通信原理传输技术

通信原理传输技术数字信号的频带传输第2页,共68页，2024年2月25日，星期天数字信号的频带传输载波调制是按基带信号的变化规律去改变载波某些参数的过程。调制的载波可以分为两类：一类用正弦型信号，称为正弦载波调制；一类用脉冲串，称为脉冲调制。基带信号也可分为两类：一类是模拟信号，即基带信号的取值是连续的，称为模拟调制；另一类是数字信号，即基带信号的取值是离散的，称为数字调制。第3页,共68页，2024年2月25日，星期天调制的目的将消息变换为便于传输的形式。也就是说，变换为某种形式使信道容量达到最大，而且传输更可靠和有效。提高性能，特别是提高抗干扰性。有效的利用频带。第4页,共68页，2024年2月25日，星期天调制与解调原理载波选用正弦型载波，基带信号为模拟信号，设正弦型载波为s（t）=Acos（ωct+φ0）式中A——载波的幅度

ωc——载波角频率

φ0——载波的初始相位第5页,共68页，2024年2月25日，星期天数字调制技术——频带传输数字数据的模拟信号编码通过调制振幅、频率和相位等载波特性或者这些特性的某种组合，来对数字数据进行编码。最基本的数字数据→模拟信号调制方式有以下三种：幅移键控方式（ASK，Amplitude-ShiftKeying）频移键控方式（FSK，Frequency-ShiftKeying）相移键控方式（PSK，Phase-ShiftKeying）第6页,共68页，2024年2月25日，星期天基带数字信号的几种调制方法第7页,共68页，2024年2月25日，星期天幅度调制的原理（AM）若基带信号为S（t），则幅度调制信号（已调信号）一般可表示成e（t）=S（t）·cos（ωct+φ0）第8页,共68页，2024年2月25日，星期天幅度调制信号的解调原理包络检波法对调幅（AM）信号，当满足

m0>｜m＇（t）｜max

时，不会发生过调制现象，此时用包络检波的方法很容易恢复原始基带信号m（t）。第9页,共68页，2024年2月25日，星期天幅度调制信号的解调原理相干解调（同步解调）双边带信号不能用包络检波来解调，可采用以下方法，将已调信号SDSB（t）乘上一个同频同相的载波，得由上式可知，用一个低通滤滤器就可以将2项分离，无失真地恢复出原始基带信号m（t）。第10页,共68页，2024年2月25日，星期天二进制振幅键控（2ASK）二进制数字振幅键控是数字调制中出现最早的，也是最简单的，是研究其他各种数字调制的基础。振幅键控，记作ASK（AmplitudeShiftKeying），或称为开关键控（通断键控），记作OOK（OnOffKeying）。二进制数字振幅键控通常记作2ASK。第11页,共68页，2024年2月25日，星期天2ASK的调制方法一般说来，数字信号的调制方法有两种类型：利用模拟方法去实现数字调制，即把数字基带信号当作模拟信号的特殊情况来处理；利用数字信号的离散值特点键控载波，从而实现数字调制。第12页,共68页，2024年2月25日，星期天2ASK的解调方法如同AM信号的解调方法一样，OOK信号也有两种基本的解调方法：非相干解调（包络检波法）相干解调（同步检测法）第13页,共68页，2024年2月25日，星期天2ASK信号的包络检波包络检波法的原理方框图如图所示。带通滤波器恰好使2ASK信号完整地通过，经包络检测后，输出其包络。第14页,共68页，2024年2月25日，星期天二进制移频键控（2FSK）数字频率调制又称移频键控，记作FSK（FrequencyShiftKeying），二进制移频键控记作2FSK。第15页,共68页，2024年2月25日，星期天2FSK信号的调制方法模拟调频法用数字基带矩形脉冲控制一个振荡器的某些参数（例如电容C），可直接改变振荡频率，使输出得到不同频率的已调信号。数字键控法它是用数字矩形脉冲控制电子开关，使电子开关在两个独立的振荡器之间进行转换，从而在输出端得到不同频率的已调信号。第16页,共68页，2024年2月25日，星期天2FSK信号的解调二进制频移键控信号的解调方法很多，常采用非相干检测法（包络检测法）相干检测法（同步检波法）过零检测法差分检波法等。第17页,共68页，2024年2月25日，星期天2FSK信号包络检测法2FSK信号的包络检测方框图及波形图如图所示。用两个窄带的分路滤波器分别滤出频率为f1及f2的高频脉冲，经包络检测后分别取出它们的包络。第18页,共68页，2024年2月25日，星期天2FSK信号同步检波法第19页,共68页，2024年2月25日，星期天二进制移相键控（2PSK）二进制移相键控中，载波的相位随数字基带信号1或0而改变。通常用相位0表示数字信号“0”，用相位π表示数字信号“1”。则已调信号可表示为e0（t）=cos（ωct+φi）且φi=0或π

