编码和调制技术 (2)精选PPT.ppt

《编码和调制技术 (2)精选PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《编码和调制技术 (2)精选PPT.ppt（118页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、编码和调制技术第1页，此课件共118页哦编码和调制技术编码和调制技术EncoderDecoderModulatorDemodulator数字或模拟数字或模拟数字模拟g(t)m(t)fcx(t)x(t)t ts(f)s(f)f ff fc cg(t)m(t)x(t)s(t)第2页，此课件共118页哦Encoding TechniqueszDigital data,digital signalzAnalog data,digital signalzDigital data,analog signalzAnalog data,analog signal第3页，此课件共118页哦编码z信源编码：用于高

2、效的表达信息，如x字符编码xA/D（模数转换)z信道编码：y用于确保正确收信，如x同步码x校验序列（检纠错编码)第4页，此课件共118页哦Digital Data,Digital SignalzDigital signalyDiscrete,discontinuous voltage pulsesyEach pulse is a signal elementyBinary data encoded into signal elements第5页，此课件共118页哦Terms(1)zUnipolaryAll signal elements have same signzPolaryOne log

3、ic state represented by positive voltage the other by negative voltagezData rateyRate of data transmission in bits per secondzDuration or length of a bityTime taken for transmitter to emit the bit第6页，此课件共118页哦Terms(2)zModulation rateyRate at which the signal level changesyMeasured in baud=signal ele

4、ments per secondzMark and SpaceyBinary 1 and Binary 0 respectively第7页，此课件共118页哦Termsz数字信号是离散、不连续的电压脉冲序列,每个脉冲是一信号元素信号元素。zunipolar单极:所有信号元素具有相同的代数符号,即都为正或都为负zpolar极化:一个逻辑状态以正电平表示,另一逻辑状态以负电平表示zdata signaling rate数据速率:每秒传送的bit数zduration持续Td:发送每一bit所用的时间,对数据速率R,Td=1/Rzmodulation rate调制速率:信号电平变换的速率,依赖于数字编

5、码特性,表示为波特率zbauds波特率:每秒传送的信号元素个数zmark&space:分别表示1和0 第8页，此课件共118页哦z信噪比(Eb/N0)、数据速率、带宽是影响接收器正确地解释接收信号的重要因素。当其它因素不变的情况下,以下的陈述为真:z增加数据传输速率将导致位差错率(概率)的增加zS/N(Eb/N0)增加将减少位差错率z增加带宽将允许使用更高的数据速率z编码方式是另一改善传输性能的因素。编码方式仅简单地将数据位映射到信号元素上。第9页，此课件共118页哦Interpreting SignalszNeed to knowyTiming of bits-when they start

6、 and endySignal levelszFactors affecting successful interpreting of signalsySignal to noise ratioyData rateyBandwidth第10页，此课件共118页哦Comparison of Encoding Schemes(1)zSignal SpectrumyLack of high frequencies reduces required bandwidthyLack of dc component allows ac coupling via transformer,providing i

7、solationyConcentrate power in the middle of the bandwidthzClockingySynchronizing transmitter and receiveryExternal clockySync mechanism based on signal第11页，此课件共118页哦Comparison of Encoding Schemes(2)zError detectionyCan be built in to signal encodingzSignal interference and noise immunityySome codes

8、are better than otherszCost and complexityyHigher signal rate(&thus data rate)lead to higher costsySome codes require signal rate greater than data rate第12页，此课件共118页哦Key Data Transmission TermsTermUnitsDefinitionData elementBitsA single binary one or zeroData rateBits per second(bps)The rate at whic

9、h data elements are transmittedSignal element Digital:a voltage pulse of constant amplitude.Analog:a pulse of constant frequency,phase,and amplitude.That part of a signal that occupies the shortest interval of a signaling codeSignaling rate or odulation rateSignal elements per second(baud)The rate a

