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通信基础知识课件ppt

发布日期:2020-08-03 17:06 来源:未知 点击:

  现代通信技术 课 件 第1章 通信基础知识 1.1 通信的基本概念 1.2 模拟信号数字化 1.3 信号的基带传输 1.4 模拟调制与解调 1.5 数字调制与解调 1.6 复用技术 1.1 通信的基本概念 人们在相隔较远的地方,如何进行信息交换呢? 人类是通过嘴巴、耳朵、眼睛等与对方进行信息交换的 。 通信的基本任务:是解决两地之间消息的传递和交换。例如,将地点A的信息传输到地点B,或者将地点A和地点B的信息双向传输。 实现通信的方式: 古代人们曾利用信物、烽火、金鼓、旗语等作为通信工具传递信息 。 现代人们利用电话、传真、电视、国际互联网等进行信息传递和交换。 现代的通信是电通信方式: 利用电信号携带所要传递的信息,然后经过各种信道进行传输,达到通信的目的。由于电通信几乎能在任意的通信距离上实现迅速而又准确的传递,因而获得了飞速的发展和广泛的应用。 1.1.1 信号 信息要用某种物理方式表达出来,通常可以用声音、图像、文字、符号等来表达。 信号的 定义:是信息的载体,是信息的表现形式。一般讲的信号是指电信号,它的表达形式可以是电压、电流或电场等 信号的描述:可以有两种方法,即时域法和频域法。 时域法:信号的电量(电压或电流等)随时间变化的情况,可以用观察波形的方法进行。例如,声音信号与时间t的关系可用一维函数f (t)来描述,如图1.1(a)所示。 频域法:信号的电量在频域中的分布情况,可用频谱分析仪观察信号的频谱,语音信号的频率范围大约为20~20000Hz,如图1.1(b)所示。 在语音中频谱越高能量就越小,所以电话中只传送听清对方说线Hz 部分。 电信号的分类 以频率划分,可分为基带信号和频带信号。 以信号参数的状态划分,可以分为模拟信号和数字信号。 1.基带信号与频带信号 基带信号是指含有低频成份甚至直流成份的信号,通常原始信号都是基带信号。 例如:话音信号是一种典型的基带信号,它是由人的声音经过话筒转换而成的。 频带信号的中心频率较高,而带宽相对中心频率很窄,因此适合于在信道中传输。 例如:调频的FM××MHz就是一个频带信号,它是将话音信号调制到××MHz的中心频率上,然后进行发射。如果接收机的频率与的频率相同,就能够接收到所发射的信号。 2.模拟信号与数字信号 模拟信号是指电信号参量的取值随时间连续变化的信号。因此,模拟信号也叫连续信号。如图1.2所示。 常见的模拟信号有语音信号、图像信号以及来自各种传感器的检测信号等。 数字信号与模拟信号相反,是指电信号参量的取值是离散的且只有有限个状态的信号。因此,数字信号也叫离散信号。如图1.3(a)所示是二进制数字信号,它只有两种取值,分别用0和1表示。如图1.3(b)所示就是四进制数字信号,分别用0、1、2、3表示四种取值。 常见的数字信号有电报、传真、计算机数据等信号。 1.1.2 信道 信道是信号的传输媒质,它可分为信道和无线信道两类。 信道包括明线、双绞线、同轴电缆和光纤等。 无线信道是由无形的空间构成,利用电波进行通信。 1.信道 信道主要有双绞线、同轴电缆和光纤,它们的构造、特征及主要用途如表1.1所示。 双绞线构造简单且价格便宜,但传输损耗大,且随着频率升高双绞线间产生漏话现象。另外,不能对电磁波产生屏蔽,容易混入外部杂音。双绞线Mbit/s以下的信息传输,被广泛应用于电话端局和用户之间的连线,或低速局域网计算机之间连线。 一般高频率信号的传输和长距离的传输都使用同轴电缆。同轴电缆的频带要比双绞线宽得多,它的外部金属能屏蔽中心导体的电磁波,因而不容易混入杂音。由于这些特点,它被广泛用于数百兆赫兹的模拟信号传输,也可用于1Gbit/s的数字传输。因为电视的频段在91.25 MHz~900MHz范围,所以电视(CATV)的分配电缆都采用同轴电缆。 光纤与双绞线、同轴电缆相比较,具有无可比拟的低损耗、传输频带宽、无电磁、不漏话且质轻、径细等极优良的性能。国际间、国内城市间长距离大容量的传输线使用的同轴电缆很快被光纤替代了。伴随着制造光纤技术的日益提高,成本不断下降,甚至原来以双绞线、同轴电缆为主要传输线的高层大楼、办公室等内部通信也开始使用光纤了。 2.无线信道 无线信道是利用电波传输信号。电波是一种在空间的物质,是全世界共同拥有的资源和财产。电波是指频率在3GHz以下的电磁波,电磁波包括电波、红外线、可见光、紫外线m/s的,人们根据电波的波长对它进行命名,如图1.4所示。 电波是从天线发射出来的,不同的频率其天线的形状、尺寸也各不相同,并且电波方式也多种多样。 电波的主要方式:地表面波、直射波和电离层反射波。 表1.2列出了电波的工作频段、方式及主要用途。 如图1.5所示是电波的各种径。地球的表面是一个球面,绕地球表面进行的电波称地表面波,中波以下频段的电波主要以地表面波形式。电波发送端与接收端在视距范围内直接的方式称为直射波,超短波以上波段的电波主要以直射波为主。受地表面曲率的影响,直射波的范围一般不超过50km。电离层反射波是指电波经过电离层反射到地面的电波,短波频段电波的电离层反射波最为明显。 