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  • 基带信号调制

    千次阅读 热门讨论 2018-04-05 11:59:15
    基带调制 将数字信号转换为另一种形式的数字信号,也称为编码。实质是对信号的波形进行变换,使其能够与信道特性相适应,且变换后的信号仍然是基带信号。 常用编码方式: <1>.非归零...

    基带信号调制:

    来自信源的信号称为基带信号,如:计算机输出的各种文字或图像文件的数据信号。基带信号包含低频成分,甚至有直流成分,信道并不能传输这种低频分量或直流分量,所以需要对基带信号进行调制。

    调制方法:

    1.基带调制

      将数字信号转换为另一种形式的数字信号,也称为编码。实质是对信号的波形进行变换,使其能够与信道特性相适应,且变换后的信号仍然是基带信号。

      常用编码方式:


      <1>.非归零码:分别用正负两种不同的电平来分别表示0和1。

      <2>.归零制:正脉冲代表1,负脉冲代表0。

      <3>.曼彻斯特编码:在非归零码码元的正中间出现了一次电平跳变,接收方可以将此作为同步信号,数字0对应信号从低电平到高电平,数字1对应信号从高电平到低电平。

      <4>.差分曼彻斯特编码:在非归零码码元的正中间出现了一次电平跳变,接收方可以将此作为同步信号,数字0的其实电平与前一数字的结尾电平相反,发生跳变,数字1的起始电平与前一数字的结尾电平一致。

    注:

      在基带传输中要注意同步问题,即接收端和发送端发来的数据序列在时间上必须同步,以便区分发来的每位数据。接收端必须按照发送端所发的每个码元的重复频率及起止时间来接受数据,接受过程不断校准时间和频率。

     例如:自同步法:指能从数据信号波形中提取同步信息的方法。在曼彻斯特编码方式中,每一位的中间有一跳变,既作为时钟信号,又作为数据信号。在传输代码信息的同时,也将时钟同步信号一起传输到对方。

    2.带通调制

      利用载波进行调制,把基带信号的频率范围移到较高的频段,转换为模拟信号可以在模拟信道中传输。载波调制后的信号称为带通信号(仅在一段频率范围内能够通过信道)。

      基本的带通调制方法:


      <a>.调幅(AM):使高频载波的振幅随信号改变。0或1分别对应于无载波或有载波输出。如:电视的图像信号

      <b>.调频(FM):使载波的瞬时频率按所需传递信号的变化规律而变化的调制方法。

      <c>.调相(PM):调相和调频有密切关系,调相即载波的初始相位随着基带数字信号而变化。抗干扰能力强。

     注:

      码元:在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字,这样的时间间隔内的信号称为二进制码元,而之间的间隔被称为码元长度。

      例:一个二进制数为一个码元,含有1bit信息量,但一个四进制码元单位,则每个码元含有2bit信息量。


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  • 一、为什么要调制 传输的二进制流必须经过变换,适应在给定的信道上传输。 信号传输时,信道的自然属性会带来各种损伤(噪声,衰减,失真...调制的常用概念 \quad调制器将kkk个比特映射成相应的信号波形集sm(t)(1≤m≤

    一、为什么要调制

    • 传输的二进制流必须经过变换,适应在给定的信道上传输。
    • 信号传输时,信道的自然属性会带来各种损伤(噪声,衰减,失真,干扰……)

    \quad变换后的信号满足:1、能表示二进制数据,能方便地从中恢复出数据流;2、能匹配信道的特征(带宽适配,抗损伤)。
    \quad数字调制:将数字序列映射为一组相应的信号波形。
    \quad调制的分类:

    • 无记忆调制和有记忆调制
    • 线性调制和非线性调制
    • 二进制调制和多进制调制

    调制的常用概念

    \quad调制器将kk个比特映射成相应的信号波形集sm(t)(1mM,M=2k)s_m(t)(1 \le m \le M,M=2^k)。假设每TsT_s秒发送这些信号,TsT_s为信号传输间隔,则

