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电信传输技术第三章本讲稿第一页，共一百二十五页 信息在信道中传输，可以采用多种方式。信息在信道中传输，可以采用多种方式。按信息传送的方向与时间关系，可以分为单按信息传送的方向与时间关系，可以分为单工传输、半单工传输和全双工传输；工传输、半单工传输和全双工传输；按数字信号码元的排列方式，可以分为串行按数字信号码元的排列方式，可以分为串行传输和并行传输；同步传输和异步传输。传输和并行传输；同步传输和异步传输。3.1 信息传输方式信息传输方式本讲稿第二页，共一百二十五页3.1.1 单工、半单工和全双工传输单工、半单工和全双工传输单工传输是指两个通信终端之间的信号（信息）只能在一单工传输是指两个通信终端之间的信号（信息）只能在一个方向进行传输，如图个方向进行传输，如图3-1（a）所示。）所示。半双工传输方式是指通信双方都能收发信息，但不能同时进半双工传输方式是指通信双方都能收发信息，但不能同时进行收和发的工作方式，如图行收和发的工作方式，如图3-1（b）所示。）所示。全双工传输是指通信双方可同时进行双向传输信息的工作方全双工传输是指通信双方可同时进行双向传输信息的工作方式，如图式，如图3-1（c）所示。）所示。本讲稿第三页，共一百二十五页图图3-1 传输方式示意图传输方式示意图本讲稿第四页，共一百二十五页3.1.2 串行传输和并行传输串行传输和并行传输并行传输是将代表信息的数字信号码元序列分割成两路或两并行传输是将代表信息的数字信号码元序列分割成两路或两路以上的数字信号序列同时在信道上传输，则称为并行传输路以上的数字信号序列同时在信道上传输，则称为并行传输通信方式，如图通信方式，如图3-2（a）所示。）所示。串行传输是将代表信息的数字信号码元序列按时间顺序串行传输是将代表信息的数字信号码元序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输，如图一个接一个地在信道中传输，如图3-2（b）所示。）所示。图图3-2并行和串行传输方式并行和串行传输方式本讲稿第五页，共一百二十五页3.1.3 同步传输和异步传输同步传输和异步传输1.异步传输异步传输 这种方式以字符为传输单位，传送的字符之间有无规律的这种方式以字符为传输单位，传送的字符之间有无规律的间隔，这样就有可能使接收设备不能正确接收数据，因为每接间隔，这样就有可能使接收设备不能正确接收数据，因为每接收完一个字符之后都不能确切地知道下一个将被接收的字符将收完一个字符之后都不能确切地知道下一个将被接收的字符将从何时开始。因此，需要在每个字符的头、尾各附加一个比特从何时开始。因此，需要在每个字符的头、尾各附加一个比特位起始位和终止位，用来指示一个字符的开始和结束。起始位位起始位和终止位，用来指示一个字符的开始和结束。起始位一般为一般为“0”占一位，终止位为占一位，终止位为“1，长度可以是，长度可以是1位、位、1.5 位位或或2位，如图位，如图3-3(a)所示。所示。本讲稿第六页，共一百二十五页3-3(a)异步传输异步传输本讲稿第七页，共一百二十五页2.同步传输同步传输 在同步传输方式中，发送方以固定的时钟节拍发送数据信号，收方在同步传输方式中，发送方以固定的时钟节拍发送数据信号，收方以与发端相同的时钟节拍接收数据。而且，收发双方的时钟信号与传输以与发端相同的时钟节拍接收数据。而且，收发双方的时钟信号与传输的每一位严格对应，以达到位同步。在开始发送一帧数据前需发送固定的每一位严格对应，以达到位同步。在开始发送一帧数据前需发送固定长度的帧同步字符，然后再发送数据字符，发送完毕后再发送帧终止字长度的帧同步字符，然后再发送数据字符，发送完毕后再发送帧终止字符，于是可以实现字符和帧同步，如图符，于是可以实现字符和帧同步，如图3-3（b）所示。）所示。3-3(b)同步传输同步传输本讲稿第八页，共一百二十五页3.2 数字基带传输数字基带传输 基带（基带（baseband）是指未经调制变换的信号所占的频带。）是指未经调制变换的信号所占的频带。数字基带传输是把二进制数字信号以电脉冲的形式在实线电数字基带传输是把二进制数字信号以电脉冲的形式在实线电路上进行传输，信号不经过调制，但需要进行码型变换。路上进行传输，信号不经过调制，但需要进行码型变换。数字基带传输系统的基本结构如图数字基带传输系统的基本结构如图3-4所示。它由脉冲所示。