第5章 数据信号的频带传输

第5章数据信号的频带传输频带传输系统5.1数字调幅5.2数字调相5.3频移键控（FSK）5.4各种调制方式的信道频带利用率比较5.6最小移频键控（MSK）5.5数字调幅调相5.7格型编码调制（TCM）的概念5.8数据信号数字传输5.9本章节教学说明本章重点学习数据信号的频带传输相关理论本章主要学习调幅、调相、调频相关原理和方法本章主要系统介绍了数据信号的数字传输过程本章节内容概述2ASK2DPSK2FSK多相调制本章节学习重点、难点2ASK2DPSKM-QAM本章节学习目标掌握2ASK的基本原理和QAM的调制方式重点掌握2DPSK的调制和解调重点理解多相调制的相关原理掌握数据信号的数字传输过程本章节学习能力要素及基础要求课前预习相关内容了解现实中数据信号的数字传输例子本章节学习方法建议预习复习结合实验操作与课堂学习结合自学与探讨结合课后作业与章节个人总结结合寻求教师答疑与学习反馈结合频带传输又称调制传输，它主要适用于电话网信道的传输。5.1频带传输系统基带传输和频带传输主要是由于传输的信道不同，频带传输需要对信号进行调制。所谓调制，就是在基带数据信号上附加一个载波，通过载波的帮助使基带信号在带通信道上传输，就如我们骑马上山，马就相当于载波。频带传输系统与基带传输系统的区别在于：频带传输系统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。调制和解调综合起来实现的设备称为调制解调器（Modem）。图5-1频带传输基本结构调制的定义：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化而变化。用以调制的基带信号是数字信号，所以又称为数字调制。在调制解调器中都选择正弦（或余弦）信号作为载波。这是因为正弦信号形式简单，便于产生和接收，且由于正弦信号有幅度、频率、相位3种基本参量，因此可以构造数字调幅、数字调相和数字调频3种基本调制方式。5.2数字调幅5.2.1ASK信号调制解调原理图5-2数字调幅基本框图图5-32ASK信号波形ASK已调波的解调，可用非相干解调和相干解调两种方法。图5-4包络检波示意图5.2.22ASK调制波功率谱如果设s(t)的功率谱密度为spsf2()Gf2sf22ss()()nGffnf∞∞(f)=P(1−P)+(1−P)式中，G(f)为g(t)的傅里叶变换，如果s(t)是单极性不归零矩形脉冲序列，对的所有整数时G(nf)=0，则由上式可知没有直流分量。0n图5-52ASK信号的功率谱密度示意图5.2.3单边带和残余边带调制的概念ASK信号具有两个边带，而且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。残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。5.2.4正交幅度调制正交幅度调制的基本思想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。图5-6正交幅度调制信号的产生和解调图5-7正交调幅功率谱示意图通过正交幅度调制信号的产生和解调，我们看到了其自身的优越性，它可以成功地在传输信号频带不增加的情况下，通过两路信号的正交来提高传输信号的有效性。而且正交幅度调制信号的产生和解调都相当简单，易于实现。因此，为了更好地理解正交幅度调制的特点，我们再从两个方面加以阐述。第一方面：正交幅度调制的矢量关系图5-8正交幅度调制信号产生的矢量表示图第二方面：星座图表示法图5-9正交幅度调制信号的矢量图图5-1016QAM星座图QAM方式的主要特点是有较高的频谱利用率。M值越大即星点数越多，其频谱利用率就越高，目前可以做到Ｍ=64甚至更高，故正交幅度调制方式一般应用于高速数据传输系统中。