数据信号的频带传输(1).ppt

第5章数据信号的频带传输 本章节教学说明本章重点学习数据信号的频带传输相关理论本章主要学习调幅 调相 调频相关原理和方法本章主要系统介绍了数据信号的数字传输过程 本章节内容概述2ASK2DPSK2FSK多相调制 本章节学习重点 难点2ASK2DPSKM QAM 本章节学习目标掌握2ASK的基本原理和QAM的调制方式重点掌握2DPSK的调制和解调重点理解多相调制的相关原理掌握数据信号的数字传输过程 本章节学习能力要素及基础要求课前预习相关内容了解现实中数据信号的数字传输例子 本章节学习方法建议预习复习结合实验操作与课堂学习结合自学与探讨结合课后作业与章节个人总结结合寻求教师答疑与学习反馈结合 频带传输又称调制传输 它主要适用于电话网信道的传输 5 1频带传输系统 基带传输和频带传输主要是由于传输的信道不同 频带传输需要对信号进行调制 所谓调制 就是在基带数据信号上附加一个载波 通过载波的帮助使基带信号在带通信道上传输 就如我们骑马上山 马就相当于载波 频带传输系统与基带传输系统的区别在于 频带传输系统在发送端增加了调制 在接收端增加了解调 以实现信号的频带搬移 调制和解调综合起来实现的设备称为调制解调器 Modem 图5 1频带传输基本结构 调制的定义 所谓调制 就是用基带信号对载波波形的某些参数进行控制 使这些参量随基带信号的变化而变化 用以调制的基带信号是数字信号 所以又称为数字调制 在调制解调器中都选择正弦 或余弦 信号作为载波 这是因为正弦信号形式简单 便于产生和接收 且由于正弦信号有幅度 频率 相位3种基本参量 因此可以构造数字调幅 数字调相和数字调频3种基本调制方式 5 2数字调幅 5 2 1ASK信号调制解调原理 图5 2数字调幅基本框图 图5 32ASK信号波形 ASK已调波的解调 可用非相干解调和相干解调两种方法 图5 4包络检波示意图 5 2 22ASK调制波功率谱 如果设s t 的功率谱密度为 f P 1 P 1 P 式中 G f 为g t 的傅里叶变换 如果s t 是单极性不归零矩形脉冲序列 对的所有整数时G nf 0 则由上式可知没有直流分量 图5 52ASK信号的功率谱密度示意图 5 2 3单边带和残余边带调制的概念 ASK信号具有两个边带 而且两个边带是含有相同的信息 为了提高信道频带利用率 只需传送一个边带就能实现信息传递 残余边带调制是介于双边带和单边带之间的一种调制方法 它是使已调双边带信号通过一个残余边带滤波器 使其双边带中的一个边带的绝大部分和另一个边带的小部分通过 形成所谓的残余边带信号 5 2 4正交幅度调制 正交幅度调制的基本思想是将两路独立的基带波形分别对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制 所得到的两路已调信号叠加起来的过程 称为正交幅度调制 图5 6正交幅度调制信号的产生和解调 图5 7正交调幅功率谱示意图 通过正交幅度调制信号的产生和解调 我们看到了其自身的优越性 它可以成功地在传输信号频带不增加的情况下 通过两路信号的正交来提高传输信号的有效性 而且正交幅度调制信号的产生和解调都相当简单 易于实现 因此 为了更好地理解正交幅度调制的特点 我们再从两个方面加以阐述 第一方面 正交幅度调制的矢量关系 图5 8正交幅度调制信号产生的矢量表示图 第二方面 星座图表示法 图5 9正交幅度调制信号的矢量图 图5 1016QAM星座图 QAM方式的主要特点是有较高的频谱利用率 M值越大即星点数越多 其频谱利用率就越高 目前可以做到 64甚至更高 故正交幅度调制方式一般应用于高速数据传输系统中 5 3数字调相 数字调相的基本定义为 以基带数据信号控制载波的相位 使载波的相位随基带信号的变化而变化称为数字调相 又称相移键控 简写为PSK 5 3 1PSK信号及功率谱密度 数字调相分为两类 即绝对调相 PSK 和相对调相 DPSK 绝对调相信号的变换规则是 数据信号的 1 对应于已调信号的0 正弦波 相位 数据信号的 0 对应于已调信号的180 余弦波 相位 或反之 这里的0 和180 是以未调载波的0 作参考相位的 相对调相信号的变换规则是 数据信号的 1 使已调信号的相位变化180 相位 正弦变余弦或者余弦变正弦 数据信号的 0 使已调信号的相位变化0 相位 不变 或反之 简单说就是 遇1变 遇0不变 图5 11PSK信号的波形 