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 5.2.1 ASK信号调制解调原理 图 5-2 数字调幅基本框图 图 5-3 2ASK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 5.2.2 2ASK调制波功率谱 如果设 s(t)的功率谱密度为 sp sf2()Gf 2sf2 2ss( ) ( )nG f f n f(f )= P(1P) + (1P) 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 5-5 2ASK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 5-10 16QAM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 = 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。 5.3.1 PSK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 5-11 PSK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 5-12 2PSK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 nD na1nD = 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 = nanD na 1nD a n = 1 0 1 1 0 D n - 1 =0 D n = 1 1 0 1 1 注 ： 算法可以看成 相同为 0 ， 不同为 1 图 5-14 PSK和 DPSK的内在联系图 图 5-15 2DPSK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 5-17 2DPSK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 5-21 4PSK矢量图 图 5-22 调相法产生 4PSK信号原理图 图 5-23 4PSK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 1c c n 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。 c1n 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 5-27 A， 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） 5.4.1 2FSK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 5-30 FSK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。 5.4.2 2FSK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 5-33 2FSK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/ 2 1 / 2 b i t / ( s H z )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/（ sHz）。 5.6.2 多相调制方式 图 5-34 4PSK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 b s b b/ 2 / 1f f f fbit/（ sHz） 同理，可得八相调相方式的高频信道利用率为 b s b b/ 2 / 2 ( / 3 ) 1 . 5f f f fbit/（ sHz） 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 5-35 16APK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 5-36 TCM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 TDM 1时分复用的概念及复用方式 将低速数据流合并成高速数据流的常用方法是时分复用。 比特交织复用又称按位复用。 字符交织复用又称按字复用。 2数字数据传输的包封复用方式 （ 1） X.50建议 （ 2） X.51建议 5.9.5 数字数据传输系统的构成 图 5-37 数字数据传输系统构成 5.9.6 本地传输系统 本地传输系统是指从用户终端至本地局之间的数字传输系统，即通常所称的用户环路传输系统。 传输线路多是采用双绞线的接口设备。 图 5-38 包封前后的信号结构 图 5-39 承载速率信号转换成 64 kbit/s的通用信号示意图 5.9.7 交叉连接和复用 图 5-40 数字数据传输系统构成 小 结 1本章重点介绍频带传输。频带传输是建立在基带传输的基础上。 为了实现通过带通型信道传输数据信号，如通过电话网信道传输数据信号，必须采用调制解调方式。 调制解调的任务就是进行频谱搬移，即将数据信号的基带搬移到与信道相适应的带通频带当中去。 2数字调制的方式有 3种：数字调幅；数字调相和数字调频。 3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。 4以基带数据信号控制一个载波的幅度，使载波的幅度随基带信号的变化而变化，称为数字调幅，又称幅移键控，简写为ASK。 由于 2ASK信号的功率谱是双边带谱，所以 2ASK信号的带宽是基带信号带宽的两倍。 数据传输的频带利用率将降低 50%，也即传输的有效性降低，因此采用正交幅度调制（ QAM）。 5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，将所得到的两路已调信号进行叠加。 采用正交幅度调制以后。 带宽 B没有改变，对于每一路信号的传输速率