編碼和調(diào)制技術(shù)

編碼和調(diào)制技術(shù)第一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日編碼和調(diào)制技術(shù)EncoderDecoderModulatorDemodulator數(shù)字或模擬數(shù)字或模擬數(shù)字模擬g(t)m(t)fcx(t)ts(f)ffcg(t)m(t)x(t)s(t)第二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日EncodingTechniquesDigitaldata,digitalsignalAnalogdata,digitalsignalDigitaldata,analogsignalAnalogdata,analogsignal第三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日編碼信源編碼：用于高效的表達(dá)信息，如字符編碼A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換)信道編碼：用于確保正確收信，如同步碼校驗(yàn)序列（檢糾錯(cuò)編碼)第四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日DigitalData,DigitalSignalDigitalsignalDiscrete,discontinuousvoltagepulsesEachpulseisasignalelementBinarydataencodedintosignalelements第五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Terms(1)UnipolarAllsignalelementshavesamesignPolarOnelogicstaterepresentedbypositivevoltagetheotherbynegativevoltageDatarateRateofdatatransmissioninbitspersecondDurationorlengthofabitTimetakenfortransmittertoemitthebit第六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Terms(2)ModulationrateRateatwhichthesignallevelchangesMeasuredinbaud=signalelementspersecondMarkandSpaceBinary1andBinary0respectively第七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Terms數(shù)字信號(hào)是離散、不連續(xù)的電壓脈沖序列,每個(gè)脈沖是一信號(hào)元素。unipolar單極:所有信號(hào)元素具有相同的代數(shù)符號(hào),即都為正或都為負(fù)polar極化:一個(gè)邏輯狀態(tài)以正電平表示,另一邏輯狀態(tài)以負(fù)電平表示datasignalingrate數(shù)據(jù)速率:每秒傳送的bit數(shù)duration持續(xù)Td:發(fā)送每一bit所用的時(shí)間,對(duì)數(shù)據(jù)速率R,Td=1/Rmodulationrate調(diào)制速率:信號(hào)電平變換的速率,依賴于數(shù)字編碼特性,表示為波特率bauds波特率:每秒傳送的信號(hào)元素個(gè)數(shù)mark&space:分別表示1和0

第八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日信噪比(Eb/N0)、數(shù)據(jù)速率、帶寬是影響接收器正確地解釋接收信號(hào)的重要因素。當(dāng)其它因素不變的情況下,以下的陳述為真:增加數(shù)據(jù)傳輸速率將導(dǎo)致位差錯(cuò)率(概率)的增加S/N(Eb/N0)增加將減少位差錯(cuò)率增加帶寬將允許使用更高的數(shù)據(jù)速率編碼方式是另一改善傳輸性能的因素。編碼方式僅簡(jiǎn)單地將數(shù)據(jù)位映射到信號(hào)元素上。第九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日InterpretingSignalsNeedtoknowTimingofbits-whentheystartandendSignallevelsFactorsaffectingsuccessfulinterpretingofsignalsSignaltonoiseratioDatarateBandwidth第十頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日ComparisonofEncodingSchemes(1)SignalSpectrumLackofhighfrequenciesreducesrequiredbandwidthLackofdccomponentallowsaccouplingviatransformer,providingisolationConcentratepowerinthemiddleofthebandwidthClockingSynchronizingtransmitterandreceiverExternalclockSyncmechanismbasedonsignal第十一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日ComparisonofEncodingSchemes(2)ErrordetectionCanbebuiltintosignalencodingSignalinterferenceandnoiseimmunitySomecodesarebetterthanothersCostandcomplexityHighersignalrate(&thusdatarate)leadtohighercostsSomecodesrequiresignalrategreaterthandatarate第十二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日KeyDataTransmissionTermsTermUnitsDefinitionDataelementBitsAsinglebinaryoneorzeroDatarateBitspersecond(bps)TherateatwhichdataelementsaretransmittedSignalelementDigital:avoltagepulseofconstantamplitude.Analog:apulseofconstantfrequency,phase,andamplitude.ThatpartofasignalthatoccupiestheshortestintervalofasignalingcodeSignalingrateorodulationrateSignalelementspersecond(baud)Therateatwhichsignalelementsaretransmitted第十三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日信號(hào)頻譜Signalspectrum:缺少高頻成分的信號(hào)意味著傳輸需要較小帶寬。帶有直流成分的信號(hào)必須與各傳輸元件直接物理接觸，無(wú)直流(DC)成分的信號(hào)可以利用比如變壓器等交流耦合,它提供了很好的電氣隔離,減少了干擾，因此缺少直流成分的信號(hào)是理想的。信號(hào)畸變與干擾影響的程度依賴于實(shí)際被傳輸信號(hào)譜的特性,通常它發(fā)生在信道傳遞函數(shù)靠近頻帶邊緣一個(gè)好的信號(hào)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)將傳輸功率集中在傳輸頻帶的中央。有時(shí)某一類似的失真干擾可能混在接收信號(hào)里,為了識(shí)別信號(hào),編碼設(shè)計(jì)的目的就是使得發(fā)射信號(hào)的譜更加尖銳。第十四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日時(shí)鐘Clocking:確定每一位的起、止并非一容易之事,一種方法是提供一單獨(dú)的時(shí)鐘以同步發(fā)送器和接收器,這是一昂貴的辦法；另一種方法是通過(guò)適當(dāng)?shù)木幋a，為被傳輸?shù)男盘?hào)提供一同步機(jī)制。差錯(cuò)檢測(cè)Errordetection:在物理信號(hào)編碼方式里溶進(jìn)差錯(cuò)檢測(cè)能力將使得差錯(cuò)檢測(cè)更為迅速。信號(hào)干擾及噪聲免疫Signalinterferenceandnoiseimmunity:某些編碼在存在噪聲的情況下體現(xiàn)出良好的抑制位差錯(cuò)性能。費(fèi)用及復(fù)雜度Costandcomplexity。第十五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日編碼方法01001100011時(shí)鐘NRZManchester差分Manchester第十六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日EncodingSchemesNonreturntoZero-Level(NRZ-L)NonreturntoZeroInverted(NRZI)Bipolar-AMIPseudoternaryManchesterDifferentialManchesterB8ZSHDB3第十七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日編碼方法第十八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日