它由脉冲形成器、发送滤波器、信道、接收滤波器、抽样判决器与形成器、发送滤波器、信道、接收滤波器、抽样判决器与码元再生器组成。为了保证系统可靠有序地工作，还应有码元再生器组成。为了保证系统可靠有序地工作，还应有同步系统。同步系统。本讲稿第九页，共一百二十五页图图 3-4数字基带传输系统数字基带传输系统本讲稿第十页，共一百二十五页图图3-4所示系统中各部分的作用如下：所示系统中各部分的作用如下：终端终端（如计算机）一般送来的（如计算机）一般送来的“0”、“1”代码序列为单极性码。代码序列为单极性码。脉冲形成器脉冲形成器的作用是把单极性码变换为双极性码或其它形式适的作用是把单极性码变换为双极性码或其它形式适合于信道传输的、并可提供同步定时信息的码型。合于信道传输的、并可提供同步定时信息的码型。发送滤波器发送滤波器的作用是把它变换为比较平滑的波形。的作用是把它变换为比较平滑的波形。信道信道通常采用电缆、架空明线等。通常采用电缆、架空明线等。接收滤波器接收滤波器的作用是滤除带外噪声并对已接收的波形均衡，以的作用是滤除带外噪声并对已接收的波形均衡，以便抽样判决器正确判决。便抽样判决器正确判决。抽样判决器抽样判决器首先对输出的信号在规定的时刻进行抽样，获得抽样值首先对输出的信号在规定的时刻进行抽样，获得抽样值序列，然后对抽样值进行判决，以确定各码元是序列，然后对抽样值进行判决，以确定各码元是“1”码还是码还是“0”码。码。码元再生电路码元再生电路的作用是对判决器的输出的作用是对判决器的输出“0”、“1”进行原始码元进行原始码元再生，以获得与输入波形相应的脉冲序列再生，以获得与输入波形相应的脉冲序列本讲稿第十一页，共一百二十五页3.2.1 数字基带信号的码型和常用波形数字基带信号的码型和常用波形对传输用的基带信号提出两点主要要求：对传输用的基带信号提出两点主要要求：（1）对各种码型的要求，期望将原始信息符号编制成适合）对各种码型的要求，期望将原始信息符号编制成适合于传输用的码型；于传输用的码型；（2）对所选码型的电波形要求，期望电波形适宜于在信道）对所选码型的电波形要求，期望电波形适宜于在信道中传输。中传输。前一问题是传输码型的选择；后一问题是基带波形前一问题是传输码型的选择；后一问题是基带波形的选择。这两个问题既有独立性又相互联系。的选择。这两个问题既有独立性又相互联系。本讲稿第十二页，共一百二十五页1.基带信号的码型基带信号的码型 为适应信道的传输特性及接收端再生恢复数字信号的需要，基带为适应信道的传输特性及接收端再生恢复数字信号的需要，基带传输信号码型设计应考虑如下一些原则：传输信号码型设计应考虑如下一些原则：（1）对于频带低端受限的信道传输，线路码型中不含有直流分量，且）对于频带低端受限的信道传输，线路码型中不含有直流分量，且低频分量较少。低频分量较少。（2）便于从相应的基带信号中提取定时同步信息。）便于从相应的基带信号中提取定时同步信息。（3）信号中高频分量尽量少，以节省传输频带并减少码间串扰。）信号中高频分量尽量少，以节省传输频带并减少码间串扰。（4）所选码型应具有纠错、检错能力。）所选码型应具有纠错、检错能力。（5）码型变换设备要简单，易于实现。）码型变换设备要简单，易于实现。并不是所有的基带信号码型都适合在信道中传输，往往是根据实并不是所有的基带信号码型都适合在信道中传输，往往是根据实际需要进行选择。际需要进行选择。常用的适合在信道中传输的传输码型有常用的适合在信道中传输的传输码型有AMI码、码、HDB3码、码、PST码、码、双相码、密勒（双相码、密勒（Miller）码、）码、CMI码等码等本讲稿第十三页，共一百二十五页2.基带信号的波形基带信号的波形（1）带宽不受限的脉冲波形）带宽不受限的脉冲波形 在带宽不受限的情况下，即信道的带宽远远大于码元传输速率时，在带宽不受限的情况下，即信道的带宽远远大于码元传输速率时，采用的脉冲波形大多为矩形脉冲。采用的脉冲波形大多为矩形脉冲。（2）带宽受限的脉冲波形）带宽受限的脉冲波形 矩形脉冲由于上升和下降是突变的，其低频分量和高频成分比较丰富，矩形脉冲由于上升和下降是突变的，其低频分量和高频成分比较丰富，占用频带也比较宽。如果信道带宽有限，采用以矩形脉冲为基础的码型进行占用频带也比较宽。如果信道带宽有限，采用以矩形脉冲为基础的码型进行传输就不合适，而需要采用更适合于信道传输的波形，譬如采用变化比较平传输就不合适，而需要采用更适合于信道传输的波形，譬如采用变化比较平滑的以升余弦脉冲为基础的脉冲波形。滑的以升余弦脉冲为基础的脉冲波形。