计算机网络通信技术第03章调制解调和多路复用技术.ppt

1、第03章 调制解调和多路复用技术,第03章 调制解调和多路复用技术,内容提要： 调制与解调 基带传输 频带传输 PSK、FSK、ASK 多路复用技术,调制和解调,在计算机与打印机之间的近距离数据传输、在局域网和一些域域网中计算机间的数据传输等都是基带传输。 基带传输实现简单，但传输距离受限。,调制和解调,频带传输：指数据信号在送入信道前，要对其进行调制，实现频率搬移，通过功率放大等环节后再送入信道传输的一种传输方式。 普通家庭用户，通过调制解调器与电话线连接上网就是频带传输方式。,基带数据传输系统的模型,. 发送滤波器：来自DTE的数据脉冲变换成适应信道传输的基带信号，同时对信号的频带加以限制

2、。 . 信道：信号的通路，可以是双绞线、光纤及其他广义信道。 . 接收滤波器：接收信道传来的信号，限制带外噪声进入接收端。 .抽样判决器：带有噪声的数据波形恢复成标准的数据基带信号。,1理想基带传输系统,理想基带传输系统的传输特性具有理想低通特性，其传输函数为,理想基带传输系统,数据信号的频带传输,数据信号：基带传输、频带传输。 频带传输系统组成 传输语音为主的模拟信道，不能传输基带数据信号，对信号变换（调制）才能传输，即要采用频带传输（收端采用相反的过程）。,信号的远距离传输可能存在的问题,在远程串行通信中，应使用通信电缆，从成本角度考虑通常使用电话线作为传输线。 串行通信中，传输的数字信号

3、（方波脉冲序列）要求通信媒介（如电缆、双绞线）必须有比方波本身频率更宽的频带，否则高频分量将被滤掉，使方波出现毛刺而变形。,信号的远距离传输可能存在的问题,在短距离通信时，用连接电缆直接传送数字信号，问题不十分严重； 在远距离通信时，常是利用电话线传送信息，电话线频带很窄，约303000Hz。,电话线的频带图（窄）,数据信号并不能沿导线传输任意长的距离 信号功率在经过一段距离后会逐渐减弱,传输不同频率的波形图,传输线上的电容对不同频率脉冲影响的波形图,数字信号通过电话线传送产生畸变,噪声的影响,长距离传输系统的波形,正弦波信号能比其他信号传播得更远，这一性质形成了绝大多数长途通信系统的基础。

4、远距离传输的信号加在一个正弦波信号上，比该信号直接在线路上传输的距离要远得多。,电话线传送的数据（通过 Modem）,调制器和解调器,调制器（modulator）： 将信号依附于载波的技术称为调制，调制载波以进行传输的硬件设备称。 解调器（demodulator）： 将信号由所依附的载波上分离出来的技术称为解调，接收载波并获取信号的硬件设备。 远程数据传输要求：在线路的一端有一个调制器，另一端有一个解调器。,利用电话线进行信息传输,使用拨号调制解调器,使用电话系统的拨号调制解调器示意图,利用电话线进行信息传输,利用电话线进行信息传输,三种基本数字调制方式,高频载波的参数有幅度、频率和相位 幅移

5、键控（ASK） 频移键控（FSK） 相移键控（PSK）,按照对数字信号的调制技术MODEM 也可分为三类： （1）频移键控（FSK）型 （2）相移键控（PSK）型 （3）相幅调制（PAM）型,MODEM的分类方法之间关系如图,（1）应答式MODEM的发送器,低速MODEM均采用FSK调制技术，即采用两种不同的音频信号来调制数字信号。 “0”和“1”。调制频率的分配是： 1070Hz发送空号（逻辑0） 1270Hz发送传号（逻辑1）,MODEM的调制原理,调制原理,两个调制信号分别由两个振荡器产生，被调制数字信号由RS232C总线送来。 调制后的模拟信号由运算放大器组合后沿着公用电话线发送出去。

