第2章 數(shù)據(jù)信號的傳輸

第2章數(shù)據(jù)信號的傳輸?shù)?章數(shù)據(jù)信號的傳輸數(shù)據(jù)信號傳輸是數(shù)據(jù)通信的基本問題三種傳輸方式：基帶傳輸、頻帶傳輸和數(shù)字傳輸基帶傳輸：不搬移基帶信號頻譜直接傳輸基帶信號頻帶傳輸：經(jīng)過調(diào)制將基帶信號的頻譜搬移到相應(yīng)的載頻頻帶再進(jìn)行傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸：在數(shù)字信道中傳輸數(shù)據(jù)信號信道（Channel）是通信系統(tǒng)中必不可少的部分。信道是指以傳輸介質(zhì)為基礎(chǔ)的信號通路。具體地說，信道是指由有線或無線電線路提供的信號通路；抽象的說，信道是指定的一段頻帶，它讓信號通過，同時(shí)又給信號以限制和損害。信道的作用是傳輸信號。①基帶傳輸是指由數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）送出的二進(jìn)制“1”

或“0”的電信號直接送到電路的傳輸方式。基帶信號未經(jīng)調(diào)制，可以經(jīng)過碼形變換（或波形變換）進(jìn)行驅(qū)動后直接傳輸?；鶐盘柕奶攸c(diǎn)是頻譜中含有直流、低頻和高頻分量，隨著頻率升高，其幅度相應(yīng)減小，最后趨于零。基帶傳輸多用在短距離的數(shù)據(jù)傳輸中，如近程計(jì)算機(jī)間數(shù)據(jù)通信或局域網(wǎng)中用雙絞線或同軸電纜為介質(zhì)的數(shù)據(jù)傳輸。②大多數(shù)傳輸信道是帶通型特性，基帶信號通不過。采用調(diào)制方法把基帶信號調(diào)制到信道帶寬范圍內(nèi)進(jìn)行傳輸，接收端通過解調(diào)方法再還原出基帶信號的方式，稱為頻帶傳輸。這種方式可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信，例如利用電話網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)全國或全球范圍的數(shù)據(jù)通信。③數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸是利用數(shù)字話路傳輸數(shù)據(jù)信號的一種方式。例如，利用PCM（脈沖編碼調(diào)制）數(shù)字電話通路，每一個(gè)話路可以傳輸64kbit/s的數(shù)據(jù)信號，不需要調(diào)制，效率高，傳輸質(zhì)量好，是數(shù)據(jù)通信很好的一種傳輸方式。2.1數(shù)據(jù)信號及特性描述2.1.1數(shù)據(jù)序列的電信號表示1

