黃小平課件-數(shù)據(jù)編碼和調(diào)制(二)

第5節(jié)數(shù)據(jù)編碼和調(diào)制（一)黃小平西北工業(yè)大學(xué)

huangxp_nwpu@2/6/20231西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@復(fù)習(xí)1基帶傳輸碼型的選擇以及典型的編碼方案2模擬信號的數(shù)字傳輸PCM采樣定理采用量化編碼壓擴(kuò)技術(shù)A率13折增量調(diào)制原理超載失真顆粒失真2/6/20232西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@內(nèi)容提要數(shù)字信號的編碼(基帶傳輸)數(shù)字信號傳輸模擬數(shù)據(jù)模擬載波傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模擬載波傳輸模擬數(shù)據(jù)Thisisthekeypoint.2/6/20233西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@3.3

模擬載波傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)頻帶傳輸把數(shù)字信號調(diào)制成不同頻率的信號，再進(jìn)行傳輸?shù)姆椒ǚQ為頻帶傳輸。頻帶傳輸優(yōu)點基帶信號通常含有較低的頻率分量。信道一般呈帶通性提高信道利用率，F(xiàn)DM通帶傳輸抗干擾性強(qiáng)，無線傳輸。當(dāng)信號為連續(xù)1(或0)時會有直流成分產(chǎn)生?！?/6/20234西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@3模擬載波傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)概念調(diào)制信號，載波信號，調(diào)制，解調(diào)方法用調(diào)制信號控制高頻載波信號的某一個參數(shù)的改變，使這種改變能夠反映出調(diào)制信號的變化技術(shù)數(shù)字幅度調(diào)制技術(shù)幅移鍵控（ASK:AmplitudeShiftKeying）數(shù)字頻率調(diào)制技術(shù)頻移鍵控（FSK:FrequencyShiftKeying）數(shù)字相位調(diào)制技術(shù)相移鍵控（PSK:PhaseShiftKeying）正交振幅調(diào)制（QAM）2/6/20235西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@調(diào)制理論（補(bǔ)充）調(diào)制理論基礎(chǔ)：傅立葉變換調(diào)制：用欲傳輸?shù)脑夹盘杅(t)去控制高頻簡諧波或周期性的脈沖信號的某一參量，使它們隨f(t)變化。通常把原始信號稱為調(diào)制信號或基帶信號f(t)；把高頻簡諧波或周期性脈沖信號稱為載波信號，起著載運(yùn)原始信號的作用Acos

