通信原理傳輸技術(shù)

通信原理傳輸技術(shù)第一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸?shù)诙?，共六十八頁，編輯?023年，星期二數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸載波調(diào)制是按基帶信號(hào)的變化規(guī)律去改變載波某些參數(shù)的過程。調(diào)制的載波可以分為兩類：一類用正弦型信號(hào)，稱為正弦載波調(diào)制；一類用脈沖串，稱為脈沖調(diào)制?；鶐盘?hào)也可分為兩類：一類是模擬信號(hào)，即基帶信號(hào)的取值是連續(xù)的，稱為模擬調(diào)制；另一類是數(shù)字信號(hào)，即基帶信號(hào)的取值是離散的，稱為數(shù)字調(diào)制。第三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二調(diào)制的目的將消息變換為便于傳輸?shù)男问?。也就是說，變換為某種形式使信道容量達(dá)到最大，而且傳輸更可靠和有效。提高性能，特別是提高抗干擾性。有效的利用頻帶。第四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二調(diào)制與解調(diào)原理載波選用正弦型載波，基帶信號(hào)為模擬信號(hào)，設(shè)正弦型載波為s（t）=Acos（ωct+φ0）式中A——載波的幅度

ωc——載波角頻率

φ0——載波的初始相位第五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二數(shù)字調(diào)制技術(shù)——頻帶傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號(hào)編碼通過調(diào)制振幅、頻率和相位等載波特性或者這些特性的某種組合，來對(duì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行編碼。最基本的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)→模擬信號(hào)調(diào)制方式有以下三種：幅移鍵控方式（ASK，Amplitude-ShiftKeying）頻移鍵控方式（FSK，F(xiàn)requency-ShiftKeying）相移鍵控方式（PSK，Phase-ShiftKeying）第六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二基帶數(shù)字信號(hào)的幾種調(diào)制方法第七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二幅度調(diào)制的原理（AM）若基帶信號(hào)為S（t），則幅度調(diào)制信號(hào)（已調(diào)信號(hào)）一般可表示成e（t）=S（t）·cos（ωct+φ0）第八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二幅度調(diào)制信號(hào)的解調(diào)原理包絡(luò)檢波法對(duì)調(diào)幅（AM）信號(hào)，當(dāng)滿足

m0>｜m＇（t）｜max時(shí)，不會(huì)發(fā)生過調(diào)制現(xiàn)象，此時(shí)用包絡(luò)檢波的方法很容易恢復(fù)原始基帶信號(hào)m（t）。第九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二幅度調(diào)制信號(hào)的解調(diào)原理相干解調(diào)（同步解調(diào)）雙邊帶信號(hào)不能用包絡(luò)檢波來解調(diào)，可采用以下方法，將已調(diào)信號(hào)SDSB（t）乘上一個(gè)同頻同相的載波，得由上式可知，用一個(gè)低通濾濾器就可以將2項(xiàng)分離，無失真地恢復(fù)出原始基帶信號(hào)m（t）。第十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）二進(jìn)制數(shù)字振幅鍵控是數(shù)字調(diào)制中出現(xiàn)最早的，也是最簡單的，是研究其他各種數(shù)字調(diào)制的基礎(chǔ)。振幅鍵控，記作ASK（AmplitudeShiftKeying），或稱為開關(guān)鍵控（通斷鍵控），記作OOK（OnOffKeying）。二進(jìn)制數(shù)字振幅鍵控通常記作2ASK。第十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二2ASK的調(diào)制方法一般說來，數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方法有兩種類型：利用模擬方法去實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制，即把數(shù)字基帶信號(hào)當(dāng)作模擬信號(hào)的特殊情況來處理；利用數(shù)字信號(hào)的離散值特點(diǎn)鍵控載波，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制。