已调 载波起始相位, 为本时刻载波被绝对调相 的相位。 图5-24 /4系统已调波的波形图 3.八相调相 八相调相是有效地提高频谱利用率的 一种方式。 它是把0~2分成8种相位,已调波相 邻相位之差为2/8=/4。 二进制信息码元的3比特组成一个八进 制码元,并与一个已调波的起始相位对应 。 所以,必须将二进制的基带信码经串/ 并转换,变为3比特码元,然后进行调相。 3比特码元的组合情况不同,对应的已 调载波相位就不同。 图5-26 八相相位及八相调相示意图 图5-27 A,B两路电平以及调制合成矢量 图5-28 八相调相信号解调原理图 5.4 频移键控(FSK) 5.4.1 2FSK信号及功率谱密度 所谓调频,就是用基带数据信号控制 载波的频率,使载波的频率随基带信号的 变化而变化,称为数字调频,又称频移键 控(FSK) 。 图5-29 频移键控原理图 图5-30 FSK已调波的功率谱 对于2FSK调制方式,则有如下结论 : (1)如果移频指数不是整数时,则功率谱 密度中无离散谱,当<0.7时,大部分功率 集中在2fb频带内; (2)当较大时,大部分功率集中在(2+ )fb 范围内; (3)当>1时,2FSK的频谱利用率比 2PSK要低,但是FSK方式是用频带携带信 息,与幅度无关,故对加性干扰而言它的 抗干扰性较好,而且容易实现,因此在无 线信道上较多采用FSK方式。 5.4.2 2FSK信号的产生和解调 1.2FSK信号的产生 2FSK信号是两个数字调幅信号之和, 因此2FSK信号的产生可用两个数字调幅信 号相加的办法产生。 图5-31所示介绍的就是相位不连续的 2FSK信号产生的原理图。 图5-31 相位不连续的2FSK信号产生 图5-32 相位不连续的2FSK信号产生 2.FSK信号的解调 FSK信号的解调通常有两种方法:分 路选通滤波非相干法和振幅鉴频非相干法 ,其对应的解调器分别如图5-33(a)和5- 33(b)所示。 图5-33 2FSK信号非相干解调 5.5 最小移频键控(MSK) 在连续相位的移频键控的基础上发展 了最小移频键控的调制方式,即MSK方式 。 MSK方式在功率利用率和频带利用率 上均优于2PSK,MSK调制方式在移动通 信等领域得到了广泛应用。 最小移频键控(MSK)是相位连续的 2FSK的一个特例。 MSK又称快速移频键控(FFSK)。 5.6 各种调制方式的信道频带利用率比较 5.6.1 二进制方式 因为频带传输有调制过程,故占用的 信道带宽比基带传输宽。 2ASK方式的高频信道利用率为 2PSK方式的功率谱形状与ASK一致, 两种方式只是幅度不同,但高频信道利用 率相同,即二者均为0.5bit/(sHz)。 5.6.2 多相调制方式 图5-34 4PSK与2PSK已调波的功率谱 因为四相调相要对基带码进行串/并转 换,故码元速率是比特速率的一半,所以 四相调相已调波的双边功率谱第一个过零 点宽度为fs,则四相调相信号的高频信道利 用率为 bit/(sHz) 同理,可得八相调相方式的高频信道 利用率为 bit/(sHz) 5.7 数字调幅调相 所谓数字调幅调相,又称幅度相位键 控(APK),它是将调幅和调相结合起来 的一种调制方式。 如适当地选择幅度和相位,可以做到 相同频带利用率下可增加信号空间信号点 的最小距离。 图5-35 16APK和16PSK的信号空间分布图 在数据传输系统中,许多类型的解调 器都是采用相干解调的方式。 5.8 格型编码调制(TCM)的概念 格型编码调制,即TCM方式是将调制 和编码合为一体的调制技术,它打破了调 制与编码的界限,利用信号空间状态的冗 余度实现纠错编码,以实现高速率、高性 能的传输。 图5-36 TCM示意图 5.9 数据信号数字传输 5.9.1 数据信号数字传输概念 数字数据传输的定义就是:在数字信 道中传输数据信号称为数据信号的数字传 输,简称数字数据传输。 5.9.2 数据信号数字传输的特点 (1)从数据信号的特点来看,由于不需要 调制,不需要设备较复杂的调制解调器, 而只需要一种功能简单的数据服务单元( DSU)。 (2)数据传输速率高。 (3)传输可靠性高。 