中職中專-數(shù)字通信技術(shù)電子.ppt

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第五章 數(shù)字信號的頻帶傳輸 教學(xué)重點(diǎn) 1 理解典型數(shù)字調(diào)制信號的波形與特點(diǎn) 能畫出這些信號的波形 2 理解頻分多路復(fù)用原理 3 理解調(diào)制解調(diào)器的功能 類型 基本原理框圖 4 了解各種數(shù)字調(diào)制方式中調(diào)制和解調(diào)的方法 5 了解數(shù)字通信中的同步技術(shù) 掌握典型數(shù)字調(diào)制信號的波形與特點(diǎn) 調(diào)制解調(diào)器 學(xué)時(shí)分配 教學(xué)難點(diǎn) 第五章數(shù)字信號的頻帶傳輸 5 1概述 5 2振幅鍵控調(diào)制 ASK 5 3移頻鍵控調(diào)制 FSK 5 4移相鍵控調(diào)制 PSK 5 5常用改進(jìn)型數(shù)字調(diào)制技術(shù) 5 6同步技術(shù)概念 5 1概述 一 頻帶傳輸系統(tǒng)組成 二 數(shù)字調(diào)制的三種基本形式 有線信道中數(shù)字信號一般利用基帶傳輸 而在無線信道中數(shù)字信號則是采用頻帶傳輸?shù)?一 頻帶傳輸系統(tǒng)組成 頻帶傳輸系統(tǒng)圖5 1所示 工作過程如下 原始數(shù)字序列經(jīng)基帶信號形成器后變換成適合于傳輸?shù)幕鶐盘?然后送到鍵控器來控制射頻載波的振幅 頻率或相位 形成數(shù)字調(diào)制信號后送至信道 在信道中傳輸?shù)倪€有各種干擾 接收濾波器把淹沒在干擾和噪聲中的有用信號提取出來 并經(jīng)過相應(yīng)的解調(diào)器 還原出數(shù)字基帶信號 t 圖5 1頻帶傳輸系統(tǒng)的組成方框圖 頻帶傳輸系統(tǒng)的性能和質(zhì)量 主要通過誤碼率和頻帶利用率來表示 1 數(shù)字信號調(diào)制 用數(shù)字信號去控制高頻載波的振幅 頻率和相位 使高頻載波的振幅 頻率和相位隨數(shù)字信號而變化 稱為數(shù)字信號調(diào)制 數(shù)字信號對高頻載波的調(diào)制與模擬信號對高頻載波的調(diào)制相似 二 數(shù)字調(diào)制的三種基本形式 2 數(shù)字鍵控 數(shù)字信號是離散的 其對載波信號進(jìn)行調(diào)制時(shí) 的過程相似于對高頻載波信號進(jìn)行開關(guān)控制的工作狀態(tài) 所以數(shù)字調(diào)制又稱為數(shù)字鍵控 數(shù)字信號對載波的振幅調(diào)制稱為振幅鍵控 ASK 對載波頻的率調(diào)制稱為頻移鍵控 FSK 對載波的相位調(diào)制稱為相移鍵控 PSK 若數(shù)字信號S t 是二進(jìn)制的 則ASK FSK PSK實(shí)現(xiàn)原理框圖及鍵控信號的輸出波形如圖5 2所示 圖5 22ASK 2FSK 2PSK調(diào)制方框圖及輸出波形 5 2振幅鍵控調(diào)制 ASK 一 振幅鍵控信號的產(chǎn)生 二 振幅鍵控信號的解調(diào) 一 振幅鍵控信號的產(chǎn)生 振幅鍵控信號輸出波形特點(diǎn)是 當(dāng)數(shù)字信號為 1 時(shí) 高頻載波有輸出 當(dāng)數(shù)字信號為 0 時(shí) 高頻載波沒有輸出 振幅鍵控調(diào)制的實(shí)現(xiàn)可由數(shù)字信號與載波信號相乘來得到 其原理框圖如圖5 3所示 圖5 3振幅調(diào)制的一般模型 上圖中 COS ct為高頻載波信號 S t 為數(shù)字基帶信號 載波信號與基帶信號在乘法器中相乘 乘法器輸出為 m t S t COS ct 當(dāng)S t 為 0 時(shí) 乘法器輸出為0 當(dāng)S t 為 1 時(shí) 乘法輸出COS ct的高頻載波信號 可得出 當(dāng)數(shù)字基帶信號S t 含有直流分量時(shí) S t 可看成是由直流分量E和交流分量S t 疊加而成 即S t E S t 則m t 可分解成 2ASK的實(shí)質(zhì)是由二進(jìn)制的數(shù)字信號去控制一個(gè)連續(xù)的載波振蕩信號 使載波振蕩信號時(shí)斷時(shí)續(xù) m t S t COS ct E S t COS ct ECOS ct S t COS ct ECOS ct為高頻載波分量 S t COS ct為上 下邊頻分量 可見 當(dāng)數(shù)字調(diào)制信號含有直流時(shí) 振幅鍵控調(diào)制 ASK 信號是一個(gè)普通調(diào)幅信號 當(dāng)數(shù)字信號中不含有直流分量E時(shí) 則此時(shí)的已調(diào)信號為抑制載波的雙邊帶調(diào)幅信號 DSB 圖5 3中的帶通濾波器用來選取所需的頻率分量 