第三章信号的传输技术.

1、1第三章 信号传输传输技术北京邮电大学世纪学院北京邮电大学世纪学院电信工程系电信工程系Z2n在传输介质上传输的信号有两种形式：在传输介质上传输的信号有两种形式： 模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号n信息源数据也有两种形式：信息源数据也有两种形式：模拟数据与数字数据模拟数据与数字数据q传输形式有四种：传输形式有四种：n模拟数据到模拟信号模拟数据到模拟信号 - AM,DSB,SSB,VSB模拟调制模拟调制n模拟数据到数字信号模拟数据到数字信号 - PCM采样编码传输采样编码传输n数字数据到模拟信号数字数据到模拟信号 - ASK,FSK,PSK调制编码调制编码n数字数据到数字信号数字数据到数字信号

2、 - 数字信号编码传输数字信号编码传输n思考题：有两台计算机需要通过电话线进行互连，请思考题：有两台计算机需要通过电话线进行互连，请画出其通信模型。画出其通信模型。3n3.1 信号调制的基本概念信号调制的基本概念n3.2 模拟信号的调制模拟信号的调制n3.3 数字基带信号传输数字基带信号传输n3.4 数字信号的调制传输数字信号的调制传输n3.5 光信号传输光信号传输43.1 信号调制n 3.1.1 调制技术调制技术目的：目的：由信源产生的的原始信号一般不能在大多数信道内直接传输，由信源产生的的原始信号一般不能在大多数信道内直接传输，因此需要经过调制将它变换成适于在信道内传输的信号。因此需要经过

3、调制将它变换成适于在信道内传输的信号。 定义：定义：把输入信号变换为适合于通过信道传输的信号，这一变换过把输入信号变换为适合于通过信道传输的信号，这一变换过程称为调制。调制的过程就是按原始信号的变化规律去改变载波信程称为调制。调制的过程就是按原始信号的变化规律去改变载波信号的某些参数的过程。号的某些参数的过程。 通常把原始信号称为调制信号，也称基带信号；通常把原始信号称为调制信号，也称基带信号； 被调制的高频周期性脉冲起运载原始信号的作用，因此称被调制的高频周期性脉冲起运载原始信号的作用，因此称载波。载波。 调制实现了调制实现了信源的频谱信源的频谱与与信道的频带信道的频带相匹配。相匹配。 5n

4、3.1.2 调制的功能及分类调制的功能及分类 功能：功能： 1、频率变换：将低频信号调制到高频段上去。、频率变换：将低频信号调制到高频段上去。 2、实现信道复用：将多路信号互不干扰的安排在同一物理信道、实现信道复用：将多路信号互不干扰的安排在同一物理信道中传输。中传输。 3、提高抗干扰性、提高抗干扰性 分类：分类： 1、按源信号性质：模拟调制、数字调制、按源信号性质：模拟调制、数字调制 2、按载波信号性质：连续波调制、脉冲调制、按载波信号性质：连续波调制、脉冲调制6 3、按调制器的功能划分：、按调制器的功能划分：幅度调制：用源信号改变载波信号的幅度，如幅度调制：用源信号改变载波信号的幅度，如A

5、M，DSB，SSB，VSB。频率调制：用源信号改变载波信号的频率，如频率调制：用源信号改变载波信号的频率，如FM。相位调制：用源信号改变载波信号的相位，如相位调制：用源信号改变载波信号的相位，如PM。 4、按传输函数性质：、按传输函数性质：n线性调制线性调制：调幅、单边带、双边带、残留边带：调幅、单边带、双边带、残留边带n非线性调制（角度调制）：频率调制、相位调制非线性调制（角度调制）：频率调制、相位调制7n3.1.3 线性调制线性调制 线性调制方法：线性调制方法： 利用模型中传输函数利用模型中传输函数H(t)的不同特性，可以得到各种幅度调制信号。的不同特性，可以得到各种幅度调制信号。如如AM