；把調(diào)制后得到的信號稱為已調(diào)信號，顯然已調(diào)信號中攜帶有原始信號中的信息(s(t))。2/6/20236西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@調(diào)制定理：基帶信號f(t)和正弦/余弦信號cos（w0t）相乘得到已調(diào)信號f(t)cos（w0t）的頻譜和原始信號f(t)的頻譜F(jw)之間有如下關(guān)系：調(diào)制理論（補(bǔ)充）2/6/20237西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@調(diào)制定理表明：將基帶信號f(t)乘以余弦信號cos（w0t）對應(yīng)于在頻域中把f(t)的頻譜F(jw)等分成兩部分并把其中一部分沿頻率軸右移w0，另一部分左移w0，如圖所示：-Wm+Wmf(t)F(jw)調(diào)制理論（補(bǔ)充）2/6/20238西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@-Wm+Wm-Wm+Wm調(diào)制理論（補(bǔ)充）2/6/20239西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@3.3.1幅移鍵控調(diào)制（2ASK）用數(shù)字基帶信號去控制正弦載波的幅度，使載波信號的幅度隨基帶信號的變化而變化。2ASK信號的產(chǎn)生2ASK信號的解調(diào)2ASK所需帶寬2/6/202310西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@12ASK信號的產(chǎn)生傳送“1”時，發(fā)送載波，發(fā)送“0”時，無載波發(fā)送2/6/202311西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@12ASK信號的產(chǎn)生2ASK信號：2/6/202312西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@2ASK調(diào)制方法(1)乘法器法（圖a）：平衡調(diào)制器(2)通斷鍵控方法（圖b）：OOK（On-OffKeying）~wm(t)f(t)乘法器BPF本地載波：Acos(w0t+θ0)LPF:lowpassingfilterHPF:highpassingfilterBPF:bandpassingfilter（a）（b）12ASK信號的產(chǎn)生2/6/202313西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@12ASK信號的產(chǎn)生一種實現(xiàn)2ASK的電路2/6/202314西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@載波發(fā)生器e(t)m(t)S開關(guān)(a)t1011001s(t)Tbtt2ASK信號載波信號(單極性非歸零矩形脈沖信號12ASK信號的產(chǎn)生2/6/202315西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@2ASK信號帶寬二進(jìn)制序列的功率譜2ASK信號的功率譜ASK信號的帶寬是調(diào)制信號帶寬的兩倍，其主瓣帶寬為：2/6/202316西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@解調(diào)：從已調(diào)信號中檢出調(diào)制信號的過程稱為解調(diào)或檢波。2ASK信號的解調(diào)：即由已調(diào)信號二進(jìn)制基帶信號；解調(diào)的方法有相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種方法。(1)非相干解調(diào)方法：包絡(luò)檢波法包絡(luò)檢波：幅值調(diào)制就是讓已調(diào)信號的幅值隨調(diào)制信號的值變化，因此調(diào)幅信號的包絡(luò)線形狀與調(diào)制信號一致。只要能檢出調(diào)幅信號的包絡(luò)線即能實現(xiàn)解調(diào)。這種方法稱為包絡(luò)檢波。22ASK信號的解調(diào)2/6/202317西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@包絡(luò)檢測法的解調(diào)2/6/202318西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@定時抽樣輸出基帶信號2ASK信號包絡(luò)檢波原理框圖抑制噪聲BPF包絡(luò)檢波器抽樣判決器LPF輸入已調(diào)信號（2ASK信號+噪聲（高斯白噪聲）)取出基帶信號把取出的基帶信號還原成原基帶信號抽樣判決器在定時脈沖的控制下，對LPF輸出的信號進(jìn)行抽樣，當(dāng)樣值大于判決門限里，判為“1”，反之判為“0”。22ASK信號的解調(diào)2/6/202319西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@相干解調(diào)的條件：相干載波發(fā)生器產(chǎn)生的本地相干載波要與輸入已調(diào)信號同頻、同相。22ASK信號的解調(diào)2/6/202320西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@相干解調(diào)：同步解調(diào)法：BPF乘法器抽樣判決器LPF定時抽樣輸入已調(diào)信號輸出基帶信號相干波發(fā)生器22ASK信號的解調(diào)2/6/202321西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@2ASK相干解調(diào)22ASK信號的解調(diào)2/6/202322西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@非相干解調(diào)：通過包絡(luò)檢測器來實現(xiàn)。相干解調(diào)：利用乘法器實現(xiàn)，使信號頻譜再次搬移，調(diào)制信號的頻譜重新搬回零頻附近。在相同大信噪比情況下，2ASK信號相干解調(diào)時的誤碼率總是低于包絡(luò)檢波時的誤碼率，即相干解調(diào)2ASK系統(tǒng)的抗噪聲性能優(yōu)于非相干解調(diào)系統(tǒng)，但兩者相差并不太大。然而，包絡(luò)檢波解調(diào)不需要穩(wěn)定的本地相干載波，故在電路上要比相干解調(diào)簡單的多。22ASK信號的解調(diào)2/6/202323西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@2ASK調(diào)制的特點是最早，最簡單的調(diào)制方式，但抗噪聲能力較差，因此實際中用的不多。但掌握其原理是理解分析其他調(diào)制方法的基礎(chǔ)。2/6/202324西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@思考題已使用2ASK技術(shù)完成1010110010序列信號的調(diào)制。試(1)畫出信宿端采用相關(guān)解調(diào)方法解調(diào)該序列信號的原理框圖(2)說明每一個模塊的功能(3)畫出解調(diào)過程中各個階段的信號波形。2/6/202325西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@對于信號的頻率具有選擇性的電路稱為濾波電路，它的功能是使特定的頻率范圍內(nèi)的信號順利通過，而阻止其它頻率信號通過。通常，按照濾波電路的工作頻率為其命名，分為：低通濾波器（LPF）、高通濾波器（HPF）、帶通濾波器（BPF）、帶阻濾波器（BEF）和全通濾波器（APF）。補(bǔ)充知識_濾波器2/6/202326西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@低通和高通濾波器：設(shè)截止頻率為fp

