編碼和調(diào)制技術(shù)

1、編碼和調(diào)制技術(shù)第1頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二編碼和調(diào)制技術(shù)EncoderDecoderModulatorDemodulator數(shù)字或模擬數(shù)字或模擬數(shù)字模擬g(t)m(t)fcx(t)ts(f)ffcg(t)m(t)x(t)s(t)第2頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Encoding TechniquesDigital data, digital signalAnalog data, digital signalDigital data, analog signalAnalog data, analog signal第3頁，共118頁

2、，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二編碼信源編碼：用于高效的表達(dá)信息，如字符編碼A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換)信道編碼：用于確保正確收信，如同步碼校驗(yàn)序列（檢糾錯(cuò)編碼)第4頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Digital Data, Digital SignalDigital signalDiscrete, discontinuous voltage pulsesEach pulse is a signal elementBinary data encoded into signal elements第5頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Ter

3、ms (1)UnipolarAll signal elements have same signPolarOne logic state represented by positive voltage the other by negative voltageData rateRate of data transmission in bits per secondDuration or length of a bitTime taken for transmitter to emit the bit第6頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Terms (2)Modulat

4、ion rateRate at which the signal level changesMeasured in baud = signal elements per secondMark and SpaceBinary 1 and Binary 0 respectively第7頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Terms數(shù)字信號(hào)是離散、不連續(xù)的電壓脈沖序列,每個(gè)脈沖是一信號(hào)元素。unipolar單極: 所有信號(hào)元素具有相同的代數(shù)符號(hào),即都為正或都為負(fù)polar極化: 一個(gè)邏輯狀態(tài)以正電平表示,另一邏輯狀態(tài)以負(fù)電平表示data signaling rate數(shù)據(jù)速率:

5、每秒傳送的bit數(shù)duration持續(xù)Td: 發(fā)送每一bit所用的時(shí)間,對(duì)數(shù)據(jù)速率R, Td =1/Rmodulation rate調(diào)制速率: 信號(hào)電平變換的速率,依賴于數(shù)字編碼特性,表示為波特率bauds波特率: 每秒傳送的信號(hào)元素個(gè)數(shù)mark & space: 分別表示1和0 第8頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二信噪比 (Eb/N0)、數(shù)據(jù)速率、帶寬是影響接收器正確地解釋接收信號(hào)的重要因素。當(dāng)其它因素不變的情況下,以下的陳述為真:增加數(shù)據(jù)傳輸速率將導(dǎo)致位差錯(cuò)率(概率)的增加S/N (Eb/N0)增加將減少位差錯(cuò)率增加帶寬將允許使用更高的數(shù)據(jù)速率編碼方式是另一改善

6、傳輸性能的因素。編碼方式僅簡(jiǎn)單地將數(shù)據(jù)位映射到信號(hào)元素上。第9頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Interpreting SignalsNeed to knowTiming of bits - when they start and endSignal levelsFactors affecting successful interpreting of signalsSignal to noise ratioData rateBandwidth第10頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Comparison of Encoding Schemes

7、 (1)Signal SpectrumLack of high frequencies reduces required bandwidthLack of dc component allows ac coupling via transformer, providing isolationConcentrate power in the middle of the bandwidthClockingSynchronizing transmitter and receiverExternal clockSync mechanism based on signal第11頁，共118頁，2022年

8、，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Comparison of Encoding Schemes (2)Error detectionCan be built in to signal encodingSignal interference and noise immunitySome codes are better than othersCost and complexityHigher signal rate (& thus data rate) lead to higher costsSome codes require signal rate greater than data rat

9、e第12頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Key Data Transmission TermsTermUnitsDefinitionData elementBitsA single binary one or zeroData rateBits per second(bps ) The rate at which data elements are transmittedSignal element Digital:a voltage pulse of constant amplitude. Analog:a pulse of constant frequency,

10、phase,and amplitude.That part of a signal that occupies the shortest interval of a signaling codeSignaling rate or odulation rateSignal elements per second(baud)The rate at which signal elements are transmitted第13頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二信號(hào)頻譜Signal spectrum: 缺少高頻成分的信號(hào)意味著傳輸需要較小帶寬。帶有直流成分的信號(hào)必須與各傳輸