6、 当RS-232C的TXD线为-12V（逻辑1）时，电子开关1开启（电子开关2断开），故一串1270Hz脉冲便可经运算放大器OA后输出传号脉中（逻辑1）；当RS-232C的TXD线为12V,（2）应答式MODEM的接收器,MODEM在次通道上接收对方发来的模拟信号，模拟信号的两种频率和主通道不同。通常为： 2 025Hz接收空号（逻辑0） 2 225Hz接收传号（逻辑1） 对方MODEM发来的由上述频率调制的模拟信号由电话传输到接收器的。,MODEM的接收器解调,频带传输系统,频带传输系统的组成如图317所示，它主要由调制器、解调器、信道、滤波器和抽样判决器组成。,调制解调技术,在频带系统中，

7、调制器、解调器是核心，调制解调技术也是通信学科中的关键技术和重要内容。 在频带系统中还有功率放大器、混频器、馈线系统、天线等部分，这些部分从原理角度看对信号不会产生有本质变化，不列在频带系统中。,调制解调技术（2）,数据信号的调制是指利用数据信号来控制一定形式高频载波的参数，以实现其频率搬移的过程。 高频载波的参数有幅度、频率和相位，因此，就形成了幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）三种基本数字调制方式。,幅移键控（ASK）（ 1.定义 ）,幅移键控（ASK， Amplitude Shift Keying）又称幅度键控，它是利用数字信号来控制一定形式高频载波的幅度参数，以

8、实现其调制的一种方式。 二进制信号，称为二进制幅移键控（2ASK）；是多进制（M进制），称为多进制幅移键控（MASK）。若进制数M趋于非常大非常大（无穷大），则此时MASK数字信号就变成了AM模拟信号。,2实现逻辑,数据信号d（t）控制开关的通断。1信号时开关S合上，让载波通过；0信号时开关S断开，载波不能通过。这种通过开关的通断达到载波的有无（实质上是改变载波的幅度）所形成的信号也叫 OOK（Onoff Keying）信号。,3波形,由定义和实现逻辑都可画出2ASK信号的波形，如图所示。,谱密度,谱密度为： 二进制幅移键控信号功率谱密度如图所示。从图中可以求出信号的频带宽度，数字信号的带宽度

9、通常定义为谱幅度从最大值下降到第一个点处的宽度。 因此2ASK的频带宽度为 B2ASK=2b,谱密度(频带传输系统的频带利用率与基带系统相比是较低的),5信号的产生（调制）,2ASK信号的产生（调制）有两类方法 一类是把数字信号看成是一种特殊的模拟信号， 用模拟的方法实现 另一类用键控的方法实现 这两类方法的原理方框图分别如图3-21（a）和（b）所示。图中BPF是带通滤波器，其作用是让信号顺利通过，同时抑制谐波；方框c表示频率为c的载波源。,信号的产生（调制）,用模拟法产生2ASK信号时，数据信号一定要是单极性不归零形式的信号，否则不能产生出2ASK信号,调制,产生2ASK信号的 具体电路,

10、6信号的接收（解调）,2ASK信号的接收有两类方法： 相干接收法 和非相干接收法 图中，LED为线性包络检波器， 输出的波形是输入高频信号的包络； BPF常用匹配滤波器代替 LPF为低通滤波器，,相干接收法(叫同步法)(理解),非相干接收法(工作原理可以用各点波形加以描述),包络检波法和相干解调法是数字调制系统中通用的两类接收方法 由于2ASK信号是用幅度携带数字信号1和0的， 振幅调制一般不容易抗衰落，传输距离受限制。 2ASK常用于数据传输速率较低的场合。,频移键控（FSK）1定义,频移键控（FSK，Frequency Shift Keying）是利用数字信号控制一定形式高频载波的频率参数

11、以实现调制的一种方法。 调制信号是二进制信号，为二进制频移键控（2FSK）； 若是M进制信号，则称为M进制频移键控（MFSK）。 频移键控与模拟调制的调频（FM）相对应，当MFSK的进制数M时，MFSKFM。,2实现逻辑,2FSK信号的实现逻辑如图所示。 原理同2ASK信号一样，数据信号控制开关S。 对“1”信号，S接在载波c1端，让频率为c1的载波通过； 对“0”信号，S接在载波c0上，让其通过。 这样，“1”和“0”信号用两个不同频率的载波来表征。,3.FSK信号波形,FSK信号波形的特点是幅度恒定不变，在每个码元周期内只有频率的变化,4谱特性,2FSK信号的时域表达式也有两种表示方法：

