第3章 信號傳輸技術

2023/2/31第3章信號的傳輸技術3.1傳輸技術概述3.1.1傳輸技術的發(fā)展傳輸是指通過物理介質傳播含有信息的信號的過程。從功能上看，是在通信網(wǎng)中的各節(jié)點之間轉移信息的過程。2023/2/3219世紀末：利用電信號來模擬語音信號并進行遠距離傳輸出現(xiàn)了電話以及話音傳輸技術。從電話通信發(fā)明到20世紀60年代：電信傳輸均是采用模擬話音傳輸技術；從一對線路傳輸一路模擬話音信號，后才用FDM技術進行多路載波傳輸，傳輸介質也從雙絞線向同軸電纜過度。20世紀60年代末到80年代后期：通信網(wǎng)絡處于數(shù)字化發(fā)展時期。數(shù)字技術以安全、可靠、通信質量高、通信成本低、有利于通信設備小型化/集成化等優(yōu)點迅速替代了模擬傳輸技術。數(shù)字調制技術也迅速取代了模擬調制技術在頻帶信號傳輸中的位置。近年來，光傳輸技術得到了迅速發(fā)展，光纖通信技術以帶寬充足，不受電磁干擾、原材料豐富等優(yōu)點得到廣泛應用。2023/2/33調制是通信原理中一個十分重要的概念，是一種信號處理技術。無論在模擬通信、數(shù)字通信還是數(shù)據(jù)通信中都扮演著重要角色。

那么為什么要對信號進行調制處理？什么是調制呢？我們先看看下面的例子3.1.2調制技術的概念2023/2/34我們知道，通信的目的是為了把信息向遠處傳遞（傳播）,那么在傳播人聲音時，我們可以用話筒把人聲變成電信號，通過擴音機放大后再用喇叭（揚聲器）播放出去。由于喇叭的功率比人嗓大得多，因此聲音可以傳得比較遠。2023/2/35擴音示意圖2023/2/36但如果我們還想將聲音再傳得更遠一些，比如幾十千米、幾百千米，那該怎么辦？兩個問題，一是鋪設一條幾十千米甚至上百千米的電纜只傳一路聲音信號，其傳輸成本之高、線路利用率之低,人們是無法接受的.2023/2/37二是利用無線電通信時，需滿足一個基本條件，即欲發(fā)射信號的波長（兩個相鄰波峰或波谷之間的距離）必須能與發(fā)射天線的幾何尺寸可比擬，該信號才能通過天線有效地發(fā)射出去（通常認為天線尺寸應大于波長的十分之一）。而音頻信號的頻率范圍是20Hz～20kHz，最小的波長為2023/2/38式中，λ為波長（m）；c為電磁波傳播速度（光速）（m/s）；f為音頻（Hz）。2023/2/39可見，要將音頻信號直接用天線發(fā)射出去，其天線幾何尺寸即便按波長的百分之一取也要150米高（不包括天線底座或塔座）。因此，要想把音頻信號通過可接受的天線尺寸發(fā)射出去，就需要想辦法提高欲發(fā)射信號的頻率（頻率越高波長越短）2023/2/310

因此，在通信系統(tǒng)的發(fā)送端通常需要有調制過程，而在接收端則需要有反調制過程—解調過程。結論2023/2/311

調制的目的：進行頻譜搬移，把調制信號的頻譜搬移到所希望的位置上，從而提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃浴?/p>

調制的定義：是按原始電信號的變化規(guī)律去改變載波某些參量的過程。而載波通常是一種用來搭載原始信號（信息）的高頻信號，它本身不含有任何有用信息。2023/2/312

