第2章 数据信号的传输

第2章数据信号的传输第2章数据信号的传输数据信号传输是数据通信的基本问题三种传输方式：基带传输、频带传输和数字传输基带传输：不搬移基带信号频谱直接传输基带信号频带传输：经过调制将基带信号的频谱搬移到相应的载频频带再进行传输数字数据传输：在数字信道中传输数据信号信道（Channel）是通信系统中必不可少的部分。信道是指以传输介质为基础的信号通路。具体地说，信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路；抽象的说，信道是指定的一段频带，它让信号通过，同时又给信号以限制和损害。信道的作用是传输信号。①基带传输是指由数据终端设备（DTE）送出的二进制“1”

或“0”的电信号直接送到电路的传输方式。基带信号未经调制，可以经过码形变换（或波形变换）进行驱动后直接传输。基带信号的特点是频谱中含有直流、低频和高频分量，随着频率升高，其幅度相应减小，最后趋于零。基带传输多用在短距离的数据传输中，如近程计算机间数据通信或局域网中用双绞线或同轴电缆为介质的数据传输。②大多数传输信道是带通型特性，基带信号通不过。采用调制方法把基带信号调制到信道带宽范围内进行传输，接收端通过解调方法再还原出基带信号的方式，称为频带传输。这种方式可实现远距离的数据通信，例如利用电话网可实现全国或全球范围的数据通信。③数字数据传输是利用数字话路传输数据信号的一种方式。例如，利用PCM（脉冲编码调制）数字电话通路，每一个话路可以传输64kbit/s的数据信号，不需要调制，效率高，传输质量好，是数据通信很好的一种传输方式。2.1数据信号及特性描述2.1.1数据序列的电信号表示1

单极性不归零信号（NRZ），码元间隔内，用正电位表示1码，用零电位表示0码2

单极性归零信号，用宽度为t的正脉冲表示1，用零电位表示03

双极性不归零信号分别用正和负表示1和04

双极性归零信号结合2和35

差分信号前后码元电位改变表示1，不变为02.1数据信号及特性描述2.1.2基带数据信号的功率谱特性在通信中,除特殊情况(如测试信号)外,数字基带信号通常都是随机脉冲序列。因为若在数字通信系统中所传输的数字序列不是随机的,而是确知的,则消息就不携带任何信息,通信就失去意义。研究随机脉冲序列的频谱,要从统计分析的角度出发,研究它的功率谱密度。功率谱密度定义是：对于具有连续频谱和有限平均功率的信号或噪声，表示其频谱分量的单位带宽功率的频率函数。在物理学中，信号通常是波的形式，例如电磁波、随机振动或者声波。当波的频谱密度乘以一个适当的系数后将得到每单位频率波携带的功率，这被称为信号的功率谱密度或者谱功率分布。功率谱密度的单位通常用每赫兹的瓦特数（W/Hz）表示，或者使用波长而不是频率，即每纳米的瓦特数（W/nm）来表示。上面能量谱密度的定义要求信号的傅里叶变换必须存在，也就是说信号平方可积或者平方可加。如果信号可以看作是平稳随机过程，那么功率谱密度就是信号自相关函数的傅里叶变换。傅里叶分析的结果之一就是Parseval定理，这个定理表明能量谱密度曲线下的面积等于信号幅度平方下的面积，总的能量是：2.1.2基带数据信号的频谱特性随机信号的功率谱密度是用来描述信号的能量特征随频率的变化关系。功率谱密度简称为功率谱，是自相关函数的傅里叶变换。对功率谱密度的估计又称功率谱估计。由于随机信号的随机性，各样本函数不同，故任一样本函数对应的功率谱密度函数都不能用来代表随机过程的功率谱密度函数。因此，只有将所有可能出现的每一个样本函数的功率谱密度函数的统计平均值作为随机过程的功率谱密度函数才是合理的。2.1.2基带数据信号的频谱特性通常把来自计算机、电传机、传真机等数据终端设备的信号称为基带数据信号。基带数据信号的主要特征是：信号的主要能量都集中在从零频（直流）或非常低的频率开始，至某频率的频带范围内。这种数据信号所占的频段不是低通型频带就是带通型频带。如果是带通型，则其下限频率也是在距零频不远处。2.1.2基带数据信号的频谱特性

傅立叶变换能将满足一定条件的某个函数表示成三角函数（正弦和/或余弦函数）或者它们的积分的线性组合。傅里叶变换是一种分析信号的方法，它可分析信号的成分，也可用这些成分合成信号。许多波形可作为信号的成分，比如正弦波、方波、锯齿波等，傅里叶变换用正弦波作为信号的成分。

1.基带数据信号的一般表示式

一般令g1(t)代表二进制数据符号的“0”,g2(t)代表“1”,码元的时间间隔为T。假设数据序列出现“0”,“1”概率分别为P和1-P,且认为它们的出现彼此统计独立,则基带数据信号可表示为2.基带数据信号的功率谱密度(1)基本分析利用随机信号的分析方法可得随机数据信号序列的功率谱密度表示式为几种数据序列的功率谱密度

