数据通信原理第2章

1、第第2章章 数据信号的传输数据信号的传输 数据信号的传输方式：基带传输，频带传输和数数据信号的传输方式：基带传输，频带传输和数字传输。字传输。 基带传输：基带传输是指由（基带传输：基带传输是指由（DTE）送出的二进）送出的二进制制“1”或或“0”的电信号直接送到电路的传输方式。的电信号直接送到电路的传输方式。基带信号未经调制，可以经过码形变换（或波形基带信号未经调制，可以经过码形变换（或波形变换）进行驱动后直接传输。基带信号的特点是变换）进行驱动后直接传输。基带信号的特点是频谱中含有直流、低频和高频分量，随着频率升频谱中含有直流、低频和高频分量，随着频率升高，其幅度相应减小，最后趋于零。基带传

2、输多高，其幅度相应减小，最后趋于零。基带传输多用在短距离的数据传输中，如近程计算机间用在短距离的数据传输中，如近程计算机间数据数据通信通信或局域网中用或局域网中用双绞线双绞线或或同轴电缆同轴电缆为介质的数为介质的数据传输。据传输。 频带传输：采用调制方法把基带信号调制到信道频带传输：采用调制方法把基带信号调制到信道带宽范围内进行传输，接收端通过解调方法再还带宽范围内进行传输，接收端通过解调方法再还原出基带信号的方式，称为频带传输。这种方式原出基带信号的方式，称为频带传输。这种方式可实现远距离的数据通信，例如利用电话网可实可实现远距离的数据通信，例如利用电话网可实现全国或全球范围的数据通信。现全

3、国或全球范围的数据通信。 数字数据传输：利用数字话路传输数据信号的一数字数据传输：利用数字话路传输数据信号的一种方式。例如，利用种方式。例如，利用PCM（脉冲编码调制脉冲编码调制）数字）数字电话通路，每一个话路可以传输电话通路，每一个话路可以传输64kbit/s的数据信的数据信号，不需要调制，效率高，传输质量好，是数据号，不需要调制，效率高，传输质量好，是数据通信很好的一种传输方式通信很好的一种传输方式。 1 1 第2章 数据信号的传输2.1数据信号及特性描述2.1.1常用的基带信号 数据终端产生的数据信息是以“1”和“0”两种代码(状态)为代表的随机序列,它以不同形式的电信号来表示,从而构成

4、不同形式的数据信号。图2-1给出常用的一些数据信号形式 2 22.1.2基带数据信号的频谱特性 1.基带数据信号的一般表示式 图2-1给出的基带数据信号的单个码元波形都是矩形的,但实际上并非一定是矩形。一般令 (t)代表二进制数据符号的“0”, (t)代表“1”,码元的时间间隔为T。假设数据序列出现“0”,“1”概率分别为P和1-P,且认为它们的出现彼此统计独立,则基带数据信号可表示为 为幅度A、宽度为T的矩形脉冲，如图图2-2所示。 1g1g2gkkTtgtf)()()(, 0)(21tgtg 3 32.基带数据信号的功率谱密度(1)基本分析利用随机信号的分析方法可得随机数据信号序列的功率谱

5、密度表示式为 (离散谱) (连续谱）式中 是符号速率 P 和(1-P)分别表示数据序列中出现信号(t)和(t)的概率,G1(f)和G2(f)分别是g1(t)和g2(t)的傅里叶变换 式 中 为单位冲激频谱。 nssssnffnfGPnfPGffp)()()1 ()()(2212221)()()1 (fGfGPPfsTfs/1nsnff)( 4 4几种数据序列的功率谱密度 双极性归零序列 其功率谱密度为双极性不归零序列 其功率谱密度为 单极性归零序列 功率谱密度为 22sin)(fTfTTAfp 5 52.2 数据信号的基带传输2.2.1 基带数据传输构成模型基带传输系统的基本原理框图,如图2-

6、6所示。 图 2-6 基带传输系统的基本原理框图 发送滤波器的作用是限制信号频带并起波形形成作用；信道是信号的传输媒介，可以是各种形式的电缆；接收滤波器用来滤除带外噪声和干扰，并起波形形成作用；均衡器用来均衡信道特性的不理想。抽样判决器是在位同步脉冲的控制下对信号波形抽样，并按照特定码型的变换规则回复原始信号。 6 62.2.2 理想低通网络波形形成，奈奎斯特第一准则 我们先考虑一个理想化情况来说明频带限制与传输速率的重要关系。假定图2-6中1-2点的系统传输特性是理想低通传输特性，如图2-7所示。其传递函数可表示为 0 式中， 为截止频率， 为固定时延)( fHdtfje2Nff Nff N