1.1.3 信息的传输方式 信息的传输方式可以有以下几种分类:按照通过传输线信息的形式不同可以将传输方式分为模拟传输和数字传输;按照传输方法可分为串行传输和并行传输;按照信号的流向可分为单工、半双工和全双工三种通信方式。 1.模拟传输和数字传输 根据信道中传送的是模拟信号还是数字信号,将通信传输方式分成模拟传输方式和数字传输方式。应当指出,模拟传输方式和数字传输方式是以信道传输信号的差异为标准的,而不是根据原始输出的信号来划分。若将原始输出的模拟信号经过模/数变换,成为数字信号,就可以用数字传输方式传送,在接收端再进行相反的数/模变换,即可还原出原始的模拟信号。 2.串行传输和并行传输 将多位二进制码的各位码在时间轴上排列成一行,在一条传输线上一位一位地传输的方式称为串行传输方式。用数量等于二进制码的位数的多条传输线同时传送多位码的传输方式称为并行传输方式。如图1.6所示是两种传输方式的示意图。 串行传输的通信成本低但速度慢,而并行传输的传输速度快但成本高。因此,在通信线长即远距离传输时使用串行传输方式,而在短距离的计算机之间或计算机与外部设备(如打印机、显示器等)之间使用并行传输方式。 3.单工、半双工和全双工通信 (1)单工通信 单工通信是指信息的流动方向始终固定为一个方向的通信方式。虽然能够逆向传输应答信号,但不能在反方向传输信息,如图1.7(a)所示。 例如,电视机、收音机只能接收信号,而不能反方向传送信号,它是一种类似于单行道的通信方式。 (2)半双工通信 这是一种信息流动方向可以随时改变的通信方式,信息的流动方向有时是从A流向B,有时是从B流向A。但任何时刻只能由其中的一方发送数据,另一方接收数据,如图1.7(b)所示。由于传输方向不断交换,所以传输效率会有所下降。 例如,无线电收、发两用机和银行的联机系统都属于这种方式。它是一种类似于单向交互通行道的通信方式。 (3)全双工通信 全双工通信是指可以同时向两个方向传输信息的通信方式,如图1.7(c)所示。这种通信方式可以相互交换大量的信息。虽然是同时双向传输信息,但不一定非要在两个方向上分别敷设传输线,如将发送、接收的信号频率分离,引入频分复用技术就可实现双向通信。 例如,电话通信、宽带上网等都是属于这种通信方式。它是一种类似于双向通行道的通信方式。 1.1.4 通信系统 1.通信系统的基本组成 信号的传递与处理由通信系统完成。通信系统的一般模型如图1.8所示,它包括信源、发送设备、信道、噪声源、接收设备和信宿六个部分。 模型中各个部分的功能如下: (1)信源 信源即为信息的来源,它的作用是将原始信息转换为相应的电信号,即基带信号。常用的信源有电话机的线)发送设备 发送设备的功能是对基带信号进行各种变换和处理,比如放大、调制等,使其适合于在信道中传输。 (3)信道 信道即为发送设备和接收设备之间用于传输信号的媒介。 (4)接收设备 接收设备的功能与发送设备的相反,其作用是对接收信号进行必要的处理和变换,以便恢复出相应的基带信号。 (5)信宿 信宿指信息的接收者,它是与信源相对应的,其作用是将恢复出来的基带信号转换成相应的原始信息。常用的信宿有电话机的听筒、、显示器等。 (6)噪声源 噪声源是信道中的噪声以及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表现。 如果通信距离较远,还必须加上中继器,对被衰减的信号进行放大或再生,然后再传送。 2.模拟通信和数字通信 根据信道传输信号的差异,通信系统的分类如图1.9所示。 利用模拟基带信号传递信息的系统称模拟基带传输系统,如麦克风和放大器之间的信息传输。 利用模拟频带信号传递信息的系统称模拟调制传输系统,如电视、等系统。 利用数字基带信号传递信息的系统称数字基带传输系统,如计算机和周边设备(打印机等)之间的信息传输。 利用数字频带信号传递信息的系统称数字调制传输系统,如高清晰度数字电视、GSM移动通信系统等。 信道中传输的是模拟基带信号或模拟频带信号的通信系统称为模拟通信系统。信道中传输的是数字基带信号或数字频带信号的通信系统称为数字通信系统。模拟通信系统仅使用模拟传输方式,而由于数字频带信号是模拟信号,因此数字通信系统既可以使用模拟传输方式又可使用数字传输方式。 目前无论是模拟通信还是数字通信都已获得广泛的应用,但近年来数字通信无论是在理论上还是技术上都有了突飞猛进的发展。与模拟通信相比,数字通信更能适应现代社会通信技术越来越高的要求。这是由于它本身具有一系列模拟通信无法比拟的特点。其主要优点如下: (1)抗干扰能力强 在远距离通信中,中继器可以对数字信号波形进行整形、再生而消除噪声和失真的积累,但对模拟信号来说,中继器对传输信号放大的同时,对叠加在信号上的噪声和失线所示。此外还可以采用各种差错控制编码方法进一步改善传输质量。 (2)便于加密处理 在数字通信中易于采用复杂、非线性长周期的码序列对信号进行加密,从而使通信具有高强度的保密性。 (3)易于实现集成化,使通信设备体积小、功耗低 由于数字通信中大部分电都是由数字电来实现的,微电子技术的发展可使数字通信便于用大规模和超大规模集成电来实现。 (4)利于采用时分复用实现多通信 数字信号本身可以很容易用离散时间信号表示,在两个离散时间之间可以插入多离散时间信号实现时分多复用。 