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1、1第6章 信號編碼技術2信號編碼信號編碼(轉換轉換)(b) 調變成類比信號調變成類比信號(a) 編碼成數位信號編碼成數位信號3信號編碼準則信號編碼準則n有哪些因素影響接收機由輸入信號判讀出數位資料的正確率 ?n訊雜比(Eb/N0或許更恰當) n資料傳輸率n頻寬 n增加資料傳輸率位元錯誤率也會增加 n增加SNR可減少位元錯誤率 n增加頻寬可提高資料傳輸率4編碼技術的因素編碼技術的因素n信號頻譜 n時脈n信號抗干擾與抗雜訊能力n成本和複雜性5數位資料與類比信號數位資料與類比信號 (數位調變數位調變) n數位資料與類比信號 n幅移鍵控調變(ASK)n以載波的兩種振幅分別表示二進制數值 n頻移鍵控調變

2、(FSK)n以接近載波頻率的兩個不同頻率分別表示二進制數值 (BFSK)n相移鍵控調變(PSK)n載波信號的相位表代二進制數值 (BPSK)6三種基本調變波形三種基本調變波形圖6.27幅移鍵控調變幅移鍵控調變(ASK) n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n其中 是載波信號 0 0 1 )2cos()( 二進制二進制tfAtsc)2cos(tfAc8幅移鍵控調變幅移鍵控調變(續續)nASK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 n在傳送聲音等級的線路，典型的資料速率是1200 bps n光纖採用ASK調變方式傳送數位資料9二進制頻移鍵控調變

3、二進制頻移鍵控調變 (BFSK)n最簡單的相移鍵控是用兩個相位表示兩個二進制的數值 其中f1和f2分佈在載波頻率的兩側，且與載波頻率的差相等。 0 )cos(21 )2cos()( 21二進制二進制tfAtfAts10頻移鍵控調變頻移鍵控調變(續續)nBFSK抗雜訊能力比ASK好，其錯誤率較低比ASK好 n在聲頻線路的典型速率上限是1200 bps n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。 11多重多重FSK調變調變 (MFSK) n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 nf i = f c + (2i 1 M)f dnf c =

4、載波頻率nf d =頻率差nM =不同信號單元的數目 = 2 LnL =每個信號單元表示的位元個數 1 ),2cos()(Mit fAtsii12多重多重FSK調變調變(續續)n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 ) n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 : 2Mfdn要區別M個不同頻率最小的頻率間隔是: 2fd=1/Tsn因此調變器需要的頻寬是: Wd=2Mfd=M/Ts13多重多重FSK調變調變(續續)14相移鍵控調變相移鍵控調變(PSK)n二階相移鍵控調變二階相移鍵控調變 (BPSK)n相移鍵控

5、是用兩個相位表示兩個二進制的數值 tstfAc2costfAc2cos1binary 0binary tfAc2costfAc2cos1binary 0binary 15差動差動PSK(differential PSK, DPSK)n二進制 0 s資料為0時載波相位不變(與前一位元時之相位相同) n二進制 1 資料為1時載波相位改變180度(與前一位元時之相位相反) 16四階相移鍵控調變四階相移鍵控調變(QPSK)n四階相移鍵控調變四階相移鍵控調變(QPSK)n每個信號單元表示2個位元 ts42costfAc11432costfAc432costfAc42costfAc01001017QPSK

6、調變方塊圖調變方塊圖圖6.6 18偏移偏移QPSK(offset QPSK, OQPSK)n圖6.6同時也顯示QPSK的一種變化情形，我們稱為偏移QPSK(offset QPSK, OQPSK)，或稱正交QPSK，主要差別是在Q通道延遲一個位元時間，其信號表示成： 11tfTtQtftItscbc2sin)(212cos)(21)( 19QPSKQPSK與與OQPSKOQPSK波形圖例波形圖例 20多階相移鍵控調變之調變率與多階相移鍵控調變之調變率與資料率資料率n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:nD =調變率，單位

7、 baud nR =資料率，單位bps nM =不同信號單元的個數 = 2LnL =每個信號單元的位元數 MRLRD2log21性能分析性能分析n調變信號的傳輸頻寬 (BT)nASK, PSKBT=(1+r)RnFSKBT=2F+(1+r)R nR =資料傳輸速率 n0 r R 0 0 0 窄頻 F R 1.0 0.67 0.5 PSK 1.0 0.67 0.5 多階 PSK M = 4, L = 2 2.00 1.33 1.00 M = 8, L = 3 3.00 2.00 1.50 M = 16, L = 4 4.00 2.67 2.00 M = 32, L = 5 5.00 3.33 2