则有e0（t）=±cosωct。第20页,共68页，2024年2月25日，星期天相对移相（2DPSK）110001102DPSK方式是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式。第21页,共68页，2024年2月25日，星期天2PSK和2DPSK信号的调制第22页,共68页，2024年2月25日，星期天2PSK信号的解调相干解调（极性比较法）2PSK信号的解调只能采用相干解调的方法，其方框图及波形如图所示。第23页,共68页，2024年2月25日，星期天2PSK信号的解调第24页,共68页，2024年2月25日，星期天2DPSK信号的解调极性比较法极性比较——码变换法即是2PSK解调加差分译码，其方框图如图5-24（a）所示，2DPSK解调器将输入的2DPSK信号还原成相对码{bn}，再由差分译码器把相对码转换成绝对码，输出{an}。差分检测法第25页,共68页，2024年2月25日，星期天2DPSK信号的解调第26页,共68页，2024年2月25日，星期天2DPSK信号的解调波形1010001t(a)2DPSK信号t(b)延迟Tt(c)=a*b取反t(d)对c整形第27页,共68页，2024年2月25日，星期天多进制数字调制多进制数字振幅调制（MASK）多进制数字频率调制（MFSK）多进制数字相位调制（4PSK或QPSK）四相相对移相键控（4DPSK或QDPSK）振幅相位联合键控（APK）第28页,共68页，2024年2月25日，星期天改进的数字调制技术最小移频键控（MSK）高斯最小移频键控（GMSK）平滑调频（TFM）正弦移频键控（SFSK）第29页,共68页，2024年2月25日，星期天调制解调器（Modem）调制解调器的英文“Modem”来自于调制器（Modulator）和解调器（Demodulator）的缩写，世界上有些地方又称它为数传机（DataSet）。第30页,共68页，2024年2月25日，星期天Modem的分类按功能分类：通用Modem和具有传真功能的Modem。按外形分类：外置式和内置式。按传输速率分类：标准的传输速率为1200bit/s，2400bit/s，9600bit/s，14400bit/s，33600bit/s和56000bit/s等。按操作模式分类：同步和异步两种模式。按数据压缩及纠错方法分类：可以以数据纠错的方法保证收到的数据正确无误，同时通过对数据进行压缩提高有效传输速率，其中最常用的是MNP5和V.42bis。按传输介质分类：有线和无线Modem。第31页,共68页，2024年2月25日，星期天Modem工作原理第32页,共68页，2024年2月25日，星期天Modem标准调制协议V.34标准，传输速率33.6kbpsV.90标准，传输速率56kbps差错控制协议:是为了保证传输正确而提供的协议，主要有两个工业标准MNP和V.42。数据压缩协议:数据压缩是高速Modem的关键技术，数据压缩有两个工业标准：V.42bis和MNP5。通信软件:对于智能型Modem能提供很多高级功能，但要靠通信软件完成。第33页,共68页，2024年2月25日，星期天56K高速Modem56kbit/sModem是1997年才开始上市的拨号高速调制解调器，它的传输速率之所以能有高于传统电话线路上33.6kbit/s的极限速率，是因为它采用了完全不同于33.6kbit/s的调制解调技术，其工件原理和使用要求与33.6kbit/s高速Modem相比也有一定的区别。第34页,共68页，2024年2月25日，星期天宽带调制解调器简介目前Modem若以带宽区分，则可以细分为窄带Modem和宽带Modem。窄带Modem指的是带宽在56kbit/s以下的Modem，也就是传统的Modem。宽带Modem则是指电缆线Modem（CableModem）和ADSLModem。第35页,共68页，2024年2月25日，星期天宽带调制解调器电缆调制解调器前面介绍的Modem主要是在电话线路上使用的，而电缆调制解调器（CableModem）主要在有线电视线路上使用的。ADSLModemADSL（非对称数字用户环路）是指现有的电话线上加装ADSLModem（又称为ATU-R），利用ADSL技术用户可以在使用电话时，同时以高于一般Modem的速率接入Internet或进行数据的传输，而且上网和打电话两不误。第36页,共68页，2024年2月25日，星期天数字信号的基带传输第37页,共68页，2024年2月25日，星期天数字基带传输系统的基本构成第38页,共68页，2024年2月25日，星期天传输码型的功率谱中应不含直流分量，同时低频分量要尽量少满足这种要求的原因是PCM端机、再生中继器与电缆线路相互连接时，需要安装变量器，以便实现远端供电（因设置无人站）以及平衡电路与不平衡电路的连接。传输码型的功率谱中高频分量应尽量少这是因为一条电缆中包含有许多线对，线对间由于电磁感应会引起串话，且这种串话随频率的升高而加剧。便于定时时钟的提取传输码型功率谱中应含有定时钟信息，以便再生中继器或接收端能提取必需的定时钟信息。对基带传输码型的要求第39页,共68页，2024年2月25日，星期天传输码型应具有一定的检测误码能力数字信号在信道中传输时，由于各种因素的影响，有可能产生误码，若传输码型有一定的规律性，那么就可根据这一规律性来检测是否有误码，即做到自动监测，以保证传输质量。对信源统计依赖性最小信道上传输的基带传输码型应具有对信源统计依赖最小的特性，即对信源经信源编码后，直接转换的数字信号的类型不应有任何限制（例如“1”和“0”出现的概率及连“0”多少等）。要求码型变换设备简单、易于实现由信息源直接转换的数字信号不适合于直接在电缆信道中传输，需经码型变换设备转换成适合于传输的码型，要求码型变换设备要简单、易于实现。