5.3数字调相数字调相的基本定义为：以基带数据信号控制载波的相位，使载波的相位随基带信号的变化而变化称为数字调相，又称相移键控，简写为PSK。5.3.1PSK信号及功率谱密度数字调相分为两类，即绝对调相（PSK）和相对调相（DPSK）。绝对调相信号的变换规则是：数据信号的“1”对应于已调信号的0°（正弦波）相位；数据信号的“0”对应于已调信号的180°（余弦波）相位，或反之。这里的0°和180°，是以未调载波的0°作参考相位的。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180°相位（正弦变余弦或者余弦变正弦）；数据信号的“0”使已调信号的相位变化0°相位（不变），或反之（简单说就是“遇1变，遇0不变”）。图5-11PSK信号的波形5.3.2二相调相信号的产生和解调1．2PSK信号的产生和解调如前所述，2PSK信号与抑制载波的2ASK信号等效，因此，可以利用双极性基带信号通过乘法器与载波信号相乘得到2PSK信号，这是产生2PSK信号的一种方法。图5-122PSK信号的产生和解调图5-13二分频电路相位不定性示意2．2DPSK信号的产生和解调PSK和DPSK均是相位变化来反映基带信号变化的情况，那么两者之间是否存在内在的联系呢？答案是肯定的。我们设an、Dn分别表示绝对码序列和差分码序列，由于相对码是在绝对码的基础上变化而成的，其相应关系为nDna1nD=其中Dn-1为Dn的前移一位，也即在Dn的前面加上一位1或者0，不影响计算结果。假设基带数据序列为=10110，则其相对序列为=nanDna1nDan=10110Dn-1=0Dn=11011注：算法可以看成相同为0，不同为1图5-14PSK和DPSK的内在联系图图5-152DPSK信号的产生图5-16差分码变换电路2DPSK的解调有两种方法：极性比较法和相位比较法。图5-172DPSK极性比较法解调图5-18差分码/绝对码变换2DPSK信号另一种解调方法是相位比较法，又称差分相干解调法。由于2DPSK信号的参考相位是相邻前一码元的载波相位，故解调时可直接比较前后码元载波的相位，从而直接得到相位差携带的数据信息。图5-19相位比较法解调的原理框图图5-20相位比较法解调过程5.3.3多相调制在数字相位调制中，不仅可以采用二相调制，还可以采用多相调制，即用多种相位或相位差来表示数字数据信息。如果把输入二进制数据的每个比特编成一组，则构成所谓的比特码元。每一个比特码元都有2k种不同状态，因而必须用M=2k种不同相位或相位差来表示，称为M相调相。1．四相调相四相调相，即4PSK，是用载波的4种不同相位来表征传送的数据信息。我们把组成双比特码元的前一信息比特用A代表，后一信息比特用B代表，并按格雷码排列，以便提高传输的可靠性。图5-214PSK矢量图图5-22调相法产生4PSK信号原理图图5-234PSK信号解调原理图2．四相绝对调相与相对调相四相调相和前面一样也有绝对调相和相对调相之分。绝对调相的载波起始相位与双比特码（因为双比特码构成四种相位）之间有一种固定的对应关系；但是相对码的载波起始位置与双比特之间没有固定对应关系，它只是跟前一时刻的双比特码元对应的载波相位有关，是相对于前一时刻的相位变化而得到。其关系式为1ccn其中，为本时刻相对调相已调载波起始相位，为前一时刻相对调相已调载波起始相位，为本时刻载波被绝对调相的相位。c1nn图5-24/4系统已调波的波形图3．八相调相八相调相是有效地提高频谱利用率的一种方式。它是把0～2分成8种相位，已调波相邻相位之差为2/8＝/4。二进制信息码元的3比特组成一个八进制码元，并与一个已调波的起始相位对应。所以，必须将二进制的基带信码经串/并转换，变为3比特码元，然后进行调相。3比特码元的组合情况不同，对应的已调载波相位就不同。图5-26八相相位及八相调相示意图图5-27A，B两路电平以及调制合成矢量图5-28八相调相信号解调原理图5.4频移键控（FSK）5.4.12FSK信号及功率谱密度所谓调频，就是用基带数据信号控制载波的频率，使载波的频率随基带信号的变化而变化，称为数字调频，又称频移键控（FSK）。