10、t which signal elements are transmitted第13页，此课件共118页哦z信号频谱Signal spectrum:y缺少高频成分的信号意味着传输需要较小带宽。y带有直流成分的信号必须与各传输元件直接物理接触，无直流(DC)成分的信号可以利用比如变压器等交流耦合,它提供了很好的电气隔离,减少了干扰，因此缺少直流成分的信号是理想的。y信号畸变与干扰影响的程度依赖于实际被传输信号谱的特性,通常它发生在信道传递函数靠近频带边缘y一个好的信号设计应当将传输功率集中在传输频带的中央。y有时某一类似的失真干扰可能混在接收信号里,为了识别信号,编码设计的目的就是使得发射信号的

11、谱更加尖锐。第14页，此课件共118页哦z时钟Clocking:y确定每一位的起、止并非一容易之事,一种方法是提供一单独的时钟以同步发送器和接收器,这是一昂贵的办法；另一种方法是通过适当的编码，为被传输的信号提供一同步机制。z差错检测Error detection:y在物理信号编码方式里溶进差错检测能力将使得差错检测更为迅速。z信号干扰及噪声免疫Signal interference and noise immunity:y某些编码在存在噪声的情况下体现出良好的抑制位差错性能。z费用及复杂度Cost and complexity。第15页，此课件共118页哦编码方法编码方法0100110001

12、1 时钟时钟NRZManchester差分差分Manchester第16页，此课件共118页哦Encoding SchemeszNonreturn to Zero-Level(NRZ-L)zNonreturn to Zero Inverted(NRZI)zBipolar-AMIzPseudoternaryzManchesterzDifferential ManchesterzB8ZSzHDB3第17页，此课件共118页哦编码方法编码方法第18页，此课件共118页哦 Code NameFunctionNonreturn to Zero-Level(NRZ-L)0=high level1=low

13、levelNonreturn to Zero Inverted(NRZI)0=no transition at beginning of interval(one bit time)1=transition at beginning of intervalBipolar-AMI0=no line signal1=positive or negative level,alternating for successive onesPseudo-ternary0=positive or negative level,alternating for successive zeros1=no line

14、signalManchester0=transition from high to low in middle of interval1=transition from low to high in middle of intervalDifferential ManchesterAlways a transition in middle of interval0=transition at beginning of interval1=no transition at beginning of intervalB8ZSSame as bipolar AMI,except that any s

15、tring of eight zeros is replaced by a string with two code violationHDB3Same as bipolar AMI,except that any string of four zeros is replaced by a string with one code violation.第19页，此课件共118页哦编码方法编码方法第20页，此课件共118页哦Nonreturn to Zero-Level(NRZ-L)zTwo different voltages for 0 and 1 bitszVoltage constant

16、 during bit intervalyno transition I.e.no return to zero voltageze.g.Absence of voltage for zero,constant positive voltage for onezMore often,negative voltage for one value and positive for the otherzThis is NRZ-L第21页，此课件共118页哦Nonreturn to Zero InvertedzNonreturn to zero inverted on oneszConstant vo

17、ltage pulse for duration of bitzData encoded as presence or absence of signal transition at beginning of bit timezTransition(low to high or high to low)denotes a binary 1zNo transition denotes binary 0zAn example of differential encoding第22页，此课件共118页哦NRZ第23页，此课件共118页哦Differential EncodingzData repre

18、sented by changes rather than levelszMore reliable detection of transition rather than levelzIn complex transmission layouts it is easy to lose sense of polarity第24页，此课件共118页哦NRZ pros and conszProsyEasy to engineeryMake good use of bandwidthzConsydc componentyLack of synchronization capabilityzUsed

19、for magnetic recordingzNot often used for signal transmission第25页，此课件共118页哦数据编码技术z数字数据，数字信号z不归零编码（NRZ）编码使用两种不同电平，一为正，一为负，来做为两个二进制数字的信号元素。NRZ-L用持续的负电平来表示数字1，持续的正电平表示数字0。NRZI在一个单位时间内，保持一个恒定电平，但用是否有跳变来编码。010110NRZ-LNRZI第26页，此课件共118页哦NRZz不归零编码NRZ-L是最早、最通用、用两个电平传送二进制信号的方法z在每一个位间隔里,它不存在过渡态(不回到零电平),电平保持不变。