11、元件直接物理接觸，無直流(DC)成分的信號(hào)可以利用比如變壓器等交流耦合,它提供了很好的電氣隔離,減少了干擾，因此缺少直流成分的信號(hào)是理想的。信號(hào)畸變與干擾影響的程度依賴于實(shí)際被傳輸信號(hào)譜的特性,通常它發(fā)生在信道傳遞函數(shù)靠近頻帶邊緣一個(gè)好的信號(hào)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)將傳輸功率集中在傳輸頻帶的中央。有時(shí)某一類似的失真干擾可能混在接收信號(hào)里,為了識(shí)別信號(hào),編碼設(shè)計(jì)的目的就是使得發(fā)射信號(hào)的譜更加尖銳。第14頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二時(shí)鐘Clocking:確定每一位的起、止并非一容易之事,一種方法是提供一單獨(dú)的時(shí)鐘以同步發(fā)送器和接收器,這是一昂貴的辦法；另一種方法是通過適當(dāng)?shù)木幋a，為

12、被傳輸?shù)男盘?hào)提供一同步機(jī)制。差錯(cuò)檢測(cè)Error detection:在物理信號(hào)編碼方式里溶進(jìn)差錯(cuò)檢測(cè)能力將使得差錯(cuò)檢測(cè)更為迅速。信號(hào)干擾及噪聲免疫Signal interference and noise immunity:某些編碼在存在噪聲的情況下體現(xiàn)出良好的抑制位差錯(cuò)性能。費(fèi)用及復(fù)雜度Cost and complexity。第15頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二編碼方法01001100011 時(shí)鐘NRZManchester差分Manchester第16頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Encoding SchemesNonreturn

13、to Zero-Level (NRZ-L)Nonreturn to Zero Inverted (NRZI)Bipolar -AMIPseudoternaryManchesterDifferential ManchesterB8ZSHDB3第17頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二編碼方法第18頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二 Code NameFunctionNonreturn to Zero-Level(NRZ-L)0=high level1=low levelNonreturn to Zero Inverted(NRZI)0=no tr

14、ansition at beginning of interval (one bit time)1=transition at beginning of intervalBipolar-AMI0=no line signal1=positive or negative level, alternating for successive onesPseudo-ternary0=positive or negative level, alternating for successive zeros1=no line signalManchester0=transition from high to

15、 low in middle of interval1=transition from low to high in middle of intervalDifferential ManchesterAlways a transition in middle of interval0=transition at beginning of interval1=no transition at beginning of intervalB8ZSSame as bipolar AMI,except that any string of eight zeros is replaced by a str

16、ing with two code violationHDB3Same as bipolar AMI, except that any string of four zeros is replaced by a string with one code violation.第19頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二編碼方法第20頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L)Two different voltages for 0 and 1 bitsVoltage constant during

17、 bit intervalno transition I.e. no return to zero voltagee.g. Absence of voltage for zero, constant positive voltage for oneMore often, negative voltage for one value and positive for the otherThis is NRZ-L第21頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Nonreturn to Zero InvertedNonreturn to zero inverted on onesC

18、onstant voltage pulse for duration of bitData encoded as presence or absence of signal transition at beginning of bit timeTransition (low to high or high to low) denotes a binary 1No transition denotes binary 0An example of differential encoding第22頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二NRZ第23頁，共118頁，2022年，5月

19、20日，20點(diǎn)28分，星期二Differential EncodingData represented by changes rather than levelsMore reliable detection of transition rather than levelIn complex transmission layouts it is easy to lose sense of polarity第24頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二NRZ pros and consProsEasy to engineerMake good use of bandwidth

20、Consdc componentLack of synchronization capabilityUsed for magnetic recordingNot often used for signal transmission第25頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二數(shù)據(jù)編碼技術(shù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，數(shù)字信號(hào)不歸零編碼（NRZ）編碼使用兩種不同電平，一為正，一為負(fù)，來做為兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)字的信號(hào)元素。NRZ-L用持續(xù)的負(fù)電平來表示數(shù)字1，持續(xù)的正電平表示數(shù)字0。NRZI在一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)，保持一個(gè)恒定電平，但用是否有跳變來編碼。010110NRZ-LNRZI第26頁，共118頁，20