單極性不歸零信號（NRZ），碼元間隔內(nèi)，用正電位表示1碼，用零電位表示0碼2

單極性歸零信號，用寬度為t的正脈沖表示1，用零電位表示03

雙極性不歸零信號分別用正和負(fù)表示1和04

雙極性歸零信號結(jié)合2和35

差分信號前后碼元電位改變表示1，不變?yōu)?2.1數(shù)據(jù)信號及特性描述2.1.2基帶數(shù)據(jù)信號的功率譜特性在通信中,除特殊情況(如測試信號)外,數(shù)字基帶信號通常都是隨機(jī)脈沖序列。因?yàn)槿粼跀?shù)字通信系統(tǒng)中所傳輸?shù)臄?shù)字序列不是隨機(jī)的,而是確知的,則消息就不攜帶任何信息,通信就失去意義。研究隨機(jī)脈沖序列的頻譜,要從統(tǒng)計(jì)分析的角度出發(fā),研究它的功率譜密度。功率譜密度定義是：對于具有連續(xù)頻譜和有限平均功率的信號或噪聲，表示其頻譜分量的單位帶寬功率的頻率函數(shù)。在物理學(xué)中，信號通常是波的形式，例如電磁波、隨機(jī)振動或者聲波。當(dāng)波的頻譜密度乘以一個(gè)適當(dāng)?shù)南禂?shù)后將得到每單位頻率波攜帶的功率，這被稱為信號的功率譜密度或者譜功率分布。功率譜密度的單位通常用每赫茲的瓦特?cái)?shù)（W/Hz）表示，或者使用波長而不是頻率，即每納米的瓦特?cái)?shù)（W/nm）來表示。上面能量譜密度的定義要求信號的傅里葉變換必須存在，也就是說信號平方可積或者平方可加。如果信號可以看作是平穩(wěn)隨機(jī)過程，那么功率譜密度就是信號自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換。傅里葉分析的結(jié)果之一就是Parseval定理，這個(gè)定理表明能量譜密度曲線下的面積等于信號幅度平方下的面積，總的能量是：2.1.2基帶數(shù)據(jù)信號的頻譜特性隨機(jī)信號的功率譜密度是用來描述信號的能量特征隨頻率的變化關(guān)系。功率譜密度簡稱為功率譜，是自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換。對功率譜密度的估計(jì)又稱功率譜估計(jì)。由于隨機(jī)信號的隨機(jī)性，各樣本函數(shù)不同，故任一樣本函數(shù)對應(yīng)的功率譜密度函數(shù)都不能用來代表隨機(jī)過程的功率譜密度函數(shù)。因此，只有將所有可能出現(xiàn)的每一個(gè)樣本函數(shù)的功率譜密度函數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均值作為隨機(jī)過程的功率譜密度函數(shù)才是合理的。2.1.2基帶數(shù)據(jù)信號的頻譜特性通常把來自計(jì)算機(jī)、電傳機(jī)、傳真機(jī)等數(shù)據(jù)終端設(shè)備的信號稱為基帶數(shù)據(jù)信號?；鶐?shù)據(jù)信號的主要特征是：信號的主要能量都集中在從零頻（直流）或非常低的頻率開始，至某頻率的頻帶范圍內(nèi)。這種數(shù)據(jù)信號所占的頻段不是低通型頻帶就是帶通型頻帶。如果是帶通型，則其下限頻率也是在距零頻不遠(yuǎn)處。2.1.2基帶數(shù)據(jù)信號的頻譜特性

傅立葉變換能將滿足一定條件的某個(gè)函數(shù)表示成三角函數(shù)（正弦和/或余弦函數(shù)）或者它們的積分的線性組合。傅里葉變換是一種分析信號的方法，它可分析信號的成分，也可用這些成分合成信號。許多波形可作為信號的成分，比如正弦波、方波、鋸齒波等，傅里葉變換用正弦波作為信號的成分。

1.基帶數(shù)據(jù)信號的一般表示式

一般令g1(t)代表二進(jìn)制數(shù)據(jù)符號的“0”,g2(t)代表“1”,碼元的時(shí)間間隔為T。假設(shè)數(shù)據(jù)序列出現(xiàn)“0”,“1”概率分別為P和1-P,且認(rèn)為它們的出現(xiàn)彼此統(tǒng)計(jì)獨(dú)立,則基帶數(shù)據(jù)信號可表示為2.基帶數(shù)據(jù)信號的功率譜密度(1)基本分析利用隨機(jī)信號的分析方法可得隨機(jī)數(shù)據(jù)信號序列的功率譜密度表示式為幾種數(shù)據(jù)序列的功率譜密度

（1）單極性歸零序列功率譜密度為（2）雙極性歸零序列功率譜密度為（3）雙極性不歸零序列功率譜密度為分析系帶數(shù)據(jù)信號的功率譜意義有：1研究能否獲取時(shí)鐘頻率分量2大致了解傳播數(shù)據(jù)信號所需基帶寬度3判斷能否用基帶傳輸2.2數(shù)據(jù)信號的基帶傳輸數(shù)據(jù)終端輸出的數(shù)據(jù)信號代碼序列為基帶數(shù)據(jù)信號，基帶數(shù)據(jù)信號的主要特征是：信號的主要能量是集中于0開始至某一頻率帶。這種基帶數(shù)據(jù)信號所占的通型頻帶即為基帶。不搬移基帶信號頻譜的傳輸方式為基帶傳輸。2.2.1基帶數(shù)據(jù)傳輸構(gòu)成模型基帶傳輸系統(tǒng)的基本原理框圖,如圖2-6所示。圖中，發(fā)送濾波器的作用是限制信號頻帶并起波形形成作用；信道是信號的傳輸媒介，可以是各種形式的電、纜；接收濾波器用來濾除帶外噪聲和干擾，并起波形形成作用；均衡器用來均衡信道特性不理想,采樣判決器的作用是恢復(fù)發(fā)送的數(shù)碼.由于有噪聲和碼間干擾恢復(fù)的數(shù)碼可能有差別，故判決輸出用另外的符號表示。我們將研究從1點(diǎn)到2點(diǎn)之間的傳輸特性。