原始電信號稱為調制信號或基帶信號

調制后所得到的信號稱為已調信號或頻帶信號。按源信號m(t)的不同，分為：模擬調制和數(shù)字調制，按載波信號c(t)的不同，分為：連續(xù)波調制和脈沖調制按調制器的功能，分為：AM\FM\PM按調制傳輸函數(shù)的性質，分為：線性調制和非線性調制2023/2/313調制技術的分類：2023/2/314本章首先討論模擬調制系統(tǒng)。調制信號為模擬信號，正弦波作為載波。根據(jù)調制信號控制正弦波參量的不同，可分為幅度調制、頻率調制和相位調制。調制的種類：

AM、DSB-SC、SSB、VSB

、FM和PM。2023/2/3153.1幅度調制的原理

3.1.1幅度調制的一般模型

定義：用調制信號去控制高頻正弦載波的幅度，使其按調制信號的規(guī)律變化的過程。

2023/2/3163.1.2常規(guī)雙邊帶調幅（AM）

1.AM信號的表達式、頻譜及帶寬若假設濾波器為全通網(wǎng)絡：為了保證包絡檢波時不發(fā)生失真，必須滿足2023/2/317

AM信號是帶有載波的雙邊帶信號，它的帶寬為基帶信號帶寬的兩倍，即2023/2/318AM信號的解調調制的逆過程叫做解調。AM信號的解調方法有兩種：相干解調和包絡檢波解調。

（1）相干解調用一個低通濾波器，就無失真的恢復出原始的調制信號：

2023/2/319（2）包絡檢波法包絡檢波器一般由半波或全波整流器和低通濾波器組成。整流器LPF2023/2/320串聯(lián)型包絡檢波器的具體電路由二極管D、電阻R和電容C組成。RC滿足條件：這時，包絡檢波器的輸出與輸入信號的包絡十分相近，即：

2023/2/321包絡檢波法屬于非相干解調，其特點是：解調效率高，解調器輸出近似為相干解調的2倍；解調電路簡單，而且接收端不需要與發(fā)送端同頻同相的載波信號，降低了實現(xiàn)的難度。因此，幾乎所有的調幅（AM)式接收機都采用這種電路。2023/2/322抑制載波的雙邊帶調幅（DSB-SC）

1.DSB信號的表達式、頻譜及帶寬2023/2/323DSB信號不能進行包絡檢波，需采用相干解調；除不含有載頻分量離散譜外，DSB信號的頻譜由上下對稱的兩個邊帶組成。故DSB信號是不帶載波的雙邊帶信號，它的帶寬為基帶信號帶寬的兩倍。2.DSB信號的調制效率DSB信號的調制效率為100%。

2023/2/3243.DSB信號的解調

DSB信號只能采用相干解調，則乘法器輸出為：經(jīng)低通濾波器濾除高次項，得

2023/2/3253.1.4單邊帶調制（SSB）

由于DSB信號的上、下兩個邊帶是完全對稱的，皆攜帶了調制信號的全部信息，因此，從信息傳輸?shù)慕嵌葋砜紤]，僅傳輸其中一個邊帶就夠了。

1.SSB信號的產(chǎn)生

（1）濾波法2023/2/3262023/2/327（2）用相移法形成SSB信號可以證明，SSB信號的時域表示式為：式中，“－”對應上邊帶信號，“+”對應下邊帶信號；

是的希爾伯特變換。2023/2/3283.SSB信號的解調

SSB信號的解調也不能采用簡單的包絡檢波，需采用相干解調，2023/2/329乘法器輸出為：經(jīng)低通濾波后的解調輸出為2023/2/3303.1.5殘留邊帶調制（VSB）1.殘留邊帶信號的產(chǎn)生殘留邊帶調制是介于單邊帶調制與雙邊帶調制之間的一種調制方式，它既克服了DSB信號占用頻帶寬的問題，又解決了單邊帶濾波器不易實現(xiàn)的難題。在殘留邊帶調制中，除了傳送一個邊帶外，還保留了另外一個邊帶的一部分。2023/2/3312023/2/3322.殘留邊帶信號的解調2023/2/3333.2.1通信系統(tǒng)抗噪性能分析模型

