數(shù)據(jù)信號的頻帶傳輸

第 5章 數(shù)據(jù)信號的頻帶傳輸 頻帶傳輸系統(tǒng) 5.1 數(shù)字調(diào)幅 5.2 數(shù)字調(diào)相 5.3 頻移鍵控（ FSK） 5.4 各種調(diào)制方式的信道頻帶利用率比較 5.6 最小移頻鍵控（ MSK） 5.5 數(shù)字調(diào)幅調(diào)相 5.7 格型編碼調(diào)制（ TCM）的概念 5.8 數(shù)據(jù)信號數(shù)字傳輸 5.9 本章節(jié)教學(xué)說明 本章重點學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)信號的頻帶傳輸相關(guān)理論 本章主要學(xué)習(xí)調(diào)幅、調(diào)相、調(diào)頻相關(guān)原理和方法 本章主要系統(tǒng)介紹了數(shù)據(jù)信號的數(shù)字傳輸過程 本章節(jié)內(nèi)容概述 2ASK 2DPSK 2FSK 多相調(diào)制 本章節(jié)學(xué)習(xí)重點、難點 2ASK 2DPSK M-QAM 本章節(jié)學(xué)習(xí)目標 掌握 2ASK的基本原理和 QAM的調(diào)制方式 重點掌握 2DPSK的調(diào)制和解調(diào) 重點理解多相調(diào)制的相關(guān)原理 掌握數(shù)據(jù)信號的數(shù)字傳輸過程 本章節(jié)學(xué)習(xí)能力要素及基礎(chǔ)要求 課前預(yù)習(xí)相關(guān)內(nèi)容 了解現(xiàn)實中數(shù)據(jù)信號的數(shù)字傳輸例子 本章節(jié)學(xué)習(xí)方法建議 預(yù)習(xí)復(fù)習(xí)結(jié)合 實驗操作與課堂學(xué)習(xí)結(jié)合 自學(xué)與探討結(jié)合 課后作業(yè)與章節(jié)個人總結(jié)結(jié)合 尋求教師答疑與學(xué)習(xí)反饋結(jié)合 頻帶傳輸又稱調(diào)制傳輸，它主要適用于電話網(wǎng)信道的傳輸。 5.1 頻帶傳輸系統(tǒng) 基帶傳輸和頻帶傳輸主要是由于傳輸?shù)男诺啦煌?，頻帶傳輸需要對信號進行調(diào)制。 所謂調(diào)制，就是在基帶數(shù)據(jù)信號上附加一個載波，通過載波的幫助使基帶信號在帶通信道上傳輸，就如我們騎馬上山，馬就相當于載波。 頻帶傳輸系統(tǒng)與基帶傳輸系統(tǒng)的區(qū)別在于：頻帶傳輸系統(tǒng)在發(fā)送端增加了調(diào)制，在接收端增加了解調(diào)，以實現(xiàn)信號的頻帶搬移。 調(diào)制和解調(diào)綜合起來實現(xiàn)的設(shè)備稱為調(diào)制解調(diào)器（ Modem）。 圖 5-1 頻帶傳輸基本結(jié)構(gòu) 調(diào)制的定義：所謂調(diào)制，就是用基帶信號對載波波形的某些參數(shù)進行控制，使這些參量隨基帶信號的變化而變化。 用以調(diào)制的基帶信號是數(shù)字信號，所以又稱為數(shù)字調(diào)制。 在調(diào)制解調(diào)器中都選擇正弦（或余弦）信號作為載波。 這是因為正弦信號形式簡單，便于產(chǎn)生和接收，且由于正弦信號有幅度、頻率、相位 3種基本參量，因此可以構(gòu)造數(shù)字調(diào)幅、數(shù)字調(diào)相和數(shù)字調(diào)頻 3種基本調(diào)制方式。 5.2 數(shù)字調(diào)幅 5.2.1 ASK信號調(diào)制解調(diào)原理 圖 5-2 數(shù)字調(diào)幅基本框圖 圖 5-3 2ASK信號波形 ASK已調(diào)波的解調(diào)，可用非相干解調(diào)和相干解調(diào)兩種方法。 圖 5-4 包絡(luò)檢波示意圖 5.2.2 2ASK調(diào)制波功率譜 如果設(shè) s(t)的功率譜密度為 sp sf2()Gf 2sf2 2ss( ) ( )nG f f n f(f )= P(1P) + (1P) 式中， G(f )為 g(t)的傅里葉變換，如果s(t)是單極性不歸零矩形脈沖序列，對 的所有整數(shù)時 G(nf )=0，則由上式可知沒有直流分量。 