如何從2點(diǎn)的波形中準(zhǔn)確的進(jìn)行判決，從而恢復(fù)發(fā)送的數(shù)據(jù)序列，這是基帶傳輸所要研究的主要問題。

2.2.2幾種基帶形成網(wǎng)絡(luò)1理想低通網(wǎng)絡(luò)假定圖2-6中1--2點(diǎn)的系統(tǒng)傳輸特性是理想低通傳輸特性，如圖2-7所示。

其傳遞函數(shù)可表示為

據(jù)信號與傳輸理論可知，網(wǎng)絡(luò)對單位沖激脈沖的響應(yīng)，就是網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)的傅立葉反變換，即

3部分響應(yīng)系統(tǒng)1.基本原理

部分響應(yīng)形成系統(tǒng)是一種可實(shí)現(xiàn)的傳輸系統(tǒng)，它允許存在一定的、受控的碼間干擾，而在接收端可以加以消除，這樣的系統(tǒng)既能使頻帶利用率提高到理論上的最大值，又可近似地物理實(shí)現(xiàn)。這類系統(tǒng)稱為部分響應(yīng)形成系統(tǒng)。2.第一類部分響應(yīng)形成系統(tǒng)

這里采用兩個(gè)在時(shí)間錯(cuò)開的波形相加，即系統(tǒng)的沖激響應(yīng)為2.2.3時(shí)域均衡1.時(shí)域均衡的作用

時(shí)域均衡的思路是消除接收的時(shí)域信號波形的取樣點(diǎn)處的碼間干擾,并不要求傳輸波形的所有細(xì)節(jié)都與奈氏準(zhǔn)則所要求的理想波形完全一致。2.時(shí)域均衡的基本原理

時(shí)域均衡器主要是由橫截濾波器構(gòu)成,它是由多級抽頭遲延線、可變增益電路和求和器組成的線性系統(tǒng),構(gòu)成結(jié)構(gòu)圖如圖2-15所示。2時(shí)域均衡的基本原理3注意分析例2-22.2.4數(shù)據(jù)序列的擾亂與解擾1擾亂與解擾的作用所謂擾亂,就是將輸入數(shù)據(jù)序列按某種規(guī)律變換成長周期序列,使之具有足夠的隨機(jī)性。經(jīng)過擾亂的數(shù)據(jù)序列通過系統(tǒng)傳輸后,在接收端還要還原成原始數(shù)據(jù)序列,這就需要在接收端進(jìn)行擾亂的逆過程——解擾。

2基本原理最有效的數(shù)據(jù)序列擾亂方法是用一個(gè)隨機(jī)序列與輸入數(shù)據(jù)序列進(jìn)行邏輯加,這樣就能把任何輸入數(shù)據(jù)序列變換為隨機(jī)序列。擾亂器與解擾器原理如圖2-17所示。2.2.5數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的時(shí)鐘同步

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)接收端就需要有一個(gè)定時(shí)時(shí)鐘信號，并對這定時(shí)時(shí)鐘信號的要求是：定時(shí)時(shí)鐘信號速率與接收信號碼元速率完全相同，并使定時(shí)時(shí)鐘信號與接收信號碼元保持固定的最佳相位關(guān)系。接收端獲得或產(chǎn)生符合這一要求的定時(shí)時(shí)鐘信號的過程稱為時(shí)鐘同步，或稱為位同步或比特同步。在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中通常是采用時(shí)鐘提取的方法實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，時(shí)鐘提取的方法分為兩類：自同步法和外同步法，在基帶數(shù)據(jù)傳輸中，多數(shù)場合是采用自同步法。2.3數(shù)據(jù)信號的頻帶傳輸頻帶傳輸又稱調(diào)制傳輸。電話網(wǎng)傳輸信道是帶通型信道。通帶范圍是300~3400,帶通型信道不適合于直接傳輸基帶信號，需要對基帶信號進(jìn)行調(diào)制以實(shí)現(xiàn)頻譜搬移使信號頻帶適合于信道頻帶。理想低通信道“就是信號的所有低頻分量，只要其頻率不超過某個(gè)上限值，都能夠不失真地通過此信道。而頻率超過該上限值的所有高頻分量都不能通過該信道。

