第3章 信號傳輸技術(shù)

2023/2/31第3章信號的傳輸技術(shù)3.1傳輸技術(shù)概述3.1.1傳輸技術(shù)的發(fā)展傳輸是指通過物理介質(zhì)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(diǎn)之間轉(zhuǎn)移信息的過程。2023/2/3219世紀(jì)末：利用電信號來模擬語音信號并進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸出現(xiàn)了電話以及話音傳輸技術(shù)。從電話通信發(fā)明到20世紀(jì)60年代：電信傳輸均是采用模擬話音傳輸技術(shù)；從一對線路傳輸一路模擬話音信號，后才用FDM技術(shù)進(jìn)行多路載波傳輸，傳輸介質(zhì)也從雙絞線向同軸電纜過度。20世紀(jì)60年代末到80年代后期：通信網(wǎng)絡(luò)處于數(shù)字化發(fā)展時期。數(shù)字技術(shù)以安全、可靠、通信質(zhì)量高、通信成本低、有利于通信設(shè)備小型化/集成化等優(yōu)點(diǎn)迅速替代了模擬傳輸技術(shù)。數(shù)字調(diào)制技術(shù)也迅速取代了模擬調(diào)制技術(shù)在頻帶信號傳輸中的位置。近年來，光傳輸技術(shù)得到了迅速發(fā)展，光纖通信技術(shù)以帶寬充足，不受電磁干擾、原材料豐富等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。2023/2/33調(diào)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(shù)。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(jìn)行調(diào)制處理？什么是調(diào)制呢？我們先看看下面的例子3.1.2調(diào)制技術(shù)的概念2023/2/34我們知道，通信的目的是為了把信息向遠(yuǎn)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(kuò)音機(jī)放大后再用喇叭（揚(yáng)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(yuǎn)。2023/2/35擴(kuò)音示意圖2023/2/36但如果我們還想將聲音再傳得更遠(yuǎn)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(shè)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(rèn)為天線尺寸應(yīng)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(diào)制過程，而在接收端則需要有反調(diào)制過程—解調(diào)過程。結(jié)論2023/2/311

調(diào)制的目的：進(jìn)行頻譜搬移，把調(diào)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(diào)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(diào)制信號或基帶信號

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

AM、DSB-SC、SSB、VSB

、FM和PM。2023/2/3153.1幅度調(diào)制的原理

3.1.1幅度調(diào)制的一般模型

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

2023/2/3163.1.2常規(guī)雙邊帶調(diào)幅（AM）

1.AM信號的表達(dá)式、頻譜及帶寬若假設(shè)濾波器為全通網(wǎng)絡(luò)：為了保證包絡(luò)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(diào)調(diào)制的逆過程叫做解調(diào)。AM信號的解調(diào)方法有兩種：相干解調(diào)和包絡(luò)檢波解調(diào)。

（1）相干解調(diào)用一個低通濾波器，就無失真的恢復(fù)出原始的調(diào)制信號：

2023/2/319（2）包絡(luò)檢波法包絡(luò)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(luò)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(luò)檢波器的輸出與輸入信號的包絡(luò)十分相近，即：

2023/2/321包絡(luò)檢波法屬于非相干解調(diào)，其特點(diǎn)是：解調(diào)效率高，解調(diào)器輸出近似為相干解調(diào)的2倍；解調(diào)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(shí)現(xiàn)的難度。因此，幾乎所有的調(diào)幅（AM)式接收機(jī)都采用這種電路。2023/2/322抑制載波的雙邊帶調(diào)幅（DSB-SC）

1.DSB信號的表達(dá)式、頻譜及帶寬2023/2/323DSB信號不能進(jìn)行包絡(luò)檢波，需采用相干解調(diào)；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(diào)制效率DSB信號的調(diào)制效率為100%。

2023/2/3243.DSB信號的解調(diào)

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

2023/2/3253.1.4單邊帶調(diào)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(diào)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(yīng)上邊帶信號，“+”對應(yīng)下邊帶信號；

是的希爾伯特變換。2023/2/3283.SSB信號的解調(diào)

SSB信號的解調(diào)也不能采用簡單的包絡(luò)檢波，需采用相干解調(diào)，2023/2/329乘法器輸出為：經(jīng)低通濾波后的解調(diào)輸出為2023/2/3303.1.5殘留邊帶調(diào)制（VSB）1.殘留邊帶信號的產(chǎn)生殘留邊帶調(diào)制是介于單邊帶調(diào)制與雙邊帶調(diào)制之間的一種調(diào)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(shí)現(xiàn)的難題。在殘留邊帶調(diào)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(diào)2023/2/3333.2.1通信系統(tǒng)抗噪性能分析模型