（1）单极性归零序列功率谱密度为（2）双极性归零序列功率谱密度为（3）双极性不归零序列功率谱密度为分析系带数据信号的功率谱意义有：1研究能否获取时钟频率分量2大致了解传播数据信号所需基带宽度3判断能否用基带传输2.2数据信号的基带传输数据终端输出的数据信号代码序列为基带数据信号，基带数据信号的主要特征是：信号的主要能量是集中于0开始至某一频率带。这种基带数据信号所占的通型频带即为基带。不搬移基带信号频谱的传输方式为基带传输。2.2.1基带数据传输构成模型基带传输系统的基本原理框图,如图2-6所示。图中，发送滤波器的作用是限制信号频带并起波形形成作用；信道是信号的传输媒介，可以是各种形式的电、缆；接收滤波器用来滤除带外噪声和干扰，并起波形形成作用；均衡器用来均衡信道特性不理想,采样判决器的作用是恢复发送的数码.由于有噪声和码间干扰恢复的数码可能有差别，故判决输出用另外的符号表示。我们将研究从1点到2点之间的传输特性。

如何从2点的波形中准确的进行判决，从而恢复发送的数据序列，这是基带传输所要研究的主要问题。

2.2.2几种基带形成网络1理想低通网络假定图2-6中1--2点的系统传输特性是理想低通传输特性，如图2-7所示。

其传递函数可表示为

据信号与传输理论可知，网络对单位冲激脉冲的响应，就是网络传递函数的傅立叶反变换，即

3部分响应系统1.基本原理

部分响应形成系统是一种可实现的传输系统，它允许存在一定的、受控的码间干扰，而在接收端可以加以消除，这样的系统既能使频带利用率提高到理论上的最大值，又可近似地物理实现。这类系统称为部分响应形成系统。2.第一类部分响应形成系统

这里采用两个在时间错开的波形相加，即系统的冲激响应为2.2.3时域均衡1.时域均衡的作用

时域均衡的思路是消除接收的时域信号波形的取样点处的码间干扰,并不要求传输波形的所有细节都与奈氏准则所要求的理想波形完全一致。2.时域均衡的基本原理

时域均衡器主要是由横截滤波器构成,它是由多级抽头迟延线、可变增益电路和求和器组成的线性系统,构成结构图如图2-15所示。2时域均衡的基本原理3注意分析例2-22.2.4数据序列的扰乱与解扰1扰乱与解扰的作用所谓扰乱,就是将输入数据序列按某种规律变换成长周期序列,使之具有足够的随机性。经过扰乱的数据序列通过系统传输后,在接收端还要还原成原始数据序列,这就需要在接收端进行扰乱的逆过程——解扰。

2基本原理最有效的数据序列扰乱方法是用一个随机序列与输入数据序列进行逻辑加,这样就能把任何输入数据序列变换为随机序列。扰乱器与解扰器原理如图2-17所示。2.2.5数据传输系统中的时钟同步

数据传输系统接收端就需要有一个定时时钟信号，并对这定时时钟信号的要求是：定时时钟信号速率与接收信号码元速率完全相同，并使定时时钟信号与接收信号码元保持固定的最佳相位关系。接收端获得或产生符合这一要求的定时时钟信号的过程称为时钟同步，或称为位同步或比特同步。在数据通信系统中通常是采用时钟提取的方法实现时钟同步，时钟提取的方法分为两类：自同步法和外同步法，在基带数据传输中，多数场合是采用自同步法。2.3数据信号的频带传输频带传输又称调制传输。电话网传输信道是带通型信道。通带范围是300~3400,带通型信道不适合于直接传输基带信号，需要对基带信号进行调制以实现频谱搬移使信号频带适合于信道频带。理想低通信道“就是信号的所有低频分量，只要其频率不超过某个上限值，都能够不失真地通过此信道。而频率超过该上限值的所有高频分量都不能通过该信道。

带通信道只允许上下限之间的信号频率成分不失真的通过，其他频率成分不能通过。

2.3数据信号的频带传输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。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。

2.3数据信号的频带传输调制的定义：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。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。频带传输又称调制传输，它主要适用于电话网信道的传输。用以调制的基带信号是数字信号，所以又称为数字调制。2.3数据信号的频带传输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，便于产生和接受，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。2.3.1频带传输系统的构成

频带传输系统与基带传输系统的区别在于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，调制和解调合起来称为Modem。当基带信号为二进制时，所进行的数字调制就是二进制数字调制，常见的有二进制振幅键控2ASK、频移键控2FSK和相移键控2PSK及差分相移键控2DPSK。2.3.2数字调幅以基带数据信号控制一个载波的幅度，称为数字调幅，又称幅移键控，ASK。