第十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二2ASK的解調(diào)方法如同AM信號(hào)的解調(diào)方法一樣，OOK信號(hào)也有兩種基本的解調(diào)方法：非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波法）相干解調(diào)（同步檢測法）第十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二2ASK信號(hào)的包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波法的原理方框圖如圖所示。帶通濾波器恰好使2ASK信號(hào)完整地通過，經(jīng)包絡(luò)檢測后，輸出其包絡(luò)。第十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二二進(jìn)制移頻鍵控（2FSK）數(shù)字頻率調(diào)制又稱移頻鍵控，記作FSK（FrequencyShiftKeying），二進(jìn)制移頻鍵控記作2FSK。第十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二2FSK信號(hào)的調(diào)制方法模擬調(diào)頻法用數(shù)字基帶矩形脈沖控制一個(gè)振蕩器的某些參數(shù)（例如電容C），可直接改變振蕩頻率，使輸出得到不同頻率的已調(diào)信號(hào)。數(shù)字鍵控法它是用數(shù)字矩形脈沖控制電子開關(guān)，使電子開關(guān)在兩個(gè)獨(dú)立的振蕩器之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而在輸出端得到不同頻率的已調(diào)信號(hào)。第十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二2FSK信號(hào)的解調(diào)二進(jìn)制頻移鍵控信號(hào)的解調(diào)方法很多，常采用非相干檢測法（包絡(luò)檢測法）相干檢測法（同步檢波法）過零檢測法差分檢波法等。第十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二2FSK信號(hào)包絡(luò)檢測法2FSK信號(hào)的包絡(luò)檢測方框圖及波形圖如圖所示。用兩個(gè)窄帶的分路濾波器分別濾出頻率為f1及f2的高頻脈沖，經(jīng)包絡(luò)檢測后分別取出它們的包絡(luò)。第十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二2FSK信號(hào)同步檢波法第十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二二進(jìn)制移相鍵控（2PSK）二進(jìn)制移相鍵控中，載波的相位隨數(shù)字基帶信號(hào)1或0而改變。通常用相位0表示數(shù)字信號(hào)“0”，用相位π表示數(shù)字信號(hào)“1”。則已調(diào)信號(hào)可表示為e0（t）=cos（ωct+φi）且φi=0或π

則有e0（t）=±cosωct。第二十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二相對(duì)移相（2DPSK）110001102DPSK方式是利用前后相鄰碼元的相對(duì)載波相位值去表示數(shù)字信息的一種方式。第二十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二2PSK和2DPSK信號(hào)的調(diào)制第二十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二2PSK信號(hào)的解調(diào)相干解調(diào)（極性比較法）2PSK信號(hào)的解調(diào)只能采用相干解調(diào)的方法，其方框圖及波形如圖所示。第二十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二2PSK信號(hào)的解調(diào)第二十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二2DPSK信號(hào)的解調(diào)極性比較法極性比較——碼變換法即是2PSK解調(diào)加差分譯碼，其方框圖如圖5-24（a）所示，2DPSK解調(diào)器將輸入的2DPSK信號(hào)還原成相對(duì)碼{bn}，再由差分譯碼器把相對(duì)碼轉(zhuǎn)換成絕對(duì)碼，輸出{an}。差分檢測法第二十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二2DPSK信號(hào)的解調(diào)第二十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二2DPSK信號(hào)的解調(diào)波形1010001t(a)2DPSK信號(hào)t(b)延遲Tt(c)=a*b取反t(d)對(duì)c整形第二十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制多進(jìn)制數(shù)字振幅調(diào)制（MASK）多進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制（MFSK）多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制（4PSK或QPSK）四相相對(duì)移相鍵控（4DPSK或QDPSK）振幅相位聯(lián)合鍵控（APK）第二十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二改進(jìn)的數(shù)字調(diào)制技術(shù)最小移頻鍵控（MSK）高斯最小移頻鍵控（GMSK）平滑調(diào)頻（TFM）正弦移頻鍵控（SFSK）第二十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二調(diào)制解調(diào)器（Modem）調(diào)制解調(diào)器的英文“Modem”來自于調(diào)制器（Modulator）和解調(diào)器（Demodulator）的縮寫，世界上有些地方又稱它為數(shù)傳機(jī)（DataSet）。