0n 圖 5-5 2ASK信號的功率譜密度示意圖 5.2.3 單邊帶和殘余邊帶調(diào)制的概念 ASK信號具有兩個邊帶，而且兩個邊帶是含有相同的信息。 為了提高信道頻帶利用率，只需傳送一個邊帶就能實現(xiàn)信息傳遞。 殘余邊帶調(diào)制是介于雙邊帶和單邊帶之間的一種調(diào)制方法，它是使已調(diào)雙邊帶信號通過一個殘余邊帶濾波器，使其雙邊帶中的一個邊帶的絕大部分和另一個邊帶的小部分通過，形成所謂的殘余邊帶信號。 5.2.4 正交幅度調(diào)制 正交幅度調(diào)制的基本思想是將兩路獨立的基帶波形分別對兩個相互正交的同頻載波進行抑制載波的雙邊帶調(diào)制，所得到的兩路已調(diào)信號疊加起來的過程，稱為正交幅度調(diào)制。 圖 5-6 正交幅度調(diào)制信號的產(chǎn)生和解調(diào) 圖 5-7 正交調(diào)幅功率譜示意圖 通過正交幅度調(diào)制信號的產(chǎn)生和解調(diào)，我們看到了其自身的優(yōu)越性，它可以成功地在傳輸信號頻帶不增加的情況下，通過兩路信號的正交來提高傳輸信號的有效性。 而且正交幅度調(diào)制信號的產(chǎn)生和解調(diào)都相當簡單，易于實現(xiàn)。 因此，為了更好地理解正交幅度調(diào)制的特點，我們再從兩個方面加以闡述。 第一方面：正交幅度調(diào)制的矢量關(guān)系 圖 5-8 正交幅度調(diào)制信號產(chǎn)生的矢量表示圖 第二方面：星座圖表示法 圖 5-9 正交幅度調(diào)制信號的矢量圖 圖 5-10 16QAM星座圖 QAM方式的主要特點是有較高的頻譜利用率。 M值越大即星點數(shù)越多，其頻譜利用率就越高，目前可以做到 = 64甚至更高，故正交幅度調(diào)制方式一般應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。 5.3 數(shù)字調(diào)相 數(shù)字調(diào)相的基本定義為：以基帶數(shù)據(jù)信號控制載波的相位，使載波的相位隨基帶信號的變化而變化稱為數(shù)字調(diào)相，又稱相移鍵控，簡寫為 PSK。 5.3.1 PSK信號及功率譜密度 數(shù)字調(diào)相分為兩類，即絕對調(diào)相（ PSK）和相對調(diào)相（ DPSK）。 絕對調(diào)相信號的變換規(guī)則是：數(shù)據(jù)信號的“ 1”對應(yīng)于已調(diào)信號的 0 （正弦波）相位；數(shù)據(jù)信號的“ 0”對應(yīng)于已調(diào)信號的180 （余弦波）相位，或反之。 這里的 0 和 180 ，是以未調(diào)載波的0 作參考相位的。 相對調(diào)相信號的變換規(guī)則是：數(shù)據(jù)信號的“ 1”使已調(diào)信號的相位變化 180 相位（正弦變余弦或者余弦變正弦）；數(shù)據(jù)信號的“ 0”使已調(diào)信號的相位變化 0 相位（不變），或反之（簡單說就是“遇 1變，遇 0不變”）。 圖 5-11 PSK信號的波形 5.3.2 二相調(diào)相信號的產(chǎn)生和解調(diào) 1 2PSK信號的產(chǎn)生和解調(diào) 如前所述， 2PSK信號與抑制載波的2ASK信號等效，因此，可以利用雙極性基帶信號通過乘法器與載波信號相乘得到2PSK信號，這是產(chǎn)生 2PSK信號的一種方法。 圖 5-12 2PSK信號的產(chǎn)生和解調(diào) 圖 5-13 二分頻電路相位不定性示意 2 2DPSK信號的產(chǎn)生和解調(diào) PSK和 DPSK均是相位變化來反映基帶信號變化的情況，那么兩者之間是否存在內(nèi)在的聯(lián)系呢？答案是肯定的。 我們設(shè) an、 Dn分別表示絕對碼序列和差分碼序列，由于相對碼是在絕對碼的基礎(chǔ)上變化而成的，其相應(yīng)關(guān)系為 nD na1nD = 其中 Dn-1為 Dn的前移一位，也即在 Dn的前面加上一位 1或者 0，不影響計算結(jié)果。 