数据通信_数字信号的频带传输7.ppt

计算机学院 1 数据通信基础第6章数字信号的频带传输 1 数据通信基础 计算机学院 2 复习 1 数字基带信号的波形单极性矩形脉冲波形 双极性矩形脉冲波形 单极性归零脉冲波形 双极性归零脉冲波形 差分波形 数据通信基础 传输码型的选择1 线路码的功率谱应当和信道的传输特性相匹配 2 能够从基带信号中提取码元同步所需的定时信息 即时钟信号 3 有较低的误码率 4 有一定的误码检测能力 5 线路编译码容易实现 电路比较简单 6 功率谱主瓣宽度小 以节省传输带宽 计算机学院 4 复习 2 数字基带信号的编码原则1 有利于提高系统的频带利用率2 基带数字信号应该具有尽量少的直流 甚低频和高频分量3 基带信号中应该具有足够大的供提取码元同步信号用的信号分量4 基带传输的码型应基本上不受信号源统计特性的影响5 基带传输码型最好对噪声和码间串扰具有较强的抵抗力和自检能力6 尽量降低译码过程引起的误码扩散 提高传输性能 数据通信基础 计算机学院 5 复习 3 常用基带信号的传输码型AMI HDB3 CMI 裂相码 密勒码 mBnB编码4 传输码型的选择1 线路码的功率谱应当和信道的传输特性相匹配 2 能够从基带信号中提取码元同步所需的定时信息 即时钟信号 3 有较低的误码率 4 有一定的误码检测能力 5 线路编译码容易实现 电路比较简单 6 功率谱主瓣宽度小 以节省传输带宽 数据通信基础 计算机学院 6 复习 4 基带传输系统的组成 数据通信基础 计算机学院 7 复习 5 码间串扰是数字通信特有的问题 在数字通信中要尽可能的减小它 理想基带传输特性在理论上可以避免码间串扰 6 带限传输系统对信号波形的影响7 均衡原理 数据通信基础 计算机学院 8 复习 8 眼图 是一种利用实验手段可方便地估计系统性能的方法 从眼图上可以判定码间串扰和噪声的影响 数据通信基础 9 第12次课要求 数据通信基础 内容 6 1引言6 2数字振幅调制掌握 1 调制的概念2 调制的功能3 2ASK调制理解 1 2ASK信号的解调2 正交振幅调制 计算机学院 10 6 1引言 在数字基带传输系统中 基带信号包含低频分量 所以只能在低通型的信道中传输 但是在实际的信道中 大多数信道具有带通传输特性 数字信号不能直接在这种信道中传输 所以 必须进行调制 实现频谱搬移 使信号适合信道频谱 数据通信基础 计算机学院 11 1 调制的产生 人类早期用电缆传送电信号的时候 已经预计到电信号通过电缆会产生衰减 电缆越长 衰减越大 因此需要加大信号发送功率和提高接收端灵敏度来对抗衰减 但实际通信中 接收端收到的波形与发送端的波形完全不同 这大大出乎预料 后来 人们发现信道具有一定的频率特性 并不是信号中所有的频率成分都能通过信道进行传输 而且不同的信道 能通过的频率成分也不一样 当包括不同频率成分的信号通过信道时 有一些频率成分被吸收掉 只有一部分频率成分被传输到接收端 因此接收端的波形与发送端的波形不一样 这种现象称为频率失真 数据通信基础 6 1引言 计算机学院 12 2 调制的概念 调制指的是将输入的基带信号变换为适合于信道传输的频带信号形式 这个变换过程称为调制 调制是一种信号处理技术 调制的本质是进行频谱变换 把携带有用信息的基带信号的频谱都低频范围搬移到高频范围 调制是用基带信号控制高频载波的振幅 频率和相位 使高频载波的振幅 频率和相位随着基带信号的变化而变化 根据所控制参量的不同 调制方法有 幅度调制 频率调制 相位调制 数据通信基础 6 1引言 13 数字调制 在数字通信系统中 用数字基带信号控制高频载波的振幅 频率或者相位 使高频载波的振幅 频率或者相位随着数字基带信号的不同而不同 从而将数字基带信号的频谱搬移到高频载波频率上形成数字频带信号 这种信号处理技术称为数字调制 3 数字调制与解调 返回目录 6 1引言 14 3 数字调制与解调 返回目录 数字解调 在数字通信系统的接收端 从已调高频载波上将数字基带信号还原出来 或者说将数字基带信号的频谱从高频载波频率上搬移下来 这个过程称为数字解调 它是数字调制的逆过程 6 1引言 15 数字调制与解调 返回目录 数字调制与解调总是成对出现的 数字调制和解调是数字通信系统的非常重要的一个组成部分 数字调制和解调合起来称为数字调制系统或者数字调制方式 简称数字调制 数字调制也分为三种基本方式 幅度键控 频移键控和相移键控 三种键控方式示意图 16 4 调制的功能 1 调制可以方便发射 返回目录 用无线信道进行通信时 发射信号的波长与发射天线的尺寸应该匹配 天线尺寸应该大于波长的1 10 这样发射信号才可以通过天线有效地发射 实例 电话语音信号的频率范围为300 3400Hz 其最小波长为 波长 c f 3X108 3400 100KM则如果用天线发射信号 其天线尺寸为10KM 在实际应用中是不可能的 怎么办 对语音信号进行调制 提高发射信号的载波频率 