第三十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二Modem的分類按功能分類：通用Modem和具有傳真功能的Modem。按外形分類：外置式和內(nèi)置式。按傳輸速率分類：標(biāo)準(zhǔn)的傳輸速率為1200bit/s，2400bit/s，9600bit/s，14400bit/s，33600bit/s和56000bit/s等。按操作模式分類：同步和異步兩種模式。按數(shù)據(jù)壓縮及糾錯(cuò)方法分類：可以以數(shù)據(jù)糾錯(cuò)的方法保證收到的數(shù)據(jù)正確無誤，同時(shí)通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮提高有效傳輸速率，其中最常用的是MNP5和V.42bis。按傳輸介質(zhì)分類：有線和無線Modem。第三十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二Modem工作原理第三十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二Modem標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制協(xié)議V.34標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率33.6kbpsV.90標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率56kbps差錯(cuò)控制協(xié)議:是為了保證傳輸正確而提供的協(xié)議，主要有兩個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MNP和V.42。數(shù)據(jù)壓縮協(xié)議:數(shù)據(jù)壓縮是高速M(fèi)odem的關(guān)鍵技術(shù)，數(shù)據(jù)壓縮有兩個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：V.42bis和MNP5。通信軟件:對(duì)于智能型Modem能提供很多高級(jí)功能，但要靠通信軟件完成。第三十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二56K高速M(fèi)odem56kbit/sModem是1997年才開始上市的撥號(hào)高速調(diào)制解調(diào)器，它的傳輸速率之所以能有高于傳統(tǒng)電話線路上33.6kbit/s的極限速率，是因?yàn)樗捎昧送耆煌?3.6kbit/s的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，其工件原理和使用要求與33.6kbit/s高速M(fèi)odem相比也有一定的區(qū)別。第三十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二寬帶調(diào)制解調(diào)器簡介目前Modem若以帶寬區(qū)分，則可以細(xì)分為窄帶Modem和寬帶Modem。窄帶Modem指的是帶寬在56kbit/s以下的Modem，也就是傳統(tǒng)的Modem。寬帶Modem則是指電纜線Modem（CableModem）和ADSLModem。第三十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二寬帶調(diào)制解調(diào)器電纜調(diào)制解調(diào)器前面介紹的Modem主要是在電話線路上使用的，而電纜調(diào)制解調(diào)器（CableModem）主要在有線電視線路上使用的。ADSLModemADSL（非對(duì)稱數(shù)字用戶環(huán)路）是指現(xiàn)有的電話線上加裝ADSLModem（又稱為ATU-R），利用ADSL技術(shù)用戶可以在使用電話時(shí)，同時(shí)以高于一般Modem的速率接入Internet或進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，而且上網(wǎng)和打電話兩不誤。第三十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸?shù)谌唔摚擦隧?，編輯?023年，星期二數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的基本構(gòu)成第三十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二傳輸碼型的功率譜中應(yīng)不含直流分量，同時(shí)低頻分量要盡量少滿足這種要求的原因是PCM端機(jī)、再生中繼器與電纜線路相互連接時(shí)，需要安裝變量器，以便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端供電（因設(shè)置無人站）以及平衡電路與不平衡電路的連接。傳輸碼型的功率譜中高頻分量應(yīng)盡量少這是因?yàn)橐粭l電纜中包含有許多線對(duì)，線對(duì)間由于電磁感應(yīng)會(huì)引起串話，且這種串話隨頻率的升高而加劇。