数据通信_数字信号的频带传输7.ppt

计算机学院计算机学院1数据通信基数据通信基础第第6 6章章 数字信号的数字信号的频带传输（1 1）数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院2复习复习1 1、数字基带信号的波形、数字基带信号的波形 单极性矩形脉冲波形，双极性矩形脉冲波形，单极性矩形脉冲波形，双极性矩形脉冲波形，单极性归零脉冲波形，双极性归零脉冲波形，差分单极性归零脉冲波形，双极性归零脉冲波形，差分波形波形 数据通信基础数据通信基础传输码型的型的选择1 1、线路路码的功率的功率谱应当和信道的当和信道的传输特性相匹配；特性相匹配；2 2、能、能够从基从基带信号中提取信号中提取码元同步所需的定元同步所需的定时信息信息（即（即时钟信号）；信号）；3 3、有、有较低的低的误码率；率；4 4、有一定的、有一定的误码检测能力；能力；5 5、线路路编译码容易容易实现，电路比路比较简单；6 6、功率、功率谱主瓣主瓣宽度小，以度小，以节省省传输带宽。计算机学院计算机学院4复习复习2 2、数字基带信号的编码原则、数字基带信号的编码原则 1 1、有利于提高系统的频带利用率、有利于提高系统的频带利用率 2 2、基带数字信号应该具有尽量少的直流、甚低频和高频、基带数字信号应该具有尽量少的直流、甚低频和高频分量分量 3 3、基带信号中应该具有足够大的供提取码元同步信号、基带信号中应该具有足够大的供提取码元同步信号用的信号分量用的信号分量 4 4、基带传输的码型应基本上不受信号源统计特性的影响、基带传输的码型应基本上不受信号源统计特性的影响 5 5、基带传输码型最好对噪声和码间串扰具有较强的抵抗、基带传输码型最好对噪声和码间串扰具有较强的抵抗力和自检能力力和自检能力 6 6、尽量降低译码过程引起的误码扩散，提高传输性能、尽量降低译码过程引起的误码扩散，提高传输性能 数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院5复习复习3 3、常用基带信号的传输码型、常用基带信号的传输码型AMIAMI，HDB3HDB3，CMICMI，裂相码，密勒码，裂相码，密勒码，mBnBmBnB编码编码4 4、传输码型的选择传输码型的选择a)a)1 1、线路码的功率谱应当和信道的传输特性相匹配；、线路码的功率谱应当和信道的传输特性相匹配；b)b)2 2、能够从基带信号中提取码元同步所需的定时信、能够从基带信号中提取码元同步所需的定时信息息c)c)（即时钟信号）；（即时钟信号）；d)d)3 3、有较低的误码率；、有较低的误码率；e)e)4 4、有一定的误码检测能力；、有一定的误码检测能力；f)f)5 5、线路编译码容易实现，电路比较简单；、线路编译码容易实现，电路比较简单；g)g)6 6、功率谱主瓣宽度小，以节省传输带宽。、功率谱主瓣宽度小，以节省传输带宽。数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院6复习复习4 4、基带传输系统的组成基带传输系统的组成数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院7复习复习5 5、码间串扰是数字通信特有的问题，在数字通信码间串扰是数字通信特有的问题，在数字通信中要尽可能的减小它，理想基带传输特性在理论上中要尽可能的减小它，理想基带传输特性在理论上可以避免码间串扰。可以避免码间串扰。6 6、带限传输系统对信号波形的影响带限传输系统对信号波形的影响7 7、均衡原理均衡原理 数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院8复习复习8 8、眼图：眼图：是一种利用实验手段可方便地估计系统性能的是一种利用实验手段可方便地估计系统性能的方法。