數(shù)字基帶傳輸與數(shù)字調(diào)制.ppt

第6章 數(shù)字基帶傳輸與數(shù)字調(diào)制,6.1 數(shù)字基帶傳輸 6.2 數(shù) 字 調(diào) 制,6.1 數(shù)字基帶傳輸,6.1.1 引言 經(jīng)過信源編碼數(shù)據(jù)壓縮和信道編碼差錯(cuò)控制后得到的數(shù)字信號(hào)，通常為二元數(shù)字信息，其脈沖波形占據(jù)的頻帶一般從直流或較低頻率開始直至可能的最高數(shù)據(jù)頻率(幾十千赫、幾百千赫或幾兆赫、幾十兆赫)，帶寬會(huì)很寬，能寬到短波波段的射頻范圍。,圖6-1所示的為基帶傳輸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖，它由信道信號(hào)形成器、傳輸信道、接收濾波器和取樣判決器幾部分組成。,圖6-1基帶傳輸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖,6.1.2 數(shù)字基帶信號(hào)的常用碼型和功率譜 1.碼型選擇原則 確定碼型(不同表示形式的基帶信號(hào))時(shí)必須考慮到以下幾個(gè)方面。 (1) 對(duì)于傳輸頻帶低端受限的信道，傳輸信號(hào)碼型的頻譜中不應(yīng)包含直流或低頻成分；,(2) 應(yīng)盡量減小碼型頻譜中的高頻成分，既可節(jié)省傳輸頻帶、提高頻譜利用率，又可減少有線信道電纜內(nèi)不同線對(duì)之間的信號(hào)串?dāng)_； (3) 接收端易于從串行的基帶信號(hào)中提取位定時(shí)信息，再生出準(zhǔn)確的時(shí)鐘信號(hào)供數(shù)據(jù)判決使用；,(4) 便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳輸系統(tǒng)中的信號(hào)傳輸質(zhì)量，能監(jiān)測(cè)出碼流中錯(cuò)誤的信號(hào)狀態(tài)； (5) 信道中發(fā)生誤碼時(shí)要求所選碼型不致造成誤碼擴(kuò)散(或稱誤碼蔓延)； (6) 碼型變換過程不受信源統(tǒng)計(jì)特性(信源中各種數(shù)字信息的概率分布)的影響，即碼型變換對(duì)任何信源具有透明性。,2.碼型分類及其特點(diǎn) (1) 二元碼 二元碼中基帶信號(hào)的脈沖波形只有兩種幅度，即高電平(H)和低電平(L)。 (2) 三元碼(雙二進(jìn)制碼，三進(jìn)制碼) 三元碼中，數(shù)字基帶信號(hào)的幅度取值有1，0和1三種電平，圖6-3(a)所示的為一個(gè)例。,圖6-3 三元碼波形示例,(3) 多元碼 多元碼碼型具有多種電平的幅度取值，如果以m個(gè)比特組成一個(gè)字，則對(duì)應(yīng)地有2m元碼的碼型。m=2時(shí)構(gòu)成四元碼，如圖6-4所示。,圖6-4多元碼波形示例,3.二元碼的種類和特點(diǎn) 圖6-5中(1)為基帶信號(hào)的信息碼元，(2)為位定時(shí)信號(hào)，脈寬T代表1比特的寬度，升降沿代表每比特定時(shí)的開始。 圖6-5中(3)為單極性不歸零(NRZ)碼，其波形與圖6-2(a)中所示的的原理相同；圖中(4)為雙極性NRZ，波形與圖6-2(b)所示的原理相同。,圖6-5中(5)為單極性歸零(RZ)碼，它與單極性NRZ碼相似，區(qū)別在于碼元“1”的高電平持續(xù)時(shí)間T/2，其余時(shí)間返回零電平(低電平)；而碼元“0”一直處于零電平，它實(shí)際上是以時(shí)間T內(nèi)有無脈沖調(diào)變信號(hào)來表示“1”，“0”。 圖6-5中(6)為單極性傳號(hào)差分(NRZ-M)碼，其特點(diǎn)是以位定時(shí)信號(hào)邊沿時(shí)刻有電平跳變表示“1”，無電平跳變表示“0”。