21、22年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二NRZ不歸零編碼NRZ-L是最早、最通用、用兩個(gè)電平傳送二進(jìn)制信號(hào)的方法在每一個(gè)位間隔里, 它不存在過渡態(tài)(不回到零電平) ,電平保持不變。常用負(fù)電平代表一個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼,用正電平代表另一個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼,如EIA-232-D。NRZ的一個(gè)變種是不歸零、遇一翻轉(zhuǎn)NRZI編碼。在位持續(xù)時(shí)間的電平的翻轉(zhuǎn)(低到高或高到低)標(biāo)記此間隔的一個(gè)二進(jìn)制1；無變化表示0。NRZI屬差分編碼differential encoding。差分編碼信號(hào)比較相鄰信號(hào)元素的極性,而不是確定其絕對(duì)值。在有噪聲的場(chǎng)合,確定電平翻轉(zhuǎn)比將電平值與某一閾值比較更可靠 在復(fù)雜的傳輸層,信號(hào)極性容易被

22、混淆,例如一條多處跳線的雙絞線,如果與之相接的設(shè)備偶然接反了,對(duì)NRZ-L來說所有的1和0都將反相；而對(duì)于差分編碼則無所謂。第27頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二NRZNRZ編碼容易工程實(shí)現(xiàn),此外它有效地利用了帶寬, 許多標(biāo)準(zhǔn)都采用NRZ編碼,如100VG-AnyLAN。NRZ信號(hào)的主要限制是其頻譜中存在有直流成份,并且缺少同步能力。例如對(duì)于NRZ-L考慮一連串的1或0,對(duì)于NRZI考慮一連串的0,信號(hào)的輸出是在一較長(zhǎng)的時(shí)間周期里保持一個(gè)不變的電平,在這種場(chǎng)合下,收、發(fā)雙方任何的定時(shí)偏移都將導(dǎo)致失步,使得接收出錯(cuò)。由于它們的簡(jiǎn)單及相對(duì)低頻率響應(yīng)的特性,NRZ編碼常用

23、在數(shù)字電磁編碼中,但這些特性又限制了它們?cè)谛盘?hào)傳輸方面的應(yīng)用。第28頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Multilevel BinaryUse more than two levelsBipolar-AMIzero represented by no line signalone represented by positive or negative pulseone pulses alternate in polarityNo loss of sync if a long string of ones (zeros still a problem)No net dc

24、 componentLower bandwidthEasy error detection第29頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二多電平二進(jìn)制Multilevel Binary與NRZ碼有些不同多電平二進(jìn)制編碼用了兩種以上的電平,如雙極AMI變種的反向記號(hào)和偽三元碼。當(dāng)一連串的1出現(xiàn)時(shí),將不會(huì)丟失同步時(shí)鐘,每個(gè)1都將引入一次電平翻轉(zhuǎn),接收器就可以同步發(fā)送器時(shí)鐘。但一長(zhǎng)串的0將帶來問題。多電平二進(jìn)制編中,二進(jìn)制0在信號(hào)線上無表示的信號(hào)；二進(jìn)制1由正的或負(fù)脈沖表示,相鄰的1脈沖必須變換極性。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于:因?yàn)?信號(hào)在正、負(fù)電壓間變化,不存在網(wǎng)絡(luò)直流成份。此外,它的信號(hào)

25、帶寬也比NRZ窄許多。交變的脈沖也提共了一種簡(jiǎn)單的差錯(cuò)檢測(cè)手段,任何一個(gè)孤立的錯(cuò)誤,不論是少個(gè)1或是多個(gè)1,都將引起一個(gè)違例。第30頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二多電平二進(jìn)制Multilevel Binary對(duì)于偽三元碼上述內(nèi)容也同樣適用,此時(shí)二進(jìn)制1無信號(hào)在信號(hào)線上存在；二進(jìn)制0為正、負(fù)交變的脈沖。這兩種方式特點(diǎn)和應(yīng)用類同。雖然二編碼提供了一定程度的同步信息,但當(dāng)一長(zhǎng)串0(ATM)或一長(zhǎng)串1(偽三元碼)將不存在同步位。有幾種方法可用來克服這個(gè)缺陷,如插入一些別的位強(qiáng)制翻轉(zhuǎn)。這種技術(shù)已用于ISDN中針對(duì)數(shù)據(jù)速率相對(duì)較慢的傳輸場(chǎng)合。當(dāng)然,對(duì)高的數(shù)據(jù)速率,因?yàn)樗鼘⒃黾?/p>

26、已經(jīng)很高的信號(hào)傳輸率,這種方法就顯得不合適。針對(duì)高速率情況,可采用一種混洗(Scramble)的技術(shù)解決該問題。第31頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二PseudoternaryOne represented by absence of line signalZero represented by alternating positive and negativeNo advantage or disadvantage over bipolar-AMI第32頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Bipolar-AMI and Pseudotern