假設(shè)基帶數(shù)據(jù)序列為 =10110，則其相對序列為 = nanD na 1nD a n = 1 0 1 1 0 D n - 1 =0 D n = 1 1 0 1 1 注 ： 算法可以看成 相同為 0 ， 不同為 1 圖 5-14 PSK和 DPSK的內(nèi)在聯(lián)系圖 圖 5-15 2DPSK信號的產(chǎn)生 圖 5-16 差分碼變換電路 2DPSK的解調(diào)有兩種方法：極性比較法和相位比較法。 圖 5-17 2DPSK極性比較法解調(diào) 圖 5-18 差分碼 /絕對碼變換 2DPSK信號另一種解調(diào)方法是相位比較法，又稱差分相干解調(diào)法。 由于 2DPSK信號的參考相位是相鄰前一碼元的載波相位，故解調(diào)時可直接比較前后碼元載波的相位，從而直接得到相位差攜帶的數(shù)據(jù)信息。 圖 5-19 相位比較法解調(diào)的原理框圖 圖 5-20 相位比較法解調(diào)過程 5.3.3 多相調(diào)制 在數(shù)字相位調(diào)制中，不僅可以采用二相調(diào)制，還可以采用多相調(diào)制，即用多種相位或相位差來表示數(shù)字數(shù)據(jù)信息。 如果把輸入二進制數(shù)據(jù)的每個比特編成一組，則構(gòu)成所謂的比特碼元。 每一個比特碼元都有 2k種不同狀態(tài)，因而必須用 M = 2k種不同相位或相位差來表示，稱為 M相調(diào)相。 1四相調(diào)相 四相調(diào)相，即 4PSK，是用載波的 4種不同相位來表征傳送的數(shù)據(jù)信息。 我們把組成雙比特碼元的前一信息比特用 A代表，后一信息比特用 B代表，并按格雷碼排列，以便提高傳輸?shù)目煽啃浴?圖 5-21 4PSK矢量圖 圖 5-22 調(diào)相法產(chǎn)生 4PSK信號原理圖 圖 5-23 4PSK信號解調(diào)原理圖 2四相絕對調(diào)相與相對調(diào)相 四相調(diào)相和前面一樣也有絕對調(diào)相和相對調(diào)相之分。 絕對調(diào)相的載波起始相位與雙比特碼（因為雙比特碼構(gòu)成四種相位）之間有一種固定的對應(yīng)關(guān)系；但是相對碼的載波起始位置與雙比特之間沒有固定對應(yīng)關(guān)系，它只是跟前一時刻的雙比特碼元對應(yīng)的載波相位有關(guān)，是相對于前一時刻的相位變化而得到。 其關(guān)系式為 1c c n 其中， 為本時刻相對調(diào)相已調(diào)載波起始相位， 為前一時刻相對調(diào)相已調(diào)載波起始相位， 為本時刻載波被絕對調(diào)相的相位。 c1n n圖 5-24 /4系統(tǒng)已調(diào)波的波形圖 3八相調(diào)相 八相調(diào)相是有效地提高頻譜利用率的一種方式。 它是把 0 2分成 8種相位，已調(diào)波相鄰相位之差為 2/8 /4。 二進制信息碼元的 3比特組成一個八進制碼元，并與一個已調(diào)波的起始相位對應(yīng)。 所以，必須將二進制的基帶信碼經(jīng)串 /并轉(zhuǎn)換，變?yōu)?3比特碼元，然后進行調(diào)相。 3比特碼元的組合情況不同，對應(yīng)的已調(diào)載波相位就不同。 圖 5-26 八相相位及八相調(diào)相示意圖 圖 5-27 A， B兩路電平以及調(diào)制合成矢量 圖 5-28 八相調(diào)相信號解調(diào)原理圖 5.4 頻移鍵控（ FSK） 5.4.1 2FSK信號及功率譜密度 所謂調(diào)頻，就是用基帶數(shù)據(jù)信號控制載波的頻率，使載波的頻率隨基帶信號的變化而變化，稱為數(shù)字調(diào)頻，又稱頻移鍵控（ FSK） 。 圖 5-29 頻移鍵控原理圖 圖 5-30 FSK已調(diào)波的功率譜 對于 2FSK調(diào)制方式，則有如下結(jié)論： （ 1）如果移頻指數(shù)不是整數(shù)時，則功率譜密度中無離散譜，當 0.7時，大部分功率集中在 2fb頻帶內(nèi)； （ 2）當較大時，大部分功率集中在（ 2）fb 范圍內(nèi)； （ 3）當 1時， 2FSK的頻譜利用率比2PSK要低，但是 FSK方式是用頻帶攜帶信息，與幅度無關(guān)，故對加性干擾而言它的抗干擾性較好，而且容易實現(xiàn)，因此在無線信道上較多采用 FSK方式。 