本讲稿第十四页，共一百二十五页3.2.2 数字基带信号的功率谱数字基带信号的功率谱 对于基带信号的功率谱来说，包括两个部分：连续谱对于基带信号的功率谱来说，包括两个部分：连续谱和离散谱分量。其连续谱总是存在的，在某些情况下可能和离散谱分量。其连续谱总是存在的，在某些情况下可能没有离散谱分量。没有离散谱分量。图图3-5给出了几种数字基带信号的功率谱。需要注意的给出了几种数字基带信号的功率谱。需要注意的是，图中画出的只是正频谱域部分，负频谱域部分省略未画。是，图中画出的只是正频谱域部分，负频谱域部分省略未画。通过频谱分析可以弄清楚信号传输中一些很重要的问题。通过频谱分析可以弄清楚信号传输中一些很重要的问题。比如信号中有没有直流成分、有没有可供提取同步信号用的离比如信号中有没有直流成分、有没有可供提取同步信号用的离散分量以及根据它的连续谱可以确定基带信号的带宽。散分量以及根据它的连续谱可以确定基带信号的带宽。本讲稿第十五页，共一百二十五页图图3-5 几种数字基带信号的功率谱几种数字基带信号的功率谱本讲稿第十六页，共一百二十五页由上由上图图可可见见：（1）单单极性极性码码既有既有连续谱连续谱，也有离散，也有离散谱谱；双极性；双极性码码只有只有连续谱连续谱，没有离散，没有离散谱谱。（2）定）定义义基基带带信号的信号的带宽为带宽为其其连续谱连续谱的第一零点的第一零点带宽带宽，即即。其中，。其中，为为基基带带信号的信号的码码元元宽宽度（度（），），为归为归零零码宽码宽度（脉冲度（脉冲宽宽度），度），为为占空比。占空比。本讲稿第十七页，共一百二十五页例【例【3.2-1】已知某数字基带信号的码元速率为】已知某数字基带信号的码元速率为1000Baud，其，其码型为占空比为码型为占空比为50%的单极性归零码如图的单极性归零码如图3-6所示。求该基带信所示。求该基带信号的带宽。号的带宽。图图3-6单单极性不极性不归归零零码码本讲稿第十八页，共一百二十五页3.2.3 数字基带信号的传输数字基带信号的传输1.码间串扰码间串扰 数字基带信号通过基带传输系统时，由于系统（主要是数字基带信号通过基带传输系统时，由于系统（主要是信道）传输特性不理想，或者由于信道中加性噪声的影响，信道）传输特性不理想，或者由于信道中加性噪声的影响，使收端脉冲展宽，延伸到邻近码元中去，从而造成对邻近码使收端脉冲展宽，延伸到邻近码元中去，从而造成对邻近码元的干扰，我们将这种现象称为码间串扰。如图元的干扰，我们将这种现象称为码间串扰。如图3-7所示。所示。本讲稿第十九页，共一百二十五页图图3-7 基带传输中的码间串扰基带传输中的码间串扰 码间串扰对基带传输的影响是：易引起判决电路的码间串扰对基带传输的影响是：易引起判决电路的误操作，造成误码。所以我们要研究数字基带系统如何误操作，造成误码。所以我们要研究数字基带系统如何消除码间串扰。消除码间串扰。本讲稿第二十页，共一百二十五页2.无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性 在假设信道和接收滤波器所造成的延迟在假设信道和接收滤波器所造成的延迟t0=0时，无码间串时，无码间串扰的基带系统冲激响应应满足下式扰的基带系统冲激响应应满足下式 的的值值除除时时不不为为零外，其他所有抽零外，其他所有抽样样点均点均为为零。零。本讲稿第二十一页，共一百二十五页其其对应对应的基的基带传输带传输特性特性应满应满足的足的频频域条件域条件 上式称为奈奎斯特第一准则。它为我们确定某基带系统上式称为奈奎斯特第一准则。它为我们确定某基带系统是否存在码间串扰提供了理论依据。是否存在码间串扰提供了理论依据。上式还可以写为上式还可以写为：其中，其中，本讲稿第二十二页，共一百二十五页3.无码间串扰的理想低通滤波器无码间串扰的理想低通滤波器理想低通滤波器其传输函数为：理想低通滤波器其传输函数为：其对应的冲激响应为：其对应的冲激响应为：本讲稿第二十三页，共一百二十五页（a）传输特性传输特性 (b)冲激响应冲激响应图图3-8 理想低通系统理想低通系统 符合奈奎斯特第一准则的、最简单的传输特性是理想低通符合奈奎斯特第一准则的、最简单的传输特性是理想低通滤波器的传输特性，如图滤波器的传输特性，如图3-8所示，所示，本讲稿第二十四页，共一百二十五页在图在图3-8所示的理想基带传输系统中，称截止频率：所示的理想基带传输系统中，称截止频率：为奈奎斯特带宽。称为奈奎斯特带宽。称 为系统传输无码间串扰的最小码元间隔，即奈奎斯特间为系统传输无码间串扰的最小码元间隔，即奈奎斯特间隔。