以得到符合傳輸要求的振幅鍵控信號SASK 當(dāng)帶通濾波器只取出已調(diào)信號的兩個(gè)邊頻分量時(shí) 輸出信號為抑制掉載波的雙邊帶調(diào)幅信號 DSB 當(dāng)只取出一個(gè)邊頻分量而將載波和另一個(gè)邊頻分量濾除掉時(shí) 輸出信號為單邊帶信號 SSB 二 振幅鍵控信號的解調(diào) 振幅鍵控信號的解調(diào)方法分成包絡(luò)解調(diào)和相干解調(diào) 同步解調(diào) 二種 對于一般的調(diào)幅波信號 即含有載波分量的調(diào)幅信號 解調(diào)既可以用包絡(luò)檢波 也可以相干檢波 但對于抑制掉載波的雙邊帶調(diào)幅信號和單邊帶調(diào)幅信號 由于它們的振幅包絡(luò)不反映原來的調(diào)制信號 因而解調(diào)不能用包絡(luò)檢波而必須用相干檢波 適應(yīng)范圍 1 包絡(luò)解調(diào)器 圖5 42ASK信號的包絡(luò)解調(diào) 包絡(luò)解調(diào)法的原理方框圖如圖5 4所示 包絡(luò)解調(diào)法的原理 帶通濾波器恰好使2ASK信號完整地通過 經(jīng)包絡(luò)檢測后 輸出其包絡(luò) 低通濾波器的作用是濾除高頻雜波 使基帶包絡(luò)信號通過 抽樣判決器包括抽樣 判決及碼元形成 有時(shí)又稱譯碼器 定時(shí)抽樣脈沖是很窄的脈沖 通常位于每個(gè)碼元的中央位置 其重復(fù)周期等于碼元的寬度 帶通濾波器輸出為2ASK信號 即m t S t COS ct 包絡(luò)檢波器輸出為S t 經(jīng)抽樣 判決后將碼元再生 即可恢復(fù)出數(shù)字序列 2 相干解調(diào)器 相干解調(diào)原理方框圖如圖5 5所示 圖5 52ASK信號的相干解調(diào) 基帶信號 上式第一項(xiàng) 與載波成分 上式第二項(xiàng) 之間頻譜相差很遠(yuǎn) 經(jīng)低通濾波后 即可輸出S t 2信號 相干解調(diào)就是同步解調(diào) 同步解調(diào)時(shí) 接收機(jī)要產(chǎn)生一個(gè)與發(fā)送載波同頻同相的本地載波信號 稱其為同步載波或相干載波 利用此載波與收到的已調(diào)波m t S t COS ct相乘 相乘器輸出為 Z t m t COS ct S t COS2 ct S t 1 COS2 ct S t S t COS2 ct 5 3移頻鍵控調(diào)制 FSK 一 FSK信號的產(chǎn)生 二 FSK信號的解調(diào) 移頻鍵控調(diào)制是用數(shù)字信號來控制高頻載波頻率的變化 調(diào)制后的載波信號頻率代表了要傳送的數(shù)字信號 2FSK波形特點(diǎn) 數(shù)字信號的 1 對應(yīng)于高頻載波f1 數(shù)字信號的 0 對應(yīng)于高頻載波f2 用二個(gè)高頻載波來代表二個(gè)數(shù)字信號 而且頻率f1和f2之間的改變是瞬間完成 一 FSK信號的產(chǎn)生 1 直接調(diào)頻法圖5 6給出了直接調(diào)頻法產(chǎn)生2FSK信號的電路原理圖 圖5 6直接調(diào)頻法產(chǎn)生2FSK信號 直接調(diào)頻法簡單易行 但頻率穩(wěn)定度差 因而實(shí)際應(yīng)用范圍不廣 隨著所要傳輸?shù)臄?shù)字信號取值不同 振蕩器的振蕩頻率相應(yīng)改變 從而達(dá)到了對高頻載波鍵控的目的 從圖中可見用數(shù)字基帶信號控制電容C1是否接入LC振蕩回路 從而改變振蕩器的輸出頻率 直接調(diào)頻法簡單易行 但頻率穩(wěn)定度差 因而實(shí)際應(yīng)用范圍不廣 隨著所要傳輸?shù)臄?shù)字信號取值不同 振蕩器的振蕩頻率相應(yīng)改變 從而達(dá)到了對高頻載波鍵控的目的 2 頻率鍵控法 頻率鍵控又稱為頻率轉(zhuǎn)換法 它是用數(shù)字信號去控制電子開關(guān)門電路 使電子開關(guān)在二個(gè)獨(dú)立的振蕩器之間轉(zhuǎn)換 從而在輸出端得到不同頻率的已調(diào)信號 其原理框圖和各點(diǎn)波形如圖5 7所示 圖5 7頻率鍵控法原理框圖及其波形 圖中選通門I和選通門II均為電子開關(guān) 用于控制振蕩信號f1和f2是否到達(dá)加法器 兩個(gè)電子開關(guān)均受控于輸入信號S t 由于選通門II的前方接有反相器 因而對于同一碼元而言 它們的工作狀態(tài)剛好相反 f1和f2兩個(gè)信號經(jīng)加法器輸出 便形成了頻移鍵控信號SFSK 有關(guān)各點(diǎn)的波形如圖5 7 b 所示 在這種方法中 產(chǎn)生的f1和f2兩個(gè)振蕩信號要與碼元參數(shù)有固定的關(guān)系 輸出的2FSK信號的相位才會是連續(xù)的 頻移鍵控法的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快 