从眼图上可以判定码间串扰和噪声的影响。方法。从眼图上可以判定码间串扰和噪声的影响。数据通信基础数据通信基础9第12次课要求数据通信基础数据通信基础内容：内容：6.1 6.1 引言引言 6.2 6.2 数字振幅调制数字振幅调制掌握：掌握：1 1、调制的概念、调制的概念 2 2、调制的功能、调制的功能 3 3、2ASK2ASK调制调制理解：理解：1 1、2ASK2ASK信号的解调信号的解调 2 2、正交振幅调制、正交振幅调制 计算机学院计算机学院106.1 6.1 引言引言n在在数数字字基基带传输系系统中中，基基带信信号号包包含含低低频分分量量，所所以以只能在低通型的信道中只能在低通型的信道中传输。n但但是是在在实际的的信信道道中中，大大多多数数信信道道具具有有带通通传输特特性性，数字信号不能直接在数字信号不能直接在这种信道中种信道中传输。n所所以以，必必须进行行调制制，实现频谱搬搬移移，使使信信号号适适合合信信道道频谱。数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院111 1、调制的制的产生：生：n人人类早早期期用用电缆传送送电信信号号的的时候候，已已经预计到到电信信号号通通过电缆会会产生生衰衰减减，电缆越越长，衰衰减减越越大大，因因此此需需要要加加大大信信号号发送送功功率率和和提提高高接接收收端端灵灵敏敏度来度来对抗衰减。抗衰减。n但但实际通通信信中中，接接收收端端收收到到的的波波形形与与发送送端端的的波波形形完完全全不不同同，这大大大大出出乎乎预料。料。n后后来来，人人们发现信信道道具具有有一一定定的的频率率特特性性，并并不不是是信信号号中中所所有有的的频率率成成分分都能通都能通过信道信道进行行传输，而且不同的信道，能通，而且不同的信道，能通过的的频率成分也不一率成分也不一样。n当当包包括括不不同同频率率成成分分的的信信号号通通过信信道道时，有有一一些些频率率成成分分被被吸吸收收掉掉，只只有有一一部部分分频率率成成分分被被传输到到接接收收端端，因因此此接接收收端端的的波波形形与与发送送端端的的波波形形不不一一样，这种种现象称象称为频率失真率失真。数据通信基础数据通信基础6.1 6.1 引言引言计算机学院计算机学院122 2、调制的概念：制的概念：n调制制指指的的是是将将输入入的的基基带信信号号变换为适适合合于于信信道道传输的的频带信信号号形形式式，这个个变换过程称程称为调制。制。n调制制是是一一种种信信号号处理理技技术，调制制的的本本质是是进行行频谱变换，把把携携带有有用用信信息息的基的基带信号的信号的频谱都低都低频范范围搬移到高搬移到高频范范围。n调制制是是用用基基带信信号号控控制制高高频载波波的的振振幅幅、频率率和和相相位位，使使高高频载波波的的振振幅幅、频率和相位随着基率和相位随着基带信号的信号的变化而化而变化。化。n根据所控制参量的不同，根据所控制参量的不同，调制方法有：幅度制方法有：幅度调制、制、频率率调制、相位制、相位调制。制。数据通信基础数据通信基础6.1 6.1 引言引言13v数字数字调制：制：v在在数数字字通通信信系系统中中，用用数数字字基基带信信号号控控制制高高频载波波的的振振幅幅、频率率或或者者相相位位，使使高高频载波波的的振振幅幅、频率率或或者者相相位位随随着着数数字字基基带信信号号的的不不同同而而不不同同，从从而而将将数数字字基基带信信号号的的频谱搬搬移移到到高高频载波波频率率上上形形成成数数字字频带信信号号，这种种信信号号处理理技技术称称为数字数字调制制3 3、数字、数字调制与解调调制与解调返回目录6.1 6.1 引言引言143 3、数字、数字调制与解调调制与解调返回目录n数字解调：数字解调：在在数数字字通通信信系系统的的接接收收端端，从从已已调高高频载波波上上将将数数字字基基带信信号号还原原出出来来，或或者者说将将数数字字基基带信信号号的的频谱从从高高频载波波频率率上上搬搬移移下下来来，这个个过程称程称为数字解数字解调，它是数字，它是数字调制的制的逆逆过程程。