黄小平课件-数据编码和调制(二)

第5节数据编码和调制（一)黄小平西北工业大学

huangxp_nwpu@2/6/20231西北工业大学计算机学院huangxp_msn@复习1基带传输码型的选择以及典型的编码方案2模拟信号的数字传输PCM采样定理采用量化编码压扩技术A率13折增量调制原理超载失真颗粒失真2/6/20232西北工业大学计算机学院huangxp_msn@内容提要数字信号的编码(基带传输)数字信号传输模拟数据模拟载波传输数字数据模拟载波传输模拟数据Thisisthekeypoint.2/6/20233西北工业大学计算机学院huangxp_msn@3.3

模拟载波传输数字数据频带传输把数字信号调制成不同频率的信号，再进行传输的方法称为频带传输。频带传输优点基带信号通常含有较低的频率分量。信道一般呈带通性提高信道利用率，FDM通带传输抗干扰性强，无线传输。当信号为连续1(或0)时会有直流成分产生。…2/6/20234西北工业大学计算机学院huangxp_msn@3模拟载波传输数字数据概念调制信号，载波信号，调制，解调方法用调制信号控制高频载波信号的某一个参数的改变，使这种改变能够反映出调制信号的变化技术数字幅度调制技术幅移键控（ASK:AmplitudeShiftKeying）数字频率调制技术频移键控（FSK:FrequencyShiftKeying）数字相位调制技术相移键控（PSK:PhaseShiftKeying）正交振幅调制（QAM）2/6/20235西北工业大学计算机学院huangxp_msn@调制理论（补充）调制理论基础：傅立叶变换调制：用欲传输的原始信号f(t)去控制高频简谐波或周期性的脉冲信号的某一参量，使它们随f(t)变化。通常把原始信号称为调制信号或基带信号f(t)；把高频简谐波或周期性脉冲信号称为载波信号，起着载运原始信号的作用Acos

；把调制后得到的信号称为已调信号，显然已调信号中携带有原始信号中的信息(s(t))。2/6/20236西北工业大学计算机学院huangxp_msn@调制定理：基带信号f(t)和正弦/余弦信号cos（w0t）相乘得到已调信号f(t)cos（w0t）的频谱和原始信号f(t)的频谱F(jw)之间有如下关系：调制理论（补充）2/6/20237西北工业大学计算机学院huangxp_msn@调制定理表明：将基带信号f(t)乘以余弦信号cos（w0t）对应于在频域中把f(t)的频谱F(jw)等分成两部分并把其中一部分沿频率轴右移w0，另一部分左移w0，如图所示：-Wm+Wmf(t)F(jw)调制理论（补充）2/6/20238西北工业大学计算机学院huangxp_msn@-Wm+Wm-Wm+Wm调制理论（补充）2/6/20239西北工业大学计算机学院huangxp_msn@3.3.1幅移键控调制（2ASK）用数字基带信号去控制正弦载波的幅度，使载波信号的幅度随基带信号的变化而变化。2ASK信号的产生2ASK信号的解调2ASK所需带宽2/6/202310西北工业大学计算机学院huangxp_msn@12ASK信号的产生传送“1”时，发送载波，发送“0”时，无载波发送2/6/202311西北工业大学计算机学院huangxp_msn@12ASK信号的产生2ASK信号：2/6/202312西北工业大学计算机学院huangxp_msn@2ASK调制方法(1)乘法器法（图a）：平衡调制器(2)通断键控方法（图b）：OOK（On-OffKeying）~wm(t)f(t)乘法器BPF本地载波：Acos(w0t+θ0)LPF:lowpassingfilterHPF:highpassingfilterBPF:bandpassingfilter（a）（b）12ASK信号的产生2/6/202313西北工业大学计算机学院huangxp_msn@12ASK信号的产生一种实现2ASK的电路2/6/202314西北工业大学计算机学院huangxp_msn@载波发生器e(t)m(t)S开关(a)t1011001s(t)Tbtt2ASK信号载波信号(单极性非归零矩形脉冲信号12ASK信号的产生2/6/202315西北工业大学计算机学院huangxp_msn@2ASK信号带宽二进制序列的功率谱2ASK信号的功率谱ASK信号的带宽是调制信号带宽的两倍，其主瓣带宽为：2/6/202316西北工业大学计算机学院huangxp_msn@解调：从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。2ASK信号的解调：即由已调信号二进制基带信号；解调的方法有相干解调和非相干解调两种方法。(1)非相干解调方法：包络检波法包络检波：幅值调制就是让已调信号的幅值随调制信号的值变化，因此调幅信号的包络线形状与调制信号一致。只要能检出调幅信号的包络线即能实现解调。这种方法称为包络检波。22ASK信号的解调2/6/202317西北工业大学计算机学院huangxp_msn@包络检测法的解调2/6/202318西北工业大学计算机学院huangxp_msn@定时抽样输出基带信号2ASK信号包络检波原理框图抑制噪声BPF包络检波器抽样判决器LPF输入已调信号（2ASK信号+噪声（高斯白噪声）)取出基带信号把取出的基带信号还原成原基带信号抽样判决器在定时脉冲的控制下，对LPF输出的信号进行抽样，当样值大于判决门限里，判为“1”，反之判为“0”。22ASK信号的解调2/6/202319西北工业大学计算机学院huangxp_msn@相干解调的条件：相干载波发生器产生的本地相干载波要与输入已调信号同频、同相。22ASK信号的解调2/6/202320西北工业大学计算机学院huangxp_msn@相干解调：同步解调法：BPF乘法器抽样判决器LPF定时抽样输入已调信号输出基带信号相干波发生器22ASK信号的解调2/6/202321西北工业大学计算机学院huangxp_msn@2ASK相干解调22ASK信号的解调2/6/202322西北工业大学计算机学院huangxp_msn@非相干解调：通过包络检测器来实现。相干解调：利用乘法器实现，使信号频谱再次搬移，调制信号的频谱重新搬回零频附近。在相同大信噪比情况下，2ASK信号相干解调时的误码率总是低于包络检波时的误码率，即相干解调2ASK系统的抗噪声性能优于非相干解调系统，但两者相差并不太大。然而，包络检波解调不需要稳定的本地相干载波，故在电路上要比相干解调简单的多。22ASK信号的解调2/6/202323西北工业大学计算机学院huangxp_msn@2ASK调制的特点是最早，最简单的调制方式，但抗噪声能力较差，因此实际中用的不多。但掌握其原理是理解分析其他调制方法的基础。2/6/202324西北工业大学计算机学院huangxp_msn@思考题已使用2ASK技术完成1010110010序列信号的调制。试(1)画出信宿端采用相关解调方法解调该序列信号的原理框图(2)说明每一个模块的功能(3)画出解调过程中各个阶段的信号波形。2/6/202325西北工业大学计算机学院huangxp_msn@对于信号的频率具有选择性的电路称为滤波电路，它的功能是使特定的频率范围内的信号顺利通过，而阻止其它频率信号通过。通常，按照滤波电路的工作频率为其命名，分为：低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）和全通滤波器（APF）。补充知识_滤波器2/6/202326西北工业大学计算机学院huangxp_msn@低通和高通滤波器：设截止频率为fp