相应地，称隔。相应地，称 它是系统的最大码元传输速率。它是系统的最大码元传输速率。为奈奎斯特速率为奈奎斯特速率当码元速率当码元速率 时系统无码间干扰。时系统无码间干扰。本讲稿第二十五页，共一百二十五页图图3-9所示理想基带系统的频带利用率为所示理想基带系统的频带利用率为（Baud/HzBaud/Hz）显显然，理想低通然，理想低通传输传输函数的函数的频带频带利用率利用率为为2Baud/Hz。这这是最大的是最大的频带频带利用率，因利用率，因为为如果系如果系统统用高于用高于的的码码元速率元速率传传送信送信码时码时，将存在，将存在码间码间串串扰扰。若降低。若降低传码传码率，率，则则系系统统的的频带频带利用率将相利用率将相应应降低。降低。本讲稿第二十六页，共一百二十五页4.无码间串扰的滚降系统无码间串扰的滚降系统滚降特性的构成如图滚降特性的构成如图3-9所示。所示。图图3-9滚降特性的构成滚降特性的构成滚滚降系数降系数为为其中其中是无是无滚滚降降时时的截止的截止频频率，率，为滚为滚降部分的截止降部分的截止频频率。率。显显然，然，本讲稿第二十七页，共一百二十五页具有具有滚滚降系数降系数的余弦的余弦滚滚降特性降特性可表示成可表示成而相应的冲激响应为而相应的冲激响应为本讲稿第二十八页，共一百二十五页 引入引入滚滚降系数降系数后，系后，系统统的的带宽为带宽为：此系此系统统无无码间码间干干扰扰的的码码速率速率为为：无无码间码间干干扰扰的最大的最大码码速率速率为为：此时，系统的最大频带利用率为：此时，系统的最大频带利用率为：在在实际实际系系统统中，常采用具有升余弦中，常采用具有升余弦频谱频谱特性的特性的传输传输函数，函数，其其时时域波形的域波形的“尾巴尾巴”衰减快，而且易于衰减快，而且易于实现实现，缺点是，缺点是频带频带利用利用率低。率低。时时，频带频带利用率利用率为为1Baud/Hz。当当 本讲稿第二十九页，共一百二十五页例例【3.2-2】已知已知码码元速率元速率为为64kBaud，若采用，若采用的升余弦的升余弦滚滚降降频谱频谱信号，求信号，求（1）求信号的）求信号的时时域表达式；域表达式；（2）画出它的）画出它的频谱图频谱图（3）求）求传输带宽传输带宽；（4）求）求频带频带利用率利用率本讲稿第三十页，共一百二十五页5.部分响应系统部分响应系统 奈奎斯特第一准则指出：基带传输系统设计成理想低通特性时，按奈奎斯特第一准则指出：基带传输系统设计成理想低通特性时，按带宽的两倍速率传输码元，不仅能消除码间串扰，还能实现极限频带利带宽的两倍速率传输码元，不仅能消除码间串扰，还能实现极限频带利用率。用率。部分响应波形是一种既使频带利用率高，又使部分响应波形是一种既使频带利用率高，又使“尾巴尾巴”衰减大、收敛快衰减大、收敛快的传输波形。形成部分响应波形的技术称为部分响应技术，利用这类波形的的传输波形。形成部分响应波形的技术称为部分响应技术，利用这类波形的传输系统称为部分响应系统。传输系统称为部分响应系统。部分响应技术是有控制地在某些码元的采样时刻引入码间串扰，这样做部分响应技术是有控制地在某些码元的采样时刻引入码间串扰，这样做能够改变数字脉冲序列的频谱分布，降低对定时精度的要求，同时达到压缩能够改变数字脉冲序列的频谱分布，降低对定时精度的要求，同时达到压缩传输频带，提高频带利用率的目的。当然，这些优点的获取是以牺牲可靠性传输频带，提高频带利用率的目的。当然，这些优点的获取是以牺牲可靠性为代价的。为代价的。本讲稿第三十一页，共一百二十五页6.眼眼 图图 为了衡量数字基带传输系统性能的优劣，在实验室中，通常用示为了衡量数字基带传输系统性能的优劣，在实验室中，通常用示波器观察接收信号波形的方法来分析码间串扰和噪声对系统性能的影波器观察接收信号波形的方法来分析码间串扰和噪声对系统性能的影响，这就是眼图分析法。响，这就是眼图分析法。具体的做法是：用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后具体的做法是：用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步，调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步，这时示波器屏幕上看到的图形很像人的眼睛，故称为这时示波器屏幕上看到的图形很像人的眼睛，故称为“眼图眼图”。本讲稿第三十二页，共一百二十五页7.