,圖中(7)為單極性空號(hào)差分(NRZ-S)碼，其特點(diǎn)是以位定時(shí)信號(hào)邊沿時(shí)刻有電平跳變表示“0”，無跳變表示“1”。 圖6-5中(8)為雙相碼(也稱曼徹斯特碼或調(diào)頻碼)，其特點(diǎn)是無論碼元“1”或“0”，每一碼元比特的邊緣都有電平跳變。,圖6-5中(9)為密勒碼(Miller,M)，它是雙相碼的一種變型，“1”用碼元周期中央出現(xiàn)跳變(而其前后沿不出現(xiàn)跳變)來表示；對(duì)碼元“0”則有兩種處理情況，單個(gè)“0”時(shí)碼元周期內(nèi)不出現(xiàn)跳變，連“0”時(shí)在相鄰的“0”交界處出現(xiàn)跳變。 圖6-5中(10)為密勒平方碼(M2)，它是密勒碼的變型，其區(qū)別在于無論“1”還是“0”，當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)的相同碼元超過2時(shí)省去最后一個(gè)比特上的電平跳變，即對(duì)于“1”省去其中央電平跳變，對(duì)于“0”省去其最后一個(gè)碼元“0”的前沿跳變。,圖6-5幾種常用的二元碼波形,4.二元碼的功率譜 圖6-6所示的為幾種二元碼的功率譜密度曲線。 5.碼型轉(zhuǎn)換 上述各種碼型可從基本的NRZ碼轉(zhuǎn)換產(chǎn)生，并可以從一種碼型轉(zhuǎn)換成另一種碼型。,圖6-6幾種二元碼的功率譜,6.1.3 使用偽隨機(jī)序列擾碼 1. m 序列的產(chǎn)生 m序列是最常用的一種偽隨機(jī)二進(jìn)制序列，它是最長(zhǎng)線性反饋移存器序列的簡(jiǎn)稱，是帶線性反饋的移存器所產(chǎn)生的周期最長(zhǎng)的序列。,2.m序列的性質(zhì) m序列具有下列特定的性質(zhì)。 (1) 均衡性 在m序列的一個(gè)周期m=2n1中，“1”和“0”的數(shù)目基本相等，準(zhǔn)確地說是“1”的個(gè)數(shù)比“0”的個(gè)數(shù)多一個(gè)。 (2) 游程分布 將一個(gè)周期序列中接連地相同碼元的長(zhǎng)度稱為游程長(zhǎng)度，包括1游程和0游程。,(3) 移位相加(mod2)特性 一個(gè)m序列Mp，與其經(jīng)任意次延時(shí)移位后得到的序列Mr進(jìn)行模2和，結(jié)果等于Mp經(jīng)某些次移位后得到的序列Ms，即 這個(gè)特性表明了m序列具有封閉性。,(4) 偽噪聲特性 對(duì)一個(gè)正態(tài)分布的隨機(jī)噪聲(白噪聲)取樣時(shí)，若樣值為正，記為“”；若樣值為負(fù)，記為“”，則將每次取樣所得極性排序可寫成 這是一個(gè)正負(fù)隨機(jī)變化的序列，具有下面的基本性質(zhì)。, 序列中“”、“”的出現(xiàn)概率相等。 序列中游程長(zhǎng)度為1的游程數(shù)約占總游程數(shù)的1/2，長(zhǎng)度為2的約占1/4一般地，長(zhǎng)度為k的游程數(shù)約占1/2k，并且其中“”游程和“”游程約各占一半。 由于隨機(jī)噪聲的功率譜為常數(shù)，因而其傅立葉反變換也即自相關(guān)函數(shù)R()為一個(gè)沖激函數(shù)()。當(dāng)0時(shí)，()0，當(dāng)0時(shí)，()是一個(gè)面積為1的脈沖。,可以證明，m序列的均衡性、游程分布、自相關(guān)函數(shù)和功率譜與上述隨機(jī)序列的基本性質(zhì)很相似。因而通常認(rèn)為，m序列屬于偽噪聲(PN)序列或偽隨機(jī)二進(jìn)制序列(PRBS)。 3.數(shù)據(jù)序列的加擾和解擾 數(shù)據(jù)加擾原理是以m序列為基礎(chǔ)的，一般的加擾電路構(gòu)成如圖6-10所示。,圖6-10加擾電路的一般形式,4.