当然,数字通信系统的许多优点是用比模拟信号占用更宽的频带而换得的。以电话为例,一模拟电线kHz带宽,而一数字电线kHz的带宽。不过,随着信道带宽很宽的数字微波、卫星和光纤通信等系统的利用以及数字频带压缩技术的发展,数字通信占用频带宽的问题将可以逐步获得解决。 3.通信系统的性能指标 衡量通信系统性能的优劣,最重要的是看它的有效性和可靠性。有效性指的是传输信息的效率,可靠性指的是接收信息的准确度。 有效性和可靠性这两个要求通常是矛盾的。提高有效性会降低可靠性,反之亦然。因此,在实际设计一个系统时,必须根据具体情况寻求适当的折中解决办法。 模拟通信系统和数字通信系统对这两个指标要求的具体内容有很大差别,因此分别予以介绍。 (1)模拟通信系统的质量指标 模拟通信系统的有效性用有效传输频带来度量。信道的传输频带越宽,则能够容纳的信息量就越大。例如,一模拟电线kHz带宽,采用频分复用技术后,一对架空明线模拟电话,而一对双绞线,同轴电缆的通信量最大可达到10 000。显然同轴电缆的有效性指标比架空明线、双绞线好得多。 模拟通信的可靠性用接收端输出的信噪比来度量。信噪比指输出信号的平均功率和输出噪声的平均功率之比,并用分贝值作为衡量的单位,即10lgS/N (dB)。信噪比越大,通信质量越好。如普通电线dB以上,电视图像则要求信噪比在40dB以上。 (2)数字通信系统的质量指标 数字通信系统的有效性用信息速率来度量。它是指单位时间内传输的信息量(即二进制数字信号码元数),单位用bit/s来表示。例如,无线短波最大信息速率只有几百到几千bit/s,而光纤、卫星通信系统速率可达几百兆到几千兆bit/s,甚至更高。因此可以说只有光纤、卫星等才能为信息高速公建立传输平台。 数字通信系统的可靠性用误码率来度量。它是指接收错误的码元数与传输的总码元数之比,即 1.1.5 通信网 1.通信网的基本结构 多用户通信系统互连的通信体系称之为通信网。一般通信网是按业务种类来分的,如通常所说的电话网、数据网及电视网等。实现业务通信网的基本网络结构主要有如图1.11所示的四种形式以及它们的组合。图中的小圆圈代表网络转接中心,小圆点代表用户终端(在网络中称为结点),连接线)网形网 网形网最具代表性的是完全互连网,各结点之间直接以通信链连接,通信建立过程中不需要任何形式的转换。这种结构的最大优点是接续质量高,网络的稳定性好。但当用户数量较大时,通信链数将很大,因而网络投资费用很高。如果通信业务量不是很大的线)星形网 星形网中,各结点都通过转接中心进行连接,N个用户需要N条通信链。与网形网相比节省许多通信链,但它需要有转接设备。由于各用户之间的通信都要通过转接点,通信的接续质量和稳定性会受到一定的影响,尤其当转接设备发生故障时,可能会造成整个网内的通信瘫痪。 实用的星形网可以是多层次的,这种结构有时也称为树形结构,长途电话系统就采用这种结构。 (3)环形网 环形网的拓扑结构为一封闭环形,各结点通过中继器接入网内,各中继器由点到点链首尾连接,信号单向沿环逐点传送。环形网的主要优点是通信链短,初始安装比较容易,故障的诊断比较准确,十分适用于光纤传输介质。但其可靠性差,可扩充性和灵活性也较其他网络差。 (4)总线形网 总线形网采用公共总线作为传输介质,各结点都通过相应的硬件接口连接到总线上,信号沿总线进行式传送。总线形网的主要优点是通信链短,安装容易,可靠性高并易于扩充。但故障诊断和隔离困难,并且终端必须是智能的。 环形网和总线形网在计算机通信中应用较多,在这两种网中,一般传输的信息速率较高。它要求各结点或总线终端结点由较强的信息识别和处理能力。 2.通信网的基本构成 从通信网的基本结构可以看出,通信网主要由终端设备、通信链和转接交换设备三部分构成。终端设备是通信网中的源点和终点,它除对应于一般通信系统模型中的信源和信宿外,还包括部分发送设备和接收设备。通信链是网络结点的传输媒介,是信息的传输通道,它除对应于通信系统模型中的信道外,也还包括部分发送设备和接收设备。转接交换设备是现代通信网的核心,它的基本功能是完成接入交换结点链的汇集、转接、接续和分配。目前广泛使用的转接交换设备有电话网中的电交换和计算机网中的分组交换等。 1.2 模拟信号数字化 为了使声音、图像及模拟信号在数字通信系统中传输,必须将模拟信号变换成数字信号。模拟信号数字化须经过抽样、量化和编码三个过程。 1.2.1 抽样 1.抽样及实现抽样的电模型 将以一定的时间间隔T提取信号的大小(幅度)的操作称为抽样。抽样也称取样、采样,其工作过程如图1.12所示。 实现抽样的电模型如图1.13所示。图1.13(a)中的开关S在输入信号f (t)和接地点之间周期地开闭,则输出信号就变成了如图1.13(b)所示的时间离散的样值信号fs(t)。图中T是开关的开闭周期;? 是开关和信号f (t) 接点闭合的时间,也称抽样时间宽度。 2.抽样 经过抽样后形成的时间离散的样值信号能否无失真地恢复原来的时间连续信号呢?显然,抽取信号样值的时间间隔越短就能越正确地恢复原始信号。但是,缩短时间间隔会导致数据量增加,所以缩短时间间隔必须适可而止。 理论证明,若时间连续信号f(t)的最高频率为fH,只要抽样频率fs大于或等于fH的2倍,即fs≥2fH,就能够无失真地恢复原时间连续信号。