均衡技术均衡技术 在接收端抽样判决器之前插入一种可调滤波器，将能减少码间串扰的在接收端抽样判决器之前插入一种可调滤波器，将能减少码间串扰的影响，甚至使实际系统的性能十分接近最佳系统性能。这种对系统进行校影响，甚至使实际系统的性能十分接近最佳系统性能。这种对系统进行校正的过程称为均衡。实现均衡的滤波器称为均衡器。正的过程称为均衡。实现均衡的滤波器称为均衡器。均衡分为频域均衡和时域均衡。均衡分为频域均衡和时域均衡。时域均衡是一种能使数字基带系统中码间串扰减到最小程度时域均衡是一种能使数字基带系统中码间串扰减到最小程度的行之有效的技术，比较直观且易于理解，在高速数据传输中得的行之有效的技术，比较直观且易于理解，在高速数据传输中得以广泛应用以广泛应用 本讲稿第三十三页，共一百二十五页3.2.4 数字基带信号的扰码与解扰数字基带信号的扰码与解扰 在数字基带传输码设计中，减少连在数字基带传输码设计中，减少连“0”（或连（或连“1”码）以码）以保证位定时恢复质量是数字基带信号传输中的一个重要问题。将保证位定时恢复质量是数字基带信号传输中的一个重要问题。将二进制数字信息先作二进制数字信息先作“随机化随机化”处理，变为伪随机序列，也能限处理，变为伪随机序列，也能限制连制连“0”码（或连码（或连“1”码）的长度，这种码）的长度，这种“随机化随机化”处理常称处理常称为为“扰码扰码”。在接收端解除这种在接收端解除这种“扰乱扰乱”的过程称为的过程称为“解扰解扰”。完成。完成“扰扰码码”和和“解扰解扰”的电路相应地称为扰码器和解扰器。的电路相应地称为扰码器和解扰器。本讲稿第三十四页，共一百二十五页 采用扰码技术的数字传输系统如图采用扰码技术的数字传输系统如图3-11所示。在发送端用所示。在发送端用扰码器来改变原始数字信号的统计特性，而接收端用解扰器恢扰码器来改变原始数字信号的统计特性，而接收端用解扰器恢复出原始数字信号。复出原始数字信号。3-11 采用扰码技术的数字传输系统采用扰码技术的数字传输系统本讲稿第三十五页，共一百二十五页1.m序列的产生和性质序列的产生和性质 m序列是最常用的一种伪随机序列。它是最长线性反馈移位寄存器序列是最常用的一种伪随机序列。它是最长线性反馈移位寄存器序列的简称。序列的简称。伪随机序列（又称伪随机序列（又称PN码）有如下的特点：码）有如下的特点：具有类似于随机噪声的一些统计特性；具有类似于随机噪声的一些统计特性；便于重复和产生（由数字电路产生）；便于重复和产生（由数字电路产生）；周期序列（经滤波等处理后）。周期序列（经滤波等处理后）。本讲稿第三十六页，共一百二十五页（1）m序列发生器的电路模型序列发生器的电路模型 m级线性反馈移位寄存器的输出序列是一个周期序列，其周期长短级线性反馈移位寄存器的输出序列是一个周期序列，其周期长短由移位寄存器的级数、线性反馈逻辑和初始状态决定。但在产生最长线由移位寄存器的级数、线性反馈逻辑和初始状态决定。但在产生最长线性反馈移位寄存器序列时，只要初始状态非全性反馈移位寄存器序列时，只要初始状态非全“0”即可，关键在于具即可，关键在于具有合适的线性反馈逻辑。有合适的线性反馈逻辑。图中图中 表示反馈线的两种可能连接状态表示反馈线的两种可能连接状态 表示连接线通表示连接线通,第第级输出加入反馈中；级输出加入反馈中；表示连接断开表示连接断开,第第级输出未参加反馈；级输出未参加反馈；本讲稿第三十七页，共一百二十五页图图3-12 m级线性反馈移位寄存器级线性反馈移位寄存器一般形式的线性反馈逻辑表达式为：一般形式的线性反馈逻辑表达式为：本讲稿第三十八页，共一百二十五页（2）m级线性反馈移位寄存器抽头的选取级线性反馈移位寄存器抽头的选取 要用要用m级移位寄存器来产生级移位寄存器来产生m序列，关键在于选择哪几级移序列，关键在于选择哪几级移位寄存器作为反馈。在数学上特征多项式可以反应出线性移位寄位寄存器作为反馈。在数学上特征多项式可以反应出线性移位寄存器的抽头规律，又称为抽头多项式存器的抽头规律，又称为抽头多项式。本原多项式要满足以下本原多项式要满足以下3个条件，就能产生个条件，就能产生m序列：序列：是不能再分解因式；是不能再分解因式；可整除可整除；不可整除不可整除 若加减法的运算是模若加减法的运算是模2的，的，则则的倒量的倒量为为：就代表所就代表所产产生的生的m序列。注意，序列。注意，这这种倒量关系种倒量关系实质实质是是进进行多行多项项式式的除法运算。的除法运算。本讲稿第三十九页，共一百二十五页 2.