8、.50 24雜訊環境下的性能分析雜訊環境下的性能分析圖圖6.8各種調變技術的位元錯誤率理論值各種調變技術的位元錯誤率理論值 摘錄自COUC01的結果 25雜訊環境下的性能分析雜訊環境下的性能分析( (續續) )圖圖6.9 MFSK 和和MPSK調變的位元錯誤率理論值調變的位元錯誤率理論值 摘錄自COUC01的結果 26正交振幅調變正交振幅調變(QAM)(QAM)n正交振幅調變(QAM)是由ASK和PSK所結合而成的nQAM使用兩個頻率相同但相位相差的載波同時傳送兩個不同信號單元 tftdtftdtscc2sin2cos2127QAMQAM調變器方塊圖調變器方塊圖 28類比調變類比調變 n數位信

9、號的調變 n當只有類比傳輸設備可用時數位資料必須要轉換成類比信號 n類比信號的調變 n為了有效的傳輸需要一個較高頻率的載波信號 n調變可達到分頻多工的目的 29基本類比調變技巧基本類比調變技巧n類比資料對類比信號n調幅(AM) n角調變n調頻 (FM) n調相(PM) 30振幅調變振幅調變 tftxntsca2cos1n振幅調變ncos2fct = 載波nx(t) =輸入信號(欲傳送的資料)nna =調變指數 n輸入信號與載波的振幅比n這種調變也稱為雙邊帶傳送載波(double sideband transmitted carrier, DSBTC) 31振幅調變時域波形範例振幅調變時域波形範

10、例32振幅調變頻域波形範例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 33振幅調變傳輸功率振幅調變傳輸功率 n傳輸功率 nPt =s(t)全部的傳輸功率 nPc =載波的傳輸功率 212actnPP34單邊帶調變單邊帶調變 nAM 的單邊帶調變 (SSB)n只傳送一個邊帶n不傳送載波與另一邊帶 n優點 n只需一半頻寬 n傳輸功率較低 n不利的缺點n需用通步接收35角調變角調變n角調變:n相位調變:相位正比於調變信號 nnp =相位調變指數n頻率調變:頻率變化(相位微分)正比於調變信號nnf =頻率調變指數 ttfAtscc2cos tmntp tmntf36角調變

11、時域波形範例角調變時域波形範例37類比調變號信號頻寬類比調變號信號頻寬nAM、FM與PM等信號之頻譜 :n皆以載波頻率 fc 為中心 n然而其頻寬差異卻很大 n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 n由此可知FM與PM信號之頻寬比AM信號頻寬大 38角調變號信號頻寬角調變號信號頻寬nCarson法則 其中n改寫FM信號之頻寬公式為BBT12BFBT22FMfor PMfor 2BAnBFAnmfmp39類比資料至數位信號類比資料至數位信號 n類比資料轉至數位信號之技巧 n脈碼調變 (PCM)n脈衝調變 (DM)圖圖6.14 類比資料的數位化類比資料的數位化40

12、類比資料轉至數位信號類比資料轉至數位信號 n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 :n數位資料可使用NRZ-L編碼方式再傳送 n使用NRZ-L以外的其他方式編碼成數位信號再傳送n可將數位資料轉換成類比信號(調變)再傳送41脈碼調變脈碼調變n依據取樣定理： 假如一個信號f(t)在一般期間內以高於其最高信號頻率2倍的速率來加以取樣，那麼所得到取樣信號包含原信號所有資訊，使用一個低通濾波器可將此取樣信號重建回原來之信號f(t)。 n每個類比取樣值必須表示成一個二進制碼 n類比的取樣稱為脈波振幅調變(pulse amplitude modula

13、tion, PAM) n此數位信號是由n位元的區塊所組成，每個n位元數值表示一個PCM脈波的振幅 42脈碼調變脈碼調變( (續續) )圖6.15脈碼調變43脈碼調變脈碼調變( (續續) )n量化PAM信號只能近似而無法完全恢復成原信號 n量化雜訊 n對量化雜訊之訊雜比 n每增加一個位元SNR增加大約6dB (4倍的關係) dB 76. 102. 6dB 76. 12log20SNRdBnn44非線性編碼的效應非線性編碼的效應 45壓彈函數壓彈函數46脈衝調變脈衝調變n類比輸入以每一取樣週期向上或向下移一個準位的步階函數來近似 n每一取樣週期步階函數向上或向下移一個固定的準位值() n比較類比輸入信號與最近的步階函數值 n假如取樣波形的數值超過步階函數時產生一個1 n否則產生一個0 47脈衝調變脈衝調變( (續續) )圖6.1848脈衝調變傳送接收方塊圖脈衝調變傳送接收方塊圖圖6.1949脈衝調變脈衝調變( (續續) )n兩個重要