对基带传输码型的要求第40页,共68页，2024年2月25日，星期天数字基带信号的波形第41页,共68页，2024年2月25日，星期天矩形脉冲信号的频谱函数分布于整个频率轴上，而其主要能量集中在直流和低频段。数字信号的功率谱第42页,共68页，2024年2月25日，星期天二进制数字信号序列的功率谱曲线第43页,共68页，2024年2月25日，星期天分析随机脉冲序列的功率谱可以知道信号功率的分布，根据主要功率集中在哪个频段，便可确定信号带宽，进而考虑信道带宽和传输网络（滤波器、均衡器等）的传输函数等。同时利用它的离散谱是否存在这一特点，可以明确能否从脉冲序列中直接提取所需的离散分量和采取怎样的方法可以从序列中获得所需的离散分量，以便在接收端用这些成份作位同步定时等。第44页,共68页，2024年2月25日，星期天模拟数据的数字信号编码第45页,共68页，2024年2月25日，星期天模拟信号数字化的基本原理模拟信号的抽样信号的量化编码第46页,共68页，2024年2月25日，星期天模拟信号的抽样抽样定理抽样定理告诉我们：一个频带限制在Fm赫以内的时间连续函数f（t），如果以T≤1/2Fm的等间隔时间抽样，则所得的样值可以完全地确定原信号f（t）。上述定理因抽样时间间隔相等，故称为均匀抽样定理。第47页,共68页，2024年2月25日，星期天模拟信号的抽样第48页,共68页，2024年2月25日，星期天模拟信号的抽样具体地说，就是某一时间连续信号f(t)，仅取f(t0)、f(t1)、f(t2)