便于定時(shí)時(shí)鐘的提取傳輸碼型功率譜中應(yīng)含有定時(shí)鐘信息，以便再生中繼器或接收端能提取必需的定時(shí)鐘信息。對(duì)基帶傳輸碼型的要求第三十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二傳輸碼型應(yīng)具有一定的檢測誤碼能力數(shù)字信號(hào)在信道中傳輸時(shí)，由于各種因素的影響，有可能產(chǎn)生誤碼，若傳輸碼型有一定的規(guī)律性，那么就可根據(jù)這一規(guī)律性來檢測是否有誤碼，即做到自動(dòng)監(jiān)測，以保證傳輸質(zhì)量。對(duì)信源統(tǒng)計(jì)依賴性最小信道上傳輸?shù)幕鶐鬏敶a型應(yīng)具有對(duì)信源統(tǒng)計(jì)依賴最小的特性，即對(duì)信源經(jīng)信源編碼后，直接轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)的類型不應(yīng)有任何限制（例如“1”和“0”出現(xiàn)的概率及連“0”多少等）。要求碼型變換設(shè)備簡單、易于實(shí)現(xiàn)由信息源直接轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)不適合于直接在電纜信道中傳輸，需經(jīng)碼型變換設(shè)備轉(zhuǎn)換成適合于傳輸?shù)拇a型，要求碼型變換設(shè)備要簡單、易于實(shí)現(xiàn)。對(duì)基帶傳輸碼型的要求第四十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二數(shù)字基帶信號(hào)的波形第四十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二矩形脈沖信號(hào)的頻譜函數(shù)分布于整個(gè)頻率軸上，而其主要能量集中在直流和低頻段。數(shù)字信號(hào)的功率譜第四十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)序列的功率譜曲線第四十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二分析隨機(jī)脈沖序列的功率譜可以知道信號(hào)功率的分布，根據(jù)主要功率集中在哪個(gè)頻段，便可確定信號(hào)帶寬，進(jìn)而考慮信道帶寬和傳輸網(wǎng)絡(luò)（濾波器、均衡器等）的傳輸函數(shù)等。同時(shí)利用它的離散譜是否存在這一特點(diǎn)，可以明確能否從脈沖序列中直接提取所需的離散分量和采取怎樣的方法可以從序列中獲得所需的離散分量，以便在接收端用這些成份作位同步定時(shí)等。第四十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼第四十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二模擬信號(hào)數(shù)字化的基本原理模擬信號(hào)的抽樣信號(hào)的量化編碼第四十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二模擬信號(hào)的抽樣抽樣定理抽樣定理告訴我們：一個(gè)頻帶限制在Fm赫以內(nèi)的時(shí)間連續(xù)函數(shù)f（t），如果以T≤1/2Fm的等間隔時(shí)間抽樣，則所得的樣值可以完全地確定原信號(hào)f（t）。上述定理因抽樣時(shí)間間隔相等，故稱為均勻抽樣定理。第四十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二模擬信號(hào)的抽樣第四十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二模擬信號(hào)的抽樣具體地說，就是某一時(shí)間連續(xù)信號(hào)f(t)，僅取f(t0)、f(t1)、f(t2)

…等各離散點(diǎn)數(shù)值，就變成了時(shí)間離散信號(hào)。這個(gè)取時(shí)間連續(xù)信號(hào)離散點(diǎn)數(shù)值的過程就叫做抽樣。第四十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二語聲信號(hào)的抽樣頻率語聲信號(hào)的最高頻率限制在3400Hz，這時(shí)滿足抽樣定理的最低抽樣頻率應(yīng)為fsmm=6800Hz,為了留有一定的防衛(wèi)帶，原CCITT規(guī)定語音信號(hào)的抽樣頻率為fs=8000Hz，這樣，就留出了8000–6800=1200Hz作為濾波器的防衛(wèi)帶。第五十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二信號(hào)的量化量化的基本原理模擬信號(hào)經(jīng)抽樣得到的時(shí)間離散，幅度連續(xù)的信號(hào)，通常叫PAM信號(hào)（脈沖調(diào)幅信號(hào)）。量化便是使PAM信號(hào)的幅度離散化，量化通常由量化器完成。第五十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二信號(hào)的量化量化是把信號(hào)在幅度域上連續(xù)取值變換為幅度域上離散取值的過程。具體的定義是，將幅度域連續(xù)取值的信號(hào)在幅度域上劃分為若干個(gè)分層，在每一個(gè)分層范圍內(nèi)的信號(hào)值用“四舍五入”的辦法取某一個(gè)固定的值來表示。