使天线尺寸大大建少 17 4 调制的功能 2 调制可以进行频率分配 使用调制技术则可以将不同的无线电信号 频率范围相同或者重叠 调制到不同的频率范围上 来避免相互干扰 返回目录 18 4 调制的功能 3 调制可以实现信道多路复用 所谓多路复用指的是将多路信号在同一个物理信道中互不干扰地进行传输的一种通信方式 返回目录 采用调制技术 将不同的语音信号调制到不同的频率范围 各频率范围互不重叠 称为频道 实例 19 4 调制的功能 4 调制可以减少噪声和干扰 通过不同的调制方式可以抑制噪声和干扰 返回目录 采用频移键控方式将数字基带信号幅度的变化转换为数字频带信号频率的变化 就可以大大降低信道加性噪声 例如 20 5 调制的分类 1 根据调制信号的不同可以分为模拟调制和数字调制两类 调制信号为模拟基带信号的称为模拟调制 调制信号为数字基带信号的称为数字调制 返回目录 21 5 调制的分类 2 根据调制中的高频载波信号的不同可以分为连续载波调制和脉冲载波调制两类 高频载波信号为连续波信号的调制称为连续载波调制 高频载波信号为周期脉冲信号的调制称为脉冲载波调制 返回目录 22 5 调制的分类 3 按调制器传输特性不同可以分为线性调制和非线性调制 如果调制器的传输特性是线性函数表示的 在调制前 后的频谱呈线性搬移关系 称为线性调制 如果调制器的传输特性是非线性函数表示的 调制之后会产生新的频率成分 称为非线性调制 返回目录 23 5 调制的分类 4 按调制器的调制方式不同 模拟调制可以分为幅度调制 频率调制和相位调制三种 如果使高频载波的幅度随着调制信号的变化而变化 这种调制称为幅度调制 如果使高频载波的频率随着调制信号的变化而变化 这种调制称为频率调制 如果使高频载波的相位随着调制信号的变化而变化 这种调制称为相位调制 返回目录 6 2数字振幅调制 数字振幅调制又称振幅键控 AmplitudeShiftKeying 是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制 调制信号为二进制数字信号时 这种调制称为二进制数字调制 在二进制数字调制中 载波的幅度 频率或相位只有两种变化状态 6 2 1二进制幅移键控 2ASK 设 调制信号为S t 载波为cos ct 则 1 2ASK信号的时域表达 振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制 当数字基带信号为二进制时 则为二进制振幅键控 其中Ts 码元持续时间 g t 持续时间为Ts的基带脉冲波形 通常假设是高度为1 宽度等于Ts的矩形脉冲 an 第n个符号的电平取值 若取则相应的2ASK信号就是OOK信号 On OffKeyingOOK是ASK调制的一个特例 把一个幅度取为0 另一个幅度为非0 就是OOK 二进制启闭键控 OOK On OffKeying 一个单极性矩形脉冲序列与正弦载波相乘 2 2ASK信号的产生 1 模拟相乘法 2 键控法 29 二进制振幅键控信号调制器原理框图 模拟相乘法 数字键控法 30 3 2ASK信号的解调 1 非相干解调 2ASK信号的幅度包络包含了基带信号的全部信息 2ASK包络检波法解调原理图 31 2ASK包络检波法解调过程示意图 32 2 相干解调 接收端产生一个相干载波来解调 图中带通滤波器的作用是保证信号无失真通过且抑制带外噪声 P 117 4 2ASK系统的抗噪声性能 1 相干解调法的抗噪声性能相干解调法的误码率为 为解调器的输入信噪比 a为信号振幅 为噪声功率 当r 1 即大信噪比时 上式可近似表示为 2 非相干解调法的抗噪声性能误码率为 结论 1 信噪比一定时 相干解调法的抗噪声性能优于非相干解调法的性能 但在大信噪比时 两者性能相差不大 在系统误码率一定时 相干解调法比非相干解调法对信号的信噪比要求低 2 相干解调法需要提取相干载波 而非相干解调法不需要 可见相干解调法比非相干解调法设备复杂 3 一般而言 对于2ASK系统 大信噪比条件下适宜使用非相干解调法 而小信噪比情况下适宜使用相干解调 36 2ASK含有较大的载波分量 而载波分量不携带基带信号的任何内容的 所以2ASK系统的频带利用率和功率利用率较低 2ASK调制是一种线性调制 其信号带宽B2ask是二进制基带信号带宽B的2倍 对于二进制基带信号而言 周期Ts 频率fs 则码元速率RB和信息速率Rb之间的关系 Rb RB fs B 返回目录 5 2ASK的特点 例 设发送数字信息序列为01101 已知某2ASK系统的码元速率为1000B 所用载波频率为2000HZ 1 画出相应的2ASK信号的波形图 2 求2ASK信号的带宽 38 在实际的数字通信系统中 常常采用多进制数字调制来提高频带的利用率 实现高速信息传输 如果用多进制数字基带信号对高频载波进行调制 就可以得到多进制数字调制信号 与二进制数字调制类似 它们也可以分为多进制数字振幅键控