波形好 頻率穩(wěn)定度高 電路不甚復(fù)雜 故得到廣泛應(yīng)用 二 FSK信號的解調(diào) 數(shù)字調(diào)頻信號的解調(diào)方法主要有相干解調(diào)和非相干解調(diào) 過零檢測法的基本思想是 數(shù)字調(diào)頻波的過零點(diǎn)數(shù)隨高頻載波的變化而變化 高頻載波頻率高 過零點(diǎn)數(shù)目多 高頻載波頻率低 過零點(diǎn)數(shù)目少 從檢測過零點(diǎn)的數(shù)目 就可以得到頻率的差異 從而還原出數(shù)字信號 所以過零檢測法又稱為計(jì)數(shù)法 1 過零檢測法 過零檢測法的原理方框圖及各點(diǎn)波形如圖5 8所示 圖5 8過零檢測法方框圖及各點(diǎn)波形圖 設(shè)輸入是一個(gè)相位連續(xù)的FSK信號a 經(jīng)放大限幅得到一個(gè)矩形方波b 微分電路得到雙向微分脈沖c 經(jīng)全波整流得到單向尖脈沖d 單向尖脈沖的密集程度反映了輸入信號的頻率高低 尖脈沖的個(gè)數(shù)就是信號過零點(diǎn)的數(shù)目 單向脈沖觸發(fā)一個(gè)脈沖發(fā)生器 產(chǎn)生一串幅度為E 寬度為 的矩形歸零脈沖e 脈沖串e的直流分量代表著信號的頻率 脈沖越密 直流分量越大 反映著輸入信號的頻率越高 經(jīng)低通濾波器就可得到脈沖串e的直流分量f 這樣就完成了頻率 幅度變換 再根據(jù)直流分量幅度上的區(qū)別還原出數(shù)字信號 1 和 0 原理分析 2 包絡(luò)檢測法包絡(luò)檢測法是FSK信號非相干解調(diào)方法 其方框圖和各點(diǎn)波形如圖5 9 a b 所示 圖5 9 a 2FSK信號包絡(luò)檢波方框圖 圖5 9 b 2FSK信號包絡(luò)檢波波形圖 框圖中用二個(gè)窄帶的帶通濾波器分別濾出代表數(shù)字信號的高頻載波f1和f2 經(jīng)過包絡(luò)檢波器后分別取出它們的包絡(luò) 把兩路輸出同時(shí)送到取樣判決器進(jìn)行比較 從而判決出基帶數(shù)字信號 設(shè)頻率f1代表數(shù)字信號 1 f2代表數(shù)字信號 0 則抽樣判決器的判決準(zhǔn)則應(yīng)為 1 2即 1 2 0 判為1 1 2即 1 2 0 判為0 式中 1 2分別為抽樣時(shí)刻兩個(gè)包絡(luò)檢波器的輸出值 這里的抽樣判決器 要比較 1 2的大小 或者說把差值 1 2與零電平比較 5 4移相鍵控調(diào)制 PSK 一 基本概念 二 相對調(diào)相 DPSK 信號的產(chǎn)生與解調(diào) 1 移相鍵控調(diào)制 用高頻載波二種相位的變化來代表 0 1 數(shù)字信號的變化 一 基本概念 2 絕對調(diào)相 PSK 是利用高頻載波二種不同的相位去代表 0 1 兩種不同狀態(tài)的數(shù)字信號 是以一個(gè)固定參考相位的載波為基準(zhǔn)的 如用 0代表 0 碼 代表 1 碼 如圖5 10 b 所示 移相鍵控調(diào)制根據(jù)相位變化的參考對象不同 可以分成絕對調(diào)相 PSK 和相對調(diào)相 DPSK 3 相對調(diào)相 DPSK 是利用高頻載波相位的相對變化來代表 0 1 兩種不同狀態(tài)的數(shù)字信號 載波相位變化的參考點(diǎn)是前一個(gè)碼元 即如果絕對碼出現(xiàn) 1 DPSK的相位改變 出現(xiàn) 0 時(shí)載波相位不變 如圖5 10 d 所示 PSK是以一個(gè)固定參考相位的載波為基準(zhǔn)的 解調(diào)時(shí)存在反向工作的情況 在DPSK系統(tǒng)中 解調(diào)時(shí)不存在反向工作而造成接收相位模糊的問題 實(shí)際工程中大多采用DPSK方式 絕對調(diào)相 PSK 與相對調(diào)相 DPSK 的比較 圖5 10二進(jìn)制絕對移相和相對相移 二 相對調(diào)相 DPSK 信號的產(chǎn)生與解調(diào) 復(fù)習(xí) 絕對碼和相對碼的相互轉(zhuǎn)換 絕對碼為an 相對碼為bn 編碼輸出bn與輸入an的關(guān)系可以用一個(gè)方程表示 bn bn 1 an 解碼方程為 an bn 1 fan 在解調(diào)時(shí) 相對調(diào)相信號 DPSK 經(jīng)過絕對調(diào)相解調(diào)器 得到相對碼 bn 再經(jīng)碼型變換器 得到絕對碼 an 即基帶數(shù)字信號S t 如圖5 11所示 要得到相對調(diào)相 DPSK 信號 只要把數(shù)字信號 絕對碼an 變換成相對碼 bn 然后再對相對碼進(jìn)行絕對調(diào)相 PSK 圖5 11相對調(diào)相 DPSK 信號產(chǎn)生示意圖 直接調(diào)相法產(chǎn)生相對調(diào)相信號原理圖及波形圖如圖5 