5 3 2二相调相信号的产生和解调 1 2PSK信号的产生和解调如前所述 2PSK信号与抑制载波的2ASK信号等效 因此 可以利用双极性基带信号通过乘法器与载波信号相乘得到2PSK信号 这是产生2PSK信号的一种方法 图5 122PSK信号的产生和解调 图5 13二分频电路相位不定性示意 2 2DPSK信号的产生和解调 PSK和DPSK均是相位变化来反映基带信号变化的情况 那么两者之间是否存在内在的联系呢 答案是肯定的 我们设an Dn分别表示绝对码序列和差分码序列 由于相对码是在绝对码的基础上变化而成的 其相应关系为 其中Dn 1为Dn的前移一位 也即在Dn的前面加上一位1或者0 不影响计算结果 假设基带数据序列为 10110 则其相对序列为 图5 14PSK和DPSK的内在联系图 图5 152DPSK信号的产生 图5 16差分码变换电路 2DPSK的解调有两种方法 极性比较法和相位比较法 图5 172DPSK极性比较法解调 图5 18差分码 绝对码变换 2DPSK信号另一种解调方法是相位比较法 又称差分相干解调法 由于2DPSK信号的参考相位是相邻前一码元的载波相位 故解调时可直接比较前后码元载波的相位 从而直接得到相位差携带的数据信息 图5 19相位比较法解调的原理框图 图5 20相位比较法解调过程 5 3 3多相调制 在数字相位调制中 不仅可以采用二相调制 还可以采用多相调制 即用多种相位或相位差来表示数字数据信息 如果把输入二进制数据的每个比特编成一组 则构成所谓的比特码元 每一个比特码元都有2k种不同状态 因而必须用M 2k种不同相位或相位差来表示 称为M相调相 1 四相调相 四相调相 即4PSK 是用载波的4种不同相位来表征传送的数据信息 我们把组成双比特码元的前一信息比特用A代表 后一信息比特用B代表 并按格雷码排列 以便提高传输的可靠性 图5 214PSK矢量图 图5 22调相法产生4PSK信号原理图 图5 234PSK信号解调原理图 2 四相绝对调相与相对调相 四相调相和前面一样也有绝对调相和相对调相之分 绝对调相的载波起始相位与双比特码 因为双比特码构成四种相位 之间有一种固定的对应关系 但是相对码的载波起始位置与双比特之间没有固定对应关系 它只是跟前一时刻的双比特码元对应的载波相位有关 是相对于前一时刻的相位变化而得到 其关系式为 其中 为本时刻相对调相已调载波起始相位 为前一时刻相对调相已调载波起始相位 为本时刻载波被绝对调相的相位 图5 24 4系统已调波的波形图 3 八相调相 八相调相是有效地提高频谱利用率的一种方式 它是把0 2 分成8种相位 已调波相邻相位之差为2 8 4 二进制信息码元的3比特组成一个八进制码元 并与一个已调波的起始相位对应 所以 必须将二进制的基带信码经串 并转换 变为3比特码元 然后进行调相 3比特码元的组合情况不同 对应的已调载波相位就不同 图5 26八相相位及八相调相示意图 图5 27A B两路电平以及调制合成矢量 图5 28八相调相信号解调原理图 5 4频移键控 FSK 5 4 12FSK信号及功率谱密度所谓调频 就是用基带数据信号控制载波的频率 使载波的频率随基带信号的变化而变化 称为数字调频 又称频移键控 FSK 图5 29频移键控原理图 图5 30FSK已调波的功率谱 对于2FSK调制方式 则有如下结论 1 如果移频指数不是整数时 则功率谱密度中无离散谱 当 0 7时 大部分功率集中在2fb频带内 2 当较大时 大部分功率集中在 2 fb范围内 3 当 1时 2FSK的频谱利用率比2PSK要低 但是FSK方式是用频带携带信息 与幅度无关 故对加性干扰而言它的抗干扰性较好 而且容易实现 因此在无线信道上较多采用FSK方式 5 4 22FSK信号的产生和解调 1 2FSK信号的产生2FSK信号是两个数字调幅信号之和 因此2FSK信号的产生可用两个数字调幅信号相加的办法产生 图5 31所示介绍的就是相位不连续的2FSK信号产生的原理图 图5 31相位不连续的2FSK信号产生 图5 32相位不连续的2FSK信号产生 2 FSK信号的解调 FSK信号的解调通常有两种方法 分路选通滤波非相干法和振幅鉴频非相干法 其对应的解调器分别如图5 33 a 和5 33 b 所示 图5 332FSK信号非相干解调 5 5最小移频键控 MSK 在连续相位的移频键控的基础上发展了最小移频键控的调制方式 即MSK方式 