无线通信与网络6-信号编码技术

第六章,信号编码技术,1,无线通信与网络(第2版)作者斯托林斯何军等译,目录,6.1信号编码准则6.2数字数据模拟信号6.3模拟数据模拟信号6.4模拟数据数字信号（了解）,6.1信号编码准则,基本概念1、数据具有一定编码、格式和位长要求的数字信息，是信息的实体在设备里。模拟数据在某个区间内连续变化的值。例如，声音和视频是连续变化的强度样本。数字数据离散的值，例如文本和整数。,2、信源通信中产生和发送信息的设备。3、信宿通信中接收和处理信息的设备。4、信道信源与信宿之间的通信线路。模拟信道：传输模拟信号的信道数字信道：传输数字信号的信道信道类型双绞线、同轴电缆光纤大气层、太空,5、信号数据在传输过程中的电磁波形式在路上。模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值，并占有一定的频率范围，即带宽。如：电话信号，按照声音的强弱，幅度连续变化。数字信号：时间上离散，仅包含有限的值。如：计算机用两种不同的电平表示0、1。,原始数据和传输信号的类型,模拟/数字数据转换模拟/数字信号传输任一种数据(设备)可编码成为任一种信号(传输),6.1信号编码准则,波特率和数据率,一个信号元素可以表示多个bit数据。如果每个信号元素只表示1bit时，波特与bit/s是同义词。,波特率和数据率,D波特率(或信号调制速率)，单位：波特（或baud）R数据率，单位：bit/sM信号元素的个数(M2L)，如：电压数，相位数L每个信号元素表示的二进制位数例6.3：某信号编码，使用M=l6种不同的振幅和相位组合，线路信号速率为2400波特。求编码后的数据率？答：编码后每个信号元素含有L=4位。数据率是9600b/s。,=log2,与无线通信密切相关的技术,1、数字到模拟数字信号衰减很快，转换成模拟信号无线传输，提高距离。2、模拟到模拟基带模拟信号调制到高频的载波，进行传输。3、模拟到数字数字能校验，改进传输质量并可利用TDM方式，适用于有线。无线传播仍然要模拟载波调制。,目录,6.1信号编码准则6.2数字数据模拟信号6.3模拟数据模拟信号6.4模拟数据数字信号（了解）,6.2数字数据模拟信号,应用举例：调制解调器电话线设计初衷不是为了数字信号，语音频率3400Hz。电脑通过调制解调器与电话线相连，将数字数据转换成模拟信号，在接收端解调。调制技术对载波信号的3个特性振幅、频率、相位中的一个或多个的操作：幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK),公用电话网,幅移键控,频移键控,相移键控,数字信号,幅移键控ASK(Amplitude-shiftKeying)用载波的两种不同的振幅来表示二进制值的两种状态。优点：电路实现比较简单。载波的存在表示“1”载波的不存在表示“0”,6.2.1幅移键控,6.2.1幅移键控,幅移键控ASK的缺点：易受突发增益影响，抗噪声能力差。效率较低：在话音级的线路(3KHz)上，数据率仅为1200b/s。应用举例：光纤使用发光二极管(LED)当发送器。载波信号cos(2,6.2.2频移键控,频移键控FSK(Frequency-shiftKeying)用载波频率附近的两个不同频率来表示两个二进制值，把振幅和相位作为常量。以较低频率的信号代表“0”。以较高频率的信号代表“1”。,6.2.2频移键控,f1和f2分别是载波频率fc叠加两个偏移量，它们的绝对值相同，方向相反。f1,f2=fc载波信号cos(2,6.2.2频移键控,例子：BellSystem108系列调制解调器话音线路，使用频移键控进行全双工传输,1170,2125,例6.2M=4的MFSK，4个频率，输入位流，串/并转换为2位编码。有4种可能的值，分别对应一个频率。,6.2.3相移键控,二进制相移键控(BPSK)用载波信号的相位差为的两个不同相位来表示1和0。,6.2.3相移键控,差分相移键控(DPSK)是利用前后码元信号相位的相对变化来传送数字信息。