6.1 6.1 引言引言15数字调制与解调数字调制与解调返回目录三种键控方式示意图三种键控方式示意图 164 4调制的功能调制的功能1 1）调制可以方便发射。）调制可以方便发射。返回目录用无线信道进行通信时，发射信号的波长与发射天线的尺寸用无线信道进行通信时，发射信号的波长与发射天线的尺寸应该匹配（天线尺寸应该大于波长的应该匹配（天线尺寸应该大于波长的1/10），这样发射信号才），这样发射信号才可以通过天线有效地发射。可以通过天线有效地发射。电话语音信号的频率范围为电话语音信号的频率范围为300-3400Hz300-3400Hz，其最小波长为：，其最小波长为：波长波长=c/f=3X10=c/f=3X108 8/3400=100KM/3400=100KM则如果用天线发射信号，其天线尺寸为则如果用天线发射信号，其天线尺寸为10KM10KM，在实际应用中是，在实际应用中是不可能的不可能的怎么办？怎么办？对语音信号进行调制，提高发射信对语音信号进行调制，提高发射信号的载波频率，使天线尺寸大大建号的载波频率，使天线尺寸大大建少。少。174 4调制的功能调制的功能2 2）调制可以制可以进行行频率分配。率分配。使用使用调制技制技术则可以将不同的无可以将不同的无线电信号信号（频率范率范围相同或者重叠相同或者重叠）调制到不同的制到不同的频率率范范围上，来避免相互干上，来避免相互干扰。返回目录184 4、调制、调制的功能的功能3 3）调制可以制可以实现信道多路复用。信道多路复用。所所谓多路复用指的是将多路信号在同一个多路复用指的是将多路信号在同一个物理信道中互不干物理信道中互不干扰地地进行行传输的一种通信方的一种通信方式。式。返回目录采用调制技术，将不同的语音信号调制到不采用调制技术，将不同的语音信号调制到不同的频率范围，各频率范围互不重叠，称为同的频率范围，各频率范围互不重叠，称为频道频道194 4、调制、调制的功能的功能4 4）调制可以减少噪声和干制可以减少噪声和干扰。通通过不同的不同的调制方式可以抑制噪声和干制方式可以抑制噪声和干扰。返回目录采用频移键控方式将数字基带信号采用频移键控方式将数字基带信号幅度幅度的变化转的变化转换为数字频带信号换为数字频带信号频率频率频率频率的变化，就可以大大降低的变化，就可以大大降低信道加性噪声信道加性噪声205 5调制的分类调制的分类1 1）根据调制信号的不同可以分为）根据调制信号的不同可以分为模拟调制和数字调制两类模拟调制和数字调制两类。调制信号为模拟基带信号的称为模拟调调制信号为模拟基带信号的称为模拟调制；制；调制信号为数字基带信号的称为数字调调制信号为数字基带信号的称为数字调制。制。返回目录215 5调制的分类调制的分类2 2）根据调制中的高频载波信号的不同可以）根据调制中的高频载波信号的不同可以分为分为连续载波调制和脉冲载波调制连续载波调制和脉冲载波调制两类。两类。高频载波信号为连续波信号的调制称为连续高频载波信号为连续波信号的调制称为连续载波调制，载波调制，高频载波信号为周期脉冲信号的调制称为脉高频载波信号为周期脉冲信号的调制称为脉冲载波调制冲载波调制 返回目录225 5调制的分类调制的分类3 3）按调制器传输特性不同可以分为按调制器传输特性不同可以分为线性调制线性调制和非线性调制。和非线性调制。如果调制器的传输特性是线性函数表示的，在调如果调制器的传输特性是线性函数表示的，在调制前、后的频谱呈线性搬移关系，称为制前、后的频谱呈线性搬移关系，称为线性调制线性调制;如果调制器的传输特性是非线性函数表示的，调如果调制器的传输特性是非线性函数表示的，调制之后会产生新的频率成分，称为制之后会产生新的频率成分，称为非线性调制非线性调制。