,頻率低于fp的信號可以通過，高于fp的信號被衰減的濾波電路稱為低通濾波器，反之，頻率高于fp的信號可以通過，而頻率低于fp的信號被衰減的濾波電路稱為高通濾波器。全通濾波器：對于頻率從零到無窮大的信號具有同樣的比例系數(shù)，但對于不同頻率的信號將產(chǎn)生不同的相移。補(bǔ)充知識_濾波器2/6/202327西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@帶通和帶阻濾波器：設(shè)低頻段的頻率為fp1，高頻段的截止頻率為fp2，頻率為fp1到fp2之間的信號可以通過，低于fp1或高于fp2的信號被衰減的濾波電路稱為帶通濾波器。而頻率是fp1到fp2之間的信號被衰減的濾波電路稱為帶阻濾波器。帶通濾波器常用于載波通信或弱信號提取等場合，以提高信號比。帶阻濾波器用于在已知干擾或噪聲頻率的情況下，阻止其通過。補(bǔ)充知識_濾波器2/6/202328西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@補(bǔ)充知識_濾波器2/6/202329西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@3.3.2鍵移鍵控（2FSK）2FSK信號的產(chǎn)生2FSK信號的解調(diào)2FSK所需帶寬

2/6/202330西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@12FSK信號的產(chǎn)生用數(shù)字基帶信號去控制正弦載波的頻率，使載波信號的頻率隨基帶信號的變化而變化，而載波振幅保持不變。調(diào)制方法：直接調(diào)頻法和頻率轉(zhuǎn)換法。2/6/202331西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@FSK信號的表達(dá)式為：g(t)是寬度為Ts的矩形脈沖,表示an的非。12FSK信號2/6/202332西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@直接調(diào)頻法直接調(diào)頻法是產(chǎn)生2FSK信號最簡單的一種方法，它用數(shù)字基帶信號直接控制振蕩電路的參數(shù)（L或C的值）變化以達(dá)到改變頻率的目的,用模擬電路實現(xiàn)。一種實現(xiàn)的方法舉例12FSK信號的產(chǎn)生-直接調(diào)頻法2/6/202333西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@12FSK信號的產(chǎn)生-直接調(diào)頻法模擬調(diào)頻器2/6/202334西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@當(dāng)an=1時，VD1、VD2截止，振蕩頻率由L和C決定；2/6/202335西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@當(dāng)an=1時，等效電路；2/6/202336西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@當(dāng)an=0時，VD1、VD2導(dǎo)通，頻率由L、C、C1決定。

2/6/202337西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@波形圖12FSK信號的產(chǎn)生-直接調(diào)頻法2/6/202338西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@原理：用基帶信號去控制開關(guān)電路的變換以達(dá)到輸出頻率變化的目的。適用于數(shù)字電路實現(xiàn)電路。~w1m(t)~w212FSK信號的產(chǎn)生-頻率選擇法2/6/202339西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@假定：輸入1碼時K1閉合，K2打開，輸出?1；輸入0碼時K2閉合，K1打開，輸出?2。這種方法產(chǎn)生的FSK信號一般相位不連續(xù)。12FSK信號的產(chǎn)生-頻率轉(zhuǎn)換法2/6/202340西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@波形圖12FSK信號的產(chǎn)生-頻率轉(zhuǎn)換法2/6/202341西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@Ps(f)f2－f1f1－fsf1f0f2f2＋fsof0=（f1+f2）2B2FSK=2BB+|f2-f1|BB=fs基帶信號帶寬2FSK信號的功率譜分析2/6/202342西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@h=0.5h=2.5B2FSK=2BB+|f2-f1|f1－fsf1f0f2f2＋fs2FSK信號的功率譜分析2/6/202343西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@2FSK信號的功率譜分析2/6/202344西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@答：縮小f1與f2之間的頻率差思考一下： 要想提高2FSK的頻譜利用率， 怎樣調(diào)整f1和