7、fdt 7 7据信号与传输理论可知，网络对单位冲激脉冲 的响应，就是网络传递函数的傅立叶反变换，即 = 其响应的波形如图2-8所示。 图2-8 理想低通网络单位冲激脉冲的响应)(t)(2)(2sin2dNdNNttfttff 8 8理想低通冲激响应的特点是：在 处有最大值，通常可令dtt dt在最大值两边作均匀间隔的衰减波动，以 =0为中心每隔 出现一个过零点。 图2-9 理想低通网络单位冲激脉冲响应的抽样 这种码元传输速率与传输系统特性(对于理想低通主要是它的截止频率之间的配合关系，称为奈奎斯特第一准则。 dt0； dtt nf21Nf 9 9奈氏第一准则用文字详细表述是：如系统等效网络具有

8、理想低通特性，且截止频率为 时，则该系统中允许的最高码元(符号)速率为 ，这时系统输出波形在峰值点上不产生前后符号干扰。这一定理表明，在频带 内， 波特是极限速率，所以系统的最高频带利用率为每赫兹2Bd或2BdHz，这个极限速率是不能逾越的，所有数据传输系统都要遵守。 fN称为奈奎斯特频带，2fN称为奈奎斯特速率，T=1/2fN称为奈奎斯特间隔。 NfNf2NfNf2 11112.2.3具有幅度滚降特性的低通网络波形形成 理想低通波形形成网络之所以不可物理实现，是在于它的幅频特性在截止频率 处的垂直截止特性。如对理想低通特性的幅频特性加以修改，使它在 处不是垂直截止特性，而是有一定的缓变过渡特

9、性，如图2-11所示。 图2-11 想低通特性的缓变过渡特性 这种缓变过渡特性称为滚降特性，为能满足奈氏准则要求形成滚降特性的条件是过理想低通特性的( ，1/2)点处作奇对称的函数所形成的特性，如图2-12所示。NfNfNf 1212 图2-12 滚降特性 只要是按奇对称条件所构成滚降特性低通网络，其冲激脉冲响应的前导和后尾仍是每隔 时间经过零点，从而满足按间隔 的取样间隔取样不产生码间干扰的要求。 NfT21NfT21 1313 由于奇对称的滚降条件，滚降后的低通网络的截止频率要比理想低通特性的截止频率有所展宽，具体展宽的数值与所实现的滚降特性有关。这里引入滚降系数 的概念，即 式中， 为滚

10、降系数， 的取值应是在01的范围内。滚降低通网络的带宽应为 值越大，频带利用率就越小，因为这时频带利用率为 (Bd/Hz) NffNfB)1 (NNff)1 (2 14142.2.4 部分响应形成系统部分响应形成系统的一般原理 部分响应形成系统是一种可实现的传输系统，它允许存在一定的、受控的码间干扰，而在接收端可以加以消除，这样的系统既能使频带利用率提高到理论上的最大值，又可近似地物理实现。这类系统称为部分响应形成系统。2.第一类部分响应形成系统这里采用两个在时间错开的 波形相加，即系统的冲激响应为 = +tftfNN22sin)(thtftfNN22sin)(2)(2sinTtfTtfNN

11、1515第一类部分响应形成系统的幅频特性 如图2-16所示。 图2-16 第一类部分响应形成系统的幅频特性 上述的特性称为余弦低通特性。系统带宽 则可有 )( fHNNffjNffffefffHN, 00 ,2cos2)(2NfB HzBdffBfNNs/22 16163.第四类部分响应形成系统(正弦低通)第四类部分响应形成系统是以时间上错开2T的两个 波形相减作为基本信号的，其表达式为第四类部分响应形成系统幅频特性的表示式为上述的特性称为正弦低通特性。系统带宽 则可有 xxsin)2(2)2(2sin22sin)()()(21TtfTtftftfthththNNNNNNffjNffffeff