27、ary第33頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Trade Off for Multilevel BinaryNot as efficient as NRZEach signal element only represents one bitIn a 3 level system could represent log23 = 1.58 bitsReceiver must distinguish between three levels (+A, -A, 0)Requires approx. 3dB more signal power for same probabil

28、ity of bit error第34頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二BiphaseManchesterTransition in middle of each bit periodTransition serves as clock and dataLow to high represents oneHigh to low represents zeroUsed by IEEE 802.3Differential ManchesterMidbit transition is clocking onlyTransition at start of a bit per

29、iod represents zeroNo transition at start of a bit period represents oneNote: this is a differential encoding schemeUsed by IEEE 802.5第35頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Biphase Pros and ConsConAt least one transition per bit time and possibly twoMaximum modulation rate is twice NRZRequires more bandwi

30、dthProsSynchronization on mid bit transition (self clocking)No dc componentError detectionAbsence of expected transition第36頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二數(shù)據(jù)編碼技術(shù)二相碼制二相碼制要求每位時(shí)間中至少要有一次跳變，可以有兩次跳變。在曼徹斯特編碼中，在每一位的中間有一次跳變。這種位跳變既被用作時(shí)鐘又表示數(shù)據(jù)：一次從低到高的跳變表示1，從高到低的跳變表示0。在差分曼特斯特編碼中，中位跳變僅用作時(shí)鐘。而0的編碼是用一位開始時(shí)有跳變來表示，1用沒有跳變

31、來表示。010110ManchesterDifferentialManchester第37頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二雙相位(Biphase)雙相位編碼常用的有Manchester和差分(Differencial) Manchester編碼。Manchester編碼在每個(gè)位周期中間都有一次翻轉(zhuǎn)。這個(gè)位中間翻轉(zhuǎn)既作為一次時(shí)鐘、又作為數(shù)據(jù):從低到高翻轉(zhuǎn)表示1, 從高到低翻轉(zhuǎn)表示0。對(duì)于差分Manchester編碼, 位中間翻轉(zhuǎn)僅作為一次時(shí)鐘。0的編碼由每個(gè)位周期的開始處存在翻轉(zhuǎn)來表示,1的編碼則表示為在每個(gè)位周期的開始處沒有翻轉(zhuǎn)。差分Manchester編碼采用了差

32、分編碼的特別優(yōu)點(diǎn)。所有的雙相位編碼技術(shù)在每個(gè)位時(shí)間里都需要至少一次翻轉(zhuǎn),或許有多達(dá)兩次翻轉(zhuǎn)。這樣,它的最大調(diào)制速率將兩倍于NRZ編碼,意味著其帶寬也相應(yīng)地要寬。第38頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二雙相位(Biphase)雙相位碼的主要頻譜能量位于0.5到一倍位速率之間。其帶寬因此可算是窄的,而且沒有直流成份,但它的帶寬還是要比多電平二進(jìn)制碼的寬，雙相位編碼有許多優(yōu)點(diǎn):同步:接收器可以根據(jù)每個(gè)位時(shí)間之前的翻轉(zhuǎn)與發(fā)送器保持同步,因此, 雙相位編碼也叫自時(shí)鐘碼無直流成份: 雙相位編碼是交變的差錯(cuò)檢測(cè):當(dāng)缺少一個(gè)可預(yù)見的電平變化時(shí)(時(shí)鐘或Manchester編碼的數(shù)據(jù)),

33、意味著存在錯(cuò)誤。只有導(dǎo)線上的噪聲將信號(hào)在一個(gè)可預(yù)見電平變化之前和之后翻轉(zhuǎn),才會(huì)導(dǎo)致一個(gè)不可檢測(cè)的錯(cuò)誤。出現(xiàn)這種情況的概率一般來講是不多的。第39頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二各種不同類型編碼方式的譜密度 第40頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二數(shù)據(jù)編碼技術(shù)二相方案的優(yōu)點(diǎn)：同步。不含直流成分。差錯(cuò)檢測(cè)。第41頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二數(shù)據(jù)編碼技術(shù)編碼方案從二進(jìn)制到信號(hào)元素的映射就是傳輸中使用的編碼方案。接收器解釋載運(yùn)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)時(shí)的任務(wù)：接收器必須知道一個(gè)比特何時(shí)開始和結(jié)束，以便在每個(gè)比特時(shí)段對(duì)輸入信號(hào)采樣