扰码与解扰的基本原理扰码与解扰的基本原理 图图3-13（a）给出一个扰乱器原理图，图）给出一个扰乱器原理图，图3-13（b）为相应的解）为相应的解扰器。图中用运算符号扰器。图中用运算符号D表示经过一次移位，在时间上延迟一个码元表示经过一次移位，在时间上延迟一个码元时间。时间。图图3-13扰乱器与解扰器扰乱器与解扰器 本讲稿第四十页，共一百二十五页3.扰码器与解扰器的基本结构扰码器与解扰器的基本结构 图图3-14给给出了基本出了基本扰码扰码器和解器和解扰扰器的一般器的一般结结构。它由构。它由n级级移位寄存器移位寄存器组组成，其中成，其中代表相代表相应应位置上的反位置上的反馈馈状状态态。表示第表示第i级级有反有反馈馈；表示无反表示无反馈馈。各系数不同就构成不同的。各系数不同就构成不同的扰码扰码器。器。图图3-14扰码器和解扰器的一般结构扰码器和解扰器的一般结构本讲稿第四十一页，共一百二十五页3.3 数字频带传输数字频带传输 数字调制是指基带信号是数字信号、载波为正弦波的调数字调制是指基带信号是数字信号、载波为正弦波的调制。数字信号的频带传输是用载波信号的某些离散状态来表制。数字信号的频带传输是用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息，在接收端对载波信号的离散调制参量进行征所传送的信息，在接收端对载波信号的离散调制参量进行检测。数字信号的频带传输信号也称为键控信号。检测。数字信号的频带传输信号也称为键控信号。根据已调信号参数改变类型的不同，数字调制可以分根据已调信号参数改变类型的不同，数字调制可以分为幅移键控（为幅移键控（ASK）、频移键控（）、频移键控（FSK）和相移键控）和相移键控（PSK）。）。其中幅移键控属于线性调制，而频移键控属于非线性调其中幅移键控属于线性调制，而频移键控属于非线性调制。制。本讲稿第四十二页，共一百二十五页3.3.1 二进制数字调制二进制数字调制1.二进制幅移键控（二进制幅移键控（2ASK）二进制幅移键控（二进制幅移键控（2ASK）是指高频载波的幅度受调制信号）是指高频载波的幅度受调制信号的控制，而频率和相位保持不变。也就是说，用二进制数字信号的控制，而频率和相位保持不变。也就是说，用二进制数字信号的的“1”和和“0”控制载波的通和断，所以又称通控制载波的通和断，所以又称通断键控断键控OOK（OnOff Keying）。）。本讲稿第四十三页，共一百二十五页（1）2ASK信号的波形及信号的波形及实现实现 2ASK信号可以表示信号可以表示为为数字基数字基带带信号与信号与载载波相乘。一个典型的波相乘。一个典型的2ASK信号信号时间时间波形如波形如图图3-15所示（所示（图图中中载载波波频频率在数率在数值值上是上是码码元速率的元速率的3倍）。倍）。一个正弦型一个正弦型图图3-15 2ASK信号波形信号波形本讲稿第四十四页，共一百二十五页2ASK信号的实现方法有两种：模拟调制法和键控法。如图信号的实现方法有两种：模拟调制法和键控法。如图3-16所示。所示。图图3-16 2ASK信号的实现信号的实现本讲稿第四十五页，共一百二十五页（2）2ASK信号的功率谱及带宽信号的功率谱及带宽 当当S(t)为为0、1等概率出等概率出现现的的单单极性矩形随机脉冲序列极性矩形随机脉冲序列（码元间隔（码元间隔Ts）时，）时，2ASK信号的功率谱密度为：信号的功率谱密度为：2ASK信号的频带宽度信号的频带宽度 为数字基带信号带宽为数字基带信号带宽 的两倍。的两倍。上式中，上式中，为码为码元元传输传输速率。速率。本讲稿第四十六页，共一百二十五页特别：当数字基带信号特别：当数字基带信号 用滚降系数为用滚降系数为 的升余弦的升余弦滚滚降降 脉冲波形表示时，和数字基带系统一样，数字调制系统也应该无码脉冲波形表示时，和数字基带系统一样，数字调制系统也应该无码间干扰。则间干扰。则对应该数字调制系统的频带利用率为对应该数字调制系统的频带利用率为本讲稿第四十七页，共一百二十五页（3）2ASK信号的解调信号的解调 2ASK信号的解调可以采用非相干解调（包络检波）和相干解调两种信号的解调可以采用非相干解调（包络检波）和相干解调两种方式来实现。如图方式来实现。如图3-17所示。所示。（a）非相干解调原理框图）非相干解调原理框图（b）相干解调原理框图）相干解调原理框图图图3-17 2ASK信号的解调原理框图信号的解调原理框图本讲稿第四十八页，共一百二十五页2.二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）二进制频移键控（二进制频移键控（2FSK）是指载波的频率受调制信号的控制，）是指载波的频率受调制信号的控制，而幅度和相位保持不变。