6、，DSB，SSB和和VSB等信号。等信号。 s(t)（源） 调制信号m(t)Acos0tH H( (t t) )已调信号s(t)83.2 模拟信号调制n3.2.1 标准调幅信号（标准调幅信号（AM） 标准调幅：指输入的调制信号除基带信号标准调幅：指输入的调制信号除基带信号m(t)外，还包含了直流外，还包含了直流信号信号A0，总的输入信号为，总的输入信号为A0 +m(t)，而，而h(t)为理想的带通滤波器，这为理想的带通滤波器，这样调制后输出信号便是既含载波分量又含有边带分量的标准调幅信号。样调制后输出信号便是既含载波分量又含有边带分量的标准调幅信号。 标准调幅模型9m(t)OtA0 m(t)O

7、tOOttcosc(t)sAM(t)1M()A0HHccA0SAM()02101、AM信号的总功率包括载波功率信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分，其中载波功率和边带功率两部分，其中载波功率占大部分，因此功率利用率低。占大部分，因此功率利用率低。2、只有边带功率才与调制信号有、只有边带功率才与调制信号有关。关。3、载波分量不携带信息。、载波分量不携带信息。10n双边带信号和单边带信号双边带信号和单边带信号 1、在在AM信号中，载波分量并不携带信息，信息完全由边带传送。信号中，载波分量并不携带信息，信息完全由边带传送。将将AM中的直流分量中的直流分量A0去掉，即可将载波抑制，得到抑制载波双边

8、带去掉，即可将载波抑制，得到抑制载波双边带信号，简称双边带信号（信号，简称双边带信号（DSB）。）。cos0tOttOm(t)sDSB(t)OtOccM()OHHSDSB()Occ载波反相点2H11n2、只传送一个边带的、只传送一个边带的调制方式成为单边带调制方式成为单边带调制，对应为单边带调制，对应为单边带信号（信号（SSB）。）。M()HHSM()ccOO 上边带 下边带 下边带 上边带ccO上边带频谱Occ下边带频谱12n残留边带信号残留边带信号（VSB） 残留边带调制是残留边带调制是介于介于SSB与与DSB之之间的一种调制方式，间的一种调制方式， 它既克服了它既克服了DSB信信号占用频

9、带宽的缺号占用频带宽的缺点，又解决了点，又解决了SSB信号实现上的难题。信号实现上的难题。在在VSB中，不是完中，不是完全抑制一个边带全抑制一个边带（如同（如同SSB中那中那样），而是逐渐切样），而是逐渐切割，使其残留一小割，使其残留一小部分。部分。M()2B2BODSB()ccO(a)(b)SSB()OccccVSB()O(c)(d)13n几种模拟调制方式的特点与应用几种模拟调制方式的特点与应用 AM调制调制的的优点优点是接收设备简单；是接收设备简单；缺点缺点是功率利用率低，抗干扰是功率利用率低，抗干扰能力差，信号带宽较宽，频带利用率不高。因此，能力差，信号带宽较宽，频带利用率不高。因此，A

10、M制式用于通信制式用于通信质量要求不高的场合，目前主要用在中波和短波的调幅广播中。质量要求不高的场合，目前主要用在中波和短波的调幅广播中。 DSB调制调制的的优点优点是功率利用率高，但带宽与是功率利用率高，但带宽与AM相同，频带利用相同，频带利用率不高，接收要求同步解调，设备较复杂。只用于点对点的专用通信率不高，接收要求同步解调，设备较复杂。只用于点对点的专用通信及低带宽信号多路复用系统。及低带宽信号多路复用系统。 SSB调制调制的的优点优点是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力是功率利用率和频带利用率都较高，抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于和抗选择性衰落能力均优于AM，而带宽只有，而带

11、宽只有AM的一半；的一半；缺点缺点是发送是发送和接收设备都复杂。和接收设备都复杂。SSB制式普遍用在频带比较拥挤的场合，如短波制式普遍用在频带比较拥挤的场合，如短波波段的无线电广播和频分多路复用系统中。波段的无线电广播和频分多路复用系统中。 14n包络检波解调和相干解调包络检波解调和相干解调 充电充电放电放电+- )(tS LPF 载波恢复 )cos(twc )(tSp )(tSd 2、相干解调、相干解调把一个已调信号，乘把一个已调信号，乘上一个同频同相的本上一个同频同相的本地载波地载波1、包络检波解调、包络检波解调15n3.2.2 角度调制角度调制 角度调制属于非线性调制，即调制后信号的频谱

