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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。.信道：信号的
2、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（方波脉冲序列）要求通信媒介（
3、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。远距离传输的信号加在一个正弦波信号上
4、，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 幅移键控（ASK）频移键控（FSK）相移键控（P
5、SK）,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。当RS-232C的TXD线为-12V（逻辑1）时，电子开关1开
6、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，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。
7、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
8、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
9、=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,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
10、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
11、（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：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。
12、,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）
13、、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
14、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
15、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
16、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
17、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
18、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
19、,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
20、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
21、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
22、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,幅度调制利用数字基带信号控制载波的幅度来传送信息。常用的幅度调制方式有二进制振幅键控调制（2ASK）、多进制振幅键控调制（MASK）、双边带抑制载波调制（DSBSC）及正交幅度调制（QAM）等。对于幅度调制信号的解调方法有两种，即相干解调和非相干解调。,小 结,频率调制利用数字基带信号控制载波的频率来传递信息。常用的频率调制方式有二进制频移键控调制（2FSK）、多进制频移键控调制（MFSK）及最小频移键控（MSK）等。解调方法分为相干解调和非相干解调两类。
23、非相干解调又包含最佳非相干解调法、分路滤波法、鉴频器法、过零检测法及差分检波法等多种方法。,小 结,相位调制利用数字基带信号控制载波的相位变化来传递信息。常用的相位调制方式有绝对移相的相移键控（PSK）和相对移相的相移键控（DPSK）。对于PSK信号采用相干解调方法，而DPSK信号的解调方法有极性比较法和相位比较法两种。,小 结,为了获得较好的频带利用率和功率利用率，可采用幅度相位混合调制（APK）方式，即对载波的振幅和相位同时进行数字调制的方式，适用于高效率的通信方式中。信道传输中的复用技术，以时分和频分为主，兼顾码分技术及频分技术。几种基本方式的组合，即混合复用信道。,习 题 3,1.如果一条传送线使用双位信号，传送速度是4，800bits，其波特率是多少?如果传送使用3位信号，其波特率又是多少?2.如果一条数据传送线可以在4,000MHz6,500MHz的范围内传送数据，其频带宽度是多少?3.为什么要采用调制和解调?4.如何区分调频、调幅和调相。5.如何区分相干解调和非相干解调。6.如何区分脉码调制和脉冲幅度调制。,