,频率低于fp的信号可以通过，高于fp的信号被衰减的滤波电路称为低通滤波器，反之，频率高于fp的信号可以通过，而频率低于fp的信号被衰减的滤波电路称为高通滤波器。全通滤波器：对于频率从零到无穷大的信号具有同样的比例系数，但对于不同频率的信号将产生不同的相移。补充知识_滤波器2/6/202327西北工业大学计算机学院huangxp_msn@带通和带阻滤波器：设低频段的频率为fp1，高频段的截止频率为fp2，频率为fp1到fp2之间的信号可以通过，低于fp1或高于fp2的信号被衰减的滤波电路称为带通滤波器。而频率是fp1到fp2之间的信号被衰减的滤波电路称为带阻滤波器。带通滤波器常用于载波通信或弱信号提取等场合，以提高信号比。带阻滤波器用于在已知干扰或噪声频率的情况下，阻止其通过。补充知识_滤波器2/6/202328西北工业大学计算机学院huangxp_msn@补充知识_滤波器2/6/202329西北工业大学计算机学院huangxp_msn@3.3.2键移键控（2FSK）2FSK信号的产生2FSK信号的解调2FSK所需带宽

2/6/202330西北工业大学计算机学院huangxp_msn@12FSK信号的产生用数字基带信号去控制正弦载波的频率，使载波信号的频率随基带信号的变化而变化，而载波振幅保持不变。调制方法：直接调频法和频率转换法。2/6/202331西北工业大学计算机学院huangxp_msn@FSK信号的表达式为：g(t)是宽度为Ts的矩形脉冲,表示an的非。12FSK信号2/6/202332西北工业大学计算机学院huangxp_msn@直接调频法直接调频法是产生2FSK信号最简单的一种方法，它用数字基带信号直接控制振荡电路的参数（L或C的值）变化以达到改变频率的目的,用模拟电路实现。一种实现的方法举例12FSK信号的产生-直接调频法2/6/202333西北工业大学计算机学院huangxp_msn@12FSK信号的产生-直接调频法模拟调频器2/6/202334西北工业大学计算机学院huangxp_msn@当an=1时，VD1、VD2截止，振荡频率由L和C决定；2/6/202335西北工业大学计算机学院huangxp_msn@当an=1时，等效电路；2/6/202336西北工业大学计算机学院huangxp_msn@当an=0时，VD1、VD2导通，频率由L、C、C1决定。