这就是著名的奈奎斯特,简称抽样。 在电话中传送语音信号时,由于语音信号的频率范围为300Hz~3 400Hz,所以只要fs≥6 800Hz,也就是说在1s内以6 800次以上的速率抽样所得到的离散样值序列就能无失真地恢复原始语音信号。为了留有一定的余量,原国际电话电报咨询委员会(CCITT)语音信号的抽样频率为fs=8 000Hz。 1.2.2 量化 抽样是将在时间轴上连续的信号变换成离散的信号,但抽样后的信号幅度仍然是连续的值(模拟量)。例如,若信号幅度的取大值为5时,抽样后的某一个样值为3.453642……这种信号无法用有限位二进制数组合来表示,所以还需把幅度上连续的样值信号进行离散化处理。 1.量化的定义 量化是将连续的幅度值变换成离散的幅度值的过程。具体地说,将抽样信号在幅度上划分为若干个分层,在每一个分层范围内的信号使用“四舍五入”的办法取某一个固定的值(量化电平)来表示。若各分层间隔相等,则为均匀量化;反之,各分层间隔不等,则为非均匀量化。量化过程如图1.14(a)和(b)所示。 2.量化噪声 量化前的信号幅度与量化后的信号幅度出现了不同,这一差值在恢复信号时将会以噪声的形式表现出来,所以将此差值称为量化噪声。为了降低这种噪声,只要将量化时分层间隔减少就可以了,但是减少量化间隔会引起分层数目的增加,导致数据量的增大。所以量化的分层数也必须适当,一般根据所需的信噪比(S/N)来确定。在电话中传送线级,同时还采用非均匀量化。 当均匀量化的级数一定时,信号的幅度越小则量化误差相对信号而言其比值就越大。但采用非均匀量化,将信号小的部分的量化间隔减小,而将信号大的部分的量化间隔加大,这样可以使信噪比保持一定数值,不随信号的幅度值变化而变化。 1.2.3 编码 将量化后的信号变换成二进制数,即用0和1的码组合来表示的处理过程称为编码。当量化级数为8级时,可以用3位二进制数表示这些量化电平(8=23)。例如,图1.14(b)量化后各种样值电平为0、1、2、4、5、5、4、3、3、2、2、1、1,则其编码为000、001、010、100、101、101、100、011、011、010、010、001、001。一般语音信号的量化级数取256级,所以必须用8位二进制数来进行编码。 通常将模拟信号经抽样、量化及编码的过程称为脉冲编码调制(PCM),简称脉码调制。 【例1.1】 对频率范围为30 Hz~300 Hz的模拟信号进行PCM编码。 ① 求最低抽样频率fs。 ② 若采用均匀量化,量化电平数为L=64,求PCM信号的信息速率Rb。 解:① 根据抽样,最低抽样频率为 fs=2fH=2×300=600(Hz) ② 由量化电平数L可求出编码位数n,即 n=log2 L=log2 64=6 PCM信号的信息速率为 Rb=fs n=600×6=3 600(bit/s) 模拟信号经过脉码调制成为数字信号进行传输时,根据适当的距离,通过中继器对信号进行再生,可以清除噪声影响,使长距离传输仍保持良好的信噪比。因此从20世纪60年代开始,电话通信系统的各端局交换机之间的传输已逐步发展为PCM方式。现在,脉码调制技术不仅使用于语音信号,还使用于图像信号及其他任何模拟信号的数字化处理。 特别是近年来,由于超大规模集成电技术的飞速发展,使模拟信号从抽样、量化到编码只用1个集成芯片就能完成,使模拟信号的数字化很容易实现。现在,PCM方式不断地被广泛应用,如CD、VCD等记忆所有信号都是用数字的。数字方式的优点是无论进行多少次再生都可得到完全相同的信号。为了像音乐那样尽可能求得好的信噪比和宽的动态范围,若进行量化时减小量化间隔,就可以在任何时候都能得到质量好的逼线 模拟信号的基带传输 由声音、图像变换成的电信号都是模拟基带信号。模拟基带信号直接在信道中传输的传输方式称为模拟信号的基带传输。 最典型的模拟信号基带传输系统是电话用户接入网中的传输系统。用户接入网是指公共交换电话网(PSTN)中端局交换机与各用户连接的网络。电话信号以基带形式在用户接入网中传输,目前传输介质主要为双绞线。另一个常见的模拟信号基带传输的例子是音频信号、视频信号的传输,在摄像机、机、电视机以及其他音频、视频设备之间,声音、图像信号的短距离传输常常用基带形式传输。传输介质一般用特性为75?的同轴电缆。 1.3.2 数字信号的基带传输 数据终端设备的原始数据信号以及模拟信号经数字化处理后的脉冲编码信号都是数字基带信号。数字基带信号直接在信道中传输的传输方式称为数字信号的基带传输。 1.数字基带信号的码型 数字基带信号是指数字信息的电脉冲表示,电脉冲的形式称为码型。数字基带信号的码型种类很多,这里介绍几种应用较广的数字基带信号的码型。 (1)单极性非归零码 数字信号的二进制码元1和0分别用高电平和低电平(常为零电平)两种取值来表示,在整个码元期间电平保持不变,此种码通常记做NRZ(Not Return Zero)码,如图所示。这是一种最简单最常用的码型,很多终端设备输出的都是这种码。因为一般终端设备都有一端是固定的零电位,因此输出单极性码最为方便。 (2)双极性非归零码 数字信号的二进制码元1和0分别用正电平和负电平表示,在整个码元间电平保持不变,如图所示。双极性码元无直流成分,适合在无接地的传输线)单极性归零码 此码常记做RZ(Return Zero)码。