12、jfHN, 00 ,sin2)(NfB HzBdffBfNNs/22 17172.2.5 数据序列的扰乱与解扰1. 扰乱与解扰的作用及基本原理所谓扰乱,就是将输入数据序列按某种规律变换成长周期序列,使之具有足够的随机性。经过扰乱的数据序列通过系统传输后,在接收端还要还原成原始数据序列,这就需要在接收端进行扰乱的逆过程一一解扰。最有效的数据序列扰乱方法是用一个随机序列与输入数据序列进行逻辑加,这样就能把任何输入数据序列变换为随机序列。扰乱器与解扰器原理如图2-23所示。 图2-23 扰乱器与解扰器原理示意图 1818 2.实用的扰乱器与解扰器 图2-24 (a)给出一个扰乱器原理图,图2-24b

13、)为相应的解扰器。图中经过一次移位,在时间上延迟一个码元时间,用运算符号D表示。 图2-24实用的扰乱器与解扰器 19192.2.6 基带传输中的时域均衡时域均衡的作用时域均衡：时域均衡的思路是消除接收的时域信号波形的取样点处的码间干扰,并不要求传输波形的所有细节都与奈氏准则所要求的理想波形完全一致。因此可以利用接收波形本身来进行补偿以消除取样点的符号间干扰,提高判决的可靠性。时域均衡的基本原理时域均衡器主要是由横截滤波器构成,它是由多级抽头迟延线、可变增益电路和求和器组成的线性系统,构成结构图如图2-26所示。 图2-26 时域均衡器基本构成结构图 20202.2.7 数据传输系统的眼图所谓

14、眼图,就是把示波器的扫描周期调整到码元(符号)间隔 T 的整数倍,在这种情况下示波器荧光屏上就能显示出一种由多个随机码元波形所共同形成的稳定图形,类似于人眼,因此称为数据信号的眼图。图2-27所示是二电平信号的眼图。 图2-27 二电平信号眼图 2121观察眼图是一种简便、直观、有效的衡量传输信号质量的方法。具体的方法是从眼图的开启程度来衡量传输质量。我们从单个眼型来定义眼图的量度。图2-28为眼图的模型示意图。 图2-28 眼图模型示意图 从这一模型图中可得如下几个重要的传输特性:(1)最佳取样时刻:(2)垂直张开度:(3)水平张开度:(4)正、负不对称度:(5)定时抖动灵敏度: 22222

15、.2.8数据传输系统中的时钟同步数据传输系统发送端送出的数据信号是等间隔、逐个传输的，接收端接收数据信号也必须是等间隔、逐个接收的。接收端就需要有一个定时时钟信号，并对这定时时钟信号的要求是：定时时钟信号速率与接收信号码元速率完全相同，并使定时时钟信号与接收信号码元保持固定的最佳相位关系。接收端获得或产生符合这一要求的定时时钟信号的过程称为时钟同步，或称为位同步或比特同步。在数据通信系统中通常是采用时钟提取的方法实现时钟同步，时钟提取的方法分为两类：自同步法和外同步法。 2323自同步法又称内同步法。它是直接从接收的基带信号序列中提取定时时钟信号的方法。自同步法的一般框图如图2-29所示。 图

16、2-29自同步法提取定时的一般框图 24242.2.9 基带传输的最佳化和系统性能分析1.发送滤波器和接收滤波器的最佳分配 所谓最佳化就是要在有噪声条件下,使接收滤波器的输出有最大信噪比,以保证系统误码率最小,传输可靠性最高。可以证明,如考虑引入信道噪声是均值为零的高斯白噪声,则最佳化的条件简化为即发送滤波器和接收滤波器的传递函数应相同，并各为所要求形成特性的平方根。 21)()()(fHfRfT 25252.基带传输的误码性能分析（1）二电平传输系统的误码率（双极性码）当 = = 时，其误码率应为 上式中 为马库姆概率积分函数 信号幅度，噪声的均方根值（方差的开平方，代表噪声的大小） 与信噪