2/6/202337西北工业大学计算机学院huangxp_msn@波形图12FSK信号的产生-直接调频法2/6/202338西北工业大学计算机学院huangxp_msn@原理：用基带信号去控制开关电路的变换以达到输出频率变化的目的。适用于数字电路实现电路。~w1m(t)~w212FSK信号的产生-频率选择法2/6/202339西北工业大学计算机学院huangxp_msn@假定：输入1码时K1闭合，K2打开，输出ƒ1；输入0码时K2闭合，K1打开，输出ƒ2。这种方法产生的FSK信号一般相位不连续。12FSK信号的产生-频率转换法2/6/202340西北工业大学计算机学院huangxp_msn@波形图12FSK信号的产生-频率转换法2/6/202341西北工业大学计算机学院huangxp_msn@Ps(f)f2－f1f1－fsf1f0f2f2＋fsof0=（f1+f2）2B2FSK=2BB+|f2-f1|BB=fs基带信号带宽2FSK信号的功率谱分析2/6/202342西北工业大学计算机学院huangxp_msn@h=0.5h=2.5B2FSK=2BB+|f2-f1|f1－fsf1f0f2f2＋fs2FSK信号的功率谱分析2/6/202343西北工业大学计算机学院huangxp_msn@2FSK信号的功率谱分析2/6/202344西北工业大学计算机学院huangxp_msn@答：缩小f1与f2之间的频率差思考一下： 要想提高2FSK的频谱利用率， 怎样调整f1和

f2

的关系呢？第四：FSK信号带宽越窄，峰值越高，则效率越高，频谱利用率也就越高。2FSK信号的功率谱分析2/6/202345西北工业大学计算机学院huangxp_msn@22FSK信号的解调1.非相干解调2.

相干解调主要采用非相干解调2/6/202346西北工业大学计算机学院huangxp_msn@相干解调法（与2ASK相似）（1）先S（t)用两个中心频率分别为1和2的带通滤波器把代表“1”和“0”的振荡分离出来，形成两个不同频率的2ASK信号。（2）再通过同步检波器，经抽样判决电路比较两路输出、的大小，最终决定输出是1还是0。若x’(t)＜y'(t)，输出0；x’(t)＞y'(t)，输出1。

22FSK信号的解调2/6/202347西北工业大学计算机学院huangxp_msn@相干解调：ω1代表1码，ω2代表0码。FSK信号相当于两个交错的ASK信号之和。中心频率为ω1和ω2的BPF1和BPF2，把代表1码的y1(t)和代表0码的y2(t)分成两路，分别进行相干解调。22FSK信号的解调2/6/202348西北工业大学计算机学院huangxp_msn@带通滤波器的输出：乘法器的输出：LPF的输出：判决准则：x1>x2判为1，x1<x2判为0。22FSK信号的解调2/6/202349西北工业大学计算机学院huangxp_msn@2.非相干解调无需本地相干载波，实现起来比较容易。主要策略是将频率的变化转换成相应电压的幅度，频率高的对应输出的电压幅度大，频率低对应的电压幅度小。分路滤波解调法：用多路检波器代替鉴频器法过零检测法差分检测法最佳非相干解调法2/6/202350西北工业大学计算机学院huangxp_msn@BPF抽样判决器包络检波器抽样脉冲输入已调信号输出基带信号BPF包络检波器w2w1V1(t)V2(t)两个中心频率分别为f1和f2的窄带滤波器的作用是取出频率为f1或f2的高频信号判决的准则是当抽样值满足v1>V2时判为f1频率代表的数字基带信号，当v1<v2时判为f2频率代表的数字基带信号包络检波器将各自的包络取出至抽样判决器，抽样判决在抽样脉冲到达时对包络的取值进行判决，BPF抽样判决器包络检波器抽样脉冲输入已调信号输出基带信号BPF包络检波器w2w1(1)分路滤波解调法=2/6/202351西北工业大学计算机学院huangxp_msn@两个带通滤波器（带宽相同，皆为相应的2ASK信号带宽；中心频率不同，分别为f1、f2

）起分路作用，用以分开两路2ASK信号抽样判决器起比较器作用，把两路包络信号同时送到抽样判决器进行比较，从而判决输出基带数字信号。判决准则：x1>x2判为1；

x1<x2判为0。(1)分路滤波解调法2/6/202352西北工业大学计