帶通信道只允許上下限之間的信號頻率成分不失真的通過，其他頻率成分不能通過。

2.3數(shù)據(jù)信號的頻帶傳輸頻帶傳輸系統(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(shí)現(xiàn)信號的頻帶搬移。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(jìn)行調(diào)制。

2.3數(shù)據(jù)信號的頻帶傳輸調(diào)制的定義：用基帶信號對載波波形的某些參數(shù)進(jìn)行控制，使這些參量隨基帶信號的變化而變化。所謂調(diào)制，就是在基帶數(shù)據(jù)信號上附加一個(gè)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(dāng)于載波。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。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。2.3數(shù)據(jù)信號的頻帶傳輸在調(diào)制解調(diào)器中都選擇正弦（或余弦）信號作為載波。這是因?yàn)檎倚盘栃问胶唵?，便于產(chǎn)生和接受，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。2.3.1頻帶傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成

頻帶傳輸系統(tǒng)與基帶傳輸系統(tǒng)的區(qū)別在于在發(fā)送端增加了調(diào)制，在接收端增加了解調(diào)，以實(shí)現(xiàn)信號的頻帶搬移，調(diào)制和解調(diào)合起來稱為Modem。當(dāng)基帶信號為二進(jìn)制時(shí)，所進(jìn)行的數(shù)字調(diào)制就是二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制，常見的有二進(jìn)制振幅鍵控2ASK、頻移鍵控2FSK和相移鍵控2PSK及差分相移鍵控2DPSK。2.3.2數(shù)字調(diào)幅以基帶數(shù)據(jù)信號控制一個(gè)載波的幅度，稱為數(shù)字調(diào)幅，又稱幅移鍵控，ASK。

1.二進(jìn)制數(shù)字調(diào)幅幅度鍵控可以通過乘法器和開關(guān)電路來實(shí)現(xiàn)。載波在數(shù)字信號1或0的控制下通或斷，在信號為1的狀態(tài)載波接通，此時(shí)傳輸信道上有載波出現(xiàn)；在信號為0的狀態(tài)下，載波被關(guān)斷，此時(shí)傳輸信道上無載波傳送。那么在接收端我們就可以根據(jù)載波的有無還原出數(shù)字信號的1和0。對于二進(jìn)制幅度鍵控信號的頻帶寬度為二進(jìn)制基帶信號寬度的兩倍。幅移鍵控法(ASK)的載波幅度是隨著調(diào)制信號而變化的，其最簡單的形式是，載波在二進(jìn)制調(diào)制信號控制下通斷，此時(shí)又可稱作開關(guān)鍵控法(OOK)。2多進(jìn)制數(shù)字調(diào)幅多電平MASK調(diào)制方式是一種比較高效的傳輸方式，但由于它的抗噪聲能力較差，尤其是抗衰落的能力不強(qiáng)，因而一般只適宜在恒參信道下采用。

2.3.3數(shù)字調(diào)相以基帶數(shù)據(jù)信號控制載波的相位，稱為數(shù)字調(diào)相，又稱相移鍵控，簡寫為PSK。

1.PSK信號及功率譜密度按PSK的基本定義可畫出如圖2-46所示數(shù)據(jù)信號與PSK信號的對應(yīng)波形。圖中2-46(a)是信號序列；2-46(b)是未調(diào)載波信號，2-44(c)為二相絕對調(diào)相信號，記為2PSK；2-46(d)為二相對調(diào)相信號，或稱差分調(diào)相信號，記為2DPSK。數(shù)字調(diào)相信號功率譜密度就是載波頻率為fc的抑制載波的雙邊帶譜，與抑制載波的2ASK功率譜相同，也是雙邊帶帶寬。