Sm(t):已調制信號n(t)：加性高斯白噪聲ni(t)：帶通型噪聲帶通濾波器是將混合在噪聲中的有用信號濾出來，同時濾除濾波器通帶外的噪聲解調器輸入端的噪聲帶寬與已調制信號的帶寬相同2023/2/334角度調制（非線性調制）的原理

與線性調制不同，已調信號頻譜不再是原調制信號頻譜的線性搬移，而是頻譜的非線性變換，會產(chǎn)生與頻譜搬移不同的新的頻率成分，故又稱為非線性調制。

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角調制可分為頻率調制（FM）和相位調制（PM）。即載波的幅度保持不變，而載波的頻率或相位隨基帶信號變化。

2023/2/3363.3.1角度調制的基本概念角度調制信號的一般表達式為瞬時相位；瞬時相位偏移；瞬時頻率；瞬時頻偏。所謂相位調制，是指2023/2/337調相信號可表示為：所謂頻率調制，是指瞬時頻率偏移隨基帶信號而線性變化，即則可得調頻信號為

可見，F(xiàn)M和PM非常相似，如果預先不知道調制信號的具體形式，則無法判斷已調信號是調頻信號還是調相信號。2023/2/338

如果將調制信號先微分，再進行調頻，則可得到調相信號；如果將調制信號先積分，再進行調相，則可得到調頻信號。從以上分析可見，調頻與調相并無本質區(qū)別，兩者之間可以互換。

2023/2/339窄帶調頻與寬帶調頻

根據(jù)調制后載波瞬時相位偏移的大小，可將頻率調制分為寬帶調頻（WBFM）與窄帶調頻（NBFM）。當

時，稱為窄帶調頻。否則，稱為寬帶調頻。

2023/2/340:各種模擬調制方式總結2023/2/341主要應用:2023/2/342各種模擬調制方式性能比較

抗噪性能，WBFM最好，DSB、SSB、VSB次之，AM最差。NBFM與AM接近。頻帶利用率，SSB最好，VSB與SSB接近，DSB、AM、NBFM次之，WBFM最差。

2023/2/343頻分復用（FDM）

“復用”是一種將若干個彼此獨立的信號，合并為一個可在同一信道上同時傳輸?shù)膹秃闲盘柕姆椒?。FDM是調制技術的典型應用，它通過對多路調制信號進行不同載頻的調制，使得多路信號的頻譜在同一個傳輸信道的頻率特性中互不重疊，從而完成在一個信道中同時傳輸多路信號的目的。2023/2/344

有三種基本的多路復用方式：頻分復用（FDM）、時分復用（TDM）與碼分復用（CDM）。

2023/2/345在選擇載頻時,應考慮到邊帶頻譜的寬度,同時為了防止鄰路信號間的干擾,還應留有一定的防護頻帶,即fc(i+1)=fci+(fm+fg)i=1,2…,nfc(i+1)、fci分別為第i+1路,第i路的載頻fm每一路的最高頻率fg鄰路間隔防護頻帶2023/2/346n路單邊帶信號的總頻帶寬度為：

經(jīng)過調制后的各路信號，在頻率位置上被分開，通過相加器將它們合并成適合信道內傳輸?shù)膹陀眯盘?，其頻譜結構如圖：2023/2/347

頻分復用系統(tǒng)的最大優(yōu)點是信道復用率高，容許復用的路數(shù)多，分路也很方便。因此，它成為目前模擬通信中最主要的一種復用方式。特別是在有線和微波通信系統(tǒng)中應用十分廣泛。

2023/2/348頻分復用頻譜示意圖3.3數(shù)字信號的基帶傳輸3.3.1數(shù)字基帶傳輸概述1.數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)一、數(shù)字基帶信號數(shù)字信號可以是模擬信號經(jīng)數(shù)字化處理后而形成的脈沖編碼信號，也可能是來自數(shù)據(jù)終端設備（比如計算機）的原始數(shù)據(jù)信號。數(shù)字信號在一般情況下可以表示為一個數(shù)字序列：