12、式中g（t）为宽度为Tb的矩形脉冲， n表示an的非，（即an1和0时， n0和1。为了方便，表达式中认为高频载波的起始相位为零。,2FSK信号的功率密度,2FSK信号系统频带利用率比较低。,5调制,2FSK信号的产生两类产生方法 模拟调制的方法：它是直接把数据信号 d（t）加到调频器上而产生 2FSK信号。这种方法对 d（t）的要求是只要不归零，单、双极性信号都可以。用调频器产生的2FSK信号通常都是相位的信号。 方法是键控法：它是用数据信号来控制两个门电路，这两个门电路始终是一个打开时另一个关闭，都是高电平有效。因此，在“1”信号时载频c1通过，在“0”信号时载频c0通过。键控法产生的一般

13、是离散的2FSK信号。,产生2FSK信号的两种方法如图,6解调,2FSK信号的解调方法比较多，有相干接收法、非相干接收法（包络检波法）、过零检测法和差分检波法等。下面简要介绍这些方法。,（1）相干接收法,其原理方框图所示，图中两个BPF起分路作用，其中心频率分别是c1和c0，其作用分别是让cosc1t和cosc0t形式的信号通过。工作过程可用各点表达式描述如下：,（2）非相干接收法其原理如图 所示,（3）过零检测法,在码元周期内通过检测信号过零点的次数，就可衡量出频率的高低，从而恢复出1和0信息，这就是过零检测法的基本思想。它的实现原理方框图及各点波形如图所示。,（4）差分检波法,差分检波法原

14、理如图所示。输入信号经带通滤波器滤除带外噪声和无用信号分量后，被分成两路，一路直接进入乘法器，另一路经时延送到乘法器，相乘后再经LPF来提取信号。其解调原理说明如下。 2FSK是一种广泛应用的方式，CCITT推荐数据率低于 1200 bits时使用2FSK方式。 2FSK信号抗衰落性能比较好。,相移键控（PSK）1定义,相移键控（PSK，Dhase Shift Keying）是利用数字信号来控制一定形式高频载波的相位参数，以实现其调制的一种方式。 相位有绝对相位和相对相位之分，相移键控也有绝对相移键控（记为PSK）和相对相移键控（记为DPSK）之分。,相移键控,PSK的相位变化是以未调载波的相

15、位为参考基准的，它是利用载波相位的绝对值来表示数据信息的。相位相同表示“1”信号，不同表示“0”信号。即,相移键控,DPSK是用载波的相对相位变化表示数字信息的。相对相位是指当前码元与前一码之载波的初相（或者末相）之差，当载频与码速之比cbn（整数）时，初相与本相一致。通常规定：,2波形,波形,2PSK，2DPSK信号的波形图，图中假定cb2。由图可以看出，2PSK信号和2DPSK信号的幅度都保持恒定，用相位代表数据信息。 2DPSK信号由于与前一码元载波的相位有关，因此画出了两种形式： 1变0不变 即“1”信号时载波波形与前一波形相反（变化），“0”信号时不变化（相同）； 0变1不变,4谱特

16、性,2PSK信号的时域数学表达式为,52PSK信号产生（调制）,2PSK信号的产生有直接调相法和相位选择法（键控法）。直接调相法的原理可参考图 要求信号d（t）必须是双极性不归零信号,2PSK信号（调制）相位选择,相位选择法方框图如图所示,62PSK信号的接收（解调）,PSK信号是通过相位来携带信息的，用相干接收法解调（也称为极性比较法）。 图中本地载波cosct必须与发端载波同频同相，否则有误差或者出现反相工作情况。 反相工作：指载波的相位由0相位变成相位，或相位变成0相位，使恢复的数字信息就会发生0变1或者1变0的现象。,2PSK信号的接收（解调）,在不考虑噪声时，BPF的输出为,2PSK

