簡報 电子发烧友课件

电子发烧友 电子技术论坛,1,第6章 訊號調變技術, 电子发烧友 电子技术论坛,2,大 綱,數據資料傳輸之基礎觀念 訊號編碼原理概述 數位資料與數位訊號 數位資料與類比訊號 類比資料與類比訊號 類比資料與數位訊號, 电子发烧友 电子技术论坛,3,大 綱,數據資料傳輸之基礎觀念 訊號編碼原理概述 數位資料與數位訊號 數位資料與類比訊號 類比資料與類比訊號 類比資料與數位訊號, 电子发烧友 电子技术论坛,4,數據資料傳輸之基礎觀念,資料速率(data rate)乃定義為資料單元(data element)的傳輸速率，單位常以位元/每秒或位元組/每秒來表示。 訊號傳輸速率通常表示為符元速率(symbol rate)或鲍率(baud rate)，即指每秒所傳送之訊號單元數目。, 电子发烧友 电子技术论坛,5,數據資料傳輸之基礎觀念(續), 电子发烧友 电子技术论坛,6,大 綱,數據資料傳輸之基礎觀念 訊號編碼原理概述 數位資料與數位訊號 數位資料與類比訊號 類比資料與類比訊號 類比資料與數位訊號, 电子发烧友 电子技术论坛,7,資料編碼與調變傳輸概念,(a) 編碼成數位訊號,(b) 調變成類比訊號, 电子发烧友 电子技术论坛,8,資料與訊號編碼之對應方式,數位資料數位訊號：將二進制(binary)資料以線編碼(line coding)的處理方式，轉換成特定的訊號符元格式以利進行傳輸。一般而言，相較於將之編碼成類比訊號，此編碼方式較為節省成本且具有較低複雜度。常見於區域網路(LAN)傳輸應用上。 數位資料類比訊號：於有些傳輸介質通道中，如光纖或非導引式的無線介質，只能允許存在類比訊號。故將數位資料或訊息經由調變適當的連續(類比)載波訊號之方式，編碼成已調變的類比訊號形式。此種編碼方式之運用彈性與所選用載波訊號之振幅、頻率或相位等特性有關。常見於無線通訊中之調變傳輸應用上。, 电子发烧友 电子技术论坛,9,資料與訊號編碼之對應方式(續),類比資料類比訊號：低頻之類比訊號，受限於天線尺吋的實際考量，因而，在非導引式或無線的介質通道上傳輸並不具實用性，故通常需將一個聲音或影像之基頻類比訊號，升頻至較高頻率的類比訊號，以適合於實際上的傳輸實現。 類比資料數位訊號：藉由現代的數位傳輸或交換技術，可提供較高的抗雜訊能力且有效地改善訊號傳輸之品質。利用各種型態的多工與數位編碼調變技術，如脈碼調變(PCM)或差動調變(DM)等，先將類比資料轉換成數位訊號後，再將之透過傳輸通道介質以達到通訊目的。, 电子发烧友 电子技术论坛,10,大 綱,數據資料傳輸之基礎觀念 訊號編碼原理概述 數位資料與數位訊號 數位資料與類比訊號 類比資料與類比訊號 類比資料與數位訊號, 电子发烧友 电子技术论坛,11,影響接收機由接收輸入訊號判別出數位資料的正確率之因素： 訊雜比(S/N ratio, SNR)或訊號之位元單位能量與傳輸頻寬中雜訊頻譜密度之比值 (Eb/N0) 資料速率 傳輸頻寬,影響數位資料傳輸正確率之因素, 电子发烧友 电子技术论坛,12,在其他因素保持不變的情況下： 增加資料速率，位元錯誤率(BER)也會增加。 增加SNR或Eb/N0可減少位元錯誤率。 增加傳輸頻寬可提高資料速率。,影響數位資料傳輸正確率之因素(續), 电子发烧友 电子技术论坛,13,編碼技術,另外一個可以改善傳輸性能的因素則是編碼技術，此編碼技術僅是單純地將資料位元對應成訊號單元 評估與比較編碼技術的方法 信號頻譜 時脈 錯誤偵測 信號抗干擾與抗雜訊能力 成本和複雜性, 电子发烧友 电子技术论坛,14,各種數位訊號編碼格式,NRZ碼：Non-return to zerolevel code 曼徹斯特碼：Manchester code NRZI碼：Non-return to Zero, invert on ones 差動曼徹斯特碼：Differential Manchester code Bipolar-AMI(Alternate Mark Inversion), 电子发烧友 电子技术论坛,15,無歸零碼 (Non-return to zero code, NRZ code), 电子发烧友 电子技术论坛,16,多重準位二進制碼 (Multiple level binary), 