…,a-2,a-1,a0,a1,a2,…,an,…簡記為{an}。an是數(shù)字序列的基本單元,稱為碼元。每個碼元只能取離散的有限個值，例如在二進制中，an只能取0或1兩個值；在M進制中，an取0,1,2,:,M-1等M個值，或者取二進制碼的M種排列。2023/2/3492023/2/350由于碼元的取值有限，因此通常用不同幅度的電脈沖表示碼元的不同取值。例如用幅度為A的矩形脈沖（高電平）表示1，用幅度為0的矩形脈沖（低電平）表示0，由此形成的二進制電脈沖序列被稱為數(shù)字基帶信號，它們所占據(jù)的頻帶通常從直流和低頻開始并且未經(jīng)載波調制，通常稱為數(shù)字基帶信號。在某些具有低通特性的有線信道中，特別是傳輸距離不遠的情況下，數(shù)字基帶信號可以直接傳輸，我們稱之為數(shù)字基帶傳輸。2023/2/351編碼器：將信源或信源編碼輸出的碼型變?yōu)檫m合于在信道中傳輸?shù)拇a型。信道發(fā)送濾波器：將編碼后的基帶信號變換成適合于信道傳輸?shù)幕鶐盘枺@種變換主要是通過波形變換來實現(xiàn)的，使得信號波形與信道匹配。2023/2/352信道：基帶信號通過的媒質，通常為有線信道。接收濾波器：濾除帶外噪聲，使得輸出的基帶信號無碼間串擾，有利于抽樣判決。抽樣判決器；在噪聲背景下，在規(guī)定的時刻對接收濾波器的輸出波形進行抽樣判決，以恢復或再生基帶信號。解碼器：對抽樣判決器輸出的信號進行譯碼，使輸出碼型符合接收端的要求。2023/2/3532023/2/354基帶傳輸系統(tǒng)：不使用載波調制解調裝置，而直接傳送基帶信號的系統(tǒng)頻帶傳輸系統(tǒng)：包括調制、解調的傳輸系統(tǒng)。基帶傳輸系統(tǒng)、頻帶傳輸系統(tǒng)的基本結構：2023/2/3552023/2/356通常由信源編碼輸出的數(shù)字信號多為經(jīng)自然編碼的電脈沖序列（高電平表示1，低電平表示0，或相反），這種經(jīng)過自然編碼的數(shù)字信號雖然是名符其實的數(shù)字信號，但卻并不適合于在信道中直接傳輸，或者說，數(shù)字通信系統(tǒng)（數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)）一般并不采用這樣的數(shù)字信號進行基帶傳輸。因為用這樣的數(shù)字信號進行基帶傳輸會出現(xiàn)很多問題，換句話說，就是它的碼型不滿足通信的要求。2023/2/357傳輸這種數(shù)字基帶信號會遇到的問題：(1)由于這種數(shù)字基帶信號包含直流分量或低頻分量，那么對于一些具有電容耦合電路的設備或者傳輸頻帶低端受限的信道（廣義信道），信號將可能傳不過去。(2)自然編碼后，有可能出現(xiàn)連“0”或連“1”數(shù)據(jù)，這時的數(shù)字信號會出現(xiàn)長時間不變的低電平或高電平，以致收信端在確定各個碼元的位置（定時信息）時遇到困難。換句話說，收信端無法從接收到的數(shù)字信號中獲取定時（定位）信息。(3)對收信端而言，從接收到的這種基帶信號中無法判斷是否包含有錯碼。2023/2/358

因此在設計或選擇適合于給定信道傳輸特性的碼型時，通常要考慮以下的因素，或者說要遵循以下原則：2023/2/359在設計數(shù)字基帶信號碼型時應考慮以下原則：