与单极性非归零码不同,RZ码发送时,高电平在整个码元期间T内只持续一段时间? ,在其余时间则返回到零电平。发送零时用零电平,如图所示。? / T称为占空比,通常使用半占空码。 (4)双极性归零码 它是双极性码型的归零形式,如图所示。由图可知,此时对应每一码元都有零电平的间隙,即使是连续的1和0,都能很容易地分辨出每一个码元的起止时间。 (5)差分码 在差分码中,1和0分别用电平的跳变和不跳变来表示。当用电平跳变表示1,电平不跳变表示0,称为传号差分码;而用电平跳变表示0,电平不跳变表示1,则称为空号差分码。如图所示。 (6)数字双相码 数字双相码又称曼彻斯。它是用一个周期的方波表示1,用它的反向波形表示0。这样就等效于用2位码表示信息中的1位码。一种是用10表示0,用01表示1,如图所示。 2.数字基带信号的传输原理 数字基带信号的传输模型如图1.16所示,相应各点的波形则如图1.17所示。 信号(a)在到达接收端时,由于经过滤波器的滤波,受到信道特性的影响会失真,同时还会由于干扰和噪声的影响使波形的形状发生变化(b)。信号的失真可以用均衡器加以校正,经过均衡放大后,信号的波形已比较接近原信号(c)。然后将该信号送入整形电进行整形(d),最后经过抽样判决,恢复基带信号(e)。 图1.17(e)显示的再生信号与图1.17(a)的发送信号有两点不同:一是产生传输延时,这是由于信道(尤其是发送、接收滤波器)造成的;二是发生误码,误码产生的原因主要是由于传输频带的造成矩形脉冲失真而产生拖尾,再加上信道噪声的干扰造成了误判。 从上述过程可以看出,抽样脉冲序列(f)与发端的时钟要严格同步,否则将直接影响判决结果。 1.4 模拟调制与解调 各种传输信道都有一定的工作频率范围。例如,调频的频率范围是88MHz~108MHz,短波通信的频率范围是3MHz~30MHz。而它们所要传送的话音、图像等都是频率很低的基带信号。因此,必须将这些基带信号变换成适合传输信道的信号形式,这一处理过程称为调制。基带信号称调制信号,用于调制的高频余弦信号称为载波,调制后的信号称为已调波。在通信系统的接收端,将从已调波中取出原来信号的处理过程称为解调。 载波具有振幅、频率、相位等要素。调制就是让载波的某一个要素随调制信号变化。因此,相应地有振幅调制、频率调制和相位调制。频率和相位都是表示余弦波角度的要素,所以将频率调制和相位调制统称为角度调制。 模拟调制一般采用振幅调制和频率调制。AM无线电语音和电视的图像信号传输采用振幅调制。AM是Amplitude Modulation(振幅调制)的缩写。FM无线电语音和电视的声音信号传输采用频率调制。FM是Frequency Modulation(频率调制)的缩写。 1.4.1 振幅调制 1.常规调幅(AM) 设载波为: 如果用图形来表示AM波,则当 即 时 如果 ,即 时,AM波如图1.19(a)所示,称满调幅。 如果 ,即 时,AM波如图1.19(b)所示,它的包络线发生变形,称过调幅。 下面观察AM波的频谱,使用三角函数的积化和差公式将式(1-2)变形,则为 由此可见,AM波是由频率分别为 、 、 的三个信号相加而成的,第一项是载波,第二、第三项分别称上边带、下边带,频谱分布如图1.20所示,上边带是调制信号平移了 ,而下边带是调制信号以 的纵轴为对称轴进行翻转,然后平移 。因此两个边带中任何一个边带都包含调制信号的全部信息。 如果调制信号像语音信号一样,其频率具有一定的带宽,则AM波的频谱如图1.21所示,它由载波和调制信号经过频谱搬移而产生的上、下两个边带组成。 AM波的带宽是调制信号最高频率的2倍,如图1.21所示的调制信号的最高频率为 ,则AM波占有的带宽为: 【例1.2】 振幅为60V,频率为2MHz的载波,用频率为2kHz的调制信号进行调幅,调幅指数为0.8。 ① 写出AM波的时域表达式。 ② 上边带、下边带的振幅及频率各为多少? ③ AM波的带宽是多少? ② 因 V,根据式(1-3)可得 上边带、下边带的振幅都为 ③ AM波的带宽为 上、下两个边带功率: 【例1.3】 某单一频率调制的AM波,总功率为1 000W,调幅指数为0.8,试分别求出: ① 调制效率; ② 每个边带的功率; ③ 载波功率 。 ② 两个边带的总功率 如果 ,则 1/3,也就是说满调幅时,有用信号的功率也仅是总功率的1/3,为了提高传输效率,可以从以下几个方面进行分析研究。 (1)不传送载波功率的载波的双边带(DSB-SC:Double Sideband-Suppressed Carrier) 调幅,若调制信号为单频余弦信号,即 ,则载波的双边带调幅波为: 由此可见,DSB-SC波仅有两个边带信号,而没有载波信号。 其一般波形的表达式为 3.调制与解调 由式(1-7)和式(1-1)可知,载波双边带调幅的调制过程是调制信号与载波信号的相乘运算,而常规调幅是调制信号叠加直流分量后与载波相乘。它们的数学模型如图1.24所示。 单边带信号可用滤波法,其原理如图1.25所示。让载波双边带信号通过一个单边带滤波器,保留所需要的一个边带,滤除不要的边带,即可得到单边带信号。 常规调幅信号一般采用包络检波。包络检波原理如图1.26所示,二极管导通时,向电容C充电,充电时间很短;二极管截止时,电容C通过电阻R放电,放电过程很慢。