34、一次。接收器必須識(shí)別每個(gè)比特的值。第42頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二不可檢測(cè)的錯(cuò)誤產(chǎn)生示意 如Manchester編碼010變成000；101變成111:第43頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二各種數(shù)字信號(hào)編碼速率的歸一化信號(hào)翻轉(zhuǎn)速率 第44頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二B8ZS和HDB3的編碼規(guī)則 第45頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Modulation Rate第46頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二ScramblingUse scrambling

35、 to replace sequences that would produce constant voltageFilling sequence Must produce enough transitions to syncMust be recognized by receiver and replace with originalSame length as originalNo dc componentNo long sequences of zero level line signalNo reduction in data rateError detection capabilit

36、y第47頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二B8ZSBipolar With 8 Zeros SubstitutionBased on bipolar-AMIIf octet of all zeros and last voltage pulse preceding was positive encode as 000+-0-+If octet of all zeros and last voltage pulse preceding was negative encode as 000-+0+-Causes two violations of AMI codeUnli

37、kely to occur as a result of noiseReceiver detects and interprets as octet of all zeros第48頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二HDB3High Density Bipolar 3 ZerosBased on bipolar-AMIString of four zeros replaced with one or two pulses第49頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二B8ZS and HDB3第50頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，

38、星期二B8ZS和HDB3的編碼規(guī)則 混洗 第51頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二如果出現(xiàn)連續(xù)的八個(gè)零且在它們前面的是一正電壓脈沖,則這八個(gè)零被編碼為000+-0-+如果出現(xiàn)連續(xù)的八個(gè)零且在它們前面的是一負(fù)電壓脈沖,則這八個(gè)零被編碼為000-+0+-該技術(shù)強(qiáng)制產(chǎn)生兩個(gè)AMI碼的違例碼,這些違例碼不太可能由噪聲或其它傳輸損失形成。接收器識(shí)別此模版并且將它們解釋成連續(xù)的八個(gè)零。B8ZS第52頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二HDB3高密度雙極3個(gè)零碼HDB3(High-Density Bipolar-3 Zeros)也是基于雙極AMI的編碼。HD

39、B3碼將每個(gè)四個(gè)零的串替換成含有一個(gè)或兩個(gè)脈沖的序列。每一種情況第四個(gè)零都由一個(gè)違例碼替換。該規(guī)則還要保證連續(xù)的違例碼其極性都要改變,因此將不會(huì)引入直流成份。這樣,如果剛才的違例是正脈沖,當(dāng)前的違例應(yīng)為負(fù)脈沖,反之亦然。第53頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二HDB3前面脈沖的極性自上次替換以來雙極脈沖(二進(jìn)制1)的數(shù)目奇數(shù)偶數(shù)0000000000第54頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二各種不同數(shù)字編碼類型理論位差錯(cuò)率 第55頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Digital Data, Analog SignalPu

40、blic telephone system300Hz to 3400HzUse modem (modulator-demodulator)Amplitude shift keying (ASK)Frequency shift keying (FSK)Phase shift keying (PK)第56頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二數(shù)據(jù)編碼技術(shù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，模擬信號(hào)幅移鍵控（ASK）兩個(gè)二進(jìn)制的值用載波信號(hào)的兩個(gè)不同幅度表示。頻移鍵控（FSK）兩個(gè)二進(jìn)制的值用載波頻率附近的兩個(gè)不同的頻率表示。相移監(jiān)控（PSK）兩個(gè)二進(jìn)制的值通過載波信號(hào)相位的偏移來表示數(shù)據(jù)。所有編碼技術(shù)

41、(調(diào)制方式)所產(chǎn)生的信號(hào)占用的帶寬都以載波頻率為中心頻率。 第57頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Modulation Techniques第58頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Amplitude Shift KeyingValues represented by different amplitudes of carrierUsually, one amplitude is zeroi.e. presence and absence of carrier is usedSusceptible to sudden gain changes

42、InefficientUp to 1200bps on voice grade linesUsed over optical fiber第59頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Frequency Shift KeyingValues represented by different frequencies (near carrier)Less susceptible to error than ASKUp to 1200bps on voice grade linesHigh frequency radioEven higher frequency on LANs u