12所示 1 直接調(diào)相法 二進(jìn)制絕對調(diào)相信號的產(chǎn)生方法有兩種 直接調(diào)相法和相位選擇法 1 絕對調(diào)相 PSK 信號的產(chǎn)生 圖5 12直接調(diào)相法產(chǎn)生2PSK信號 圖中S t 為雙極性數(shù)字基帶信號 假設(shè)S t 正電平代表 0 負(fù)電平時(shí)代表 1 若原始數(shù)字信號是單極性碼 則必須先進(jìn)行極性變換再與載波相乘 工作過程 當(dāng)圖中A點(diǎn)電位高于B點(diǎn)電位時(shí) S t 代表 0 二極管V1 V3導(dǎo)通 V2 V4截止 載波經(jīng)變壓器正向輸出e t COS ct A點(diǎn)電位低于B點(diǎn)電位時(shí) S t 代表 1 二極管V2 V4導(dǎo)通 V1 V3截止 載波經(jīng)變壓器反向輸出 e t COS ct COS ct 即絕對移相 相位選擇法的原理框圖如圖5 13所示 2 相位選擇法 相位選擇法基本原理就是用數(shù)字基帶信號S t 控制門電路 選擇不同相位的載波輸出 此時(shí)的S t 通常是單極性的 圖5 13相位選擇法產(chǎn)生2PSK信號 S t 1時(shí) 門2通 門1閉 輸出e t COS ct S t 0時(shí) 門1通 門2閉 輸出e t COS ct 2 DPSK信號的解調(diào) DPSK信號的解調(diào) 最方便的方法是將前后碼元對應(yīng)載波的相位進(jìn)行比較 該方法稱之為相位比較法或差分檢波法 相位比較法的原理方框圖和波形圖如圖5 14所示 圖5 14 a 相位比較法原理框圖 圖5 14 b 相位比較法波形圖 圖 指輸入相對調(diào)相信號 利用延遲電路將前一碼元延遲一個(gè)碼元時(shí)間Ts作為參考相位 如圖 所示 并與后一碼元相乘 鑒相 產(chǎn)生如圖 所示波形 圖 所示波形經(jīng)低通積分 當(dāng)前后碼元相位相同時(shí) 輸出正極性積分脈沖 當(dāng)前后碼元相位相反時(shí) 則輸出負(fù)脈沖 如圖 所示 定時(shí)脈沖如圖 所示 在低通積分輸出最大處進(jìn)行判決 如圖 假設(shè)發(fā)送端用前后碼元載波相位差為0表示數(shù)字信號 0 用前后碼元載波相位差為 表示數(shù)字信號 1 那么將解調(diào)輸出的正極性脈沖判為發(fā)送 0 而將負(fù)極性脈沖判為發(fā)送 1 經(jīng)過碼元形成電路 便可恢復(fù)原二進(jìn)制碼 圖 數(shù)字信號 該碼就是原來的絕對碼 5 5常用改進(jìn)型數(shù)字調(diào)制技術(shù) 一 正交振幅調(diào)制 QAM 二 多相移相鍵控調(diào)制 MPSK 三 最小移頻鍵控調(diào)制MSK與GMSK 四 調(diào)制解調(diào)器 MODEM 五 非對稱數(shù)字用戶專線 ADSL 一 正交振幅調(diào)制 QAM 目前在數(shù)字通信系統(tǒng)中使用了若干改進(jìn)型數(shù)字調(diào)制方式來提高頻率利用率和提高可靠性 如多進(jìn)制鍵控 MASK MFSK MPSK 正交振幅調(diào)制 QAM 高斯濾波最小移頻鍵控調(diào)制 GMSK 等 正交振幅調(diào)制 QAM 是用兩個(gè)獨(dú)立的基帶波形對兩個(gè)相互正交的載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制 利用已調(diào)信號在相同帶寬內(nèi)的頻譜正交來實(shí)現(xiàn)兩路數(shù)字信息的傳輸 正交振幅調(diào)制 QAM 的信道頻帶利用率同單邊帶一樣 因而主要用于高速數(shù)字通信系統(tǒng)中 正交振幅調(diào)制系統(tǒng)的組成如圖5 15所示 圖5 15QAM系統(tǒng)方框圖 S t S1 t COS ct S2 t Sin ct 假設(shè)接收端所產(chǎn)生的相干載波與發(fā)送端完全相同 那么兩個(gè)解調(diào)器的輸出分別為 m1 t S1 t COS ct S2 t Sin ct COS ct S1 t S1 t COS2 ct S2 t Sin2 ct m2 t S1 t COS ct S2 t Sin ct Sin ct S2 t S1 t Sin2 ct S2 t COS2 ct S1 t 和S2 t 是兩個(gè)獨(dú)立的基帶波形 COS ct和Sin ct是兩個(gè)相互正交的載波 這樣 發(fā)端形成的正交振幅調(diào)制信號為 從而實(shí)現(xiàn)了波形無失真地傳輸 在QAM系統(tǒng)中 對信道傳輸函數(shù)的對稱性和接收端相干載波的相位誤差必須有嚴(yán)格要求 否則在接收端恢復(fù)的基帶波形中將出現(xiàn)鄰道干擾和正交干擾 經(jīng)過低通濾波器濾除二倍載波份量后 