电子发烧友 电子技术论坛,17,雙相位(Bi-Phase)編碼, 电子发烧友 电子技术论坛,18,大 綱,數據資料傳輸之基礎觀念 訊號編碼原理概述 數位資料與數位訊號 數位資料與類比訊號 類比資料與類比訊號 類比資料與數位訊號, 电子发烧友 电子技术论坛,19,數位資料與類比信號,類比(連續值)訊號傳送數位資料 幅移鍵控調變(ASK) ：以載波的兩種振幅分別表示二進制數值 頻移鍵控調變(FSK) ：以接近載波頻率的兩個不同頻率分別表示二進制數值 (BFSK) 相移鍵控調變(PSK) ：以載波信號的相位表代二進制數值 (BPSK), 电子发烧友 电子技术论坛,20,調變類比訊號表示數位資料, 电子发烧友 电子技术论坛,21,振幅鍵移調變(ASK),固定振幅的載波出現時表示一個二進數值，沒有載波信號表示另一個二進數值 其中 是載波信號,二進制,二進制, 电子发烧友 电子技术论坛,22,振幅鍵移調變(續),ASK調變中載波信號振幅會瞬間變化， 並不是一個有效率的調變技巧 在傳送聲音等級的線路，典型的資料速率是1200 bps 光纖採用ASK調變方式傳送數位資料, 电子发烧友 电子技术论坛,23,二進制頻率鍵移調變 (BFSK),最簡單的二進制頻率鍵移調變是用兩個相位表示兩個二進制的數值 其中f1和f2是分佈在載波頻率的兩側之頻 率，且與載波頻率的差相等。, 电子发烧友 电子技术论坛,24,二進制頻率鍵移調變(續),BFSK抗雜訊能力比ASK好，在相同條件下，其錯誤率較ASK的低 。 在聲頻線路的典型速率上限是1200 bps 。 可用於高頻(3到30仟赫)無線電傳輸 ，例如，區域性網路的同軸電纜傳輸。, 电子发烧友 电子技术论坛,25,多重FSK調變 (MFSK),使用多個頻率的多重FSK調變 ，其頻寬效率更高，但錯誤率也會較高 其中 f i = fc + (2i 1 M ) f d fc = 載波頻率 fd =頻率差 M =不同信號單元的數目 = 2L L =每個信號單元表示的位元個數, 电子发烧友 电子技术论坛,26,多重FSK調變(續),為配合輸入的資料速率，每個輸出信號單元的周期是:Ts=LT 秒，其中T是位元周期(資料速率 = 1/T ) 一個信號單元期間內頻率固定不變，以此方式編碼L位元所需頻寬是 : 2Mfd 要區別M個不同頻率最小的頻率間隔是: 2fd=1/Ts 因此調變器需要的頻寬是: Wd=2Mfd=M/Ts, 电子发烧友 电子技术论坛,27,多重FSK調變(續),Ts,圖6.8 採用M = 4之MFSK調變之頻率, 电子发烧友 电子技术论坛,28,相位鍵移調變(PSK),二準位相移鍵控調變 (BPSK) ：用兩個相位表示兩個二進制的數值, 电子发烧友 电子技术论坛,29,差動PSK(DPSK),當二進制資料位元為0時，表示訊號相位與前一訊號之相位相同，即相位不變。 當資料位元為1時，表示訊號相位與前一訊號之相位相反，即相差180。, 电子发烧友 电子技术论坛,30,四準位相位鍵移調變(QPSK),四階相移鍵控調變(QPSK) ：每個信號單元表示2個位元, 电子发烧友 电子技术论坛,31,QPSK與OQPSK 調變架構,圖6.10 QPSK與OQPSK調變架構, 电子发烧友 电子技术论坛,32,偏移QPSK(offset QPSK, OQPSK),在圖6.10中同時也呈現了QPSK的另一種變化情形，稱之為偏移QPSK (offset QPSK, OQPSK)，主要差別是在Q位元串流中，加入了一個位元時間之延遲，其訊號可表示成：, 电子发烧友 电子技术论坛,33,QPSK與OQPSK波形圖例, 电子发烧友 电子技术论坛,34,多準位相位鍵移調變 (Multilevel PSK),多階相位一次表示資料的位元數可超過兩個，例如使用八種不同相位之調變方式一次傳送3個位元，其調變率與資料率之關係: 其中 D =調變率，單位 bauds R =資料率，單位bps M =不同信號單元的個數 = 2L L =每個信號單元的位元數, 电子发烧友 电子技术论坛,35,性能分析-傳輸頻寬,調變信號的傳輸頻寬 (BT) ASK, PSK FSK R =資料傳輸速率 0 r 1; F = f2 fc = fc f1, 电子发烧友 