43、sing co-ax第60頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二FSK on Voice Grade Line第61頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Phase Shift KeyingPhase of carrier signal is shifted to represent dataDifferential PSKPhase shifted relative to previous transmission rather than some reference signal第62頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Q

44、uadrature PSKMore efficient use by each signal element representing more than one bite.g. shifts of /2 (90o)Each element represents two bitsCan use 8 phase angles and have more than one amplitude9600bps modem use 12 angles , four of which have two amplitudes第63頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Performan

45、ce of Digital to Analog Modulation SchemesBandwidthASK and PSK bandwidth directly related to bit rateFSK bandwidth related to data rate for lower frequencies, but to offset of modulated frequency from carrier at high frequencies(See Stallings for math)In the presence of noise, bit error rate of PSK

46、and QPSK are about 3dB superior to ASK and FSK第64頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二數(shù)據(jù)編碼技術(shù)幅移鍵控（ASK）頻移鍵控（FSK）相移鍵控（PSK）第65頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二調(diào)制技術(shù)00110100010ASKFSKPSK第66頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二ASK二進(jìn)制的每個(gè)值對(duì)應(yīng)二不同幅值的載波頻率。通常, 一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字用一幅值固定的載波頻率表示,另一個(gè)則用無載波表示:這里載波信號(hào)是Acos(2 fc t+c)。ASK對(duì)突變的增益敏感,是一種十分

47、低效的調(diào)制技術(shù),在語音級(jí)線路上,它典型的應(yīng)用最多達(dá)1200bps。ASk技術(shù)也被用于光纖傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù):對(duì)LED發(fā)射器, 一種信號(hào)元素由一光脈沖表示,而另一種則用無光表示;對(duì)激光發(fā)射器通常維持一偏置電流,使得設(shè)備發(fā)射一低能級(jí)光,該低能級(jí)光表示一種信號(hào)元素,而高能級(jí)光用來表示另一種信號(hào)元素。 第67頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二FSK兩個(gè)二進(jìn)制值由二個(gè)在載波頻率附近的不同頻率表示,產(chǎn)生信號(hào)如:這里f1和f2典型地是位于載波信號(hào)fc兩旁的、偏移相等的頻率。 第68頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二FSK示例：一個(gè)Modem使用FSK在語音級(jí)線路

48、全雙工通信的例子。語音級(jí)線路可通過的頻率在300到3400Hz之間,全雙工則意味著信號(hào)可以同時(shí)做雙向傳送。為達(dá)到這一點(diǎn),這個(gè)帶寬再分成在一個(gè)方向上(收或者發(fā)均可)載波中心頻率位于1700 Hz , 其兩端各偏移100 Hz用來表示1和0。類似地對(duì)另一方向上(發(fā)或者收均可)該Modem使用2125 Hz的載波中心頻率, 再向其兩端等距各偏移100 Hz用來表示1和0。第69頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二FSKFSK不如ASK那樣對(duì)誤差敏感, 在語音級(jí)線路上,它典型的應(yīng)用最高達(dá)1200bps(2400bps)。它也常用于高頻(3到30MHz)無線電傳輸,還可以以更高的

49、頻率用于采用同軸電纜的局域網(wǎng)上。 注意這里稍有一些頻譜重疊,會(huì)有少許干擾。第70頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二PSK & QPSK用載波信號(hào)相位的變化用來表示數(shù)值。差分PSK相位的調(diào)制變換將參考發(fā)送的前一位bit:發(fā)送一個(gè)與前面已發(fā)送信號(hào)相同相位的信號(hào)表示二進(jìn)制0 ；發(fā)送一個(gè)與剛才發(fā)送信號(hào)相反相位的信號(hào)表示二進(jìn)制1:更有效利用帶寬的辦法可以使每個(gè)信號(hào)元素表示多于一位二進(jìn)制數(shù)值。例如,不是象常用的PSK編碼技術(shù)那樣相位只變化180,而是多次90變化,稱之為四相位PSK(Quadrature Phase-Shift Keying)QPSK。 第71頁，共118頁，20

50、22年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二QPSK每個(gè)信號(hào)元素不是表示一位而是表示兩位二進(jìn)制數(shù)。 第72頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二多級(jí)調(diào)制方法10110000+90+180+27011信號(hào)速率D =數(shù)據(jù)速率R/l+90o 010o 00+270o 11+180o 114-PSK第73頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二利用八個(gè)不同相位,可以一次傳送三位二進(jìn)制數(shù)。例如一標(biāo)準(zhǔn)的9600bps Modem使用了12個(gè)相位角,其中四個(gè)相位上信號(hào)具有兩個(gè)幅值。第74頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Modulation P