…等各离散点数值，就变成了时间离散信号。这个取时间连续信号离散点数值的过程就叫做抽样。第49页,共68页，2024年2月25日，星期天语声信号的抽样频率语声信号的最高频率限制在3400Hz，这时满足抽样定理的最低抽样频率应为fsmm=6800Hz,为了留有一定的防卫带，原CCITT规定语音信号的抽样频率为fs=8000Hz，这样，就留出了8000–6800=1200Hz作为滤波器的防卫带。第50页,共68页，2024年2月25日，星期天信号的量化量化的基本原理模拟信号经抽样得到的时间离散，幅度连续的信号，通常叫PAM信号（脉冲调幅信号）。量化便是使PAM信号的幅度离散化，量化通常由量化器完成。第51页,共68页，2024年2月25日，星期天信号的量化量化是把信号在幅度域上连续取值变换为幅度域上离散取值的过程。具体的定义是，将幅度域连续取值的信号在幅度域上划分为若干个分层，在每一个分层范围内的信号值用“四舍五入”的办法取某一个固定的值来表示。第52页,共68页，2024年2月25日，星期天量化噪声量化是用量化电平值yk来代替x。显然这种替代是存在误差的，这个误差是由于量化产生的，故叫量化误差，表示为e（t）=x－y量化噪声的大小常用它的均方值e2（t），即量化噪声功率表示。它对通信质量的影响程度用量化器输出的信号功率与量化噪声功率的比SNR（dB）表示。第53页,共68页，2024年2月25日，星期天均匀量化与非均匀量化均匀量化均匀量化的特点是量化级的间距d为常数均匀量化因量化阶距d为常数，所以有直观、量化设备简单的优点非均匀量化采用均匀分级量化时其量化信噪比随信号电平的减小而下降。产生这一现象的原因就是均匀量化的分级间隔是固定值，它不能随信号幅度的变化而变化，故大信号时信噪比大；小信号时信噪比小。解决这一问题的有效方法是要用非均匀分级，即非均匀量化。非均匀量化的特点是：信号幅度小时，量化间隔小其量化误差也小；信号幅度大时，量化间隔大，其量化误差也大。采用非均匀量化可以改善小信号的量化信噪比，可以做到在不增大量化级数N的条件下，使信号在较宽的动态范围内的（S/Nq)dB达到指标的要求。第54页,共68页，2024年2月25日，星期天压缩扩张技术是实现非均匀量化的方法之一。压缩特性是：在最大信号时其增益系数为1，随着信号的减小增益系数逐渐变大。信号通过这种压缩电路处理后就改变了大信号和小信号之间的比例关系——大信号时比例基本不变或变化较小，而小信号则相应按比例增大。第55页,共68页，2024年2月25日，星期天编码理论模拟信号在抽样量化后，变成了时间离散、幅度离散的数字信号。通常为了减少量化误差，量化级数设置很多，也就是说量化后得到的数字信号的取值仍然很多，用这样的信号传输，收端复制很困难。已知l个二电平码可以构成2l个组合，所以一般量化级数都取N=2l，这样各个量化值便可由l个二电平码来表示，通常把量化后的多电平信号变成二电平信号的过程叫编码。第56页,共68页，2024年2月25日，星期天自然二进码用（an，an-1，…a1）表示，每个码元只有二种状态，取“1”或“0”，一组自然二进码代表的量化电平为Ｑ=an2n-1+an-12n-2+…+a120

式中n为二进码位数。第57页,共68页，2024年2月25日，星期天反射二进码（格雷Grag码）它的特点是相邻两组代码间的码距为1，因此如果传输中出了一位错产生的误差较小。设反射二进码为（cn，cn-1，…，c1），且各码元取“1”或“0”，则对应的量化电平值为Ｑ=cn（2n-1）±cn-1（2n-1－1） ±…±c1（21－1）第58页,共68页，2024年2月25日，星期天折叠二进码用（bn，bn-1，…，b1）表示，它可由自然二进码变换而得。第59页,共68页，2024年2月25日，星期天脉冲编码调制系统（PCM）第60页,共68页，2024年2月25日，星期天PCM编码器实现将样值脉冲变成二进制代码的编码器种类很多，例如有计数型、直读型、逐次比较型、折叠级联型及混合型等。整流器用来判别输入样值脉冲的极性，编出第一位码D1（极性码），同时将双极性脉冲变换成单极性脉冲。比较器是编码器的核心，它通过对输入的样值电流I信和标准电流I权进行比较，从而对输入信号的抽样值实现非线性量化编码。保持电路的作用是保持输入信号的抽样值在整个比较过程中具有一定的幅度。第61页,共68页，2024年2月25日，星期天PCM译码器电阻网络型译码器的原理框图如图所示，它与逐次比较型编码中的局部译码器类似，从原理上说，两者都是用来译码，但编码器中的译码，只译出信号的幅度，不译出极性。第62页,共68页，2024年2月25日，星期天电阻网络型译码器原理框图第63页,