3 模拟信号的数字化、调制技术、信道复用

1、第二章 数字通信技术 u一一 模拟信号数字化模拟信号数字化 抽样定理抽样定理 量化，编码量化，编码 u二二 调制调制 调制目的调制目的 模拟调制模拟调制 数字调制数字调制 u三三 信道复用信道复用 时分复用时分复用 频分复用频分复用 2021-7-111 模拟信号数字传输方框图模拟信号数字传输方框图 模拟信号模拟信号 数字序列数字序列 数字序列数字序列 模拟信号模拟信号 )(tm k S )( t m k S 模拟模拟 信源信源 抽样抽样 量化量化 和编码和编码 数字数字 传输系统传输系统 译码和译码和 低通滤波低通滤波 收终端收终端 一一 模拟信号的数字化模拟信号的数字化 2021-7-11

2、2 模拟信号的数字化模拟信号的数字化 n1.1 抽样定理抽样定理 n1.2 量化、编码量化、编码 2021-7-113 日常生活中的抽样日常生活中的抽样 n产品质量抽样调查产品质量抽样调查 n全省职工收入状况抽样调查全省职工收入状况抽样调查 n中国学生体质健康的抽样调查中国学生体质健康的抽样调查 2021-7-114 收端重建的模收端重建的模 拟信号拟信号m（t） 模拟信号模拟信号 m（t） 当当f fs s（=1/T=1/Ts s）满足一定条件时：满足一定条件时： 已抽样信已抽样信 号号ms（t） Ts 抽样 2021-7-115 mS(t) 0Ts2Ts3Ts t T(t) 0Ts2Ts3

3、Ts t m(t) M(f) -fH fH0 fS 0 fS T(f) -fH fH Ms(f) 2021-7-116 收端重建的模收端重建的模 拟信号拟信号m（t） 模拟信号模拟信号 m（t） 当当f fs s（=1/T=1/Ts s）满足抽样定理（即：满足抽样定理（即：f fs s2f2fH H）时：）时： 已抽样信已抽样信 号号ms（t） Ts 2021-7-117 fs fH 若 fs2 fH 混叠失真： n重建原信号 ： 低通滤波器HL( f ) 一个频带限制在（一个频带限制在（0，fH）内的时间连）内的时间连 续的模拟信号续的模拟信号m(t)，如果以不小于，如果以不小于2fH 的频

4、率对的频率对m(t)进行等间隔抽样，进行等间隔抽样， 则可则可 以通过低通滤波器由抽样信号以通过低通滤波器由抽样信号ms(t)无无 失真地重建原始信号失真地重建原始信号m(t) 。 1.1 抽样定理抽样定理 2021-7-119 抽样过程的时间函数及对应频谱图抽样过程的时间函数及对应频谱图 m(t) t M() O H H T (t) t T () T 2 t ms(t) O Ms() H H T 2 (a)(b) (c)(d) (e)(f ) 2021-7-1110 O Ms() T 2 2021-7-1111 LPF m m（t t） Ts Ts（ （t t） m ms s（t t） m

5、m（t t） h（t） H（） 发发 端端 收收 端端 ？ 2021-7-1112 模拟信号的数字化模拟信号的数字化 n1.1 抽样定理抽样定理 n1.2 量化、编码量化、编码 2021-7-1113 日常生活中的量化、编码日常生活中的量化、编码 n量化考核量化考核 n学号学号 2021-7-1114 量化量化、编码示意图、编码示意图 2021-7-1115 量化的概念量化的概念 利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值的过程称为量化。利用预先规定的有限个电平来表示模拟信号抽样值的过程称为量化。 时间连续的模拟信号经抽样后的样值序列，时间连续的模拟信号经抽样后的样值序列， 虽然在时间上离散

6、，但在虽然在时间上离散，但在 幅度上仍然是连续的，即抽样值幅度上仍然是连续的，即抽样值m(kT)可以取无穷多个可能值，因此可以取无穷多个可能值，因此 仍属模拟信号。仍属模拟信号。 如果用如果用N位二进制码组来表示该样值的大小，以便利用数字传输系统位二进制码组来表示该样值的大小，以便利用数字传输系统 来传输的话，那么来传输的话，那么, N位二进制码组只能同位二进制码组只能同M=2N个电平样值相对应，个电平样值相对应， 而不能同无穷多个可能取值相对应。而不能同无穷多个可能取值相对应。这就需要把取值无限的抽样值划这就需要把取值无限的抽样值划 分成有限的分成有限的M M个离散电平，个离散电平，此电平被

