第二章调制技术

第二章调制技术在数字通信中，调制技术是主要元素之一。被调制的信号可以通过高频传输。因此，才更容易减少低通噪声，例如生物发出的自然声音。电子设备变得越来越小就是因为他们的高频特性。调制技术最关键的优势是使天线长度和频率成反比例。调制频率增加，天线的长度减小。2.1脉冲编码调制脉冲编码调制（PCM）是一种以CCITTG..711和ATT43801定义的模拟信号的数字表示。首先，模拟信号的大小以一个特定的频率被抽样。然后这些抽样信号被量化成一系列的二进制编码符号。脉冲编码调制是数字音频在电脑和光盘格式中的一种存放标准。它还被应用于数字电话系统，它也是数字视频的一种标准。例如，ITU-RBT.601。因为脉冲编码调制需要较多的带宽，它不经常应用于类似DVD或DVR的视频中。取而代之，数字音频的压缩形式更受欢迎。ITU-TG..711是一种用来表示用一个频率为8000Hz抽样的八位压缩PCM语音信号的标准。G..711编码器能够产生64Kbps的比特流。这个标准有两种形式，A律和μ律（A-Lawandμ-Law.）。一个A律G..711PCM编码器能够把13位的线性量化PCM抽样序列（图2.1）转化成8位压缩PCM(对数形式)抽样序列（图2.2），解码器反之亦然。μ律G.711PCM编码器能够把14位的线性PCM抽样序列转换成8位压缩PCM抽样序列。μ律PCM多用于北美和日本，A律用于大多数其他国家。在A律和μ律中通常用-127~0和0~127的数字表示振幅的数值。因此，每个抽样值都需要用8位表示。坐标轴左边的位是有效位先被传输（MSB）。在PCM类型中这些位作为标志位正值用1表示，负值用0表示。A律的第二位到第八位是和μ律相反的。（Bits2through8areinvertedbetweenA-Lawandμ-LawPCM）一些A律和μ律PCM编码的形式已经在下表中给出。在A律中，所有的位都是被倒置传输的。全零码00000000以01010101的形式传输。μ律压扩器（compander）的输出已被给出：这里，x是在1和-1之间的归一化输入，u是压缩参数(通常为255)，sgn(x)是归一化输入的正负号函数。如果u趋近于零，函数接近于线性。A律压扩器的输出如下：这里，A是压缩参数。通常用87.6表示。如果A向1收敛，扩展趋于线性。例如，4位线性量化PCM编码已经在图2.3和表2.1中证明。首先，输入信号被抽样。当声音信号的波形被抽样时，会产生一系列的短脉冲，每个脉冲都表示波形中特定抽样点上的的振幅。这个过程叫做脉冲幅度调制（PAM）。然后，这些值用一个线性或是非线性压扩器量化。在表2.2中，线性量化输出已经给出。为了计算量化噪声，量化的过程可以这样表示：是的量化值，是量化误差。量化噪声的概率密度函数被假定是统一函数，当线性量化时，给出如下：每个阶段的量化值是：这里q代表量化的位数，量化误差的均方根是[30]量化噪声的分贝是2.2增量调制在增量调制中，每个抽样信号都与一个单独的位进行编码，这个位由前一个抽样值和当前抽样值的差异决定。无论新的抽样值比先前的值高与否，这个位都是指定的。因此，只有变化的信号才能被识别。但它不标明采样数据的值。得出的比特流结果可以绘成接近初始模拟信号的阶梯状；1和0分别表示阶梯的增和减。例如，如果考虑一个标准的4千赫兹的声音信道，每秒至少需要抽样8000次才能还原出原始信号。使用增量调制信号可以被编码成8Kbps。如果我们使用256M的PCM，同样的信号能够占据8000×8bps或64Kbps。显然，增量调制传输的数据比PCM少了很多。但是，增量调制不需要过高质量要求，尽管它可以为单调声音工作，但它却不能很好适应信号的突变。总的来说，256M的PCM提供了很好的质量。因为增量调制用一个阶梯状的线性函数来接近声音信号波形，波形相对的要比抽样速率变化的缓慢。这个要求意味着波形必须被过密抽样。过密抽样意思是信号以高于乃奎斯特的速率进行抽样。那么，在增量调制的情况下，抽样速率远远高于两倍带宽的最小速率。为了获得下一个输入的准确预测，增量调制需要过密抽样。因为每次编码抽样都包含了相对较少的信息，增量调制系统比PCM系统需要更高的抽样速率。有两种形式的失真如下，它限制了增量调制编码器在任何给定抽样速率下的性能。斜坡过载失真：如果阶段性的增量太小以至于无法遵循部分陡峭的波形，这个形式的失真就会发生。它只能通过增加阶梯的尺寸来减少。颗粒噪声：在部分小斜坡波形中如果阶梯的大小太大就会产生这种形式的噪声。颗粒噪声可以通过减少阶梯的尺寸来减小。为了优化阶梯尺寸，增量调制编码器的性能将会被影响。这个问题可以通过选择一个适合原信号短期特点的阶梯尺寸变量来解决。当波形陡峭时阶梯的尺寸将增加，当波形相对较缓时阶梯尺寸可以相对减小。这个方法叫做自适应增量调制（ADM）。例如，在表2.7和2.8中，增量调制要求Δ=1V和2V，信号的二进制表示已经在下面的时间轴中特地表示出来。