上下兩路的基帶波形分別為 二 多相移相鍵控調(diào)制 MPSK 利用高頻載波多種狀態(tài) 幅度 頻率或相位 來表示要傳輸?shù)臄?shù)字信號 分別稱為多電平振幅鍵控調(diào)制 MASK 多頻率移頻鍵控調(diào)制 MFSK 多相移相鍵控調(diào)制 MPSK 由于MASK MFSK占據(jù)了較寬的頻帶 信道利用率低 抗噪聲性能低 一般不被采用 經(jīng)常被采用的是多相移相鍵控調(diào)制 MPSK 它是微波和衛(wèi)星數(shù)字通信中最常用的一種數(shù)字調(diào)制方式 多相移相鍵控調(diào)制是通過多種不同相位來表示所要傳送的數(shù)字信號 多相制相位狀態(tài)有A B兩種方式 圖5 16所示向量圖表示了2相 4相 8相數(shù)字調(diào)制方式 1 基本概念 圖5 16多相調(diào)制向量圖 2相 4相 8相相位狀態(tài)的A B兩種方式 分別為 2PSK A方式 B方式 4PSK A方式 A方式 B方式 B方式 8PSK 2 四相移相鍵控 QPSK 四相移相鍵控?cái)?shù)字調(diào)制的英文縮寫是4PSK 因?yàn)樗梢杂梢粋€(gè)載波經(jīng)正交調(diào)制而得到 又稱它為正交移相鍵控 QPSK 四種相位分別是 四相調(diào)制的相位與二位二進(jìn)制信號相對應(yīng) 所以它的傳輸速率是比較快的 常用的信息碼相位變化圖和時(shí)間波形如圖5 17所示 圖5 17QPSK移相鍵控信號的相位及波形圖 多相移相鍵控信號的載波相位有多個(gè)值 可表示為 式中 mn t 為非歸零n電平的對稱基帶信號 例如 1 2 3 2 n為相鄰信號的相位間隔 設(shè) 則有 式中 在信號持續(xù)期間 均為常數(shù) COS 0t與Sin 0t相差 故相互正交 并稱余弦項(xiàng)為同相信號 I信號 正弦項(xiàng)為正交信號 Q信號 分別記作I和Q 可見 四相調(diào)相可以看作是兩個(gè)正交的二相調(diào)相的合成 圖5 18給出產(chǎn)生移相鍵控信號的原理框圖 圖5 18產(chǎn)生移相鍵控調(diào)制的方框圖 經(jīng)載波提取電路得到高頻載波信號COS 0t 經(jīng)過乘法器 I信道輸出yI t 可表示為 四相移相鍵控信號的解調(diào)框圖如圖5 19所示 圖5 194相移相鍵控解調(diào)框圖 Q信道的輸出yQ t 這兩個(gè)分量的信號經(jīng)過取樣判決及并 串變換后輸出 I信道和Q信道的輸出經(jīng)過低通濾波器濾除高頻成分 分別解出原始調(diào)制信號的同相分量和 四相鍵控和二相鍵控一樣 也存在相位模糊問題 為了防止輸出信號的不確定性 實(shí)際通信中采用四相相對調(diào)相 4DPSK 把圖5 18所示的4PSK調(diào)制變成4DPSK調(diào)制 在圖所示的串 并變換電路之后 需再加碼型變換器 差分編碼器 把絕對碼變換成相對碼 然后再進(jìn)行4PSK調(diào)制 就可得到4DPSK調(diào)制 4DPSK解調(diào)器同樣需要在并 串變換電路前加碼型變換器 把相對碼變成絕對碼 三 最小移頻鍵控調(diào)制MSK與GMSK 1 最小頻移鍵控 MSK 信號 最小頻移鍵控是頻移鍵控 FSK 的一種改進(jìn)形式 MSK信號的一般表達(dá)式為 1 最小頻移鍵控 MSK i 1 T t iTi 1 2 3 式中 ct為載波角頻度 其頻率為fc c 2 T為碼元的時(shí)間寬度 為碼元的幅值 其值為 1 為相位常數(shù) 在碼元寬度T內(nèi)保持不變 當(dāng) 1時(shí) MSK信號的頻率為 f1 fc T當(dāng) 1時(shí) MSK信號的頻率為 f2 fc T 這說明了MSK信號確實(shí)具有FSK的屬性 即已調(diào)信號SMSK的頻率值隨數(shù)字信號的取值而變 根據(jù)調(diào)頻指數(shù)Mf的定義 Mf f1 f2 T 顯然 MSK的調(diào)頻指數(shù)Mf 0 5 由于MSK的調(diào)頻指數(shù)比一般FSK的調(diào)頻指數(shù)小 一般的FSK通常都在0 5以上 所以稱這種頻移鍵控方式為最小頻移鍵控 i 1 T t iT MSK信號隨碼元變化的相位函數(shù)為 在每個(gè)碼元時(shí)間內(nèi) MSK信號的相位必須準(zhǔn)確地增加或減小 為了滿足碼元轉(zhuǎn)換時(shí)MSK信號的相位連續(xù) 即對應(yīng)于第i個(gè)碼元MSK信號的起始相位 等于第 i 1 個(gè)碼元MSK信號的終止相位 所以要求相位常數(shù)的取值必須滿足下式 例 假設(shè)t 0 初相 0 若輸入數(shù)字序列為 1 1 1 1 1 1 1 1 則其相位函數(shù) t 和相位常數(shù)如圖 5 20 所示 圖5 20MSK信號的相位變化路徑 MSK信號的另一種表達(dá)式形式如下 