17、信号的接收（解调）,相乘器的输出为 z（t）经过LPF后，输出表达式为 可以看出，抽样判决器的正确判决规则应为,小结2,主要介绍了数据信号进行基带传输和频带传输时基本原理与技术。 基带数据信号常见的波形有单双极性归零不归零码、差分码、曼彻斯特码等。,小结2,基带数据传输系统主要由收发滤波器、抽样判决器组成，而频带传输系统主要由调制解调器、收发带通滤波器和抽样判决器组成。 在频带传输系统中，基本的调制方式有ASK，FSK和PSK，在此基础上有QAM，APK和TCM等。解调方法一般有相干接收法和非相干接收法。其性能也因采用不同解调方式而不同。,正交调幅,结合使用频率、振幅和相移，这样不但可以增加合

18、法信号的数目，也能让信号之间保持较大的差异。 正交调幅(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)，它为每个比特组合分配一个给定振幅和相移的信号。,正交调幅,把振幅定义为A1和A2，把相移定义为0、1(4f)、2(4f)和3(4f)，这里的f代表频率。相移分别对应于0、14、24、34个周期。,正交调幅,正交调幅信号定义的规则,模数转换,模数转换也叫解调，是从载波频段变换到基带。 调制解调器检查进来的信号的振幅、频率和相移，并产生相应的数字信号。 有两种通用的方法： (1)直接检出包含在已调波中的相对变化成分； (2)把已调波与未调波进行比较后检出其差分成分。,数

19、字化模拟信号的方法,脉冲幅度调制,脉码调制,由PAM产生的信号看起来似乎是数字式的，由于脉冲的振幅和采样信号一样，其取值是随意的。,采样频率太低 的情景,多路复用技术,从电信角度看，多路复用技术就是许多信号共用一个传输媒质的技术。 在多路复用系统中，把两个或多个信号组合起来，使其通过一个物理电缆或无线信道发送。,多路复用技术,在传输线路的二端对称地设置多路复用器，能相互同时发送和接收数据。 发送数据，需要复接多路数据流；而接收数据，就要将复合的数据流分解成相互独立的数据流。 每个多路复用器都具有复接和分解数据流的功能，以适应双向双工的传输。,多路复用技术,一般的多路复用功能，包括复合、传输、分

20、离三个过程。,多路复用技术,1、频分多路复用(FDM)，应用很广，而且任何用过收音机或电视机的人都熟悉它。 2、时分多路复用(TDM)的一种，常称同步TDM。 3、增加多路复用器的复杂性，对同步TDM效率的改进，为统计TDM。 4、码分复用(CDM)。 5、空分复用技术。,频分多路复用,FDM系统原理,2. 载波系统,电话信号的频谱能量主要在0.33.4kHz之间。把一路电话信号的频谱限制在0.33.4kHz，能得到相当满意的话音质量。 传输媒质(如双绞线、电缆、微波等)，的频带远比4kHz宽。 一条线路只用来传输一路电话，十分浪费。采用频分多路复用技术能改进传输效率。,FDM,传输12路的载

21、波系统为例来说明FDM。 首先将12路语音信号的频带各自限制在0.33.4kHz内，分别用64、68、72、76、80、84、88、92、96、100、104、108kHz的载波进行调幅变频，并分别取出它们的下边带。,12 路载波系统,北美和国际FDM载波标准,同步时分多路复用,如果传输媒质达到的数据率超过要传输的数字信号总的数据率时，同步时分多路复用才是可行的。 与FDM相比，TDM更适合于传输数字信号。,同步时分多路复,2. 同步技术,多路复用器在构成千个传送帧时，需要有某种方法来保证帧同步。 维持帧同步显然很重要，如果源点和终点对每帧中时隙对应的信道分配错位，那么所有的数据都将失去。 通用的方法称为加位成帧技术。,3. 模拟和数字信号源的TDM,3032TDM复用制式帧结构,小 结,本章主要讨论的是基带数据传输系统主要由收发滤波器、抽样判决器组成，而频带传输系统主要由调制解调器、收发带通滤波器和抽样判决器组成。 在频带传输系统中，基本的调制方式有ASK，FSK和PSK等。 解调方法一般有相干接收法和非相干接收法。,小 结