5.9.3 数字数据传输的实现方式 (1)同步传输 数据终端设备(DTE)发出的数据信 号和待接入的PCM信道的定时时钟是相互 同步的,即DTE发出的数据信号在速率和 时间上都受到PCM信道的时钟控制,这时 可以利用同步复用,并充分利用PCM信道 的传输容量。 缺点:由于所有的DTE都处于受控的 从属单位,数据传输系统的灵活性差。 (2)异步传输 如果DTE的数据信号时钟与PCM信道 时钟是非同步的,则称为异步传输。 异步数据传输方式分为代码变换方式 和脉冲塞入方式两类。 5.9.4 数字数据的时分复用——TDM 1.时分复用的概念及复用方式 将低速数据流合并成高速数据流的常 用方法是时分复用。 比特交织复用又称按位复用。 字符交织复用又称按字复用。 2.数字数据传输的包封复用方式 (1)X.50建议 (2)X.51建议 5.9.5 数字数据传输系统的构成 图5-37 数字数据传输系统构成 5.9.6 本地传输系统 本地传输系统是指从用户终端至本地 局之间的数字传输系统,即通常所称的用 户环路传输系统。 传输线路多是采用双绞线的接口设备 。 图5-38 包封前后的信号结构 图5-39 承载速率信号转换成64 kbit/s的通用信号示意图 5.9.7 交叉连接和复用 图5-40 数字数据传输系统构成 小 结 1.本章重点介绍频带传输。频带传输是建 立在基带传输的基础上。 为了实现通过带通型信道传输数据信 号,如通过电话网信道传输数据信号,必 须采用调制解调方式。 调制解调的任务就是进行频谱搬移, 即将数据信号的基带搬移到与信道相适应 的带通频带当中去。 2.数字调制的方式有3种:数字调幅;数 字调相和数字调频。 3.用以调制的基带信号是数字信号,所以 又称为数字调制。 在调制解调器中都选择正弦(或余弦 )信号作为载波,这是因为正弦信号形式 简单、便于产生和接收。 且由于正弦信号有幅度、频率、相位3 种基本参量,因此可以构造数字调幅、数 字调相和数字调频3种基本调制方式。 4.以基带数据信号控制一个载波的幅度, 使载波的幅度随基带信号的变化而变化, 称为数字调幅,又称幅移键控,简写为 ASK。 由于2ASK信号的功率谱是双边带谱, 所以2ASK信号的带宽是基带信号带宽的两 倍。 数据传输的频带利用率将降低50%, 也即传输的有效性降低,因此采用正交幅 度调制(QAM)。 5.正交幅度调制的基本思想是将两路独立 的基带波形分别对两个相互正交的同频载 波进行抑制载波的双边带调制,将所得到 的两路已调信号进行叠加。 采用正交幅度调制以后。 带宽B没有改变,对于每一路信号的传 输速率 也没有发生改变,但是由于在同 一时间传输的路数变成了两路,总的 变 成了原来的两倍。 故频带利用率是双边带调制的两倍, 即与单边带方式或基带传输方式的频带利 用率相同。 6.M-QAM的频谱利用率 ,可见M 值越大,即星点数越多其频谱利用率就越 高,目前可以做到M=64甚至更高,故正交 幅度调制方式一般是应用于高速数据传输 系统中。 7.数字调相分为两类,为绝对调相(PSK )和相对调相(DPSK)。 只要将输入的基带数据序列变换成相 对序列,即差分码序列,然后用相对序列 去进行绝对调相,便可得到2DPSK信号。 8.在数字相位调制中,不仅可以采用二相 调制,还可以采用多相调制,即用多种相 位或相位差来表示数字数据信息。 如果把输入二进制数据的每个比特编成一 组,则构成所谓的比特码元。 每一个比特码元都有 种不同状态, 因而必须用M= 种不同相位或相位差来 表示,称为M相调相。 9.所谓调频,就是用基带数据信号控制载 波的频率,使载波的相位随基带信号的变 化而变化,称为数字调频,又称频移键控 (FSK) 。 10.所谓数字调幅调相,又称幅度相位键 控(APK),它是将调幅和调相结合起来 的一种调制方式。 目前,16QAM和16APK两种系统已被 用于话路数率为9 600bit/s的调制解调器当 中。 11.由于数字传输技术的发展,又产生了 数据信号的数字传输方式。 数字数据传输有两种方式,即同步传 输方式和异步传输方式。 在复用方法上有比特交织复用和字符 交织复用两种复用方式,复用建议的标准 有(6+2)包封的X.50建议,还有(8+2 )包封的X.51建议。
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