Sm(t):已調(diào)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(diào)器輸入端的噪聲帶寬與已調(diào)制信號的帶寬相同2023/2/334角度調(diào)制（非線性調(diào)制）的原理

與線性調(diào)制不同，已調(diào)信號頻譜不再是原調(diào)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(diào)制。

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角調(diào)制可分為頻率調(diào)制（FM）和相位調(diào)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(diào)制的基本概念角度調(diào)制信號的一般表達(dá)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(diào)制，是指2023/2/337調(diào)相信號可表示為：所謂頻率調(diào)制，是指瞬時頻率偏移隨基帶信號而線性變化，即則可得調(diào)頻信號為

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

如果將調(diào)制信號先微分，再進(jìn)行調(diào)頻，則可得到調(diào)相信號；如果將調(diào)制信號先積分，再進(jìn)行調(diào)相，則可得到調(diào)頻信號。從以上分析可見，調(diào)頻與調(diào)相并無本質(zhì)區(qū)別，兩者之間可以互換。

2023/2/339窄帶調(diào)頻與寬帶調(diào)頻

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

時，稱為窄帶調(diào)頻。否則，稱為寬帶調(diào)頻。

2023/2/340:各種模擬調(diào)制方式總結(jié)2023/2/341主要應(yīng)用:2023/2/342各種模擬調(diào)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(fù)用（FDM）

“復(fù)用”是一種將若干個彼此獨(dú)立的信號，合并為一個可在同一信道上同時傳輸?shù)膹?fù)合信號的方法。FDM是調(diào)制技術(shù)的典型應(yīng)用，它通過對多路調(diào)制信號進(jìn)行不同載頻的調(diào)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(fù)用方式：頻分復(fù)用（FDM）、時分復(fù)用（TDM）與碼分復(fù)用（CDM）。

2023/2/345在選擇載頻時,應(yīng)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(yīng)留有一定的防護(hù)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(hù)頻帶2023/2/346n路單邊帶信號的總頻帶寬度為：

經(jīng)過調(diào)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(nèi)傳輸?shù)膹?fù)用信號，其頻譜結(jié)構(gòu)如圖：2023/2/347

頻分復(fù)用系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是信道復(fù)用率高，容許復(fù)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(fù)用方式。特別是在有線和微波通信系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛。

2023/2/348頻分復(fù)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(shè)備（比如計(jì)算機(jī)）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(jìn)制中，an只能取0或1兩個值；在M進(jìn)制中，an取0,1,2,:,M-1等M個值，或者取二進(jìn)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(jìn)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(diào)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(yuǎn)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?，這種變換主要是通過波形變換來實(shí)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(zhì)，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?dāng)_，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(jìn)行抽樣判決，以恢復(fù)或再生基帶信號。解碼器：對抽樣判決器輸出的信號進(jìn)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(diào)制解調(diào)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(diào)制、解調(diào)的傳輸系統(tǒng)?；鶐鬏斚到y(tǒng)、頻帶傳輸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)：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(shí)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(jìn)行基帶傳輸。因?yàn)橛眠@樣的數(shù)字信號進(jìn)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(shè)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)數(shù)字基帶信號碼型時應(yīng)考慮以下原則：

（1）對于傳輸頻帶低端受限的信道，碼型中應(yīng)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?dāng)_;（3）碼型中應(yīng)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(yīng)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(shè)備應(yīng)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(shí)際應(yīng)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(yīng)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(shí)際應(yīng)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(yīng)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(jìn)制符號“1”和“0”分別對應(yīng)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(diǎn)：

（1）有直流分量，無法使用一些交流耦合的線路和設(shè)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(yīng)正、負(fù)電平，其特點(diǎn)為：（1）直流分量小。當(dāng)二進(jìn)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(shè)置并且穩(wěn)定，因此抗干擾能力強(qiáng)；（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(diǎn)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(dāng)前比特信息接收完畢，準(zhǔn)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(dú)立地構(gòu)成起止方式。具有雙極性不歸零碼的抗干擾能力強(qiáng)及碼中不含直流成分的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)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(zhuǎn)、“0”狀態(tài)不變；譯碼：有變化為“1”，沒變化為“0”。特點(diǎn)：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(jìn)行判決。2023/2/3676.AMI碼這種碼型實(shí)際上把二進(jìn)制脈沖序列變?yōu)槿娖降姆栃蛄校鋬?yōu)點(diǎn)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(zhuǎn)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(jìn)制符號序列變成一個三進(jìn)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(jìn)型