这样就可以得到近似于AM波正侧包络线的波形。 载波双边带信号的包络不能反映调制信号的波形,因此它不能采用包络检波,而采取相干解调。相干解调是用相乘器将DSB-SC信号与接收机内部的本振信号(与AM信号的载波同频同相)相乘而再经低通滤波器后得到原来的基带信号,如图1.27所示。 1.4.2 频率调制 频率调制是指高频余弦载波的频率随基带信号成比例变化的调制方式。该调制信号为f (t),载波的频率为?c,则FM波的瞬时角频率为 所以FM波的表达式为 这里 称为调频指数; 为最大角频率偏移,即 而 为最大频率偏移。 【例1.4】 已知FM波为 调制器的频偏 Hz/V,试求: ① 载频 ; ② 最大频偏 ; ③ 调频指数 ; ④ 调制信号 。 解:① 由FM波可知,载频 ④ 因 (Hz/V) = ( ) ,对照瞬时角频率的式子(1-9)可得 FM是一种非线性调制,即已调信号的频谱与调制信号的频谱有很大的区别。理论证明,调频信号的功率90%以上集中在以载波频率为中心的 的带宽中。 因此,一般将 称为FM信号的带宽。FM信号的带宽大于任何一种调幅方式,因此调频通信系统的频带利用率较低。 例1.4的FM波的带宽 对FM信号进行解调,一般的方法是采用具性的频率——电压转换特性的鉴频器把对应信号的频率变化转变成振幅变化,即变换成AM信号,然后对AM信号采用包络检波进行解调。 频率调制比振幅调制的抗噪声能力强,因此常用于高音质的调频和电视伴音中。 1.5 数字调制与解调 由于数字信号具有丰富的低频成分,不宜进行无线传输或长距离电缆传输,因此必须对数字基带信号进行调制。 数字调制是指调制信号是数字信号,载波为余弦波的调制。 由于数字调制的调制信号是1和0的离散取值,所以把数字调制称为“键控”。与模拟调制的振幅调制、频率调制和相位调制相对应,数字调制的三种基本方式为振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。 1.5.1 二进制振幅键控(2ASK:Amplitude Shift Keying) 1.幅度键控信号及其功率谱 如图1.29所示是一个2ASK信号的波形。当信码为1时,ASK的波形是若干个周期的载波(图中为一个周期);当信码为0时,ASK信号的波形为零电平。 从图1.29可以发现,2ASK信号实际上是信码的单极性NRZ波形与高频载波的相乘。已知一个二进制NRZ信号的功率谱如图1.30所示,其分布如花瓣状,其功率谱的第一个过零点之内的花瓣最大,称为主瓣,其余的称为旁瓣。主瓣内集中了信号的绝大部分功率,所以主瓣的宽度可以作为信号的近似带宽,通常称为谱零点带宽。B=fs,fs为数字基带信号的码元速率。相乘器可以使信号的功率谱产生搬移,因此可以得到2ASK信号的功率谱,如图1.30所示,2ASK信号的频带宽度是基带信号的2倍,即 2.幅度键控信号的产生与解调 2ASK信号的产生可用一个相乘器将数字基带信号和载波相乘,其数学模型如图1.31(a)所示。也可直接用数字基带信号去控制一个开关电,当出现1码时开关拨向载波端,输出载波;当出现0码时开关拨向接地端,无载波输出。如图1.31(b)所示。 2ASK信号的解调一般采用包络检波方式,它的方框图如图1.32所示。图中的抽样判决器与基带信号传输系统中的抽样判决器一样,它对于提高数字信号的接收性能是十分必要的。 1.5.2 二进制频移键控(2FSK:Frequency Shift Keying) 1.频移键控信号及其功率谱 如图1.33所示是一个2FSK信号的波形。它是用载波的两种频率来表示数字信号的两种状态。当信码为1时,2FSK信号是一个频率为f1的载波;当信码为0时,2FSK信号是一个频率为f2的载波。 分析2FSK信号的波形可以发现,2FSK信号可以看做是载波频率分别为f1、f2的两个2ASK信号的合成,因此它的功率谱也是这两个2ASK信号功率谱的合成,如图1.34所示。图1.34(c)是f1和f2相差较大的情况,当f1和f2相差较小时,两条2ASK功率谱曲线合到一起形成一个单峰,如图1.34(d)所示,其中 fc=(f1+f2)/2。 2.频移键控信号的产生与解调 2FSK的调制器方框图如图1.35所示,用数字基带信号去控制一个选通器,通过选通器开关的转向来输出不同频率的载波。 如前所述,2FSK是由两个频率分别为f1和f2的2ASK信号合成。如果用两个中心频率分别为f1和f2的带通滤波器对2FSK信号进行滤波,可以将其分离成两个2ASK信号。然后对每一个2ASK进行解调,并将两个解调输出送到相减器。相减后,信号是双极性信号,在取样脉冲的控制下进行判决就可完成2FSK信号的解调。2FSK解调器框图及各点波形分别如图1.36和图1.37所示。 1.5.3 二进制相移键控(2PSK:Phase Shift Keying) 1.相移键控信号及其功率谱 如图1.38所示是一个2PSK信号的波形。它是用载波的两个相隔 ? 的相位来表示数字信号的两种状态。当信码为1时,2PSK信号的相位与载波基准相位相同;当信码为0时,2PSK信号的相位与载波基准相位相反。 分析图1.38波形可以发现,2PSK信号实际上是一个双极性NRZ信号与载波相乘的结果,因此2PSK信号的功率谱与2ASK的相似。