20、常用负电平代表一个二进制数码,用正电平代表另一个二进制数码,如EIA-232-D。zNRZ的一个变种是不归零、遇一翻转NRZI编码。在位持续时间的电平的翻转(低到高或高到低)标记此间隔的一个二进制1；无变化表示0。zNRZI属差分编码differential encoding。差分编码信号比较相邻信号元素的极性,而不是确定其绝对值。在有噪声的场合,确定电平翻转比将电平值与某一阈值比较更可靠 z在复杂的传输层,信号极性容易被混淆,例如一条多处跳线的双绞线,如果与之相接的设备偶然接反了,对NRZ-L来说所有的1和0都将反相；而对于差分编码则无所谓。第27页，此课件共118页哦NRZzNRZ编码容易

21、工程实现,此外它有效地利用了带宽,许多标准都采用NRZ编码,如100VG-AnyLAN。zNRZ信号的主要限制是其频谱中存在有直流成份,并且缺少同步能力。例如对于NRZ-L考虑一连串的1或0,对于NRZI考虑一连串的0,信号的输出是在一较长的时间周期里保持一个不变的电平,在这种场合下,收、发双方任何的定时偏移都将导致失步,使得接收出错。z由于它们的简单及相对低频率响应的特性,NRZ编码常用在数字电磁编码中,但这些特性又限制了它们在信号传输方面的应用。第28页，此课件共118页哦Multilevel BinaryzUse more than two levelszBipolar-AMIyzero

22、 represented by no line signalyone represented by positive or negative pulseyone pulses alternate in polarityyNo loss of sync if a long string of ones(zeros still a problem)yNo net dc componentyLower bandwidthyEasy error detection第29页，此课件共118页哦多电平二进制多电平二进制Multilevel Binaryz与NRZ码有些不同多电平二进制编码用了两种以上的电平

23、,如双极AMI变种的反向记号和伪三元码。当一连串的1出现时,将不会丢失同步时钟,每个1都将引入一次电平翻转,接收器就可以同步发送器时钟。但一长串的0将带来问题。z多电平二进制编中,二进制0在信号线上无表示的信号；二进制1由正的或负脉冲表示,相邻的1脉冲必须变换极性。这样做的优点在于:y因为1信号在正、负电压间变化,不存在网络直流成份。此外,它的信号带宽也比NRZ窄许多。y交变的脉冲也提共了一种简单的差错检测手段,任何一个孤立的错误,不论是少个1或是多个1,都将引起一个违例。第30页，此课件共118页哦多电平二进制多电平二进制Multilevel Binaryz对于伪三元码上述内容也同样适用,此

24、时二进制1无信号在信号线上存在；二进制0为正、负交变的脉冲。这两种方式特点和应用类同。z虽然二编码提供了一定程度的同步信息,但当一长串0(ATM)或一长串1(伪三元码)将不存在同步位。有几种方法可用来克服这个缺陷,如插入一些别的位强制翻转。这种技术已用于ISDN中针对数据速率相对较慢的传输场合。当然,对高的数据速率,因为它将增加已经很高的信号传输率,这种方法就显得不合适。针对高速率情况,可采用一种混洗(Scramble)的技术解决该问题。第31页，此课件共118页哦PseudoternaryzOne represented by absence of line signalzZero repr

25、esented by alternating positive and negativezNo advantage or disadvantage over bipolar-AMI第32页，此课件共118页哦Bipolar-AMI and Pseudoternary第33页，此课件共118页哦Trade Off for Multilevel BinaryzNot as efficient as NRZyEach signal element only represents one bityIn a 3 level system could represent log23=1.58 bitsyR

26、eceiver must distinguish between three levels(+A,-A,0)yRequires approx.3dB more signal power for same probability of bit error第34页，此课件共118页哦BiphasezManchesteryTransition in middle of each bit periodyTransition serves as clock and datayLow to high represents oneyHigh to low represents zeroyUsed by IE

27、EE 802.3zDifferential ManchesteryMidbit transition is clocking onlyyTransition at start of a bit period represents zeroyNo transition at start of a bit period represents oneyNote:this is a differential encoding schemeyUsed by IEEE 802.5第35页，此课件共118页哦Biphase Pros and ConszConyAt least one transition