12、不再是调制前信号频谱的角度调制属于非线性调制，即调制后信号的频谱不再是调制前信号频谱的线性搬移，而产生出很多新的频率成分。线性搬移，而产生出很多新的频率成分。 1、 角度调制的概念角度调制的概念 一个余弦信号可以写成一个余弦信号可以写成 其中，其中，A0为常数，当为常数，当(t)随基带信号随基带信号m(t)变化时，则称角度调制。变化时，则称角度调制。 2、 角度调制的方法角度调制的方法 两种方法：两种方法： 调频调频FM：角频率随源信号：角频率随源信号m(t)变化；变化； 调相调相PM：相位随源信号：相位随源信号m(t)变化。变化。16若若m(t)作直线作直线变化，则已调变化，则已调信号就是频

13、率信号就是频率调制信号。调制信号。若若m(t)是随是随 t2变化，则已调变化，则已调信号就是相位信号就是相位调制信号调制信号角度调制波形i173.3 数字基带信号传输数字基带信号传输n数字基带信号数字基带信号 数字基带信号是指来自数据终端的原始数据信号。数字基带信号是指来自数据终端的原始数据信号。 特点：特点：1、主要是低频信号和直流信号；、主要是低频信号和直流信号； 2、可以直接传输；、可以直接传输； 3、与频带传输信号有很多相近的传输特征、与频带传输信号有很多相近的传输特征 在使用对称电缆构成的近距离数据通信系统，如以太网中，在使用对称电缆构成的近距离数据通信系统，如以太网中，通常使用的是

14、数字基带信号。通常使用的是数字基带信号。18n数字基带传输系统的组成 f1f2 基 带 脉 冲输入 调解器 信道 干扰 解调器 基 带 脉 冲输出 数字基带传输系统的模型数字基带传输系统的模型 频带传输系统模型频带传输系统模型 0f 基带脉冲 输入端 信号信道 形成器 信道 噪声 接收滤波器 抽样判决器 基带脉 冲输出 19(a)基带信号；基带信号；(b)码型变换码型变换后；后；(c)对对(a)进行了码型及进行了码型及波形的变换波形的变换，变成适，变成适合在信道中传输的波合在信道中传输的波形；形；(d)信道输出信号，波信道输出信号，波形发生失真并叠加了形发生失真并叠加了噪声；噪声；(e)接收滤

15、波器输出波接收滤波器输出波形形, 与与(d)相比，失真相比，失真和噪声减弱；和噪声减弱；(f)位定时同步脉冲；位定时同步脉冲；(g)恢复的信息。恢复的信息。20n基带信号传输的特点基带信号传输的特点: 随着信号传输距离增大，信号波形会发生畸变，导致接收端出现误码。随着信号传输距离增大，信号波形会发生畸变，导致接收端出现误码。 误码的原因之一是误码的原因之一是信道加噪声信道加噪声，之二是传输总特性（包括收、发滤波器，之二是传输总特性（包括收、发滤波器和信道的特性）不理想引起的波形延迟、展宽、拖尾等畸变，使和信道的特性）不理想引起的波形延迟、展宽、拖尾等畸变，使码元之间相码元之间相互串扰互串扰。此

16、时，实际抽样判决值不仅有本码元的值，还有其他码元在该码元。此时，实际抽样判决值不仅有本码元的值，还有其他码元在该码元抽样时刻的串扰值及噪声。显然，抽样时刻的串扰值及噪声。显然，接收端能否正确恢复信息，在于能否有效接收端能否正确恢复信息，在于能否有效地抑制噪声和减小码间串扰。地抑制噪声和减小码间串扰。21n数字基带信号传输的基本波形数字基带信号传输的基本波形q几个概念：电脉冲宽度、码元宽度；绝对码波形、相对码波形几个概念：电脉冲宽度、码元宽度；绝对码波形、相对码波形10100110 E(a) E E110011 E0101011(b)(c) E E1010011(d) E E1100011 E