MSK方式在功率利用率和频带利用率上均优于2PSK MSK调制方式在移动通信等领域得到了广泛应用 最小移频键控 MSK 是相位连续的2FSK的一个特例 MSK又称快速移频键控 FFSK 5 6各种调制方式的信道频带利用率比较 5 6 1二进制方式因为频带传输有调制过程 故占用的信道带宽比基带传输宽 2ASK方式的高频信道利用率为 2PSK方式的功率谱形状与ASK一致 两种方式只是幅度不同 但高频信道利用率相同 即二者均为0 5bit s Hz 5 6 2多相调制方式 图5 344PSK与2PSK已调波的功率谱 因为四相调相要对基带码进行串 并转换 故码元速率是比特速率的一半 所以四相调相已调波的双边功率谱第一个过零点宽度为fs 则四相调相信号的高频信道利用率为 bit s Hz 同理 可得八相调相方式的高频信道利用率为 bit s Hz 5 7数字调幅调相 所谓数字调幅调相 又称幅度相位键控 APK 它是将调幅和调相结合起来的一种调制方式 如适当地选择幅度和相位 可以做到相同频带利用率下可增加信号空间信号点的最小距离 图5 3516APK和16PSK的信号空间分布图 在数据传输系统中 许多类型的解调器都是采用相干解调的方式 5 8格型编码调制 TCM 的概念 格型编码调制 即TCM方式是将调制和编码合为一体的调制技术 它打破了调制与编码的界限 利用信号空间状态的冗余度实现纠错编码 以实现高速率 高性能的传输 图5 36TCM示意图 5 9数据信号数字传输 5 9 1数据信号数字传输概念数字数据传输的定义就是 在数字信道中传输数据信号称为数据信号的数字传输 简称数字数据传输 5 9 2数据信号数字传输的特点 1 从数据信号的特点来看 由于不需要调制 不需要设备较复杂的调制解调器 而只需要一种功能简单的数据服务单元 DSU 2 数据传输速率高 3 传输可靠性高 5 9 3数字数据传输的实现方式 1 同步传输数据终端设备 DTE 发出的数据信号和待接入的PCM信道的定时时钟是相互同步的 即DTE发出的数据信号在速率和时间上都受到PCM信道的时钟控制 这时可以利用同步复用 并充分利用PCM信道的传输容量 缺点 由于所有的DTE都处于受控的从属单位 数据传输系统的灵活性差 2 异步传输 如果DTE的数据信号时钟与PCM信道时钟是非同步的 则称为异步传输 异步数据传输方式分为代码变换方式和脉冲塞入方式两类 5 9 4数字数据的时分复用 TDM 1 时分复用的概念及复用方式将低速数据流合并成高速数据流的常用方法是时分复用 比特交织复用又称按位复用 字符交织复用又称按字复用 2 数字数据传输的包封复用方式 1 X 50建议 2 X 51建议 5 9 5数字数据传输系统的构成 图5 37数字数据传输系统构成 5 9 6本地传输系统 本地传输系统是指从用户终端至本地局之间的数字传输系统 即通常所称的用户环路传输系统 传输线路多是采用双绞线的接口设备 图5 38包封前后的信号结构 图5 39承载速率信号转换成64kbit s的通用信号示意图 5 9 7交叉连接和复用 图5 40数字数据传输系统构成 小结 1 本章重点介绍频带传输 频带传输是建立在基带传输的基础上 为了实现通过带通型信道传输数据信号 如通过电话网信道传输数据信号 必须采用调制解调方式 调制解调的任务就是进行频谱搬移 即将数据信号的基带搬移到与信道相适应的带通频带当中去 2 数字调制的方式有3种 数字调幅 数字调相和数字调频 3 用以调制的基带信号是数字信号 所以又称为数字调制 在调制解调器中都选择正弦 或余弦 信号作为载波 这是因为正弦信号形式简单 便于产生和接收 且由于正弦信号有幅度 频率 相位3种基本参量 因此可以构造数字调幅 数字调相和数字调频3种基本调制方式 4 以基带数据信号控制一个载波的幅度 使载波的幅度随基带信号的变化而变化 称为数字调幅 又称幅移键控 简写为ASK 由于2ASK信号的功率谱是双边带谱 所以2ASK信号的带宽是基带信号带宽的两倍 数据传输的频带利用率将降低50 也即传输的有效性降低 因此采用正交幅度调制 QAM 5 正交幅度调制的基本思想是将两路独立的基带波形分别对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制 将所得到的两路已调信号进行叠加 采用正交幅度调制以后 带宽B没有改变 对于每一路信号的传输速率也没有发生改变 但是由于在同一时间传输的路数变成了两