28、per bit time and possibly twoyMaximum modulation rate is twice NRZyRequires more bandwidthzProsySynchronization on mid bit transition(self clocking)yNo dc componentyError detectionxAbsence of expected transition第36页，此课件共118页哦数据编码技术z二相码制二相码制要求每位时间中至少要有一次跳变，可以有两次跳变。在曼彻斯特编码中，在每一位的中间有一次跳变。这种位跳变既被用作时钟又表示

29、数据：一次从低到高的跳变表示1，从高到低的跳变表示0。在差分曼特斯特编码中，中位跳变仅用作时钟。而0的编码是用一位开始时有跳变来表示，1用没有跳变来表示。010110ManchesterDifferentialManchester第37页，此课件共118页哦双相位双相位(Biphase)z双相位编码常用的有Manchester和差分(Differencial)Manchester编码。Manchester编码在每个位周期中间都有一次翻转。这个位中间翻转既作为一次时钟、又作为数据:从低到高翻转表示1,从高到低翻转表示0。z对于差分Manchester编码,位中间翻转仅作为一次时钟。0的编码由每个

30、位周期的开始处存在存在翻转来表示,1的编码则表示为在每个位周期的开始处没有没有翻转。差分Manchester编码采用了差分编码的特别优点。z所有的双相位编码技术在每个位时间里都需要至少一次翻转,或许有多达两次翻转。这样,它的最大调制速率将两倍于NRZ编码,意味着其带宽也相应地要宽。第38页，此课件共118页哦双相位双相位(Biphase)z双相位码的主要频谱能量位于0.5到一倍位速率之间。其带宽因此可算是窄的,而且没有直流成份,但它的带宽还是要比多电平二进制码的宽，双相位编码有许多优点:y同步:接收器可以根据每个位时间之前的翻转与发送器保持同步,因此,双相位编码也叫自时钟码y无直流成份:双相位

31、编码是交变的y差错检测:当缺少一个可预见的电平变化时(时钟或Manchester编码的数据),意味着存在错误。只有导线上的噪声将信号在一个可预见电平变化之前和之后翻转,才会导致一个不可检测的错误。出现这种情况的概率一般来讲是不多的。第39页，此课件共118页哦各种不同类型编码方式的谱密度各种不同类型编码方式的谱密度 第40页，此课件共118页哦数据编码技术z二相方案的优点：z同步。z不含直流成分。z差错检测。第41页，此课件共118页哦数据编码技术z编码方案从二进制到信号元素的映射就是传输中使用的编码方案。z接收器解释载运数字数据信号时的任务：z接收器必须知道一个比特何时开始和结束，以便在每个

32、比特时段对输入信号采样一次。z接收器必须识别每个比特的值。第42页，此课件共118页哦不可检测的错误产生示意不可检测的错误产生示意 如Manchester编码010变成000；101变成111:第43页，此课件共118页哦各种数字信号编码速率的归一化信号翻转速率各种数字信号编码速率的归一化信号翻转速率 第44页，此课件共118页哦B8ZS和和HDB3的编码规则的编码规则 第45页，此课件共118页哦Modulation Rate第46页，此课件共118页哦ScramblingzUse scrambling to replace sequences that would produce cons

33、tant voltagezFilling sequence yMust produce enough transitions to syncyMust be recognized by receiver and replace with originalySame length as originalzNo dc componentzNo long sequences of zero level line signalzNo reduction in data ratezError detection capability第47页，此课件共118页哦B8ZSzBipolar With 8 Ze

34、ros SubstitutionzBased on bipolar-AMIzIf octet of all zeros and last voltage pulse preceding was positive encode as 000+-0-+zIf octet of all zeros and last voltage pulse preceding was negative encode as 000-+0+-zCauses two violations of AMI codezUnlikely to occur as a result of noisezReceiver detect