17、比（信号功率比噪声功率）成正比,即 误码率 与 成反比，即与信噪比成反比。 ) 1/0(P)0/1 (P21dtexQxt2221)(ddePePd 2626（2）多电平传输系统的误码率 现在考虑更一般情况，即传输电平可以取个数值，也就是电平传输系统。 式中： 为电平数， 为信号功率， 为噪声平均功率。 )13()11 (2212NPMQMPseMsPN 27272.2.10基带数据传输系统及应用 1基带数据传输系统图2-32给出了一个基带数据传输系统构成框图。 图2-32基带数据传输系统构成框图 28282.3 数据信号的频带传输2.3.1频带传输系统的构成 频带传输系统与基带传输系统的区别

18、在于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，调制和解调合起来称为Modem。 图2-34 频带传输系统的构成 2929 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。可以构成数字调幅、数字调相和数字调频三种基本调制方式。2.3.2数字调幅 以基带数据信号控制一个载波的幅度，称为数字调幅，又称幅移键控，简写为ASK。 1. ASK信号及功率谱分析 图2-35所示是数字调幅系统基本构成框图。 图2-35 数字调幅系统基本构成框图 3030已调信号的功率谱密度为 ASK信号的功率谱密度示意图

19、,如图2-39 所示。 图2-39 已调信号的功率谱密度示意图 3131由图2-39可以看出： (1)2ASK信号的功率谱密度也由连续谱和离散谱组成，其中连续谱部分是来自基带谱 的连续谱经调制后的双边带谱，而离散谱则由 中的 离散谱分量来确定； (2)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。)( fG)( fG 32322.单边带和残余边带调制的概念ASK信号具有两个边带，并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。这样就能使用普通滤波器切除一个边带分量，从而实现单边带传输，使频带利用率是双边带传输的两倍。 残

20、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。残余边带信号所占的频带大于单边带，又小于双边带，所以残余边带系统的频带利用率也是小于单边带。 3333 3. 正交幅度调制 (1)基本原理 正交幅度调制(QAM：Quadrature Amplitude Modulation)，又称正交双边带调制。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。正交幅度调制信号产生和解调原理图如图2-42所

21、示。 3434由于A路的调制载波与B路的调制载波相位相差，所以形成两路正交的频谱，故称为正交调幅。正交调幅系统的功率谱示意图如图2-43所示。 图2-43 正交调幅系统的功率谱示意图 3535这种调制方法的A B两路都是双边带调制，而且两路信号同处于一个频段之中，但A B两路的频谱是相互正交的,所以可同时传输两路信号，故频带利用率是双边带调制的两倍，即与单边带方式或基带传输方式的频带利用率相同。 正交幅度调制信号的解调必须采用相干解调方法，解调原理如图2-42所示。 3636(2)星座表示法 为了更进一步说明正交调幅信号的特点，我们还可以从已调信号的相位矢量表示方法来 讨论。为了讨论方便我们将

22、正交调幅信号产生电路方框图重画于图2-44 (a)。 图2-44 正交调幅信号产生电路方框图及星座图 37374QAM方式是A，B各路传送的是二电平码的情况。如果采用二路四电平码送到A，B的调制器，就能更进一步提高频带利用率。由于采用四电平基带信号，所以，每路在星座上有4个点，于是4416，组成16个点的星座图，如图2-45所示。这种正交调幅称为16QAM。同理，将二路八电平码送到A，B调制器，可得64点星座图，称为64QAM，更进一步还有256QAM等。由前述对应的数值可知，MQAM的每路电平数= 。M(3) QAM的频带利用率 QAM方式的主要特点是有较高的频带利用率。MQAM的频带利用率

23、为 (bitsHz) 这里的M为星点数。M值越大，即星点数越多其频带利用率就越高，目前可以作到M64，甚至更高，故正交调制方式一般是应用于高速数据传输系统中。1log2M 383839392.3.3数字调相 以基带数据信号控制载波的相位，称为数字调相，又称相移键控，简写为PSK。 1. PSK信号及功率谱密度按PSK的基本定义可画出如图2-46所示数据信号与PSK信号的对应波形。图中2-46 (a)是信号序列；2-46 (b)是未调载波信号，2-44 (c)为二相绝对调相信号，记为2PSK；2-46 (d)为二相相对调相信号，或称差分调相信号，记为2DPSK。4040 二相绝对调相信号的变换规