7、称为量化电平。此电平被称为量化电平。 2021-7-1116 从上面结果可以看出，量化后的信号从上面结果可以看出，量化后的信号mq(t)是对原来信号是对原来信号 m(t)的近似，当抽样速率一定，量化级数目（量化电平数）的近似，当抽样速率一定，量化级数目（量化电平数） 增加并且量化电平选择适当时，可以使增加并且量化电平选择适当时，可以使mq(t)与与m(t)的近似程的近似程 度提高。度提高。 mq(kTs)与与m(kTs)之间的误差称为量化误差。对于语音、之间的误差称为量化误差。对于语音、 图像等随机信号，量化误差也是随机的，它像噪声一样影响图像等随机信号，量化误差也是随机的，它像噪声一样影响

8、通信质量，因此又称为通信质量，因此又称为量化噪声量化噪声。 2021-7-1117 量化过程示意图 信号的实际值 信号的量化值 量化误差 q7 m6 q6 m5 q5 m4 q4 m3 q3 m2 q2 m1 q1 Ts2Ts3Ts4Ts5Ts6Ts7Ts mq(t) m(t) mq(6Ts) m(6Ts) t 量 化 器 m(kT s) mq(kT s) 2021-7-1118 抽样抽样是按抽样定理把时间上连续的模拟信是按抽样定理把时间上连续的模拟信 号转换成时间上离散的抽样信号；号转换成时间上离散的抽样信号； 量化量化是把幅度上仍连续（无穷多个取值）是把幅度上仍连续（无穷多个取值） 的抽样

9、信号进行幅度离散，即指定的抽样信号进行幅度离散，即指定M个规定个规定 的电平，把抽样值用最接近的电平表示；的电平，把抽样值用最接近的电平表示； 编码编码是用二进制码组表示量化后的是用二进制码组表示量化后的M个样值个样值 2021-7-1119 二二 调制技术调制技术 n2.1 调制的目的调制的目的 n2.2 模拟调制模拟调制 n2.3 数字调制数字调制 2021-7-1120 日常生活中的调制日常生活中的调制 n调制汤料调制汤料 n调制鸡尾酒调制鸡尾酒 2021-7-1121 2.1 调制的目的调制的目的 n实现有效辐射实现有效辐射 q为了充分发挥天线的辐射能力，一般要求天线为了充分发挥天线的

10、辐射能力，一般要求天线 的尺寸和发送信号的波长在同一个数量级。一的尺寸和发送信号的波长在同一个数量级。一 般天线的长度应为所传信号波长的般天线的长度应为所传信号波长的1/4。如果。如果 把语音基带信号（把语音基带信号（0.33.4kHz）直接通过天）直接通过天 线发射，那么天线的长度应为线发射，那么天线的长度应为 km f c l22 104 . 34 103 44 3 8 2021-7-1122 2.1 调制的目的调制的目的 n实现频率分配实现频率分配 q为使各个无线电台发出的信号互不干扰，每个为使各个无线电台发出的信号互不干扰，每个 电台都被分配给不同的频率。可以利用调制技电台都被分配给不

11、同的频率。可以利用调制技 术把各种语音、音乐、图像等基带信号调制到术把各种语音、音乐、图像等基带信号调制到 不同的载频上，以便用户任意选择各个电台，不同的载频上，以便用户任意选择各个电台， 收看收听所需节目。收看收听所需节目。 2021-7-1123 2.1 调制的目的调制的目的 n实现多路复用实现多路复用 q如果信道的频带较宽，可以用一个信道传输多如果信道的频带较宽，可以用一个信道传输多 个基带信号。只要把基带信号分别调制到相邻个基带信号。只要把基带信号分别调制到相邻 的载波，然后将它们一起送入信道传输即可。的载波，然后将它们一起送入信道传输即可。 n提高系统抗噪声性能提高系统抗噪声性能 q

12、比如调频广播系统，采用频率调制技术，付出比如调频广播系统，采用频率调制技术，付出 多倍带宽的代价，但抗干扰能力强。其音质比多倍带宽的代价，但抗干扰能力强。其音质比 只占只占10kHz带宽的调幅广播要好得多。带宽的调幅广播要好得多。 2021-7-1124 2.2 模拟调制模拟调制 必须满足必须满足 ，即，即 t c cos )(tm )(tsAM 图3-2 AM调制器模型 0 A )(cos)()(cos )(cos)()( 0 0 ttmtA ttmAts cc cAM 0)( 0 tmA max 0 )(tmA 幅度调制（标准调幅幅度调制（标准调幅AM） 2021-7-1125 AM时域波