MSK信號的產(chǎn)生過程 1 最小移頻鍵控 MSK 調(diào)制和解調(diào)器 式中 上式表明MSK信號可看作是由兩個(gè)彼此正交的數(shù)據(jù)信道所組成 等號后面的第一項(xiàng)是同相信道 即I信道 cos ct是載波 為余弦符號加權(quán)函數(shù) Ik是由輸入數(shù)據(jù)決定的同相分量等效數(shù)據(jù) 類似地 上式等號后面的第二項(xiàng)為正交信道 即Q信道 四sin ct是正交載波 是正弦符號加權(quán)函數(shù) Qk是由輸入數(shù)據(jù)決定的正交分量等效數(shù)據(jù) 根據(jù)以上分析 畫出MSK調(diào)制器的框圖如圖5 21所示 各處波形如圖5 22所示 圖5 21MSK調(diào)制器方框圖 圖5 22MSK信號的波形圖 MSK信號的本質(zhì)是數(shù)字調(diào)頻波 所以它可以利用鑒頻器來解調(diào) 但更常用的是相關(guān)解調(diào) 如圖5 23所示 圖5 23MSK信號解調(diào)器 圖5 23所示電路利用相關(guān)載波提取電路從MSK信號中提取出I Q通道的兩個(gè)正交載波和 然后分別與MSK信號相乘 分別得到 取樣判決后變成數(shù)字信號 經(jīng)差分譯碼 相對碼 絕對碼 通過并 串變換電路 把I Q信號合成一路解調(diào)后的基帶數(shù)字信號輸出 2 高斯濾波最小移頻鍵控 GMSK GMSK 在信號調(diào)制之前 采用高斯濾波器進(jìn)行濾波處理 將基帶信號變成高斯脈沖 再進(jìn)行最小移頻鍵控 就是所謂的GSMK 1 GMSK GMSK具有較小的帶外輻射的特點(diǎn) 因而在現(xiàn)代移動通信中得到了廣泛的應(yīng)用 GMSK調(diào)制器框圖如圖5 24所示 圖5 24GMSK調(diào)制器方框圖 圖中LPF為高斯低通濾波器 數(shù)據(jù)信號經(jīng)過高斯低通濾波器后的波形如圖5 25所示 從圖中可見 經(jīng)過高斯低通濾波器后 數(shù)字信號的高頻分量得到了抑制 比較圓滑的數(shù)字信號送入MSK調(diào)制器 得到GMSK信號輸出 圖5 25數(shù)字信號通過高斯低通濾波器后的波形 GMSK信號的頻譜如圖5 26所示 從圖中可見 與MSK信號的頻譜相比 GMSK信號的邊頻分量小 帶寬窄 功率集中 所以發(fā)射機(jī)中沒有必要再使調(diào)制器的輸出通過帶通濾波器 接收機(jī)中在同樣接收帶寬的條件下 能夠通過的功率也較大 圖5 26GMSK的頻譜 GMSK的調(diào)制最簡單的方法是輸入序列經(jīng)高斯濾波器后 直接對調(diào)頻器進(jìn)行調(diào)頻 如圖5 24所示 但中心頻率易改變 故通常采用鎖相環(huán)調(diào)制器 如圖5 27所示 2 GMSK的調(diào)制與解調(diào) 圖5 27鎖相環(huán)GMSK調(diào)制器 鎖相環(huán)GMSK調(diào)制器由 2相移的二相移相鍵控 BPSK 調(diào)制器后面接一個(gè)鎖相環(huán)組成 其中 2相移的BPSK是保證每個(gè)碼元相位變化為 2 而鎖相環(huán)對BPSK的相位突跳進(jìn)行平滑 使得在碼元轉(zhuǎn)換點(diǎn)處相位連續(xù) 沒有尖角 因此 最重要的是正確選擇鎖相環(huán)的傳輸函數(shù) 滿足輸出功率譜特性要求 現(xiàn)有的電話線路主要用于傳送模擬信號 而計(jì)算機(jī)所能處理的是數(shù)字信號 由計(jì)算機(jī)送出的數(shù)字信號直接送到電話線路傳送 勢必產(chǎn)生大量的誤碼 致使數(shù)據(jù)通信無法進(jìn)行 四 調(diào)制解調(diào)器 MODEM 1 調(diào)制解調(diào)器的作用 把以數(shù)字形式表示的信息變換成適合電話網(wǎng)傳輸?shù)哪M信號 即前邊介紹的載波傳輸技術(shù) 這一變換稱之為調(diào)制 接收時(shí)把收到的模擬信號進(jìn)行解調(diào) 恢復(fù)成原始的數(shù)字信號 實(shí)現(xiàn)這一變換與反變換的設(shè)備稱之為調(diào)制解調(diào)器 MODEM 如圖5 28所示 問題 解決方法 圖5 28數(shù)據(jù)信號在電話信道上的傳輸 圖中DTE為數(shù)據(jù)終端設(shè)備 例如上網(wǎng)用的計(jì)算機(jī) 調(diào)制解調(diào)器 MODEM 是電話網(wǎng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸不可缺少的設(shè)備 是數(shù)字信號頻帶傳輸應(yīng)用的一種實(shí)例 當(dāng)然它的載波頻率應(yīng)該是在音頻信號范圍內(nèi) 1 高速與低速 2 調(diào)制解調(diào)器的類型 