解擾的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) 加解擾的優(yōu)點(diǎn)在于，對(duì)于會(huì)包含有連“1”、連“0”的數(shù)據(jù)序列，經(jīng)過PRBS產(chǎn)生的 m序列進(jìn)行模2和后，將變?yōu)閭坞S機(jī)型的數(shù)據(jù)序列，從而使其功率譜較適合于傳輸信 道的特性，并且接收端容易從數(shù)據(jù)流中提取出時(shí)鐘信號(hào)。,至于缺點(diǎn)，一是加擾碼傳輸中發(fā)生單個(gè)誤碼時(shí)會(huì)影響到接收端相繼的n個(gè)碼元的正確解擾，造成誤碼蔓延(或稱誤碼增殖)；二是當(dāng)輸入的數(shù)據(jù)序列很特殊，而與m序列作模2和時(shí)可能正好形成不良的包含長(zhǎng)“1”長(zhǎng)“0”的加擾后序列，當(dāng)然這種概率非常小。,5.實(shí)用的加擾電路 在歐洲的DVB(數(shù)字視頻廣播)標(biāo)準(zhǔn)中，無論DVB-S(衛(wèi)星DVB)、DVB-C(有線電視DVB)還是DVB-T(地面廣播DVB)，都對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)實(shí)施同樣的能量擴(kuò)散，即采用15級(jí)移存器的PRBS對(duì)數(shù)據(jù)序列作模2和，電路如圖6-12所示。,圖6-12 15級(jí)移存器的PRBS加擾電路,6.1.4 無碼間干擾基帶傳輸 1.基帶傳輸系統(tǒng)的基本特點(diǎn) 對(duì)于數(shù)字信號(hào)來說，較小的波形失真影響不大，只要接收端在時(shí)鐘脈沖確定的信號(hào)電平判決時(shí)刻能準(zhǔn)確地區(qū)分出高、低電平，就能無差錯(cuò)地恢復(fù)出發(fā)送的數(shù)據(jù)序列，然后進(jìn)行碼型譯碼，還原成基本的NRZ碼。,2.無碼間干擾的基帶傳輸特性 在圖6-13上注明的發(fā)送濾波、傳輸信道和接收濾波的復(fù)頻率特性分別為G()，C()和R()，因此，整個(gè)系統(tǒng)的傳輸特性H()為 H()=G()C()R(),3.無碼間干擾傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方法 滿足式(6-15)條件的基帶傳輸系統(tǒng)總特性H()的實(shí)現(xiàn)方法理論上有無數(shù)多種，理想低通型是最基本的一種，截止邊沿呈奇對(duì)稱滾降型是普遍采用的一大類，下面分述之。,(1) 理想低通型 由圖6-14可見，理想低通濾波可實(shí)現(xiàn)無碼間干擾的效果，而且結(jié)合這時(shí)的系統(tǒng)沖激響應(yīng)h(t)容易理解其原理。圖6-15所示的為實(shí)際的、無負(fù)頻率的理想低通特性及其沖激響應(yīng)h(t)的波形。,圖6-15 理想低通及其沖激響應(yīng),(2) 升余弦滾降特性 3.無碼間干擾傳輸?shù)膮?shù)實(shí)例 在數(shù)字視頻、音頻和數(shù)據(jù)的基帶傳輸實(shí)際系統(tǒng)中，根據(jù)傳輸信道的特性和系統(tǒng)質(zhì)量要求，應(yīng)用著一些不同的值，如下所述。,(1) DVB-S系統(tǒng)中的發(fā)送濾波 在DVB-S系統(tǒng)中，當(dāng)基帶信號(hào)對(duì)高頻載波進(jìn)行QPSK調(diào)制之前，使調(diào)制信號(hào)I和Q先受到升余弦平方根滾降濾波，滾降系數(shù)0.35。濾波特性的理論函數(shù)規(guī)定如下：,(2) DVB-C系統(tǒng)中的發(fā)送濾波 DVB-C系統(tǒng)中，在基帶信號(hào)對(duì)高頻載波進(jìn)行QAM調(diào)制之前，使調(diào)制信號(hào)I、Q先受到0.15的升余弦平方根滾降濾波，理論函數(shù)如同式(18)，只是0.15，數(shù)值小。