图5-29频移键控原理图图5-30FSK已调波的功率谱对于2FSK调制方式，则有如下结论：（1）如果移频指数不是整数时，则功率谱密度中无离散谱，当＜0.7时，大部分功率集中在2fb频带内；（2）当较大时，大部分功率集中在（2＋）fb范围内；（3）当＞1时，2FSK的频谱利用率比2PSK要低，但是FSK方式是用频带携带信息，与幅度无关，故对加性干扰而言它的抗干扰性较好，而且容易实现，因此在无线信道上较多采用FSK方式。5.4.22FSK信号的产生和解调1．2FSK信号的产生2FSK信号是两个数字调幅信号之和，因此2FSK信号的产生可用两个数字调幅信号相加的办法产生。图5-31所示介绍的就是相位不连续的2FSK信号产生的原理图。图5-31相位不连续的2FSK信号产生图5-32相位不连续的2FSK信号产生2．FSK信号的解调FSK信号的解调通常有两种方法：分路选通滤波非相干法和振幅鉴频非相干法，其对应的解调器分别如图5-33（a）和5-33（b）所示。图5-332FSK信号非相干解调5.5最小移频键控（MSK）在连续相位的移频键控的基础上发展了最小移频键控的调制方式，即MSK方式。MSK方式在功率利用率和频带利用率上均优于2PSK，MSK调制方式在移动通信等领域得到了广泛应用。最小移频键控（MSK）是相位连续的2FSK的一个特例。MSK又称快速移频键控（FFSK）。5.6各种调制方式的信道频带利用率比较5.6.1二进制方式因为频带传输有调制过程，故占用的信道带宽比基带传输宽。2ASK方式的高频信道利用率为bb/21/2bit/(sHz)ff2PSK方式的功率谱形状与ASK一致，两种方式只是幅度不同，但高频信道利用率相同，即二者均为0.5bit/（sHz）。5.6.2多相调制方式图5-344PSK与2PSK已调波的功率谱因为四相调相要对基带码进行串/并转换，故码元速率是比特速率的一半，所以四相调相已调波的双边功率谱第一个过零点宽度为fs，则四相调相信号的高频信道利用率为bsbb/2/1ffffbit/（sHz）同理，可得八相调相方式的高频信道利用率为bsbb/2/2(/3)1.5ffffbit/（sHz）5.7数字调幅调相所谓数字调幅调相，又称幅度相位键控（APK），它是将调幅和调相结合起来的一种调制方式。如适当地选择幅度和相位，可以做到相同频带利用率下可增加信号空间信号点的最小距离。图5-3516APK和16PSK的信号空间分布图在数据传输系统中，许多类型的解调器都是采用相干解调的方式。5.8格型编码调制（TCM）的概念格型编码调制，即TCM方式是将调制和编码合为一体的调制技术，它打破了调制与编码的界限，利用信号空间状态的冗余度实现纠错编码，以实现高速率、高性能的传输。图5-36TCM示意图5.9数据信号数字传输5.9.1数据信号数字传输概念数字数据传输的定义就是：在数字信道中传输数据信号称为数据信号的数字传输，简称数字数据传输。5.9.2数据信号数字传输的特点（1）从数据信号的特点来看，由于不需要调制，不需要设备较复杂的调制解调器，而只需要一种功能简单的数据服务单元（DSU）。（2）数据传输速率高。（3）传输可靠性高。5.9.3数字数据传输的实现方式（1）同步传输数据终端设备（DTE）发出的数据信号和待接入的PCM信道的定时时钟是相互同步的，即DTE发出的数据信号在速率和时间上都受到PCM信道的时钟控制，这时可以利用同步复用，并充分利用PCM信道的传输容量。缺点：由于所有的DTE都处于受控的从属单位，数据传输系统的灵活性差。（2）异步传输如果DTE的数据信号时钟与PCM信道时钟是非同步的，则称为异步传输。异步数据传输方式分为代码变换方式和脉冲塞入方式两类。5.9.4数字数据的时分复用——TDM1．时分复用的概念及复用方式将低速数据流合并