当传输信号为”1”时，前后码元信号的相位差为。当传输信号为”0”时，前后码元信号的相位差为0。,二进制相移键控BPSK,差分相移键控DPSK0翻转，1不变,幅移键控,频移键控,四相相移键控(QPSK),四相相移键控4PSK(又称QPSK)为了更有效地利用带宽。相位偏移值为/4的倍数，有4种相位。每个信号表示2位：(00,01,10,11)。,四相相移键控(QPSK),请推导QPSK的表达式？,IQ,I=1，Q=1,四相相移键控(QPSK)调制器,多相相移键控(MPSK),4PSK：4个相位信号，1个信号表示2bit。8PSK：8个相位信号，1个信号表示3bit。16PSK：16个相位信号，1个信号表示4bit。,各编码的带宽效率=数据率R/所需带宽BT幅移键控(ASK)：11+多相相移键控(MPSK)：log21+多进制频移键控(MFSK)：log21+0r1，常数，与具体的过滤技术有关。,6.2.4各编码性能,哪个带宽效率最大？,最大,带宽效率=数据率R/带宽BT,越大越好,好,差,ASK，BFSK，DPSK，BPSK的误码率(BER)与比特信噪比(Eb/N0)的关系,好,MFSK，MPSK的误码率(BER)与比特信噪比(Eb/N0)的关系,结论：MFSK：M值，带宽效率(差)，误码率(好)MPSK：M值，带宽效率(差)，误码率(好),目录,6.1信号编码准则6.2数字数据模拟信号6.3模拟数据模拟信号6.4模拟数据数字信号（了解）,6.3模拟数据模拟信号,模拟数据进行模拟调制的原因无线低频信号，天线直径为几千米，不可能做到。调制使用频分复用技术，提高信道的利用率。模拟数据的调制技术调幅(AM)调频(FM)调相(PM),6.3.1调幅AM,AM：()=1+()cos(2cos(2fct)：载波信号x(t)：调制信号(要传输的数据)na：称为调制指数(1+na)调整信号大于0，完整再生信号,例6.4：载波信号是cos(2fct)，调制信号x(t)是cos(2fmt)，调制指数na，请推导s(t)的表达式。答：()=1+cos(2)cos(2通过三角变换，可以展开为()=cos(2)+2cos(2()+2cos(2(+),()=cos(2)+2cos(2()+2cos(2(+)结论：调制后的频谱，包含fc频率成分，和一对相距fm频率成分。等于原始调制信号的频谱，搬移到fc的两侧。fc右侧是上边带，fc左侧是下边带。,fm,0,f,fc-fm,fc+fm,fc,0,f,调制信号cos(2fmt)的频谱,调幅信号的频谱,s(f),x(f),fm,6.3.2角度调制(FM和PM),调频(FM)和调相(PM)是角度调制的特例原始调制信号是m(t)，调制后的信号表达为调相，相位(t)与调制信号m(t)成正比其中np是调相指数。调频，相位的导数(t)与调制信号m(t)成正比其中nf是调频指数。,6.3.2角度调制(FM和PM),调频与调相信号的波型相似，在不知道调制函数时，它们是无法区分的。,目录,6.1信号编码准则6.2数字数据模拟信号6.3模拟数据模拟信号6.4模拟数据数字信号（了解）,6.4模拟数据与数字信号（了解）,其实，是将模拟数据转化为数字数据，因为无线要用模拟信号传输。数字信号，可以进行校验，加密等处理。数字设备，廉价而且方便。,6.4.1脉码调制(PCM),1、采样定理(取样定理)对模拟信号以其最大频率2倍以上的频率提取采样值，那么样本就包含了所有原始信息，可以用低通滤波器完全恢复原始信号。例如：声音样本8000Hz采样。Fs2FmaxFmax原始数据最高频率。Fs采样频率。例：右图1个周期内采样8次：Fs=4Fmax工程中4、5倍以上,2、量化编码：用二进制编码表示有理数的采样值，四舍五入的取整近似。从此无法恢复原貌了。例：采样8KHz，每个值16个电平，4bit，数据率32Kbps,3、误差优化方法初始：量化间距相等，无论信号值为多少，每个样本的绝对误差都相等，因此振幅值较低的地方相对失真严重，误差较大。优化：非