(2)2PSK信號的產(chǎn)生和解調(diào)圖2-47(a)給出的是一種用相位選擇法產(chǎn)生2PSK信號的原理框圖。這種2PSK信號的解調(diào)存在一個(gè)問題，即2分頻器電路輸出存在相位不定性或稱相位模糊問題。當(dāng)二分頻器電路輸出的相位為00或1800不定時(shí)，相干解調(diào)的輸出基帶信號就會存在0或1倒相現(xiàn)象，這就是二相絕對調(diào)相，即2PSK方式不能直接應(yīng)用的原因所在。解決這一問題的方法就是采用相對調(diào)相，即2DPSK式。(3)2DPSK信號的產(chǎn)生和解調(diào)①2DPSK信號的產(chǎn)生根據(jù)2DPSK信號和2PSK信號的內(nèi)在聯(lián)系，只要將輸入的基帶數(shù)據(jù)序列變換成相對序列，即差分碼序列，然后用相對序列去進(jìn)行絕對調(diào)相，便可得到2DPSK信號。②2DPSK信號的解調(diào)2DPSK的解調(diào)通常采用極性比較法，極性比較法是對2DPSK信號先進(jìn)行2PSK解調(diào)，然后用碼變換器將差分碼變?yōu)榻^對碼。在進(jìn)行2PSK解調(diào)時(shí)，可能會出現(xiàn)“1”，“0”倒相現(xiàn)象，但變換為絕對碼后的碼序列是唯一的，即與倒相無關(guān)。2.多相調(diào)相及頻帶利用率(1)四進(jìn)制調(diào)相四相調(diào)相，即4PSK，是用載波的四種不同相位來表征傳送的數(shù)據(jù)信息。如前所述，在4PSK調(diào)制中，首先對輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，將二位數(shù)字編成一組，即構(gòu)成雙比特碼元。k比特碼元有2k種組合，即有2k種不同狀態(tài)，故可以用m=2k種不同相位或相位差來表示，對于k=2,則m＝22=4，故稱為四相調(diào)相。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?。按國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，雙比特碼元與載波相位的對應(yīng)關(guān)系有兩種，稱為A方式和B方式，它們的對應(yīng)關(guān)系如表2-1所示，它們之間的矢量關(guān)系如圖2-53所示。雙比特碼元載波相位ABA方式B方式00101101

0π/2π3π/2

5π/47π/4π/43π/4雙比特碼元載波相位ABA方式B方式00101101

0π/2π3π/2

5π/47π/4π/43π/42)多相調(diào)相的頻帶利用率。多相調(diào)相的頻帶利用率為2.3.4數(shù)字調(diào)頻用基帶數(shù)據(jù)信號控制載波的頻率，稱為數(shù)字調(diào)頻，又稱頻移鍵控(FSK)。1．2FSK信號及功率譜密度(1)2FSK信號二進(jìn)制移頻鍵控就是用二進(jìn)制數(shù)字信號控制載波頻率f1，當(dāng)傳送“1”碼時(shí)輸出頻率；當(dāng)傳送“0”碼時(shí)輸出頻率f0。(2)2FSK信號功率譜密度（相位不連續(xù)的）2FSK信號的功率譜密度，是兩個(gè)不抑制載波的2ASK信號的功率譜密度的合成,如圖2-57所示。圖2-43相位不連續(xù)的2FSK信號的功率譜密度2．2FSK信號的產(chǎn)生和解調(diào)

(1)2FSK信號的產(chǎn)生

2FSK信號的產(chǎn)生可用兩個(gè)數(shù)字調(diào)幅信號相加的辦法產(chǎn)生。如圖2-58所示，就是相位不連續(xù)的2FSK信號產(chǎn)生的原理圖。圖2-58(b)為相位連續(xù)的2FSK信號產(chǎn)生的原理圖,利用數(shù)據(jù)信號的“1”和“0”的電壓的不同控制一個(gè)可變頻率的電壓控制振蕩器以產(chǎn)生兩個(gè)不同頻率的信號f1和f0，這時(shí)兩個(gè)頻率變化時(shí)相位就是連續(xù)的。(2)2FSK信號的解調(diào)這里討論兩種簡單的2FSK的解調(diào)方法，如圖2-60所示。圖2-60(a)是采用分路選通濾波器進(jìn)行2FSK信號的非相干解調(diào)，當(dāng)2FSK信號的頻偏較大時(shí)，可以把2FSK信號當(dāng)作兩路不同載頻的2ASK信號接收。圖2-60(b)是采用鑒頻解調(diào)方法的簡單框圖。2.3.5高效帶寬調(diào)制1正交幅度調(diào)制ASK：用載波的兩個(gè)不同振幅表示0和1；FSK：用載波的兩個(gè)不同頻率表示0和1；PSK：用載波的起始相位的變化表示0和1。00110100010ASKFSKPSK多級調(diào)制方法1-單參量多級調(diào)制0111000+90o+180o+270o10數(shù)據(jù)率=信號速率×log2M

M：調(diào)制級數(shù)+900010000+270