（1）對于傳輸頻帶低端受限的信道，碼型中應不含直流或低頻分量盡量少

;（2）碼型中高頻分量盡量少,以節(jié)省傳輸頻帶并減小串擾;（3）碼型中應包含定時信息

;（4）碼型具有一定檢錯能力

;（5）編碼方案對發(fā)送消息類型不應有任何限制，即能適用于信源變化

;2023/2/360（6）低誤碼增殖;（7）高的編碼效率；（8）編譯碼設備應盡量簡單。數(shù)字基帶信號的碼型種類很多，但沒有一種碼型能滿足上述所有要求，在實際應用中，往往是根據(jù)需要全盤考慮，有取有舍，合理選擇。下面介紹一些目前廣泛應用的重要碼型。數(shù)字基帶信號的碼型種類很多，但沒有一種碼型能滿足上述所有要求，在實際應用中，往往是根據(jù)需要全盤考慮，有取有舍，合理選擇。下面介紹一些目前廣泛應用的重要碼型。2023/2/3614.1.2數(shù)字基帶信號的常用碼型差分碼Manchester碼2023/2/3621.單極性非歸零（NRZ）碼

二進制符號“1”和“0”分別對應正電平和零電平，在整個碼元持續(xù)時間電平保持不變。單極性NRZ碼的主要特點：

（1）有直流分量，無法使用一些交流耦合的線路和設備；

（2）不能直接提取位同步信息；

（3）抗噪性能差；

（4）傳輸時需一端接地。

2023/2/3632.雙極性不歸零（NRZ）碼

“1”和“0”分別對應正、負電平，其特點為：（1）直流分量小。當二進制符號“1”、“0”等可能出現(xiàn)時，無直流成分；（2）接收端判決門限為0，容易設置并且穩(wěn)定，因此抗干擾能力強；（3）可以在電纜等無接地線上傳輸。2023/2/3643.單極性歸零（RZ）碼歸零碼是指它的有電脈沖寬度比碼元寬度窄，每個脈沖都回到零電平。優(yōu)點是可以直接提取同步信號，它是其它碼型提取同步信號需采用的一個過渡碼型。2023/2/3654.雙極性歸零（RZ）碼

對于雙極性歸零碼，在接收端根據(jù)接受波形歸于零電平可知道當前比特信息接收完畢，準備下個比特信息的接收。收發(fā)之間無需特別定時，且各符號獨立地構成起止方式。具有雙極性不歸零碼的抗干擾能力強及碼中不含直流成分的優(yōu)點，應用比較廣泛。

2023/2/3665.差分碼

在差分碼中，“1”、“0”分別用電平跳變或不變來表示。編碼：遇到“1”狀態(tài)反轉、“0”狀態(tài)不變；譯碼：有變化為“1”，沒變化為“0”。特點：即使接收端收到的碼元極性與發(fā)送端完全相反，也能正確地進行判決。2023/2/3676.AMI碼這種碼型實際上把二進制脈沖序列變?yōu)槿娖降姆栃蛄?，其?yōu)點如下：

（1）在“1”、“0”碼不等概率情況下，也無直流成分，對具有變壓器或其它交流隅合的傳輸信道來說，不易受隔直特性的影響。（2）若接收端收到的碼元極性與發(fā)送端的完全相反，也能正確判決。（3）便于觀察誤碼情況。2023/2/368

6.AMI碼（傳號交替反轉碼）編碼規(guī)則：代碼0仍變換為傳輸碼的0；代碼1交替地變換為傳輸碼的+1，-1，+1，-1例如消息代碼：100110011…AMI碼:+100–1+100–1+1…由一個二進制符號序列變成一個三進制符號序列.是一種基本的線路碼,無直流成分,低頻分量較小,編譯碼電路簡單,便于觀察誤碼.是目前最常用的傳輸碼型之一.但它可能出現(xiàn)長的連0串,不便于提取定時信號.2023/2/3697.HDB3碼可看作是AMI碼的一種改進型