而幅度和相位保持不变。（1）2FSK信号的波形及实现信号的波形及实现2FSK信号的典型时间波形如图信号的典型时间波形如图3-18所示所示图图3-18 2FSK信号波形信号波形本讲稿第四十九页，共一百二十五页 通常通常2FSK信号可以由两种电路实现。图信号可以由两种电路实现。图3-19（a）所示为模）所示为模拟调频法；图拟调频法；图3-19（b）所示是用数字键控法产生二进制移频键控）所示是用数字键控法产生二进制移频键控信号的原理图。信号的原理图。（a）调频法）调频法（b）键控法）键控法 图图3-19 2FSK信号的实现信号的实现本讲稿第五十页，共一百二十五页（2）2FSK信号的功率谱及带宽信号的功率谱及带宽 当当s(t)为为0、1等概率出现的单极性矩形随机脉冲序列（码元间隔为等概率出现的单极性矩形随机脉冲序列（码元间隔为Ts）时，）时，2FSK信号功率谱的表达式为信号功率谱的表达式为:式中，利用了式中，利用了的关系。的关系。本讲稿第五十一页，共一百二十五页2FSK的频带宽度为的频带宽度为特特别别：当数字基：当数字基带带信号信号s(t)用用滚滚降系数降系数为为脉冲波形表示脉冲波形表示时时，由于，由于的升余弦滚降的升余弦滚降则此时，则此时，本讲稿第五十二页，共一百二十五页（3）2FSK信号的解调信号的解调 2FSK的解调也可以分为非相干（包络检波）和相干解调，如图的解调也可以分为非相干（包络检波）和相干解调，如图3-20所示。所示。（a）包络检波方框图）包络检波方框图（b）相干解调方框图）相干解调方框图图图3-20 2ASK信号的解调原理框图信号的解调原理框图本讲稿第五十三页，共一百二十五页3.二进制相移键控（二进制相移键控（2PSK）和二进制差分移相键控（）和二进制差分移相键控（2DPSK）相移键控是利用载波相位的变化来传递数字信息，通常可以分为绝相移键控是利用载波相位的变化来传递数字信息，通常可以分为绝对相移键控（对相移键控（2PSK）和相对相移键控（）和相对相移键控（2DPSK）两种方式）两种方式（1）2PSK的的产产生与解生与解调调 2PSK信号的典型信号的典型时间时间波形如波形如图图3-21所示，所示，图图中所有数字信号中所有数字信号“1”码对应载码对应载波信号的波信号的相位，而相位，而“0”码对应载码对应载波信号的波信号的0相位。相位。图图3-21 2PSK波形波形本讲稿第五十四页，共一百二十五页 2PSK信号可以采用两种方法实现：模拟调制法和相移键控法。如图信号可以采用两种方法实现：模拟调制法和相移键控法。如图3-22所示。所示。图图3-22 2PSK的实现方式的实现方式本讲稿第五十五页，共一百二十五页 2PSK信号的解调一般采用相干解调。信号的解调一般采用相干解调。2PSK相干解调原理框图相干解调原理框图如图如图3-23所示。所示。图图3-23 2PSK相干解调原理框图相干解调原理框图本讲稿第五十六页，共一百二十五页（2）二进制相对移相键控（）二进制相对移相键控（2DPSK）的产生与解调）的产生与解调 相对移相键控（相对移相键控（2DPSK）是利用前后相邻码元载波相位的相对变化）是利用前后相邻码元载波相位的相对变化来表示数字信号。来表示数字信号。相对调相值相对调相值 是指本码元的初相与前一码元的初相之差。是指本码元的初相与前一码元的初相之差。并并 设设本讲稿第五十七页，共一百二十五页 2DPSK产生的原理框图如图产生的原理框图如图3-24所示，图（所示，图（a）为模拟调制法，图）为模拟调制法，图（b）为相移键控法。）为相移键控法。图图3-24 2DPSK的实现方式的实现方式本讲稿第五十八页，共一百二十五页 2DPSK信号可以采用相干解调法信号可以采用相干解调法(极性比较法极性比较法)和差分相干解调法和差分相干解调法(相位相位比较法比较法)。相干解调法原理图如图。相干解调法原理图如图3-25所示。所示。图图3-25 2DPSK的相干解调的相干解调图图3-26是是2DPSK信号的差分相干解调信号的差分相干解调(相位比较法相位比较法)器原理图。器原理图。图图3-26 2DPSK的差分相干解调的差分相干解调本讲稿第五十九页，共一百二十五页（3）2PSK、2DPSK信号的功率谱及带宽信号的功率谱及带宽 当当S（t）为）为0、1等概率出现的双极性矩形随机脉冲序列（码元间等概率出现的双极性矩形随机脉冲序列（码元间隔为隔为Ts）时，）时，2PSK、2DPSK信号的功率谱为信号的功率谱为上式中上式中Ps（f）是）是调调制信号制信号S（t）的功率）的功率谱谱密度。