5.4.2 2FSK信號的產(chǎn)生和解調(diào) 1 2FSK信號的產(chǎn)生 2FSK信號是兩個數(shù)字調(diào)幅信號之和，因此 2FSK信號的產(chǎn)生可用兩個數(shù)字調(diào)幅信號相加的辦法產(chǎn)生。 圖 5-31所示介紹的就是相位不連續(xù)的2FSK信號產(chǎn)生的原理圖。 圖 5-31 相位不連續(xù)的 2FSK信號產(chǎn)生 圖 5-32 相位不連續(xù)的 2FSK信號產(chǎn)生 2 FSK信號的解調(diào) FSK信號的解調(diào)通常有兩種方法：分路選通濾波非相干法和振幅鑒頻非相干法，其對應(yīng)的解調(diào)器分別如圖 5-33（ a）和 5-33（ b）所示。 圖 5-33 2FSK信號非相干解調(diào) 5.5 最小移頻鍵控（ MSK） 在連續(xù)相位的移頻鍵控的基礎(chǔ)上發(fā)展了最小移頻鍵控的調(diào)制方式，即 MSK方式。 MSK方式在功率利用率和頻帶利用率上均優(yōu)于 2PSK， MSK調(diào)制方式在移動通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 最小移頻鍵控（ MSK）是相位連續(xù)的2FSK的一個特例。 MSK又稱快速移頻鍵控（ FFSK）。 5.6 各種調(diào)制方式的信道頻帶利用率比較 5.6.1 二進制方式 因為頻帶傳輸有調(diào)制過程，故占用的信道帶寬比基帶傳輸寬。 2ASK方式的高頻信道利用率為 bb/ 2 1 / 2 b i t / ( s H z )ff 2PSK方式的功率譜形狀與 ASK一致，兩種方式只是幅度不同，但高頻信道利用率相同，即二者均為 0.5bit/（ sHz）。 5.6.2 多相調(diào)制方式 圖 5-34 4PSK與 2PSK已調(diào)波的功率譜 因為四相調(diào)相要對基帶碼進行串 /并轉(zhuǎn)換，故碼元速率是比特速率的一半，所以四相調(diào)相已調(diào)波的雙邊功率譜第一個過零點寬度為 fs，則四相調(diào)相信號的高頻信道利用率為 b s b b/ 2 / 1f f f fbit/（ sHz） 同理，可得八相調(diào)相方式的高頻信道利用率為 b s b b/ 2 / 2 ( / 3 ) 1 . 5f f f fbit/（ sHz） 5.7 數(shù)字調(diào)幅調(diào)相 所謂數(shù)字調(diào)幅調(diào)相，又稱幅度相位鍵控（ APK），它是將調(diào)幅和調(diào)相結(jié)合起來的一種調(diào)制方式。 如適當?shù)剡x擇幅度和相位，可以做到相同頻帶利用率下可增加信號空間信號點的最小距離。 圖 5-35 16APK和 16PSK的信號空間分布圖 在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，許多類型的解調(diào)器都是采用相干解調(diào)的方式。 5.8 格型編碼調(diào)制（ TCM）的概念 格型編碼調(diào)制，即 TCM方式是將調(diào)制和編碼合為一體的調(diào)制技術(shù)，它打破了調(diào)制與編碼的界限，利用信號空間狀態(tài)的冗余度實現(xiàn)糾錯編碼，以實現(xiàn)高速率、高性能的傳輸。 圖 5-36 TCM示意圖 5.9 數(shù)據(jù)信號數(shù)字傳輸 5.9.1 數(shù)據(jù)信號數(shù)字傳輸概念 數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩x就是：在數(shù)字信道中傳輸數(shù)據(jù)信號稱為數(shù)據(jù)信號的數(shù)字傳輸，簡稱數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸。 5.9.2 數(shù)據(jù)信號數(shù)字傳輸?shù)奶攸c （ 1）從數(shù)據(jù)信號的特點來看，由于不需要調(diào)制，不需要設(shè)備較復(fù)雜的調(diào)制解調(diào)器，而只需要一種功能簡單的數(shù)據(jù)服務(wù)單元（ DSU）。 （ 2）數(shù)據(jù)傳輸速率高。 （ 3）傳輸可靠性高。 5.9.3 數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方式 （ 1）同步傳輸 數(shù)據(jù)終端設(shè)備（ DTE）發(fā)出的數(shù)據(jù)信號和待接入的 PCM信道的定時時鐘是相互同步的，即 DTE發(fā)出的數(shù)據(jù)信號在速率和時間上都受到 PCM信道的時鐘控制，這時可以利用同步復(fù)用，并充分利用 PCM信道的傳輸容量。 缺點：由于所有的 DTE都處于受控的從屬單位，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的靈活性差。 （ 2）異步傳輸 如果 DTE的數(shù)據(jù)信號時鐘與 PCM信道時鐘是非同步的，則稱為異步傳輸。 異步數(shù)據(jù)傳輸方式分為代碼變換方式和脈沖塞入方式兩類。 5.9.4 數(shù)字數(shù)據(jù)的時分復(fù)用 TDM 1時分復(fù)用的概念及復(fù)用方式 將低速數(shù)據(jù)流合并成高速數(shù)據(jù)流的常用方法是時分復(fù)用。 比特交織復(fù)用又稱按位復(fù)用。 字符交織復(fù)用又稱按字復(fù)用。 2數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌鈴?fù)用方式 （ 1） X.50建議 （ 2） X.51建議 5.9.5 數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成 圖 5-37 數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成 5.9.6 本地傳輸系統(tǒng) 本地傳輸系統(tǒng)是指從用戶終端至本地局之間的數(shù)字傳輸系統(tǒng)，即通常所稱的用戶環(huán)路傳輸系統(tǒng)。 傳輸線路多是采用雙絞線的接口設(shè)備。 圖 5-38 包封前后的信號結(jié)構(gòu) 圖 5-39 承載速率信號轉(zhuǎn)換成 64 kbit/s的通用信號示意圖 5.9.7 交叉連接和復(fù)用 圖 5-40 數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成 小 結(jié) 1本章重點介紹頻帶傳輸。頻帶傳輸是建立在基帶傳輸?shù)幕A(chǔ)上。 為了實現(xiàn)通過帶通型信道傳輸數(shù)據(jù)信號，如通過電話網(wǎng)信道傳輸數(shù)據(jù)信號，必須采用調(diào)制解調(diào)方式。 調(diào)制解調(diào)的任務(wù)就是進行頻譜搬移，即將數(shù)據(jù)信號的基帶搬移到與信道相適應(yīng)的帶通頻帶當中去。 2數(shù)字調(diào)制的方式有 3種：數(shù)字調(diào)幅；數(shù)字調(diào)相和數(shù)字調(diào)頻。 3用以調(diào)制的基帶信號是數(shù)字信號，所以又稱為數(shù)字調(diào)制。 在調(diào)制解調(diào)器中都選擇正弦（或余弦）信號作為載波，這是因為正弦信號形式簡單、便于產(chǎn)生和接收。 且由于正弦信號有幅度、頻率、相位 3種基本參量，因此可以構(gòu)造數(shù)字調(diào)幅、數(shù)字調(diào)相和數(shù)字調(diào)頻 3種基本調(diào)制方式。 4以基帶數(shù)據(jù)信號控制一個載波的幅度，使載波的幅度隨基帶信號的變化而變化，稱為數(shù)字調(diào)幅，又稱幅移鍵控，簡寫為ASK。 由于 2ASK信號的功率譜是雙邊帶譜，所以 2ASK信號的帶寬是基帶信號帶寬的兩倍。 數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l帶利用率將降低 50%，也即傳輸?shù)挠行越档?，因此采用正交幅度調(diào)制（ QAM）。 5正交幅度調(diào)制的基本思想是將兩路獨立的基帶波形分別對兩個相互正交的同頻載波進行抑制載波的雙邊帶調(diào)制，將所得到的兩路已調(diào)信號進行疊加。 采用正交幅度調(diào)制以后。 帶寬 B沒有改變，對于每一路信號的傳輸速率