,6.2 數(shù) 字 調(diào) 制,6.2.1 概論 從原理上看，數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制沒有根本上的差別。模擬調(diào)制中是由模擬信號(hào)的瞬時(shí)值改變載波信號(hào)的某個(gè)參量(幅度、頻率或相位)實(shí)現(xiàn)載波調(diào)制的，模擬信號(hào)在時(shí)間上和幅度上都是連續(xù)的，所以載波信號(hào)的調(diào)制參量也是連續(xù)變化的。 圖6-17所示的為ASK，F(xiàn)SK和PSK的簡(jiǎn)單例子。,圖6-17 數(shù)字調(diào)制的三種鍵控方式示例,多進(jìn)制調(diào)制中，每若干個(gè)(比如k個(gè))比特構(gòu)成一個(gè)符號(hào)，得到一個(gè)個(gè)2k M進(jìn)制的符號(hào)而后逐個(gè)符號(hào)對(duì)高頻載波作多進(jìn)制的ASK，F(xiàn)SK或PSK調(diào)制。符號(hào)率的單位為符號(hào)/秒(Symbol/s)，也稱為波特(baud)，已調(diào)波的高頻調(diào)制效率這時(shí)用baud/Hz表示。,6.2.22 ASK 和MASK 1. 2ASK 2ASK是二進(jìn)制幅度鍵控，由二進(jìn)制數(shù)據(jù)1和0組成的序列對(duì)載波進(jìn)行幅度調(diào)制。2ASK可以表示成一個(gè)單極性矩形脈沖序列與一個(gè)正弦型載波的相乘，即,2. MASK MASK表示多電平(M個(gè)電平)的ASK，比如將串行數(shù)據(jù)流經(jīng)并行變換后形成k路的并行比特?cái)?shù)據(jù)流，再進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換和ASK，則成為2k M電平的ASK。,6.2.3 2PSK和2DPSK 1. 2PSK(BPSK)調(diào)制 2PSK是二進(jìn)制相移鍵控，也可記作BPSK，由二進(jìn)制數(shù)據(jù)+1和-1對(duì)載波進(jìn)行相位調(diào)制。2PSK可以表示成下式：,2. 2DPSK(BDPSK或DB PSK) 預(yù)先設(shè)定比如下面的值： 0表示當(dāng)前比特碼元為“0” 表示當(dāng)前比特碼元為“1” 數(shù)字序列與2DPSK載波信號(hào)相位之間的關(guān)系式可用下面的例子表示： 數(shù)字序列 0 0 1 1 1 0 1 0 1 2DPSK相位 0 0 0 0 0 0 或 0 0 0 0,3.2PSK解調(diào) 4.2DPSK解調(diào) 2DPSK信號(hào)中，數(shù)字信息是由前后碼元已調(diào)相信號(hào)相位之間的變化表示的，因而即使應(yīng)用相位有0，模糊度的參考載波進(jìn)行相干解調(diào)，也不影響相對(duì)相位關(guān)系。,6.2.4 QPSK和DQPSK 1.QPSK(4PSK)調(diào)制 在相移鍵控(PSK)調(diào)制中，最常用的是四相移相鍵控(4PSK或 QPSK)和差分四相移相鍵控(4DPSK或DPSK)方式。,2.QPSK信號(hào)解調(diào) 關(guān)于QPSK信號(hào)的解調(diào)，由于QPSK信號(hào)可看成是兩個(gè)正交2PSK信號(hào)的合成，所以可采用2PSK信號(hào)的解調(diào)方法進(jìn)行解調(diào)，即由兩個(gè)2PSK相干解調(diào)器構(gòu)成解調(diào)電路，其組成方框圖如圖6-28所示。,圖6-28 QPSK解調(diào)電路框圖,3.DQPSK調(diào)制 現(xiàn)在，再討論DQPSK信號(hào)的產(chǎn)生。