此密度。此时时2PSK、2DPSK信信号的号的频带宽频带宽度度为为基基带调带调制信号制信号带宽带宽Bs的两倍。即的两倍。即上式中，上式中，为码元传输速率为码元传输速率 本讲稿第六十页，共一百二十五页特特别别：当数字基：当数字基带带信号信号S（t）用）用滚滚降系数降系数为为降脉冲波形表示降脉冲波形表示时时，由于，由于的升余弦滚的升余弦滚则此时则此时，本讲稿第六十一页，共一百二十五页例例3.3-1 对对最高最高频频率率为为6MHz的模的模拟拟信号信号进进行行线线性性PCM编码编码，量化量化电电平数平数为为，编码编码信号先通信号先通过过 的升余弦的升余弦滚滚降降滤滤波器波器处处理，再理，再对载对载波波进进行行2PSK调调制，求已制，求已调调信号占用信道信号占用信道带宽带宽和系和系统频带统频带利用率。利用率。本讲稿第六十二页，共一百二十五页3.3.2 二进制数字调制系统的抗噪声性能二进制数字调制系统的抗噪声性能 通信系统的抗噪声性能是指系统克服加性噪声影响的能力。通信系统的抗噪声性能是指系统克服加性噪声影响的能力。在数字通信中，信道的加性噪声能使传输码元产生错误，错误在数字通信中，信道的加性噪声能使传输码元产生错误，错误程度通常用误码率来衡量程度通常用误码率来衡量。设发送设发送0、1信号等概率出现，信道参数恒定，噪声为零信号等概率出现，信道参数恒定，噪声为零均值，方差为均值，方差为 的高斯白噪声。几种二进制数字调制系统的高斯白噪声。几种二进制数字调制系统的误码率如表的误码率如表3.3-1所示。所示。本讲稿第六十三页，共一百二十五页 三种数字三种数字调调制系制系统统的的误码误码率率Pe与信噪比与信噪比r的关系曲的关系曲线线如如图图3-27所示。所示。可以看出，在相同的信噪比可以看出，在相同的信噪比r下，相干解下，相干解调调的的2PSK系系统统的的误码误码率率Pe最小；最小；对对不同的不同的调调制方式，当信噪比制方式，当信噪比r相同相同时时，2PSK、2DPSK的的误码误码率小于率小于2FSK，而，而2FSK系系统统的的误码误码率又小于率又小于2ASK系系统统；在；在误码误码率相同条件下，率相同条件下，相干相干2PSK要求要求r最小，最小，2FSK系统次之，系统次之，2ASK系统要求系统要求r最大，它们之间分最大，它们之间分别相差别相差3dB。图图3-27 误码率误码率Pe与信噪比与信噪比r的关系曲线的关系曲线本讲稿第六十四页，共一百二十五页3.3.3 多进制数字调制系统多进制数字调制系统与二进制调制方式相比，多进制调制方式的特点是：与二进制调制方式相比，多进制调制方式的特点是：（1）在相同码元速率下，多进制数字调制系统的信息传）在相同码元速率下，多进制数字调制系统的信息传输速率高于二进制数字调制系统；输速率高于二进制数字调制系统；（2）在相同的信息速率下，多进制数字调制系统的码元传）在相同的信息速率下，多进制数字调制系统的码元传输速率低于二进制调制系统。输速率低于二进制调制系统。采用多进制数字调制的缺点是设备复杂，判决电平采用多进制数字调制的缺点是设备复杂，判决电平增多，误码率高于二进制数字调制系统。增多，误码率高于二进制数字调制系统。本讲稿第六十五页，共一百二十五页1.多进制幅移键控（多进制幅移键控（MASK）多进制数字幅移键控又称多电平调制。由于基带信号的频谱宽度与多进制数字幅移键控又称多电平调制。由于基带信号的频谱宽度与其脉冲宽度有关，而与其脉冲幅度无关，所以其脉冲宽度有关，而与其脉冲幅度无关，所以MASK信号的功率谱的分信号的功率谱的分析同析同2ASK。其带宽为其带宽为其中其中RB是多进制码元速率。是多进制码元速率。MASK系系统统的信息的信息频带频带利用率是利用率是2ASK系系统统的的倍倍 本讲稿第六十六页，共一百二十五页2.多进制频移键控（多进制频移键控（MFSK）多进制数字频移键控是用多个频率的正弦振荡分别代表不同的数字多进制数字频移键控是用多个频率的正弦振荡分别代表不同的数字信息。信息。MFSK系统可看做是系统可看做是M个振幅相同，载波频率不同，时间上个振幅相同，载波频率不同，时间上互不相容的互不相容的2ASK信号的叠加，故带宽为信号的叠加，故带宽为式中，式中，fH为最高载频；为最高载频；fH为最低载频；为最低载频；为为多多进进制制码码元速率元速率 本讲稿第六十七页，共一百二十五页3.多进制相移键控多进制相移