所不同的是2ASK的调制信号是单极性信号,含有直流分量,相乘后信号中有载波分量;而2PSK信号的调制信号是双极性信号,如果信码1、0出现的概率相同,则调制信号中没有直流分量,因此2PSK信号没有载波分量。所以,它的频带宽度与2ASK一样,也是基带信号的2倍,即 2.相移键控信号的产生与解调 2PSK调制器方框图如图1.39所示,载波发生器和移相电分别产生两个同频反相的余弦载波,由信码控制电子开行选通:当信码为1时,输出0相载波;当信码为0时,输出 相载波。 2PSK信号的解调可用相干解调。相干解调器的框图及各点波形分别如图1.40和图1.41所示 从图1.41可以看出,当本地恢复载波与2PSK信号的载波同相时,经相干解调器解调出的信码与发送信码完全相同(不考虑传输误码)。但本地恢复载波也可能与2PSK信号的载波反相,这时经相干解调器解调出的信码与发送信码的极性完全相反,形成1和0的倒置。这对于数字信号的传输来说当然是不能允许的。 为了克服这种因本地恢复载波相位不确定性而造成相干解调1和0的倒置现象,通常采用差分相移键控的方法。 1.5.4 二进制差分相移键控(2DPSK:Differential Phase Shift Keying) 1.差分相移键控信号及其功率谱 2PSK信号的相位变化是以未调载波的相位作为参考基准的。由于它是利用载波相位的绝对数值传送数字信息,因而又称绝对相移键控。利用载波相位的相对数值也同样可以传送数字信息,这种利用前后码元的载波相位相对变化传送数字信息的方式称为差分相移键控。 如图1.42所示是一个2DPSK信号的波形。当信码为1时,载波的相位与前码元载波反相;当信码为0时,载波的相位与前码元载波同相。 与2PSK信号一样,2DPSK信号也可以看做是一个双极性NRZ信号与载波相乘的结果,因此它的功率谱分布与2PSK完全一样,频带宽度也是基带信号的2倍。 2.差分相移键控信号的产生与解调 2DPSK调制器方框图如图1.43所示,与2PSK所不同的是在电加了一个“码变换”电,用于将绝对码变为相对(差分)码,然后再进行绝对调相。 2DPSK信号的解调可采用相干解调,相干解调器的框图及各点波形分别如图1.44和图1.45所示。 由图1.45可以看出,对于2DPSK信号来说,不管本地恢复载波的相位与2DPSK信号的载波同相还是反相,在不考虑传输误码的情况下,其解调结果的信码与发送信码完全一致。 1.6 复用技术 所谓复用就是指将多个信号按一定的规律汇集在一起,用一条传送线传输的技术。例如,电话系统中用户电话机到交换局使用的是单独的传输线,而在交换局之间所使用的是复用的中继传输线。目前广泛使用的复用技术有频分复用、时分复用和码分复用等。这里主要介绍频分复用和时分复用。 1.6.1 频分复用技术(FMD:Frequency Division Multiplexing) 1.频分复用原理 频分复用是按频率分割多信号的方法,即将信道的可用频带分为若干个互不重叠的频段,每信号占据其中的一个频段。在接收端用适当的滤波器将多信号分开,分别进行解调和终端处理。 以话音信号的频分复用为例,设有n话音信号,每信号的频率范围均为300Hz~3 400Hz,如图1.46(a)所示。首先各信号分别对不同频率的载波进行单边带振幅调制,形成频率不同的已调波,如图1.46(b)所示。 然后将各已调波合成为频分复用信号后送往信道传输。考虑到传输过程中邻信号的相互干扰,因此在各信号的带宽之外,还应留有一定的防卫间隔。电线kHz,作为标准频带。这里用一个三角形表示0kHz~4 kHz的一电话基带信号,各话音合成后在频率轴上的如图1.46(c)所示。 要想从频分复用的信号中取出某一个话的信号,只要选用一个与频率范围相对应的带通滤波器对信号进行滤波,然后进行解调即可恢复原调制信号。 2.多级复用 当对话音信号进行一次调制实现多复用时,一个话需要一个与它相对应的载频和滤波器。当复用的话数目很多时,必须使用种类繁多的载频和滤波器,实现起来难度很大。在这种情况下,采用多级复用是解决问题的最佳办法。多级复用是指在一个复用系统内,对同一个基带信号进行两次或两次以上同一种方式的调制。 载波电话系统是多级频分复用的一种典型应用。12话音信号合在一起成为基群,5个基群复合构成一个超群,5个超群构成一个基本主群,3个基本主群构成一个基本超主群。如图1.47所示是900基本超主群的多级复用结构示意图。 1.6.2 时分复用技术(TDM:Time Division Multiplexing) 1.时分复用原理 时分复用是按时间分割多信号的方法,即将传输时间划分为若干个互不重叠的时隙,互相的多信号顺序地占用各自的时隙,合成为一个复用信号,在同一信道中传输。在接收端按同样的规律把它们分开。数字信号在传输过程中一般都采用时分复用方式。PCM30/32基群方式是时分复用的典型实例。为了满足抽样,每线Hz,也就是说每隔Ts=1/8 000=125?s时间取样一次,但取出的样值脉冲很窄,只占这段时间中的很小时段Tc,一个样值脉冲经编码成为8bit(位)码组,如图1.48(a)所示。32信号对时间Ts进行分配,如图1.48(b)所示。 