按傳輸速率分類 則可分成 低速 600bit s 中速 1200 4800 5600bit s 高速 9600 14400 19200bit s 寬帶 19200bit s 2 同步與異步 按同步方式分類 則速率在1200bit s以下的調(diào)制解調(diào)器均為異步式或起止式 內(nèi)部沒有時(shí)鐘 而是在每一個(gè)字符前后加上起 停位來控制同步 運(yùn)行速率在2400bit s以上的均為同步方式 允許數(shù)據(jù)或字符無間隔地傳輸 3 內(nèi)置與外置 內(nèi)置即插在計(jì)算機(jī)里邊 內(nèi)置無獨(dú)立電源 通過ISA接口與電腦相連 安裝時(shí)要打開機(jī)箱 外置即可放在計(jì)算機(jī)外邊 即插即用 具有獨(dú)立電源 裝拆比較方便 可按需要選用 MODEM的常用調(diào)制方式有FSK PSK QAM 4PSK等 FSK PSK用于低速調(diào)制解調(diào)器 QAM 4PSK用于高速調(diào)制解調(diào)器 4 調(diào)制方式 圖5 29展示出了半雙工同步調(diào)解器的調(diào)制 解調(diào)過程 3 調(diào)制解調(diào)器工作過程框圖 圖5 29調(diào)制解調(diào)器工作過程框圖 工作步驟 1 發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)加擾后 變成偽隨機(jī)碼 防止當(dāng)輸入是長連 0 或長連 1 時(shí) 因長時(shí)間不出現(xiàn)零交點(diǎn) 位時(shí)鐘出現(xiàn)漂移 從而使定時(shí)誤差過大 引起失步 2 進(jìn)行編碼 變成合適的數(shù)字波形 3 進(jìn)入數(shù)字濾波器和調(diào)制器 進(jìn)行數(shù)字信號的調(diào)制 把數(shù)字信號變成模擬信號 4 經(jīng)選擇器選入相應(yīng)的信道濾波器 目的是進(jìn)行發(fā)送信道的均衡 使信號在傳輸時(shí)所引起的失真小一些 工作步驟 5 經(jīng)混合線圈4 2線轉(zhuǎn)換后輸入線路 由線路上來的接收數(shù)據(jù) 經(jīng)自動增益控制器調(diào)整電平及數(shù)字解調(diào) 或經(jīng)均衡器后解碼 解擾 整個(gè)電路的同步信號由發(fā)送定時(shí)脈沖鎖相環(huán)進(jìn)入微調(diào) 并設(shè)有定時(shí)脈沖恢復(fù)電路和載波恢復(fù)電路 來保證調(diào)解器的正常工作 五 非對稱數(shù)字用戶專線 ADSL 如果采用了調(diào)制解調(diào)器 moden 上網(wǎng) 它占用的頻帶和電話相同 因此打電話時(shí)不能上網(wǎng) 或上網(wǎng)時(shí)不能打電話 同時(shí)modem上網(wǎng)的速率太慢只有56kbit s 所以目前在各大城市中的上網(wǎng)方式大多選用非對稱數(shù)字用戶專線 ADSL 上下行速率是非對稱的 即上下行速率不相等 下載的速率遠(yuǎn)大于上傳的速率 故稱為是非對稱數(shù)字用戶專線 符合上網(wǎng)時(shí) 瀏覽信息多于上傳信息的實(shí)際要求 傳統(tǒng)的電話線使用了0kHz 4kHz的低頻段進(jìn)行語音傳送 而電話線理論上有接近2MHz的帶寬 為了充分利用2MHz的帶寬 當(dāng)在電話線端放置了ADSL調(diào)制解調(diào)器的時(shí)候 在電話線上便產(chǎn)生了三個(gè)信息通道 1 速率為1 5Mbit s 9Mbit s的高速下行通道 用于用戶下載信息 2 速率為16kbit s 1Mbit s的中速雙工通道 用于用戶傳輸上行信息 3 傳統(tǒng)的電話服務(wù)通道 用于普通電話服務(wù) ADSL的頻譜分割如圖5 30所示 圖5 30ADSL的頻譜分割 這三個(gè)通道可以同時(shí)工作 這意味著你可以在下載文件的同時(shí)在網(wǎng)上觀賞你點(diǎn)播的大片 并且通過電話和你的朋友對大片進(jìn)行一番評論 ADSL靠什么實(shí)現(xiàn)這一切呢 它采用了高級的數(shù)字信號處理技術(shù)和新的算法壓縮數(shù)據(jù) 為了在電話線上分隔有效帶寬 產(chǎn)生多路信道 ADSL調(diào)制解調(diào)器一般采用兩種方法實(shí)現(xiàn) 頻分多路復(fù)用 FDM 和回波消除 EchoCancellation 技術(shù) FDM在現(xiàn)有帶寬中分配一段頻帶作為數(shù)據(jù)下行通道 同時(shí)分配另一段頻帶作為數(shù)據(jù)上行通道 下行通道通過時(shí)分多路復(fù)用 TDM 技術(shù)再分為多個(gè)高速信道和低速信道 同樣 上行通道也由多路低速信道組成 而回波消除技術(shù)則使上行頻帶與下行頻帶疊加 