CodeNameFunctionNonreturntoZero-Level(NRZ-L)0=highlevel1=lowlevelNonreturntoZeroInverted(NRZI)0=notransitionatbeginningofinterval(onebittime)1=transitionatbeginningofintervalBipolar-AMI0=nolinesignal1=positiveornegativelevel,alternatingforsuccessiveonesPseudo-ternary0=positiveornegativelevel,alternatingforsuccessivezeros1=nolinesignalManchester0=transitionfromhightolowinmiddleofinterval1=transitionfromlowtohighinmiddleofintervalDifferentialManchesterAlwaysatransitioninmiddleofinterval0=transitionatbeginningofinterval1=notransitionatbeginningofintervalB8ZSSameasbipolarAMI,exceptthatanystringofeightzerosisreplacedbyastringwithtwocodeviolationHDB3SameasbipolarAMI,exceptthatanystringoffourzerosisreplacedbyastringwithonecodeviolation.第十九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日編碼方法第二十頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日NonreturntoZero-Level(NRZ-L)Twodifferentvoltagesfor0and1bitsVoltageconstantduringbitintervalnotransitionI.e.noreturntozerovoltagee.g.Absenceofvoltageforzero,constantpositivevoltageforoneMoreoften,negativevoltageforonevalueandpositivefortheotherThisisNRZ-L第二十一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日NonreturntoZeroInvertedNonreturntozeroinvertedononesConstantvoltagepulsefordurationofbitDataencodedaspresenceorabsenceofsignaltransitionatbeginningofbittimeTransition(lowtohighorhightolow)denotesabinary1Notransitiondenotesbinary0Anexampleofdifferentialencoding第二十二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日NRZ第二十三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日DifferentialEncodingDatarepresentedbychangesratherthanlevelsMorereliabledetectionoftransitionratherthanlevelIncomplextransmissionlayoutsitiseasytolosesenseofpolarity第二十四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日NRZprosandconsProsEasytoengineerMakegooduseofbandwidthConsdccomponentLackofsynchronizationcapabilityUsedformagneticrecordingNotoftenusedforsignaltransmission第二十五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日數(shù)據(jù)編碼技術(shù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，數(shù)字信號(hào)不歸零編碼（NRZ）編碼使用兩種不同電平，一為正，一為負(fù)，來(lái)做為兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)字的信號(hào)元素。NRZ-L用持續(xù)的負(fù)電平來(lái)表示數(shù)字1，持續(xù)的正電平表示數(shù)字0。NRZI在一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)，保持一個(gè)恒定電平，但用是否有跳變來(lái)編碼。010110NRZ-LNRZI第二十六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日NRZ不歸零編碼NRZ-L是最早、最通用、用兩個(gè)電平傳送二進(jìn)制信號(hào)的方法在每一個(gè)位間隔里,它不存在過(guò)渡態(tài)(不回到零電平),電平保持不變。常用負(fù)電平代表一個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼,用正電平代表另一個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼,如EIA-232-D。NRZ的一個(gè)變種是不歸零、遇一翻轉(zhuǎn)NRZI編碼。在位持續(xù)時(shí)間的電平的翻轉(zhuǎn)(低到高或高到低)標(biāo)記此間隔的一個(gè)二進(jìn)制1；無(wú)變化表示0。NRZI屬差分編碼differentialencoding。差分編碼信號(hào)比較相鄰信號(hào)元素的極性,而不是確定其絕對(duì)值。在有噪聲的場(chǎng)合,確定電平翻轉(zhuǎn)比將電平值與某一閾值比較更可靠在復(fù)雜的傳輸層,信號(hào)極性容易被混淆,例如一條多處跳線的雙絞線,如果與之相接的設(shè)備偶然接反了,對(duì)NRZ-L來(lái)說(shuō)所有的1和0都將反相；而對(duì)于差分編碼則無(wú)所謂。第二十七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日NRZNRZ編碼容易工程實(shí)現(xiàn),此外它有效地利用了帶寬,許多標(biāo)準(zhǔn)都采用NRZ編碼,如100VG-AnyLAN。