在时间Ts内,各信号顺序出现一次,这样形成的时分复用信号称为帧,一帧的时间长度Ts称为帧周期,每帧共传送8×32=256bit,因此,PCM30/32基群的信息速率为 时分复用与频分复用在原理上的差别是明显的。时分复用在时域上各信号是分割开的,但在频域上各信号是混叠在一起的;而频分复用在频域上各信号是分割开的,但在时域上各信号是混叠在一起的。时分复用信号的形成和分离都可通过数字电实现,比频分复用信号使用调制器和滤波器要简单。 2.数字分级复接 与模拟信号复用一样,为了提高复用度,数字信号在进行复用处理时也采用分级复接。数字复接等级结构是以64Kbit/s为基础进行的,分日本、、欧洲三大体系。在这些体系中,n次群的信息速率等于(n-1)次群的信息速率乘以复用度。我国采用欧洲体系,如图1.49(a)所示。 随着光纤通信的发展,四次群速率已不能满足大容量高速传输的要求,所以在1988年制定了世界统一标准,确定四次群以上采用同步数字系列(SDH:Synchronous Digital Hierarchy)。SDH的第一级速率为155.52Mbit/s,记做STM-1。4个STM-1复接得到STM-4,信息速率为622.08Mbit/s。4个STM-4复接得到STM-16,信息速率为2 488.32Mbit/s。 4个STM-16复接得到STM-64,信息速率为9 953.28Mbit/s。如图1.49(b)所示。 图1.46 频分复用原理示意图 图1.47 900主群的多级复用结构 图1.48 时分复用原理示意图 在30/32PCM基群中,一帧的32个时隙内只有30个时隙用于线个时隙在偶帧时隙传送同步帧,奇帧时传送监测告警信号,第17个时隙传送信令。 图1.49 数字复接等级 HZ ② 因瞬时相位为 则瞬时角频率为 故最大频偏为 = KHZ ③ 因调制信号 为 = HZ 故调频指数 如果将单频调制时的FM波用瞬时角频率来表示,则由式(1-9)可得: 由式(1-13)可画出FM波的波形示意图如图1.28所示。 图1.28 单频调制的FM波的波形 (kHz) 调频信号的调制可采用直接调频法。所谓直接调频法是直接用调制信号去控制高频振荡器内元件的参数(电感和电容),使高频振荡频率随调制信号的变化而变化。 图1.29 2ASK信号的波形 图1.30 2ASK信号的功率谱 图1.31 2ASK信号调制模型 图1.32 2ASK信号的解调器 图1.33 2FSK信号的波形 通常2FSK信号的频带宽度为: 其中 为数字基带信号的码元速率。与2ASK相比,在同样的码元速率下,2FSK信号的频带宽度要大一个频差 。 图1.34 2FSK信号的功率谱 图1.35 2FSK信号的调制器框图 图1.36 2FSK解调器组成框图 图1.37 2FSK解调器的各点波形 图1.38 2PSK信号的波形 图1.39 2PSK调制器组成框图 图1.40 2PSK解调器组成框图 图1.41 2PSK解调器的各点波形 图1.42 2DPSK信号波形 图1.43 2DPSK调制器组成框图 图1.44 2DPSK解调器组成框图 图1.45 2DPSK解调器的各点波形 图1.16 数字基带信号的传输模型 图1.17 数字基带信号传输模型中各点的波形 调制信号为: 则常规调幅信号可以写为: 为了简单起见,设调制信号为一个单一频率的余弦波信号: 且 则AM波可写为: 称为调幅指数。 AM波如图1.18(c)所示,它的包络线与调制信号成正比,称正常调幅。 图1.18 调幅方式 图1.19 AM波的波形 图1.20 AM波的频谱 图1.21 具有一定带宽的AM波的频谱 像这样具有两个边带的传输方式称为双边带(DSB:Double Side Band)调制方式。 解:① 因 V, Hz, Hz, ,由式(1-2)可得,AM波的时域表达式为 (V) 上边带、下边带的频率分别为 HZ 2.其他形式的振幅调制 首先了解一下常规调幅的调制效率。调制效率 定义为边带总功率与已调波总功率之比。功率可认为1? 电阻所消耗的平均功率 载波功率: AM已调波总功率: 因此,调制效率: 解:① 因 ,由式(1-5)可得 调制效率 每个边带的功率为 (W) ③ 载波功率 其中, 为调制信号; 为载波。 它的频谱分布如图1.22(a)所示。 (2)由于希望传输的调制信号包含在各边带中的任何一个边带,因此就信息传输的目的而言,只要传输其中一个边带就足够了。这种只传送一个边带的传输方式称单边带(SSB:Single Side Band)调幅,其频谱分布如图1.22(b)所示。 图1.22 DSB-SC调幅与SSB调幅的频谱分布 (3)如果传送像图像那样具有直流和接近直流的频率成分的信号时,则需要具有急陡特性带通滤波器,因而取出一个边带的单边带调制是无法实现的。在这种情况下,采用残留边带(VSB:Vestigial Side Band)调幅。残留边带调幅除了保留一个边带以外还保留另一个边带的小部分,其频谱分布如图1.23所示。这样残留边带调幅就避免了实现上的困难,其代价是传输带宽介于单边带和双边带信号的带宽之间。 图1.23 残留边带频谱分布 (a)双边带调幅调制模型 (b)常规调幅调制模型 图1.24 双边带振幅调制模型 图1.25 用滤波法形成单边带信号

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