f2

的關(guān)系呢？第四：FSK信號帶寬越窄，峰值越高，則效率越高，頻譜利用率也就越高。2FSK信號的功率譜分析2/6/202345西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@22FSK信號的解調(diào)1.非相干解調(diào)2.

相干解調(diào)主要采用非相干解調(diào)2/6/202346西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@相干解調(diào)法（與2ASK相似）（1）先S（t)用兩個中心頻率分別為1和2的帶通濾波器把代表“1”和“0”的振蕩分離出來，形成兩個不同頻率的2ASK信號。（2）再通過同步檢波器，經(jīng)抽樣判決電路比較兩路輸出、的大小，最終決定輸出是1還是0。若x’(t)＜y'(t)，輸出0；x’(t)＞y'(t)，輸出1。

22FSK信號的解調(diào)2/6/202347西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@相干解調(diào)：ω1代表1碼，ω2代表0碼。FSK信號相當(dāng)于兩個交錯的ASK信號之和。中心頻率為ω1和ω2的BPF1和BPF2，把代表1碼的y1(t)和代表0碼的y2(t)分成兩路，分別進(jìn)行相干解調(diào)。22FSK信號的解調(diào)2/6/202348西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@帶通濾波器的輸出：乘法器的輸出：LPF的輸出：判決準(zhǔn)則：x1>x2判為1，x1<x2判為0。22FSK信號的解調(diào)2/6/202349西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@2.非相干解調(diào)無需本地相干載波，實現(xiàn)起來比較容易。主要策略是將頻率的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電壓的幅度，頻率高的對應(yīng)輸出的電壓幅度大，頻率低對應(yīng)的電壓幅度小。分路濾波解調(diào)法：用多路檢波器代替鑒頻器法過零檢測法差分檢測法最佳非相干解調(diào)法2/6/202350西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@BPF抽樣判決器包絡(luò)檢波器抽樣脈沖輸入已調(diào)信號輸出基帶信號BPF包絡(luò)檢波器w2w1V1(t)V2(t)兩個中心頻率分別為f1和f2的窄帶濾波器的作用是取出頻率為f1或f2的高頻信號判決的準(zhǔn)則是當(dāng)抽樣值滿足v1>V2時判為f1頻率代表的數(shù)字基帶信號，當(dāng)v1<v2時判為f2頻率代表的數(shù)字基帶信號包絡(luò)檢波器將各自的包絡(luò)取出至抽樣判決器，抽樣判決在抽樣脈沖到達(dá)時對包絡(luò)的取值進(jìn)行判決，BPF抽樣判決器包絡(luò)檢波器抽樣脈沖輸入已調(diào)信號輸出基帶信號BPF包絡(luò)檢波器w2w1(1)分路濾波解調(diào)法=2/6/202351西北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院huangxp_msn@兩個帶通濾波器（帶寬相同，皆為相應(yīng)的2ASK信號帶寬；中心頻率不同，分別為f1、f2

）起分路作用，用以分開兩路2ASK信號抽樣判決器起比較器作用，把兩路包絡(luò)信號同時送到抽樣判決器進(jìn)行比較，從而判決輸出基帶數(shù)字信號。判決準(zhǔn)則：x1>x2判為1；

x1<x2判為0。(1)分路濾波解調(diào)法2/6/202352西北工業(yè)大學(xué)計