17、E 3E 3E010 011100 11 10 00 1(e)( f )0单极性不归零波形单极性不归零波形双极性不归零波形双极性不归零波形单极性归零波形单极性归零波形双极性归零波形双极性归零波形差分波形差分波形多电平波形多电平波形22n基带传输常用码型基带传输常用码型 (PCM) 信码信码 适应信道适应信道 码型变换码型变换n1. 传输码型选择传输码型选择q 原则原则：码型的频谱适合信道，：码型的频谱适合信道，时钟易找时钟易找码型频谱中无直流分量，低频成分尽量小。码型频谱中无直流分量，低频成分尽量小。尽量减小码型频谱的高频成份。尽量减小码型频谱的高频成份。码型频谱中含有定时钟信息。码型频谱中含

18、有定时钟信息。码型具有一定的检错能力。码型具有一定的检错能力。码型变换的设备简单，易实现。码型变换的设备简单，易实现。q码型变换目的：码型变换目的：减少信号畸变，便于在传输介质中传输。减少信号畸变，便于在传输介质中传输。q应用码型应用码型：线路传输码型；接口码型：线路传输码型；接口码型 CCITT推荐推荐: PCM24 AMI码码 PCM30/32 HDB3码码23n常见的传输码型常见的传输码型 （1）信号交替反转码（）信号交替反转码（AMI码）码） a.编码原则：编码原则： 二进制二进制“0” 编为编为“0” 二进制二进制“1” 交替变为交替变为“+1”“-1” b.例：例： NRZ 1 0

19、 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 AMI 1 0-1 1 0 0 0 0 0-1 0 1-1 （2）三阶高密度双极性码（）三阶高密度双极性码（HDB3码）码） a.特点：特点： 保持了保持了AMI码所有的优点。码所有的优点。 b.编码原则：将连编码原则：将连“0”码个数控制在码个数控制在3个以内，超出个以内，超出3个时，个时，每每 4连零用取代节（连零用取代节（000V或或B00V）代替。）代替。V，B：附加传号码：附加传号码24n数字双向码（曼彻斯特码）数字双向码（曼彻斯特码） 用一个周期的正负对称方波表示用一个周期的正负对称方波表示“0”，而用其反相波形表示，而用其反相波形表示

20、“1”。编码规则是：编码规则是： “0”码用码用“01”两位码表示，两位码表示， “1”码用码用“10 ”两位码表两位码表示，例如：示，例如： 代码：代码： 1 1 0 0 1 0 1 双相码：双相码： 10 10 01 01 10 01 10 nCMI码码 CMI码是传号反转码的简称，与曼彻斯特码类似，它也是一种双码是传号反转码的简称，与曼彻斯特码类似，它也是一种双极性二电平码。编码规则是：极性二电平码。编码规则是：“1”码交替用码交替用“11”和和“00”两位码表两位码表示；示；“0”码固定地用码固定地用“01”表示。表示。CMI码易于实现。码易于实现。 在曼彻斯特码和在曼彻斯特码和CMI

21、码中，每个原二进制信码都用一组码中，每个原二进制信码都用一组2位的二进位的二进码表示，因此这类码又称为码表示，因此这类码又称为1B2B码。码。253.4 数字信号的调制传输n数字信号的三种调制方式数字信号的三种调制方式 （l）幅移键控法）幅移键控法 ASK（Amplitude-shift Keying），也称调幅；），也称调幅； （2）频移键控法）频移键控法 FSK（Frequency-shift Keying），也称调频；），也称调频； （3）相移键控法）相移键控法 PSK（Phase-shift Keying），也称调相），也称调相 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。