35、s and interprets as octet of all zeros第48页，此课件共118页哦HDB3zHigh Density Bipolar 3 ZeroszBased on bipolar-AMIzString of four zeros replaced with one or two pulses第49页，此课件共118页哦B8ZS and HDB3第50页，此课件共118页哦B8ZS和和HDB3的编码规则的编码规则 混洗混洗 第51页，此课件共118页哦z如果出现连续的八个零且在它们前面的是一正电压脉冲,则这八个零被编码为000+-0-+z如果出现连续的八个零且在它们前面

36、的是一负电压脉冲,则这八个零被编码为000-+0+-z该技术强制产生两个AMI码的违例码,这些违例码不太可能由噪声或其它传输损失形成。接收器识别此模版并且将它们解释成连续的八个零。B8ZS第52页，此课件共118页哦HDB3z高密度双极3个零码HDB3(High-Density Bipolar-3 Zeros)也是基于双极AMI的编码。zHDB3码将每个四个零的串替换成含有一个或两个脉冲的序列。每一种情况第四个零都由一个违例码替换。z该规则还要保证连续的违例码其极性都要改变,因此将不会引入直流成份。这样,如果刚才的违例是正脉冲,当前的违例应为负脉冲,反之亦然。第53页，此课件共118页哦HDB

37、3前面脉冲的极性自上次替换以来双极脉冲(二进制1)的数目奇数偶数0000000000第54页，此课件共118页哦各种不同数字编码类型理论位差错率各种不同数字编码类型理论位差错率 第55页，此课件共118页哦Digital Data,Analog SignalzPublic telephone systemy300Hz to 3400HzyUse modem(modulator-demodulator)zAmplitude shift keying(ASK)zFrequency shift keying(FSK)zPhase shift keying(PK)第56页，此课件共118页哦数据编码技

38、术数字数据，模拟信号z幅移键控（ASK）两个二进制的值用载波信号的两个不同幅度表示。z频移键控（FSK）两个二进制的值用载波频率附近的两个不同的频率表示。z相移监控（PSK）两个二进制的值通过载波信号相位的偏移来表示数据。z所有编码技术所有编码技术(调制方式调制方式)所产生的信号占用的带宽所产生的信号占用的带宽都以载波频率为中心频率都以载波频率为中心频率。第57页，此课件共118页哦Modulation Techniques第58页，此课件共118页哦Amplitude Shift KeyingzValues represented by different amplitudes of car

39、rierzUsually,one amplitude is zeroyi.e.presence and absence of carrier is usedzSusceptible to sudden gain changeszInefficientzUp to 1200bps on voice grade lineszUsed over optical fiber第59页，此课件共118页哦Frequency Shift KeyingzValues represented by different frequencies(near carrier)zLess susceptible to e

40、rror than ASKzUp to 1200bps on voice grade lineszHigh frequency radiozEven higher frequency on LANs using co-ax第60页，此课件共118页哦FSK on Voice Grade Line第61页，此课件共118页哦Phase Shift KeyingzPhase of carrier signal is shifted to represent datazDifferential PSKyPhase shifted relative to previous transmission r

41、ather than some reference signal第62页，此课件共118页哦Quadrature PSKzMore efficient use by each signal element representing more than one bitye.g.shifts of/2(90o)yEach element represents two bitsyCan use 8 phase angles and have more than one amplitudey9600bps modem use 12 angles,four of which have two ampli

42、tudes第63页，此课件共118页哦Performance of Digital to Analog Modulation SchemeszBandwidthyASK and PSK bandwidth directly related to bit rateyFSK bandwidth related to data rate for lower frequencies,but to offset of modulated frequency from carrier at high frequenciesy(See Stallings for math)zIn the presence

43、of noise,bit error rate of PSK and QPSK are about 3dB superior to ASK and FSK第64页，此课件共118页哦数据编码技术幅移键控（ASK）频移键控（FSK）相移键控（PSK）第65页，此课件共118页哦调制技术调制技术00110100010ASKASKFSKFSKPSKPSK第66页，此课件共118页哦ASKz二进制的每个值对应二不同幅值的载波频率。通常,一个二进制数字用一幅值固定的载波频率表示,另一个则用无载波表示:z这里载波信号是Acos(2 fc t+c)。ASK对突变的增益敏感,是一种十分低效的调制技术,在语音级