通過本地回波抵消來區(qū)分兩頻帶 它非常有效的使用了有限的帶寬 頻分多路復(fù)用 FDM 主要采用了2種線路調(diào)制技術(shù) 分別稱為抑制載波幅度和相位調(diào)制 CAP 離散多音復(fù)用調(diào)制 DMT 其中CAP的基礎(chǔ)是正交幅度調(diào)制 QAM 在CAP中 數(shù)據(jù)被調(diào)制到單一載波之上 而在DMT中 數(shù)據(jù)被調(diào)制到多個(gè)載波之上 每個(gè)載波上的數(shù)據(jù)使用QAM進(jìn)行調(diào)制 DMT使用0 4kbit s頻帶傳輸電話音頻 用26k 1 1Mbit s頻帶傳送數(shù)據(jù) 并把它以4K的寬度分為25個(gè)上行子通道和249個(gè)下行子通道 由此可以計(jì)算出它的上下信傳輸速率 速度計(jì)算公式為 通道數(shù) 每通道位數(shù) 調(diào)制速度 所以ADSL的理論上行速度為25 15 4kHz 1 5Mbit s 而理論下行速度為249 15 4kHz 14 9Mbit s 5 6同步技術(shù)概念 同步系統(tǒng)是數(shù)字通信設(shè)備的重要組成部分 本節(jié)介紹同步的一些基本概念 1 載波同步 當(dāng)采用同步解調(diào)或相干檢測時(shí) 接收端需要提供一個(gè)與發(fā)端調(diào)制載波同頻同相的相干載波 獲得這個(gè)相干載波的過程就稱為載波同步 2 位同步 在接收端產(chǎn)生與接收碼元的重復(fù)頻率和相位一致的定時(shí)脈沖序列的過程稱為位同步 3 幀同步 在接收端產(chǎn)生與 字 幀 起止時(shí)刻相一致的定時(shí)脈沖序列 稱為 字 同步和 幀 同步 統(tǒng)稱為幀同步 4 網(wǎng)同步 在整個(gè)通信網(wǎng)內(nèi)有一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間節(jié)拍標(biāo)準(zhǔn) 稱為網(wǎng)同步 5 外同步法 同步信號作為一種時(shí)間信息來專門傳送的 稱為外同步法 6 自同步法 同步信號是從所傳輸?shù)挠杏眯畔⒅刑崛〉?稱為自同步法 本章小結(jié) 本章主要介紹了數(shù)字信號的頻帶傳輸 并簡單地介紹了同步的基本概念 1 數(shù)字調(diào)制 就是用基帶數(shù)字信號去控制載波參量的取值 即所謂鍵控的方法 2 三種基本的鍵控的方法 振幅鍵控 ASK 頻移鍵控 FSK 相移鍵控 PSK 三種基本方式 3 頻率鍵控 是利用載波的不同頻率代表不同的數(shù)字信號來進(jìn)行信息傳輸?shù)?它的實(shí)現(xiàn)方法有兩種 頻率鍵控法和直接調(diào)頻法 數(shù)字調(diào)頻信號的解調(diào) 一般采用非相干解調(diào)法 例如包絡(luò)檢測法 4 相移鍵控分為絕對相移和相對相移二種 絕對相移在解調(diào)時(shí)有相位模糊的缺點(diǎn) 因而少用 但它是相對相移的基礎(chǔ) 實(shí)現(xiàn)相對相移是把輸入數(shù)字信號 絕對碼 變換成相對碼 然后再對相對碼進(jìn)行絕對相移鍵控調(diào)制 產(chǎn)生絕對相移的方法有直接調(diào)相法和相位選擇法 相對相移的解調(diào) 也常采用非相干解調(diào) 例如相位比較法 相移鍵控是一種高傳輸效率的調(diào)制方式 其抗干擾能力比振幅鍵控和頻移鍵控都強(qiáng) 因此在高 中速的數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛應(yīng)用 多進(jìn)制的相移鍵控 MPSK 有四相制和八相制 由于它們的優(yōu)良性能 廣泛用于各種通信系統(tǒng)中 5 正交幅度鍵控 QAM 是用二個(gè)獨(dú)立的數(shù)字基帶信號對二個(gè)相互正交的載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制 正交調(diào)制 是一種將數(shù)字信號隱藏于載波的振幅和相位之中的數(shù)字調(diào)制方式 6 最小頻移鍵控 MSK 是調(diào)頻系數(shù)為0 5的一種頻移鍵控調(diào)制方式 為滿足碼元變換時(shí) MSK信號的相位連續(xù) 在每個(gè)碼元時(shí)間內(nèi) MSK信號的相位必須準(zhǔn)確增加或減少 高斯濾波最小移頻鍵控 GMSK 是把數(shù)字信號進(jìn)行高斯濾波之后再進(jìn)行MSK調(diào)制的一種調(diào)制方式 它的頻帶窄 傍頻干擾小 我國的GSM制式移動通信采用GMSK調(diào)制方式 7 同步 是數(shù)字通信中的一個(gè)重要問題 同步分成載波同步 位同步 幀同步和網(wǎng)同步 本章結(jié)束 祝 同學(xué)們學(xué)習(xí)進(jìn)步