22、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、频率或相位只有在二进制数字调制中，载波的幅度、频率或相位只有两种两种变化状态，变化状态，因此有因此有2ASK、2FSK、2PSK调制技术。调制技术。26n2ASK的调制与解调的调制与解调载波信号2ASK信号s(t)1011Tb001ttt二进制振幅键控信号时间波型二进制振幅键控信号时间波型27乘法器coscte2ASK(t)(a)cosct开关电路s(t)e2ASK(t)(b)s(t)模拟相乘模拟相乘数字键控数字键控二进制振幅键控信号调制器原理框图二进制振幅键控信号调制器原理框图28e2ASK(t)带通滤波

23、器全波整流器低通滤波器抽样判决器输出abcd定时脉冲(a)e2ASK(t)带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器定时脉冲输出cosct(b)二进制振幅键控信号解调器原理框图二进制振幅键控信号解调器原理框图非相干解调非相干解调相干解调相干解调2911100000101abcd2ASK信号信号非相干解调非相干解调过程的时间波形过程的时间波形30n2FSK的调制与解调的调制与解调 在二进制数字调制中，若正弦载波的频率随二进制基带在二进制数字调制中，若正弦载波的频率随二进制基带信号在信号在f1和和f2两个频率点间变化，则产生二进制移频键控两个频率点间变化，则产生二进制移频键控信号信号(2FSK信号信号)

24、。 二进制移频键控信号可以看成是两个不同载波的二进二进制移频键控信号可以看成是两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加。制振幅键控信号的叠加。31aak1011001ts(t)ts(t)bttcdettfgt2FSK信号二进制移频键控信号的时间波形f1f232振 荡 器 1f1选 通 开 关反 相 器基 带 信号选 通 开 关振 荡 器 2f2相 加 器e2FSK(t)数字键控法数字键控法实现二进制移频键控信号的原理图33e2FSK(t)带通滤波器1包络检波器抽样判决器输出定时脉冲带通滤波器包络检波器(a)e2FSK(t)带通滤波器1低 通滤波器抽样判决器输出定时脉冲带通滤波器低通滤波器相乘器相

25、乘器cos1tcos2t(b)二进制移频键控信号解调器原理图非相干解调相干解调34n二进制移相键控（二进制移相键控（2PSK） 在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控离散变化时，则产生二进制移相键控(2PSK)信号。通常用已调信号信号。通常用已调信号载波的载波的0和和 180分别表示二进制数字基带信号的分别表示二进制数字基带信号的 1 和和 0。A ATstO 这种以载波的不同相位直接表示相应二进制数字信号的调制方这种以载波的不同相位直接表示相应二进制数字信号的调制方式，称为式，称为二进制

26、绝对移相方式二进制绝对移相方式。 0 1 1 035s(t)码型变换双极性不归零乘法器e2PSK(t)cosct(a)cosct0开关电路e2PSK(t)180 移相s(t)(b)2PSK信号的调制原理图带 通滤 波 器e2PSK(t)a相 乘 器c低 通滤 波 器dbe抽 样判 决 器输 出cosct定 时 脉 冲2PSK信号的解调原理图3610a110100bcde2PSK信号相干解调各点时间波形带 通滤 波 器e2PSK(t)a相 乘 器c低 通滤 波 器dbe抽 样判 决 器输 出cosct定 时 脉 冲37n二进制差分相位键控（二进制差分相位键控（2DPSK） 在在2PSK信号中，信

27、号相位的变化是以未调正弦载波的相位作为参信号中，信号相位的变化是以未调正弦载波的相位作为参考，用载波相位的绝对数值表示数字信息的，所以称为绝对移相。但考，用载波相位的绝对数值表示数字信息的，所以称为绝对移相。但相干载波恢复中本地载波相位的相干载波恢复中本地载波相位的180容易发生相位模糊，导致解调容易发生相位模糊，导致解调出的二进制基带信号出现反向现象，从而难以实际应用。为了解决出的二进制基带信号出现反向现象，从而难以实际应用。为了解决2PSK信号解调过程的反向工作问题，提出了二进制差分相位键控信号解调过程的反向工作问题，提出了二进制差分相位键控(2DPSK)。 2DPSK方式是用前后相邻码元