2.3自适应增量调制在增量调制中，斜坡过载失真和颗粒噪声都可以通过保持较小的斜坡尺寸和以远远高于乃奎斯特的速率进行抽样的方法来减少。这种解决方法需要满意的带宽。然而，增量调制因为比PCM需要更少的位还原原信号而被选择。一个更有效的减小斜坡过载失真和颗粒噪声的方法是使增量调制的斜坡尺寸可变。这种调制方法叫做自适应增量调制（ADM）。一个ADM的方块图如2.9.自适应增量调制的阶梯尺寸根据如下公式进行判断。斜坡的尺寸要既适应陡峭斜坡又适应较缓斜坡。常数C1决定了斜坡尺寸变化的速率。如果C接近于1，斜坡的尺寸变化较小。否则，斜坡尺寸的值将会变化较大。在表2.0中，给出了ADM在C=2时的情形。2.4线性编码在基带传输中，二进制逻辑数据要通过电线传输就必须先编码成电信号。线性编码的思想就是用脉冲来表示二进制数据。通常，主要有四种不同的信号形式：单极性，极性，双极性，极性交替反演信号。2.4.1单极性信号在单极性信号中，一个二进制符号，数字0，代表没有脉冲，（例如，一个空格），另一个二进制符号，数字1，代表一个脉冲。有两种单极性信号，非归零码（NRZ）和归零码（RZ）。非归零码中，在一个时间周期里信号没有变化。然而，归零码的脉冲只填满了时间周期的第一半部分，后半部分变为零。归零码和非归零码都有缺点。因为这些信号有一个在0HZ处用一条线代替的直流信号的谱（BecausethesesignalshaveaDClevelrepresentedintheirspectrabyalineat0Hz）。如果这些信号是通过与变压器或交流中继器联系在一起传输，在0HZ处的谱线将被移除信号变成极性信号。因为归零码和非归零码的信号在0HZ处的频谱都是非零的，通过交流耦合传输的脉冲波形都是失真的。因此，当表示长串的0或1时，直流或是基带将会交替发生。2.4.2极性信号极性信号指的是用脉冲和负脉冲表示的二进制1和0组成的行编码。极性归零码和非归零码信号与单极性归零码和非归零码信号的频谱具有相同的形状。如果极性和单极性信号都通过交流传输则他们需要相同的带宽，他们受同样的失真影响。相反的，因为没有直流信号极性信号比单极性信号具有强大的能量优势。因此，对于相同的信号功率来说，它的比特错误率较小。2.4.3双极性信号在双极性信号中，如表2.14所示，符号分别为以T0/2为带宽的正负脉冲。双极性信号在0Hz处频谱为零。因此，非常适合交流耦合输电线路。曼彻斯特编码是用于磁记录和以太网局域网络。2.4.4双极性交替反演信号在双极性信号中用三种不同的电压（+V，0，—V）来表示二进制符号。因此，它被称为伪三元线性编码。0经常代表0电压，1交替的代表+V和—V。因为码的电压是变化的，双极性频谱在0HZ处为空。因此，它很适合交流线路传输。此外，交流电压使双极性信号具有了一些错误检测能力。2.4.5反演码在反演码信号中，正负振幅代表数字0值幅值连续代表数字1。表2.16给出了一种极性非归零码的形式。在这种情况下，连续的若干个幅值都是每个脉冲的倒置。因此，CMI是双极性信号和非归零AMI的组合。2.4.6nBmT编码在nBmT行编码中，n个二进制的符号被映射成m个三进制的符号。例如，一个4B3T的编码表在表2.3中给出。4B3T应用于ISDNBRI界面。在这种方法中，用三个脉冲表示四个二进制位。它使用三个状态：+，0和—分别表示正脉冲，无脉冲和负脉冲。这里，我们用四位也就是16种可能的输入组合来表示27种输出组合。000并不用来代表无变化的长周期。每四位一组的二进制数据会根据表2.3被编码成三进制的符号。每一组将用一个以上的三进制符号表示。在表2.3中仅给出了他们当中的一个。解码的过程也就是反向的执行编码的过程。每组的四位都是从接收的以三个为一组的三进制的符号的转换而获得的。解码是根据表2.4中给出的公式进行的。如同编码表中给出的那样左边的每一组（包括二进制和三进制）都是第一位右边的都是最后一位。在失活的情况下，三进制组000被接受后解码成0000。在表2.17中给出了8位序列的不同的行编码方法。薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿羁膂莈蚅袇膁蒀蒈螃膀膀蚃虿腿节蒆羈芈莄蚁袄芈蒆蒄螀芇膆蚀蚆袃莈蒃蚂袂蒁螈羀袁膀薁袆袁芃螆螂袀莅蕿蚈衿蒇莂羇羈膇薇袃羇艿莀蝿羆蒂薆螅羅膁蒈蚁羅芄蚄罿羄莆蒇袅羃蒈蚂螁羂膈蒅蚇肁芀蚁薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿羁膂莈蚅袇膁蒀蒈螃膀膀蚃虿腿节蒆羈芈莄蚁袄芈蒆蒄螀芇膆蚀蚆袃莈蒃蚂袂蒁螈羀袁膀薁袆袁芃螆螂袀莅蕿蚈衿蒇莂羇羈膇薇袃羇艿莀蝿羆蒂薆螅羅膁蒈蚁羅芄蚄罿羄莆蒇袅羃蒈蚂螁羂膈蒅蚇肁芀蚁薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