返回目录235 5调制的分类调制的分类4)4)按调制器的调制方式不同，模拟调制可以分为幅度调按调制器的调制方式不同，模拟调制可以分为幅度调制、频率调制和相位调制三种。制、频率调制和相位调制三种。如果使高频载波的幅度随着调制信号的变化而变化，如果使高频载波的幅度随着调制信号的变化而变化，这种调制称为这种调制称为幅度调制幅度调制；如果使高频载波的频率随着调制信号的变化而变化，如果使高频载波的频率随着调制信号的变化而变化，这种调制称为这种调制称为频率调制频率调制；如果使高频载波的相位随着调制信号的变化而变化，如果使高频载波的相位随着调制信号的变化而变化，这种调制称为这种调制称为相位调制相位调制。返回目录6.2 6.2 数字振幅调制数字振幅调制n数数字字振振幅幅调制制又又称称振振幅幅键控控（Amplitude Amplitude Shift Shift KeyingKeying）是是正正弦弦载波波的的幅幅度度随随数数字字基基带信号而信号而变化的数字化的数字调制制。n调制制信信号号为二二进制制数数字字信信号号时，这种种调制制称称为二二进制制数数字字调制制。在在二二进制制数数字字调制制中中，载波波的幅度、的幅度、频率或相位只有两种率或相位只有两种变化状化状态。6.2.16.2.1二进制幅移键控二进制幅移键控（2ASK2ASK）设：调制信号为设：调制信号为S(t),S(t),载波为载波为coscosc ct,t,则则1、2ASK2ASK信号的时域表达信号的时域表达 振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制。当数字基带信号为信号而变化的数字调制。当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控。二进制时，则为二进制振幅键控。其中其中 Ts 码元持元持续时间；g(t)持持续时间为T Ts s的基的基带脉冲波形，脉冲波形，通常假通常假设是高度是高度为1 1，宽度等于度等于T Ts s的矩形脉冲的矩形脉冲；an 第第n n个符号的个符号的电平取平取值，若取，若取 则相相应的的2ASK2ASK信号就是信号就是OOKOOK信号信号。On-Off Keying OOK是是ASK调制的一个特例调制的一个特例,把一个幅度取为把一个幅度取为0,另一个幅度为非另一个幅度为非0,就就是是OOK，二进制启闭键控，二进制启闭键控(OOK:On-Off Keying)载波s(t)1 0 1 1 0an已调波一个单极性矩形脉冲序列与正弦载波相乘一个单极性矩形脉冲序列与正弦载波相乘数字信号序列数字信号序列载波载波已调信号已调信号数字信号序列数字信号序列GND载波载波已调信号已调信号10101载波s(t)1 0 1 1 0an已调波2 2、2ASK2ASK信号的产生信号的产生（1 1）模拟相乘法）模拟相乘法（2 2）键控法）键控法29 二进制振幅键控信号调制器原理框图二进制振幅键控信号调制器原理框图模拟相乘法模拟相乘法数字键控法数字键控法乘法器乘法器coswcte2ASK(t)(a)coswct开关电路开关电路b b(t t)e2ASK(t)(b)b b(t t)303、2ASK信号的解调信号的解调1 1、非相干解调、非相干解调 ：2ASK2ASK信号的幅度包络包含了基带信号的幅度包络包含了基带信号的全部信息信号的全部信息2ASK包络检波法解调原理图包络检波法解调原理图312ASK包络检波法解调过程示意图包络检波法解调过程示意图32 2 2、相干解调、相干解调 ：接收端产生一个相干载波来解调接收端产生一个相干载波来解调图中带通滤波器的作用是保证信号无失真通过且抑图中带通滤波器的作用是保证信号无失真通过且抑制带外噪声（制带外噪声（P P117117）4 4、2ASK2ASK系统的抗噪声性能系统的抗噪声性能（1 1）相干解调法的抗噪声性能）相干解调法的抗噪声性能 相干解调法的误码率为相干解调法的误码率为为解调器的输入信噪比；为解调器的输入信噪比；a a为为信号振幅，信号振幅，为噪声功率。