24、则是：数据信号的“1”对应于已调信号的 相位；数据信号的“0”对应于已调信号的 相位，或反之。这里的 和 是以未调载波的作参考相位的。 二相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 相位；数据信号的“0”使已调信号的相位变化 相位，或反之。这里的 和 的变化是相对于已调信号的前一码元的相位，或者说，这里的变化是以已调信号的前一码元相位作参考相位的。 000180000180000180018000 41412.二相调相信号的产生和解调 (1) 2PSK信号的产生和解调 图2-47 (a)给出的是一种用相位选择法产生2 PSK信号的原理框图。 图2-47 2PSK信号的产生

25、和解调 图2-47 (b)为2PSK信号的解调电路原理框图。 4242由于2PSK信号中无载波频率分量，所以无法从接收的已调信号中直接提取相干载波。一般采用倍频分频法，如图2-47 (b)所示。将输入2PSK信号作全波整流，使整流后的信号中含有2频率的周期波，再利用窄带滤波器取出2频率的周期信号，再经2分频电路得到相干载波。最后经过相乘电路进行相干解调即可得输出基带信号。这种2PSK信号的解调存在一个问题，即2分频器电路输出存在相位不定性或称相位模糊问题，如图2-48所示。当二分频器电路输出的相位为或不定时，相干解调的输出基带信号就会存在0或1倒相现象，这就是二相绝对调相，即2PSK方式不能直

26、接应用的原因所在。解决这一问题的方法就是采用相对调相，即2DPSK方式。4343(2)2DPSK信号的产生和解调 2DPSK信号的产生将输入的基带数据序列变换成相对码序列，即差分码序列，然后用相对码序列去进行绝对调相，便可得到2DPSK信号，如 图2-49(a)所示。 (a) (b) 图2-49 2DPSK信号的产生和2DPSK的极性比较法解调 44443.多相调相及频带利用率 (1)四相调相 四相调相，即4PSK，是用载波的四种不同相位来表征传送的数据信息。如前所述，在4PSK调制中，首先对输入的二进制数据进行分组，将二位数字编成一组，即构成双比特码元。k比特码元有 种组合，即有 种不同状态

27、，故可以用 种不同相位或相位差来表示，对于k=2, 则4，故称为 四相调相。按国际统一标准规定，双比特码元与载波相位的对应关系有两种，称为A方式和B方式，它们的对应关系如表2-1所示，它们之间的矢量关系如图2-53所示。k2k2kM2 4545 双比特码元 载波相位 A B A方式 B方式 0 0 0 5/4 1 0 /2 7/4 1 1 /4 0 1 3/2 3/4 图2-53 双比特码元与载波相位的对应关系 4646 4PSK信号可采用调相法产生，产生4PSK信号原理图如图2-54 (a)所示。 图2-54 4PSK信号产生原理图 图2-55 4PSK解调原理图 图2-54、图2-55分别

28、是4PSK信号的产生和解调原理图，如在图2-54的串并变换之前加入一个码变换器，即把输入数据序列变换为差分码序列，则即为4DPSK信号产生的原理图；相应的在图2-55的并串变换之后再加入一个码反变换器，即把差分码序列变换为绝对码序列，则即为4DPSK信号的解调原理框图。 4747(2)多相调相的频带利用率。多相调相的频带利用率为1log12Mk)/(Hzsbit 48482.3.5数字调制中的载波提取和形成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。这是因为在相当多的情况下相干解调的接收性能较好。所谓相干解调就是用相关法实现最佳接收的具体应用。其具体实现是接收解调时需要产生一个相干

29、载波,以此相干载波与接收信号相乘进行解调。对接收端相干载波的要求是与发送端载波有相同的频率和相同的相位。接收端获取相干载波方法主要分为两类:直接从已调接收信号中提取和利用插入导频提取相干载波。 49491.从已调信号中提取相干载波在数据传输中,载波频率分量本身不负载信息,所以,多数调制方式中都采用抑制载波频率分量的方式,即已调信号中不直接含有载波频率分量。但是,对于某些信号。如2PSK,QAM等信号,只要对接收信号波形进行适当的非线性处理,就可以使处理后的信号中含有载波的频率和相位信息,这时,就可以通过提取方式获得接收端的相干载波。如图2-62所示。 图2-62 平方处理提取相干载波 50502.6.1数据信号最佳接收这里“最佳”或“最好”并不是一个绝对的概念,而是在相对意义上说的,使之在某一个“标准”或“准则”下是最佳,而