13、形时域波形AM频域波形频域波形 2021-7-1126 1.1 幅度调制幅度调制 AM信号的带宽为基带信号带宽的两倍：信号的带宽为基带信号带宽的两倍： HmAM fBB22 2021-7-1127 AM信号的解调信号的解调 LPF 图3-4 相干解调原理框图 x t c cos )(tsAM)(tmo ttmAtmA ttmAtts c ccAM 2)( 2 1 )( 2 1 )()( 00 2 0 cos coscos 2021-7-1128 角度调制角度调制 n与线性调制不同，已调信号频谱不再是原与线性调制不同，已调信号频谱不再是原 调制信号频谱的线性搬移，而是频谱的非调制信号频谱的线性搬

14、移，而是频谱的非 线性变换，会产生与频谱搬移不同的新的线性变换，会产生与频谱搬移不同的新的 频率成分，故又称为非线性调制。频率成分，故又称为非线性调制。 n角调制可分为频率调制（角调制可分为频率调制（FM）和相位调制）和相位调制 （PM）。即载波的幅度保持不变，而载波）。即载波的幅度保持不变，而载波 的频率或相位随基带信号变化。的频率或相位随基带信号变化。 2021-7-1129 角度调制角度调制 角度调制信号的一般表达式为角度调制信号的一般表达式为 瞬时相位；瞬时相位； 瞬时相位偏移；瞬时相位偏移； 瞬时频率；瞬时频率； 瞬时频偏。瞬时频偏。 )(cos)(ttAts cm )(tt c )

15、(t dtttd c /)( dttd/ )( 2021-7-1130 调频信号波形调频信号波形 2021-7-1131 2.3 数字调制数字调制 )cos(t c 开关 s(t) eo(t) n由于数字调制方式中调制信号是由于数字调制方式中调制信号是“1”或或“0”， 对载波参数的控制相当于开关，所以数字调制对载波参数的控制相当于开关，所以数字调制 方式通常称之为方式通常称之为“键控法键控法”。 2021-7-1132 n和模拟基带信号对载波的幅度、频率和相位进和模拟基带信号对载波的幅度、频率和相位进 行调制一样，数字基带信号也可以对载波的幅行调制一样，数字基带信号也可以对载波的幅 度、频率

16、、和相位进行键控度、频率、和相位进行键控 n载波载波S(t) S(t)=Asin(t+) nS(t)的参量包括：的参量包括： qA：振幅：振幅 q：角频率：角频率 q：相位：相位 2021-7-1133 数字调制方式数字调制方式 n幅移键控方式（幅移键控方式（ASK，Amplitude- Shift Keying） n频移键控方式（频移键控方式（FSK，Frequency- Shift Keying） n相移键控方式（相移键控方式（PSK，Phase-Shift Keying） 2021-7-1134 幅移键控（幅移键控（ASK） 用待传的数字信号来改变载波的幅度。用待传的数字信号来改变载波的

17、幅度。 2ASK信号的产生 2021-7-1135 2ASK信号波形信号波形 接收端判断：接收端判断：有载波代表有载波代表“1”码，无载波码，无载波 代表代表“0”码（或相反）码（或相反） 幅移键控（幅移键控（ASK）也称为数字调幅）也称为数字调幅 实现容易，技术简单，抗干扰能力差。实现容易，技术简单，抗干扰能力差。 2021-7-1136 频移键控（频移键控（FSK） 用待传递的数字信号改变载波的频率。用待传递的数字信号改变载波的频率。 调制结果：用两种不同频率的载波分别代调制结果：用两种不同频率的载波分别代 表数字表数字“1”和数字和数字“0”。 2FSK信号的产生 2021-7-1137

18、 频移键控又称数字调频。实现容易，频移键控又称数字调频。实现容易， 技术简单，抗干扰能力强，目前使用技术简单，抗干扰能力强，目前使用 较多。较多。 主要应用于低速或中低速的数据传输主要应用于低速或中低速的数据传输 中（是因为在相同传信率下，需要比中（是因为在相同传信率下，需要比 数字调幅和数字调相更宽的传输频数字调幅和数字调相更宽的传输频 带。）带。） 2021-7-1138 2PSK波形 2021-7-1139 2.1 调制的目的（续）调制的目的（续） n实现频率分配实现频率分配 q为使各个无线电台发出的信号互不干扰，每个为使各个无线电台发出的信号互不干扰，每个 电台都被分配给不同的频率。可