电子技术论坛,36,性能分析-傳輸頻寬(續),調變信號的傳輸頻寬 MPSK MFSK L =是每個信號單元可表示編碼的位元數 M =是不同信號單元的數目, 电子发烧友 电子技术论坛,37,性能分析-傳輸頻寬(續), 电子发烧友 电子技术论坛,38,雜訊環境下的性能分析,圖6.12 各種調變技術的位元錯誤率理論值, 电子发烧友 电子技术论坛,39,雜訊環境下的性能分析(續),MFSK調變,MPSK調變, 电子发烧友 电子技术论坛,40,正交振幅調變(QAM),正交振幅調變(QAM)是由ASK和PSK所結合而成 QAM使用兩個頻率相同但相位相差90的載波同時傳送兩個不同信號單元,(6.14),圖6.14此QAM調變訊號表示如下：, 电子发烧友 电子技术论坛,41,QAM調變器方塊圖, 电子发烧友 电子技术论坛,42,大 綱,數據資料傳輸之基礎觀念 訊號編碼原理概述 數位資料與數位訊號 數位資料與類比訊號 類比資料與類比訊號 類比資料與數位訊號, 电子发烧友 电子技术论坛,43,類比調變,類比資料調變成類比訊號有兩個主要的理由： 為了有效地傳輸，因而需要一個較高頻率的載波訊號。實際上非導引式的傳輸不可能用來傳送基頻訊號，因為需要直徑長數千公尺的天線。 藉由類比調變可達到分頻多工之目的, 电子发烧友 电子技术论坛,44,基本類比調變技巧,基本類比調變 振幅調變(amplitude modulation, AM)是最簡單的一種調變 角度調變 頻率調變(frequency modulation, FM) 相位調變(phase modulation, PM), 电子发烧友 电子技术论坛,45,振幅調變,振幅調變信號 其中 cos2fct = 載波 x(t) = 輸入信號(欲傳送的資料) na =調變指數 這種調變也稱為雙邊帶傳送載波(double sideband transmitted carrier, DSBTC), 电子发烧友 电子技术论坛,46,振幅調變時域波形範例, 电子发烧友 电子技术论坛,47,振幅調變頻域波形範例,(a) 調變信號頻譜,(b) AM信號頻譜與載波頻譜, 电子发烧友 电子技术论坛,48,振幅調變傳輸功率,傳輸功率 其中 Pt =s(t)全部的傳輸功率 Pc =載波的傳輸功率, 电子发烧友 电子技术论坛,49,單邊帶振幅調變,AM 的單邊帶調變 (SSB) 只傳送一個邊帶 不傳送載波與另一邊帶 優點 只需一半頻寬 傳輸功率較低 缺點 需用同步接收技術, 电子发烧友 电子技术论坛,50,角度調變,角度調變: 相位調變:相位正比於調變信號 其中 np =相位調變指數 頻率調變:頻率變化(相角微分)正比於調變信號 其中 nf =頻率調變指數, 电子发烧友 电子技术论坛,51,角度調變與振幅調變時域波形範例,載波,弦波調變信號(基頻),DSBTC振幅調變信號, 电子发烧友 电子技术论坛,52,角度調變與振幅調變時域波形範例(續),調變信號,頻率調變信號, 电子发烧友 电子技术论坛,53,角度調變與振幅調變時域波形範例(續),調變信號,相位調變信號, 电子发烧友 电子技术论坛,54,類比調變號信號頻寬,AM、FM與PM等信號之頻譜 : 皆以載波頻率 fc 為中心 然而其頻寬差異卻很大 但是角調變中有 cos( (t)之非線性函數，故產生信號的頻率範圍很大 由此可知FM與PM信號之頻寬比AM信號頻寬大, 电子发烧友 电子技术论坛,55,角度調變信號頻寬,角調變中有 cos(t)之非線性函數，故產生信號的頻率範圍很大 Carson法則估計角度調變信號頻寬 其中 FM信號之頻寬公式為, 电子发烧友 电子技术论坛,56,大 綱,數據資料傳輸之基礎觀念 訊號編碼原理概述 數位資料與數位訊號 數位資料與類比訊號 類比資料與類比訊號 類比資料與數位訊號, 电子发烧友 电子技术论坛,57,類比資料至數位信號,類比資料轉至數位信號之技巧 脈碼調變 (PCM) 差異調變 (DM),類比資料之數位化過程, 电子发烧友 电子技术论坛,58,類比資料轉至數位信號 (續),將類比資料轉成數位資料的程序即是我們熟知的數位化，一旦類比資料轉成數位資料後常可加以運用或處理 : 數位資料可使用NRZ-L編碼方式再傳送 使用NRZ-L以外的其他方式編碼成數位信號再傳送 可將數位資