44、线路上,它典型的应用最多达1200bps。zASk技术也被用于光纤传输数字数据:y对LED发射器,一种信号元素由一光脉冲表示,而另一种则用无光表示;y对激光发射器通常维持一偏置电流,使得设备发射一低能级光,该低能级光表示一种信号元素,而高能级光用来表示另一种信号元素。第67页，此课件共118页哦FSKz两个二进制值由二个在载波频率附近的不同频率表示,产生信号如:z这里f1和f2典型地是位于载波信号fc两旁的、偏移相等的频率。第68页，此课件共118页哦FSKz示例：一个Modem使用FSK在语音级线路全双工通信的例子。语音级线路可通过的频率在300到3400Hz之间,全双工则意味着信号可以同时

45、做双向传送。z为达到这一点,这个带宽再分成在一个方向上(收或者发均可)载波中心频率位于1700 Hz,其两端各偏移100 Hz用来表示1和0。z类似地对另一方向上(发或者收均可)该Modem使用2125 Hz的载波中心频率,再向其两端等距各偏移100 Hz用来表示1和0。第69页，此课件共118页哦FSKzFSK不如ASK那样对误差敏感,在语音级线路上,它典型的应用最高达1200bps(2400bps)。它也常用于高频(3到30MHz)无线电传输,还可以以更高的频率用于采用同轴电缆的局域网上。注意这里稍有一些频谱重叠,会有少许干扰。第70页，此课件共118页哦PSK&QPSKz用载波信号相位的

46、变化用来表示数值。z差分PSK相位的调制变换将参考发送的前一位bit:发送一个与前面已发送信号相同相位的信号表示二进制0；发送一个与刚才发送信号相反相位的信号表示二进制1:zz更有效利用带宽的办法可以使每个信号元素表示多于一位二进制数值。例如,不是象常用的PSK编码技术那样相位只变化180,而是多次90变化,称之为四相位PSK(Quadrature Phase-Shift Keying)QPSK。第71页，此课件共118页哦QPSK每个信号元素不是表示一位而是表示两位二进制数。第72页，此课件共118页哦多级调制方法多级调制方法10110000+90+180+27011信号速率D=数据速率R/

47、l+90o 010o 00+270o 11+180o 114-PSK第73页，此课件共118页哦z利用八个不同相位,可以一次传送三位二进制数。z例如一标准的9600bps Modem使用了12个相位角,其中四个相位上信号具有两个幅值。第74页，此课件共118页哦Modulation PerformancezASK:BT=(1+r)R0rR)Narrowband(F fc)01.000.6700.5BT F,R/BT 01/(1+r)PSK1.00.670.51/(1+r)Multilevel signaling L=4,b=log2L=2 L=8,b=log2L=3 L=16,b=log2L=

48、4 L=32,b=log2L=52.003.004.005.001.332.002.673.331.001.502.002.50第76页，此课件共118页哦多级调制方法多级调制方法216-QAM（正交振幅调制）：使用振幅和相位的（正交振幅调制）：使用振幅和相位的16种组合种组合145o第77页，此课件共118页哦各种数字模拟信号编码方案的位差错率第78页，此课件共118页哦z对一给定的信号化方案,位差错率可以通过增加Eb/N0得到减小,但代价是带宽的增加或数据速率的减小,换言之,减少了带宽效率。z例:设有一位差错率为10-7的信道,S/N=12dB,求FSK,ASK,PSK以及QPSK的带宽系

49、数为多少？Pe=10-7FSK14.2dB-2.2dB0.6ASK14.2dB-2.2dB0.6PSK11.2dB0.8dB1.2QPSK11.2dB0.8dB2.4第79页，此课件共118页哦Analog Data,Digital SignalzDigitizationyConversion of analog data into digital datayDigital data can then be transmitted using NRZ-LyDigital data can then be transmitted using code other than NRZ-LyDigit

50、al data can then be converted to analog signalyAnalog to digital conversion done using a codecyPulse code modulationyDelta modulation第80页，此课件共118页哦Pulse Code Modulation(PCM)(1)zIf a signal is sampled at regular intervals at a rate higher than twice the highest signal frequency,the samples contain al