19、以利用调制技电台都被分配给不同的频率。可以利用调制技 术把各种语音、音乐、图像等基带信号调制到术把各种语音、音乐、图像等基带信号调制到 不同的载频上，以便用户任意选择各个电台，不同的载频上，以便用户任意选择各个电台， 收看收听所需节目。收看收听所需节目。 2021-7-1140 2.1 调制的目的（续）调制的目的（续） n实现多路复用实现多路复用 q如果信道的频带较宽，可以用一个信道传输多如果信道的频带较宽，可以用一个信道传输多 个基带信号。只要把基带信号分别调制到相邻个基带信号。只要把基带信号分别调制到相邻 的载波，然后将它们一起送入信道传输即可。的载波，然后将它们一起送入信道传输即可。 n

20、提高系统抗噪声性能提高系统抗噪声性能 q比如调频广播系统，采用频率调制技术，付出比如调频广播系统，采用频率调制技术，付出 多倍带宽的代价，但抗干扰能力强。其音质比多倍带宽的代价，但抗干扰能力强。其音质比 只占只占10kHz带宽的调幅广播要好得多。带宽的调幅广播要好得多。 2021-7-1141 图 7- 9PAM、 PDM、 PPM信号波形 x(t) O t 假设信号波形 O t PAM波形 脉冲高度在变化 t PDM波形 脉冲位置不变宽度变化 O O 脉冲宽变不变脉 冲位置在变化 t PPM波形 2021-7-1142 脉冲调制的分类脉冲调制的分类 用用m(t)m(t)去控制载波脉冲的参数去

21、控制载波脉冲的参数： 幅度、宽度、时间位置幅度、宽度、时间位置 脉冲调制脉冲调制分类：分类： 脉幅调制脉幅调制(PAM)(PAM) 脉宽调制（脉宽调制（PDMPDM） 脉位调制（脉位调制（PPMPPM） 2021-7-1143 概念：概念：脉冲载波振幅随脉冲载波振幅随m(t) m(t) 变变! ! （注：抽样频率按抽样定理选）（注：抽样频率按抽样定理选） 分类分类 v 曲顶抽样曲顶抽样-m ms s(t)(t)的顶部随的顶部随m(t)m(t)变化变化( (曲顶曲顶) ) v 平顶抽样平顶抽样- m ms s(t)(t)的顶部不随的顶部不随m(t)m(t)变化变化( (平顶平顶) ) PAMPA

22、M（脉冲调制的主要方式）（脉冲调制的主要方式） 2021-7-1144 7.2 脉冲振幅调制脉冲振幅调制(PAM) 连续波调制是以连续振荡的正弦信号作为载波。然而，正弦 信号并非是惟一的载波形式，时间上离散的脉冲串，同样可 以作为载波。 脉冲调制就是以时间上离散的脉冲串作为载波，用模拟基带 信号m(t)去控制脉冲串的某参数， 使其按m(t)的规律变化的调 制方式。通常，按基带信号改变脉冲参量（幅度、宽度和位 置）的不同，把脉冲调制又分为脉幅调制(PAM)、脉宽调制 (PDM)和脉位调制(PPM) 。 虽然这三种信号在时间上都是离散的，但受调参量变化是连 续的， 因此也都属于模拟信号。 2021

23、-7-1145 脉冲振幅调制(PAM)是脉冲载波的幅度随基带信号变化 的一种调制方式。 按抽样定理进行抽样得到的信号ms(t)就是一个PAM信号。 但是，用冲激脉冲序列进行抽样是一种理想抽样的情况， 是 不可能实现的。因为冲击序列在实际中是不能获得的，即使 能获得，由于抽样后信号的频谱为无穷大， 对有限带宽的信 道而言也无法传递。 因此，在实际中通常采用脉冲宽度相对于抽样周期很窄的窄 脉冲序列近似代替冲激脉冲序列，从而实现脉冲振幅调制。 这里我们介绍用窄脉冲序列进行实际抽样的两种脉冲振幅调 制方式：自然抽样的脉冲调幅和平顶抽样的脉冲调幅。 2021-7-1146 信道复用信道复用 n时分复用时分复用 n频分复用频分复用 2021-7-1147 信道复用信道复用 n是指在同一链路上传输多路信号而互不干扰的是指在同一链路上传输多路信号而互不干扰的 一种技术。一种技术。 q时分复用：时分复用：TDM，Time Division Multiplex