51、erformanceASK:BT = (1+r)R0rR) Narrowband (F fc)01.000.6700.5BT F, R/BT 01/(1+r)PSK1.00.670.51/(1+r)Multilevel signaling L = 4, b = log2L = 2 L = 8, b = log2L = 3 L = 16, b = log2L = 4 L = 32, b = log2L = 52.003.004.005.001.332.002.673.331.001.502.002.50第76頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二多級(jí)調(diào)制方法216-QAM（

52、正交振幅調(diào)制）：使用振幅和相位的16種組合145o第77頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二各種數(shù)字模擬信號(hào)編碼方案的位差錯(cuò)率第78頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二對(duì)一給定的信號(hào)化方案,位差錯(cuò)率可以通過增加Eb/N0得到減小,但代價(jià)是帶寬的增加或數(shù)據(jù)速率的減小,換言之,減少了帶寬效率。例:設(shè)有一位差錯(cuò)率為10-7的信道, S/N=12dB, 求FSK, ASK, PSK以及QPSK的帶寬系數(shù)為多少？Pe=10-7FSK14.2dB-2.2dB0.6ASK14.2dB-2.2dB0.6PSK11.2dB0.8dB1.2QPSK11.2dB0.8

53、dB2.4第79頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Analog Data, Digital SignalDigitizationConversion of analog data into digital dataDigital data can then be transmitted using NRZ-LDigital data can then be transmitted using code other than NRZ-LDigital data can then be converted to analog signalAnalog to digital

54、 conversion done using a codecPulse code modulationDelta modulation第80頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Pulse Code Modulation(PCM) (1)If a signal is sampled at regular intervals at a rate higher than twice the highest signal frequency, the samples contain all the information of the original signal(Proof

55、 - Stallings appendix 4A)Voice data limited to below 4000HzRequire 8000 sample per secondAnalog samples (Pulse Amplitude Modulation, PAM)Each sample assigned digital value第81頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Pulse Code Modulation(PCM) (2)4 bit system gives 16 levelsQuantizedQuantizing error or noiseAppr

56、oximations mean it is impossible to recover original exactly8 bit sample gives 256 levelsQuality comparable with analog transmission8000 samples per second of 8 bits each gives 64kbps第82頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Nonlinear EncodingQuantization levels not evenly spacedReduces overall signal distor

57、tionCan also be done by companding第83頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Delta ModulationAnalog input is approximated by a staircase functionMove up or down one level () at each sample intervalBinary behaviorFunction moves up or down at each sample interval第84頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Delta Modulation

58、 - example第85頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Delta Modulation - Operation第86頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Delta Modulation - PerformanceGood voice reproduction PCM - 128 levels (7 bit)Voice bandwidth 4khzShould be 8000 x 7 = 56kbps for PCMData compression can improve on thise.g. Interframe coding tech

59、niques for video第87頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二數(shù)據(jù)編碼技術(shù)模擬數(shù)據(jù)，數(shù)字信號(hào)脈沖調(diào)制（PCM）增量調(diào)制（DM）第88頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二數(shù)字信號(hào)承載模擬數(shù)據(jù)模擬話音采樣時(shí)鐘PAM 信號(hào)PCM 信號(hào)采樣電路量化和比較 數(shù)字化聲音第89頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二Nyquist理論 在理想的無噪聲信道，若 f 是傳輸媒體的最大傳輸頻率, 采樣頻率為2*f 時(shí)，接收方才可以從采樣脈沖信號(hào)中完全恢復(fù)原信號(hào)Nyquist, 1920 第90頁，共118頁，2022年，5月20日，2

60、0點(diǎn)28分，星期二PCM采樣信號(hào)：基于Nyquist理論 原始信號(hào) PAM脈沖帶量化誤差的PCM 脈沖011100011011001100 PCM 輸出3.23.92.83.41.24.2343314011100011011001100AdaptingDigitizer第91頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二PCM 轉(zhuǎn)化過程ABCDBACD模擬話音采樣時(shí)鐘PAM 信號(hào)PCM 信號(hào)采樣電路量化和比較數(shù)字化聲音第92頁，共118頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)28分，星期二t1.51.31.10.90.70.50.30.11.521.50.920.91.081.10.1