28、的载波相对相位变化来表示数字信方式是用前后相邻码元的载波相对相位变化来表示数字信息。息。二进制数字信息：二进制数字信息： 1 1 0 1 0 0 1 1 1 02DPSK信号相位：信号相位： 0 0 0 0 0 0或或 0 0 0 0 0 规则：规则：相对码以其本身前后码元相位是否相同来表示所传输的数字信息，相对码以其本身前后码元相位是否相同来表示所传输的数字信息，绝对码为绝对码为0， 相对码保持不变，相对码保持不变，绝对码为绝对码为1， 相对码改变电平。相对码改变电平。38绝对码相对码载波DPSK信号101100102DPSK信号调制过程波形图 1 0 0 1 0 1 1 039cosct0

29、开 关 电 路e2DPSK(t)180 移 相s(t)码 变 换2DPSK信号调制器原理图40(a)abcdef(b)带通滤波器e2DPSK(t)a相乘器c低通滤波器dbe抽样判决器输出cosct定时脉冲码反变换器f10110002DPSK信号相干解调相干解调器原理图和解调过程各点时间波形41带通滤波器a相乘器c低通滤波器dbe抽样判决器定时脉冲(a)延迟 TsabcdeDPSK信号二进制信息10001102DPSK信号差分相干解调差分相干解调器原理图和各点时间波形42433.5 光信号传输n3.5.1 光纤通信光纤通信q光信号传输的基本原理光信号传输的基本原理 光信号的发送光信号的发送 强度

30、调制强度调制 以电信号来控制光源的工作电流，从而控制光源的输出功率。以电信号来控制光源的工作电流，从而控制光源的输出功率。 光信号的接收光信号的接收 直接检波直接检波 利用利用光电检测器光电检测器检测接收光功率得强弱，并转换成数字信号输检测接收光功率得强弱，并转换成数字信号输 出。出。 扰码扰码 将原有信号的二进制序列以一定规律重新排列，改善将原有信号的二进制序列以一定规律重新排列，改善码流特性。码流特性。44q所谓光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信所谓光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信之目的。之目的。q要使光波成为携带信息的载体，必须在发射端对其进行调制，

31、而要使光波成为携带信息的载体，必须在发射端对其进行调制，而在接收端把信息从光波中检测出来（解调）。依目前技术水平，在接收端把信息从光波中检测出来（解调）。依目前技术水平，大部分采用强度调制与直接检测方式（大部分采用强度调制与直接检测方式（IM-DD）。）。q目前光纤系统中使用的光源主要有发光二极管（目前光纤系统中使用的光源主要有发光二极管（light emitting diode，LED）和注入式激光二极管（）和注入式激光二极管（Injection laser diode，ILD）两种。两种。LED是一种在加电后能发光的固态器件，可以工作在较宽是一种在加电后能发光的固态器件，可以工作在较宽的温

32、度范围、较长的使用寿命、价格低。的温度范围、较长的使用寿命、价格低。ILD是基于被激发的量子是基于被激发的量子电子效应而产生窄带超发光束的固态器件，电子效应而产生窄带超发光束的固态器件，ILD更为有效，可以支更为有效，可以支持更高的传输速率，价格昂贵。持更高的传输速率，价格昂贵。45n3.5.2 光纤通信系统光纤通信系统46n在接收端用来将光变换成电能的检测器是在接收端用来将光变换成电能的检测器是光电二极管光电二极管。已使用。已使用的有两种固态器件：的有两种固态器件：PINPIN检测器检测器和和APDAPD检测器检测器。PIN(Positive-PIN(Positive-Intrinsic-Negative,Intrinsic-Negative,即即P P型区型区本征耗尽层本征耗尽层NN型区半导体型区半导体) )是是光电二极管，在二极管的光电二极管，在二极管的P P层和层和N N层之间有一段无杂质硅。层之间有一段无杂质硅。APD(Avalanche Photo Diode)APD(Avalanche Photo Diode)是雪崩光电二极管，外形与是雪崩光电二极管，外形与PINPIN光电二极管类似，但