为噪声功率。当当r r11，即大信噪比时，上式可近似表示为，即大信噪比时，上式可近似表示为（2 2）非相干解调法的抗噪声性能）非相干解调法的抗噪声性能误码率为误码率为结结 论：论：（1)1)信噪比一定时，相干解调法的抗噪声性能优于非相信噪比一定时，相干解调法的抗噪声性能优于非相干解调法的性能，但在大信噪比时，两者性能相差不大；干解调法的性能，但在大信噪比时，两者性能相差不大；在系统误码率一定时，相干解调法比非相干解调法对信在系统误码率一定时，相干解调法比非相干解调法对信号的信噪比要求低。号的信噪比要求低。（2 2）相干解调法需要提取相干载波，而非相干解调法不）相干解调法需要提取相干载波，而非相干解调法不需要，可见相干解调法比非相干解调法设备复杂。需要，可见相干解调法比非相干解调法设备复杂。（3 3）一般而言，对于）一般而言，对于2ASK2ASK系统，大信噪比条件下适宜使系统，大信噪比条件下适宜使用非相干解调法，而小信噪比情况下适宜使用相干解调。用非相干解调法，而小信噪比情况下适宜使用相干解调。36u 2ASK2ASK含含有有较较大大的的载载波波分分量量，而而载载波波分分量量不不携携带带基基带带信信号号的的任任何何内内容容的的，所所以以2ASK2ASK系系统统的的频频带带利利用用率率和功率利用率较低和功率利用率较低。u2ASK2ASK调调制制是是一一种种线线性性调调制制，其其信信号号带带宽宽B B2ask2ask 是是二二进进制基带信号带宽制基带信号带宽B B的的2 2倍。倍。u对对于于二二进进制制基基带带信信号号而而言言，周周期期TsTs，频频率率fsfs，则则码码元速率元速率R RB B 和信息速率和信息速率RbRb之间的关系：之间的关系：Rb=R Rb=RB B=fs=B=fs=B 返回目录5、2ASK的特点：的特点：例：设发送数字信息序列为例：设发送数字信息序列为0110101101，已知某，已知某2ASK2ASK系统的码元速率为系统的码元速率为1000B1000B，所用载波频，所用载波频率为率为2000H2000HZ Z。（1 1）画出相应的）画出相应的2ASK2ASK信号的波形图；信号的波形图；（2 2）求）求2ASK2ASK信号的带宽。信号的带宽。38 在在实实际际的的数数字字通通信信系系统统中中，常常常常采采用用多多进进制制数数字字调调制制来来提提高高频频带带的的利利用用率率，实实现现高高速速信信息息传传输输。如如果果用用多多进进制制数数字字基基带带信信号号对对高高频频载载波波进行调制，就可以得到多进制数字调制信号。进行调制，就可以得到多进制数字调制信号。与与二二进进制制数数字字调调制制类类似似，它它们们也也可可以以分分为为多多进进制制数数字字振振幅幅键键控控（MASKMASK）、多多进进制制数数字字频频率率调调制（制（MFSKMFSK）和多进制数字相位调制（）和多进制数字相位调制（MPSKMPSK）。）。返回目录5、多进制振幅调制简介、多进制振幅调制简介：计算机学院计算机学院39课程总结课程总结1 1、调制的产生、调制的产生2 2、调制的概念、调制的概念3 3、数字调制与解调、数字调制与解调4 4、调制的功能、调制的功能5 5、2ASK2ASK调制的概念调制的概念6 6、2ASK2ASK调制的方法：直接相乘法、幅移键控法调制的方法：直接相乘法、幅移键控法7 7、2ASK2ASK的解调：包络解调和相干解调的解调：包络解调和相干解调8 8、2ASK2ASK的特点的特点9 9、MASKMASK的概念的概念 数据通信基础数据通信基础计算机学院计算机学院40第第13集预告集预告1、数字频率调制、数字频率调制2、数字相位调制、数字相位调制数据通信基础数据通信基础