    • 符号速率(信号传输速率)Rs=1TsR_s=\frac{1}{T_s}
    • 比特率Rb=kRs=Rslog2MR_b=kR_s=R_slog_2M
    • 平均信号能量(假设sm(t)s_m(t)能量为εm\varepsilon_m)εavg=m=1Mpmεm\varepsilon_{avg}=\sum_{m=1}^Mp_m\varepsilon_mpmp_m表示第mm个信号的概率。在等概情况下,εavg=1Mi=1Mεm\varepsilon_{avg}=\frac{1}{M}\sum_{i=1}^M\varepsilon_m
    • 平均比特能量εbacg=εavgk\varepsilon_{bacg}=\frac{\varepsilon_{avg}}{k}
    • 平均发送功率Pavg=RbεbavgP_{avg}=R_b\varepsilon_{bavg}
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  • 目前常用的数字调制方式多种,如果按照传统的硬件实现方法,要使一部通信机产生多种调制信号,其系统就会非常庞大复杂。  Altera公司的Nios II处理器是用于可编程逻辑器件的可配置的软核处理器。基于Nios II...
  • 调制解调基带信号调制信号信道基带信号 数字调制解调系统:在发送端利用载波信号有限种不同参数取值对应形态,来表征所传送信息,在接收端只需对已调载波信号有限种形态进行辨识,就可恢复传输符号。 ...

    前提:由于大部分物理信道并不适合直接传送基带信号,因此需要

    调制
    解调
    基带信号
    调制信号
    信道
    基带信号

    数字调制解调系统:在发送端利用载波信号的有限种不同的参数取值对应的形态,来表征所传送的信息,在接收端只需对已调载波信号的有限种形态进行辨识,就可恢复传输的符号。
    数字载波调制传输系统主要有调频(F)调幅(A)调相(P )

    载波调制

    常用方法:星座图(二进制、四进制。。。)
    在这里插入图片描述
    在OFDM中会更多地涉及到星座图及其具体用法。

    功率谱分析:求

    解调方法

    (1)相干解调
    (2)相关解调 / 匹配滤波器解调 / 最佳接收:
    将经过带通滤波的信号分为多路,每一路乘以正交基,然后通过匹配滤波器,最后汇聚到一起判决。这是最佳接收的办法。
    2ASK,2PSK,2DPSK不需要额外分其他支路

    比特能量Eb

    比特能量等于用于解调的波型一个(公共)周期内的能量之和

    误码率

    在这里插入图片描述

    1.ASK/OOK

    1.1 ASK信号波型

    在这里插入图片描述

    1.2 OOK信号的解调框图

    相干解调

    在这里插入图片描述

    相关解调/匹配滤波器的最佳接收

    在这里插入图片描述
    接下来所有系统的“匹配滤波器最佳接收/相关解调框图”,都相当于在其相干解调框图的基础上,将低通滤波器改为上图的匹配滤波器

    包络检波(非相干解调)

    在这里插入图片描述

    1.3 带宽

    2ASK信号的带宽基带脉冲波形带宽的两倍,即
    B2ASK=2B=2/T=2fS

    2. FSK

    2.1 2FSK的信号波形:

    在这里插入图片描述

    2.2 2FSK在系统中如何产生:

    在这里插入图片描述

    2.3 2FSK信号的解调框图:

    相干解调

    在这里插入图片描述

    相关解调/匹配滤波器的最佳接收

    对于带通匹配滤波器解调,相当于将上图的低通滤波器更换成匹配滤波器,其余部分不变

    包络检波解调(非相干解调)

    在这里插入图片描述

    2.4 带宽

    传输2FSK信号的带宽约为
    B2FSK=|f1-f0|+2RS=|f1-f0|+2/T

    2.5 最小频率间隔

    通常希望在一个码元周期内,信号acosωc1t和信号acosωc2t具有正交性。当两信号初始相位不同时,满足正交性的最小频率间隔
    在这里插入图片描述

    2.6 频带利用率

    若基带的波形信号为门函数,两载波信号的频谱主瓣间隔为1/T,相应地,频带利用率η2FSK
    在这里插入图片描述

    3.PSK

    3.1 2PSK信号波型:

    在这里插入图片描述

    3.2 2PSK在系统中如何产生:

    在这里插入图片描述
    改进型:DPSK(D:Delta,差值)

    3.3 带宽

    传输2PSK信号的带宽约为
    B2PSK=2RS=2/T

    2PSK信号的功率谱仅含连续谱

    3.4 频带利用率

    频带利用率η2PSK
    在这里插入图片描述

    4.DPSK

    4.1 2DPSK的信号波型:

    在这里插入图片描述
    其中:
    (a)输入的信息序列{bn}
    (b)差分编码后的基带符号序列{an’}
    (c)经过信号变换后的序列{an}
    (d)输出的2DPSK信号s(t)

    4.2 2DPSK在系统中如何产生:

    在这里插入图片描述
    每一处的波型参考4.1 2DPSK信号的波型

    4.3 2DPSK信号的解调

    差分相干解调:
    在这里插入图片描述
    每一处的波型:
    在这里插入图片描述

    5.各种系统性能比较

    有效性最差:2FSK
    可靠性最好:2PSK

    6.多进制调制系统

    在二进制系统中,码元速率RS=比特速率Rb,码元周期=比特周期。

    在多进制系统中,码元周期与比特周期、码元速率与比特速率的关系与进制数M有关。

    多进制数字载波调制最大的特点是:一个码元符号可以携带更多的比特信息。一个M进制的码元,可以携带k=log2M比特的信息
    多进制调制系统的码元速率RS与比特速率Rb的关系是:
    Rb=RSlog2M

    在前面第五章基带传输系统的讨论中可以知道,满足无码间串扰的基带传输系统的频带利用率ηB
    在这里插入图片描述
    其中,WB是基带信号/基带系统的带宽

    多进制调制系统中,相比起基带传输系统,变化的主要是信号的带宽和进制数M。由于多进制调制系统采用的均是双边带信号载波调制信号的带宽WC=2WB,因此多进制调制系统的频带利用率ηC
    在这里插入图片描述
    由此可见,随着进制数M的增大,频带利用率ηC将会相应地增大,但增大M,噪声容限Vn(也就是两星座点值间的距离的1/2,会相应地减小)说明其抗噪声(抗误码)性能下降

    在相同的噪声下,多进制数字调制系统的抗噪声性能低于二进制数字调制系统。在多进制数字调制系统中,研究较多并得到广泛应用的是多进制数字相位调制MPSK和多进制振幅相位联合键控方式。

    MPSK

    主要比较MQAM系统和MPSK系统的抗噪声干扰能力
    M≤8,用MPSK
    M≥16,用MQAM

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    2.4 数字传输

    2.4.1 脉码调制

    将模拟信号变换为数字信号的常用方法是脉码调制PCM(Pulse Code Modulation)。PCM最初并不是了传送计算机数据用的,而是为了解决电话局之间中继线不够用的问题,希望使用一条中继线不是只传送一路而是可以传送几十路的电话。由于历史上的原因 ,PCM有两个互不兼容的国际标准,即北美的24路PCM(简称为T1)和欧洲的30路PCM(简称为 E1)。我国采用的是目标准。T1的速率是1.544Mbps,E1的速率是2.048Mbps。下面结合PCM的取祥、量化和编码三个步骤,说明这些速率是如何得出的。计算机基础知识

    为了将模拟电话信号转变为数字信号,必须对电话信号进行取样。即每隔一定的时间间隔,取模拟信号的当前值作为样本。该样本代表了模拟信号在某一时刻的瞬时值。一系列连 续的样本可用来代表模拟信号在某一区间随时间变化的值。取样的频率可根据奈氏取样定理 确定。奈氏取样定理表述为,只要取样频率大于模拟信号最高频率的2倍,则可以用得到的样本空间恢复原来的模拟信号。即

    其中fl为取样频率,T1为取样周期,即两次取祥之间的间隔,f2max为信号的最高频率二标准电话信号的最高频率为3.4KHz,为方便起见,取样频率就定为8KHz,相当于取样周期为125μs(1/8000s)。图2.14表示了上述概念。