1.二进制数字调幅幅度键控可以通过乘法器和开关电路来实现。载波在数字信号1或0的控制下通或断，在信号为1的状态载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为0的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送。那么在接收端我们就可以根据载波的有无还原出数字信号的1和0。对于二进制幅度键控信号的频带宽度为二进制基带信号宽度的两倍。幅移键控法(ASK)的载波幅度是随着调制信号而变化的，其最简单的形式是，载波在二进制调制信号控制下通断，此时又可称作开关键控法(OOK)。2多进制数字调幅多电平MASK调制方式是一种比较高效的传输方式，但由于它的抗噪声能力较差，尤其是抗衰落的能力不强，因而一般只适宜在恒参信道下采用。

2.3.3数字调相以基带数据信号控制载波的相位，称为数字调相，又称相移键控，简写为PSK。

1.PSK信号及功率谱密度按PSK的基本定义可画出如图2-46所示数据信号与PSK信号的对应波形。图中2-46(a)是信号序列；2-46(b)是未调载波信号，2-44(c)为二相绝对调相信号，记为2PSK；2-46(d)为二相对调相信号，或称差分调相信号，记为2DPSK。数字调相信号功率谱密度就是载波频率为fc的抑制载波的双边带谱，与抑制载波的2ASK功率谱相同，也是双边带带宽。

(2)2PSK信号的产生和解调图2-47(a)给出的是一种用相位选择法产生2PSK信号的原理框图。这种2PSK信号的解调存在一个问题，即2分频器电路输出存在相位不定性或称相位模糊问题。当二分频器电路输出的相位为00或1800不定时，相干解调的输出基带信号就会存在0或1倒相现象，这就是二相绝对调相，即2PSK方式不能直接应用的原因所在。解决这一问题的方法就是采用相对调相，即2DPSK式。(3)2DPSK信号的产生和解调①2DPSK信号的产生根据2DPSK信号和2PSK信号的内在联系，只要将输入的基带数据序列变换成相对序列，即差分码序列，然后用相对序列去进行绝对调相，便可得到2DPSK信号。②2DPSK信号的解调2DPSK的解调通常采用极性比较法，极性比较法是对2DPSK信号先进行2PSK解调，然后用码变换器将差分码变为绝对码。在进行2PSK解调时，可能会出现“1”，“0”倒相现象，但变换为绝对码后的码序列是唯一的，即与倒相无关。2.多相调相及频带利用率(1)四进制调相四相调相，即4PSK，是用载波的四种不同相位来表征传送的数据信息。如前所述，在4PSK调制中，首先对输入的二进制数据进行分组，将二位数字编成一组，即构成双比特码元。k比特码元有2k种组合，即有2k种不同状态，故可以用m=2k种不同相位或相位差来表示，对于k=2,则m＝22=4，故称为四相调相。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。按国际统一标准规定，双比特码元与载波相位的对应关系有两种，称为A方式和B方式，它们的对应关系如表2-1所示，它们之间的矢量关系如图2-53所示。双比特码元载波相位ABA方式B方式00101101

0π/2π3π/2

5π/47π/4π/43π/4双比特码元载波相位ABA方式B方式00101101

0π/2π3π/2

5π/47π/4π/43π/42)多相调相的频带利用率。多相调相的频带利用率为2.3.4数字调频用基带数据信号控制载波的频率，称为数字调频，又称频移键控(FSK)。1．2FSK信号及功率谱密度(1)2FSK信号二进制移频键控就是用二进制数字信号控制载波频率f1，当传送“1”码时输出频率；当传送“0”码时输出频率f0。(2)2FSK信号功率谱密度（相位不连续的）2FSK信号的功率谱密度，是两个不抑制载波的2ASK信号的功率谱密度的合成,如图2-57所示。图2-43相位不连续的2FSK信号的功率谱密度2．2FSK信号的产生和解调

(1)2FSK信号的产生

2FSK信号的产生可用两个数字调幅信号相加的办法产生。如图2-58所示，就是相位不连续的2FSK信号产生的原理图。图2-58(b)为相位连续的2FSK信号产生的原理图,利用数据信号的“1”和“0”的电压的不同控制一个可变频率的电压控制振荡器以产生两个不同频率的信号f1和f0，这时两个频率变化时相位就是连续的。(2)2FSK信号的解调这里讨论两种简单的2FSK的解调方法，如图2-60所示。图2-60(a)是采用分路选通滤波器进行2FSK信号的非相干解调，当2FSK信号的频偏较大时，可以把2FSK信号当作两路不同载频的2ASK信号接收。图2-60(b)是采用鉴频解调方法的简单框图。2.3.5高效带宽调制1正交幅度调制ASK：用载波的两个不同振幅表示0和1；FSK：用载波的两个不同频率表示0和1；PSK：用载波的起始相位的变化表示0和1。00110100010ASKFSKPSK多级调制方法1-单参量多级调制0111000+90º+180º+270º10数据率=信号速率×log2M

M：调制级数+900010000+270