DQPSK與QPSK相比較，是以前后符號(hào)間調(diào)相波的相位差來反映當(dāng)前調(diào)制符號(hào)的數(shù)據(jù)的。 4.DQPSK解調(diào) DQPSK信號(hào)的解調(diào)方法與2 DPSK信號(hào)解調(diào)方法類似，也有極性比較法和相位比較法兩種方式。,5.四相調(diào)制與二相調(diào)制的比較 從上面可以看出，四相調(diào)制(QPSK和DQPSK)與二相調(diào)制(2PSK和2DPSK)相比較，四相信號(hào)是以兩個(gè)比特組成一個(gè)符號(hào)，在相同的已調(diào)相波頻帶下，其信息速率比二相信號(hào)高一倍。,6.2.5 MPSK和MQAM調(diào)制 1.MPSK(多進(jìn)制相移鍵控)調(diào)制 前面介紹過MASK(多進(jìn)制幅度鍵控)，即以多種符號(hào)電平(1、3、5)對(duì)sinct或cosct載波進(jìn)行幅度調(diào)制，這時(shí)的星座圖是在水平軸(I軸，載波為sinct時(shí))或垂直軸(Q軸，載波為cosct時(shí))上呈線狀分布的若干個(gè)(M個(gè))矢量端點(diǎn)。,圖6-31 8PSK調(diào)制電路框圖和星座圖,2.MQAM MQAM信號(hào)的已調(diào)載波矢量可充分利用整個(gè)調(diào)制平面，在相同的平均載波功率下對(duì)于相同的M值可使MQAM的抗干擾能力強(qiáng)于MASK和MPSK。 3. MQAM與MPSK的比較 從圖6-32(a)，(b)所示的星座圖看，16PSK與16QAM的載波調(diào)制矢量都有16個(gè)端點(diǎn)，因而也有相同的高頻載波帶寬效率(bit/s/Hz)，但在抗干擾能力上是有差別的。,圖6-32 16PSK和16QAM的星座圖,6.2.6 MVSB調(diào)制 1.MVSB調(diào)制原理 6.2.2節(jié)中的MASK調(diào)制方式采用多電平基帶信號(hào)對(duì)一個(gè)高頻載波進(jìn)行平衡調(diào)制時(shí)，得到多種幅度的高頻已調(diào)波。 一般地，調(diào)制框圖如圖6-37所示。,圖6-37 MASK調(diào)制器一般框圖,2. MVSB和MQAM的比較 在MQAM(M=L2，L=2，4，8，16)調(diào)制方式中，輸入數(shù)據(jù)流以log2L一組分為兩路信號(hào)I和Q，每一路各有L種電平，兩路信號(hào)分別對(duì)正弦和余弦的高頻載波進(jìn)行正交調(diào)制并相加合成L2-QAM信號(hào)(4 QAM，16 QAM，64 QAM或256 QAM信號(hào))。,6.2.7 COFDM調(diào)制 1.概述 為解決這個(gè)問題，可以擴(kuò)大符號(hào)周期，使其大大超過多徑反射的延時(shí)時(shí)間，于是，一定距離內(nèi)來的一次、二次或多次反射波其遲后于直達(dá)波的時(shí)間將只占據(jù)符號(hào)周期的很小一部分時(shí)間，碼間干擾問題變得十分微小而不致造成誤碼了。,要將高碼率Rb降低幾千倍，就需使串行數(shù)據(jù)流經(jīng)串/并變換器變換成幾千路并行比特流，每路比特流的碼率Rb便是原碼率Rb 的幾千分之一，符號(hào)周期相應(yīng)地?cái)U(kuò)大幾千倍。,2. COFDM調(diào)制的基本原理 如上面所述，為了解決高速率數(shù)據(jù)在通過開路通道傳輸時(shí)因多徑效應(yīng)引入的碼間干擾問題，采取的一種方法是在規(guī)定的高頻帶寬B內(nèi)均勻安排以N=2r個(gè)子載波，同時(shí)將高碼率的串行數(shù)據(jù)流經(jīng)串/并變換器分路成N個(gè)并行支路，使支路的碼率相應(yīng)地大為降