    图2.14  PCM的基本原理

    这样,一个话路的模拟电话信号,经模数变换后,就变成每秒8000个脉冲信号,每个脉冲信号再编为8位二进制码元。因此一个话路的PCM信号速率为64Kbps。

    为有效利用传输线路,通常总是将多个话路的PCM信号用时分多路复用(见下一节)的方法装成帧(即时分复用帧),然后再往线路上一帧接一帧地传输。图2.15说明了E1的时分复用帧的构成。

    图2.15  E1的时分复用帧

    E1的一个时分复用帧(其长度T=125µs)共分为32个相等的时间间隙(简称时隙),时隙的编号为CH0~CH31。时隙CH0用作帧同步,时隙CH16用来传送信令(如用户的拨号信令)。可供用户使用的话路是时隙CH1~CH15和CH17~CH31,共30个时隙用作30个话路。每个时隙传送8bits。因此,整个32个时隙共传送256bits,即一个帧的信息量。每秒传送8000个帧,故PCM一次群E1的数据率即为2.048Mbps。图2.14中,在2.048Mbps传输线路两端的同步旋转开关,表示32个时隙中比特的发送和接收必须和时隙的编号相对应,不能弄乱。http://www.woaidiannao.com

    北美使用的T1系统共24个话路。每个话路的取样脉冲用7bits编码,然后再加上1位信令码元,因此一个话路也是占用8bits。帧同步是在24路的编码之后加上1bits,这样每帧共193bit。因此T1一次群的数据率为1.544Mbps。

    当需要有更高的数据率时,可以采用复用的方法。例如,4个一次群就可以构成一个二次群。当然,一个二次群的数据率要比4个一次群的数据率总和还要多一些,因为复用后还需要一些同步的码元。表2-1所示给出了欧洲和北美系统的高次群的话路数和数据率。日本的一次群用T1,但自己另有一套高次群的标准。

    表2-1  数字传输系统高次群的话路数和数据率

    系统类型

    一次群

    二次群

    三次群

    四次群

    五次群

    欧洲体制

    符号

    话路数

    数据率速

    E1

    30

    2.048

    E2

    120

    8.488

    E3

    480

    33.368

    E4

    1920

    139.264

    E5

    7680

    565.148

    北美体制

    符号

    话路数

    数据率速

    T1

    24

    1.544

    T2

    96

    6.312

    T3

    672

    43.736

    T4

    4032

    273.176

     

    2.4.2 数字数据信号编码

    1. 不归零编码

           不归零编码(NRZ,Non-Return to Zero)如图2.16(a)所示。NRZ码规定用负电平表示“0”,用正电平表示“1”,亦可有其他表示方法。如果接收端无法确定每个比特从什么时候开始,什么时候结束,则还是不能从高低电平的矩形波中读出正确的比特串。

    2. 曼氏编码

           曼氏编码(Manchester)自带同步信号,如图2.16(b)所示。在曼氏编码中每个比特持续时间分为两半。在发送比特“0”时,前一半时间为高电平,后一半时间为低电平;在发送比特“1”时则相反。或者也可在发送比特0时,前一半时间电平为低,后一半时间电平为高;在发送比特1时则相反。

    3. 差分曼氏编码

       差分曼氏编码(Difference Manchester)是对曼氏编码的改进。它与曼氏编码的不同之处主要是:每比特的中间跳变仅做同步用;每比特的值根据其开始边界是否发生跳变决定,每比特开始除出现电平跳变表示二进制“0”,不发生跳变表示二进制“1”,如图2.16(c)所示。

    图2.16  数字数据的数字信号编码

    2.4.3 字符编码

    数字传输时,在信道上传送的数据都是以二进制位的形式出现的,如何组合“0”与“1”这两种码元,使之代表不同的字符或信息(数据信息和控制信息), 叫称字符编码。国际标准化组织1967年推荐了一个7单位编码(每个字符由七位二进制码元组成,另外附加一位奇偶校验位),即国际标准IS0646,为世界各国广泛采用。我国1981年由国家标准总局公布了信息处理交换用7单位编码,与IS0646的7单位编码一致,国标代号GB1988-80,其字符集标准见表2-2,该字符集与美国ASCII字符集基本一致

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