第五十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二量化噪聲量化是用量化電平值yk來代替x。顯然這種替代是存在誤差的，這個(gè)誤差是由于量化產(chǎn)生的，故叫量化誤差，表示為e（t）=x－y量化噪聲的大小常用它的均方值e2（t），即量化噪聲功率表示。它對(duì)通信質(zhì)量的影響程度用量化器輸出的信號(hào)功率與量化噪聲功率的比SNR（dB）表示。第五十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二均勻量化與非均勻量化均勻量化均勻量化的特點(diǎn)是量化級(jí)的間距d為常數(shù)均勻量化因量化階距d為常數(shù)，所以有直觀、量化設(shè)備簡單的優(yōu)點(diǎn)非均勻量化采用均勻分級(jí)量化時(shí)其量化信噪比隨信號(hào)電平的減小而下降。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因就是均勻量化的分級(jí)間隔是固定值，它不能隨信號(hào)幅度的變化而變化，故大信號(hào)時(shí)信噪比大；小信號(hào)時(shí)信噪比小。解決這一問題的有效方法是要用非均勻分級(jí)，即非均勻量化。非均勻量化的特點(diǎn)是：信號(hào)幅度小時(shí)，量化間隔小其量化誤差也小；信號(hào)幅度大時(shí)，量化間隔大，其量化誤差也大。采用非均勻量化可以改善小信號(hào)的量化信噪比，可以做到在不增大量化級(jí)數(shù)N的條件下，使信號(hào)在較寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的（S/Nq)dB達(dá)到指標(biāo)的要求。第五十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二壓縮擴(kuò)張技術(shù)是實(shí)現(xiàn)非均勻量化的方法之一。壓縮特性是：在最大信號(hào)時(shí)其增益系數(shù)為1，隨著信號(hào)的減小增益系數(shù)逐漸變大。信號(hào)通過這種壓縮電路處理后就改變了大信號(hào)和小信號(hào)之間的比例關(guān)系——大信號(hào)時(shí)比例基本不變或變化較小，而小信號(hào)則相應(yīng)按比例增大。第五十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二編碼理論模擬信號(hào)在抽樣量化后，變成了時(shí)間離散、幅度離散的數(shù)字信號(hào)。通常為了減少量化誤差，量化級(jí)數(shù)設(shè)置很多，也就是說量化后得到的數(shù)字信號(hào)的取值仍然很多，用這樣的信號(hào)傳輸，收端復(fù)制很困難。已知l個(gè)二電平碼可以構(gòu)成2l個(gè)組合，所以一般量化級(jí)數(shù)都取N=2l，這樣各個(gè)量化值便可由l個(gè)二電平碼來表示，通常把量化后的多電平信號(hào)變成二電平信號(hào)的過程叫編碼。第五十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二自然二進(jìn)碼用（an，an-1，…a1）表示，每個(gè)碼元只有二種狀態(tài)，取“1”或“0”，一組自然二進(jìn)碼代表的量化電平為Ｑ=an2n-1+an-12n-2+…+a120

式中n為二進(jìn)碼位數(shù)。第五十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二反射二進(jìn)碼（格雷Grag碼）它的特點(diǎn)是相鄰兩組代碼間的碼距為1，因此如果傳輸中出了一位錯(cuò)產(chǎn)生的誤差較小。設(shè)反射二進(jìn)碼為（cn，cn-1，…，c1），且各碼元取“1”或“0”，則對(duì)應(yīng)的量化電平值為Ｑ=cn（2n-1）±cn-1（2n-1－1） ±…±c1（21－1）第五十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二折疊二進(jìn)碼用（bn，bn-1，…，b1）表示，它可由自然二進(jìn)碼變換而得。第五十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)（PCM）第六十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二PCM編碼器實(shí)現(xiàn)將樣值脈沖變成二進(jìn)制代碼的編碼器種類很多，例如有計(jì)數(shù)型、直讀型、逐次比較型、折疊級(jí)聯(lián)型及混合型等。整流器用來判別輸入樣值脈沖的極性，編出第一位碼D1（極性碼），同時(shí)將雙極性脈沖變換成單極性脈沖。比較器是編碼器的核心，它通過對(duì)輸入的樣值電流I信和標(biāo)準(zhǔn)電流I權(quán)進(jìn)行比較，從而對(duì)輸入信號(hào)的抽樣值實(shí)現(xiàn)非線性量化編碼。保持電路的作用是保持輸入信號(hào)的抽樣值在整個(gè)比較過程中具有一定的幅度。第六十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二PCM譯碼器電阻網(wǎng)絡(luò)型譯碼器的原理框圖如圖所示，它與逐次比較型編碼中的局部譯碼器類似，從原理上說，兩者都是用來譯碼，但編碼器中的譯碼，只譯出信號(hào)的幅度，不譯出極性。第六十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期二電阻網(wǎng)絡(luò)型譯碼器原理框圖第六十三頁，共六十八頁，編輯于