NRZ信號(hào)的主要限制是其頻譜中存在有直流成份,并且缺少同步能力。例如對(duì)于NRZ-L考慮一連串的1或0,對(duì)于NRZI考慮一連串的0,信號(hào)的輸出是在一較長(zhǎng)的時(shí)間周期里保持一個(gè)不變的電平,在這種場(chǎng)合下,收、發(fā)雙方任何的定時(shí)偏移都將導(dǎo)致失步,使得接收出錯(cuò)。由于它們的簡(jiǎn)單及相對(duì)低頻率響應(yīng)的特性,NRZ編碼常用在數(shù)字電磁編碼中,但這些特性又限制了它們?cè)谛盘?hào)傳輸方面的應(yīng)用。第二十八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日MultilevelBinaryUsemorethantwolevelsBipolar-AMIzerorepresentedbynolinesignalonerepresentedbypositiveornegativepulseonepulsesalternateinpolarityNolossofsyncifalongstringofones(zerosstillaproblem)NonetdccomponentLowerbandwidthEasyerrordetection第二十九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日多電平二進(jìn)制MultilevelBinary與NRZ碼有些不同多電平二進(jìn)制編碼用了兩種以上的電平,如雙極AMI變種的反向記號(hào)和偽三元碼。當(dāng)一連串的1出現(xiàn)時(shí),將不會(huì)丟失同步時(shí)鐘,每個(gè)1都將引入一次電平翻轉(zhuǎn),接收器就可以同步發(fā)送器時(shí)鐘。但一長(zhǎng)串的0將帶來(lái)問(wèn)題。多電平二進(jìn)制編中,二進(jìn)制0在信號(hào)線上無(wú)表示的信號(hào)；二進(jìn)制1由正的或負(fù)脈沖表示,相鄰的1脈沖必須變換極性。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于:因?yàn)?信號(hào)在正、負(fù)電壓間變化,不存在網(wǎng)絡(luò)直流成份。此外,它的信號(hào)帶寬也比NRZ窄許多。交變的脈沖也提共了一種簡(jiǎn)單的差錯(cuò)檢測(cè)手段,任何一個(gè)孤立的錯(cuò)誤,不論是少個(gè)1或是多個(gè)1,都將引起一個(gè)違例。第三十頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日多電平二進(jìn)制MultilevelBinary對(duì)于偽三元碼上述內(nèi)容也同樣適用,此時(shí)二進(jìn)制1無(wú)信號(hào)在信號(hào)線上存在；二進(jìn)制0為正、負(fù)交變的脈沖。這兩種方式特點(diǎn)和應(yīng)用類同。雖然二編碼提供了一定程度的同步信息,但當(dāng)一長(zhǎng)串0(ATM)或一長(zhǎng)串1(偽三元碼)將不存在同步位。有幾種方法可用來(lái)克服這個(gè)缺陷,如插入一些別的位強(qiáng)制翻轉(zhuǎn)。這種技術(shù)已用于ISDN中針對(duì)數(shù)據(jù)速率相對(duì)較慢的傳輸場(chǎng)合。當(dāng)然,對(duì)高的數(shù)據(jù)速率,因?yàn)樗鼘⒃黾右呀?jīng)很高的信號(hào)傳輸率,這種方法就顯得不合適。針對(duì)高速率情況,可采用一種混洗(Scramble)的技術(shù)解決該問(wèn)題。第三十一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日PseudoternaryOnerepresentedbyabsenceoflinesignalZerorepresentedbyalternatingpositiveandnegativeNoadvantageordisadvantageoverbipolar-AMI第三十二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Bipolar-AMIandPseudoternary第三十三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日TradeOffforMultilevelBinaryNotasefficientasNRZEachsignalelementonlyrepresentsonebitIna3levelsystemcouldrepresentlog23=1.58bitsReceivermustdistinguishbetweenthreelevels

(+A,-A,0)Requiresapprox.3dBmoresignalpowerforsameprobabilityofbiterror第三十四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日BiphaseManchesterTransitioninmiddleofeachbitperiodTransitionservesasclockanddataLowtohighrepresentsoneHightolowrepresentszeroUsedbyIEEE802.3DifferentialManchesterMidbittransitionisclockingonlyTransitionatstartofabitperiodrepresentszeroNotransitionatstartofabitperiodrepresentsoneNote:thisisadifferentialencodingschemeUsedbyIEEE802.5第三十五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日BiphaseProsandConsConAtleastonetransitionperbittimeandpossiblytwoMaximummodulationrateistwiceNRZRequiresmorebandwidthProsSynchronizationonmidbittransition(selfclocking)NodccomponentErrordetectionAbsenceofexpectedtransition第三十六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日數(shù)據(jù)編碼技術(shù)二相碼制

二相碼制要求每位時(shí)間中至少要有一次跳變，可以有兩次跳變。在曼徹斯特編碼中，在每一位的中間有一次跳變。這種位跳變既被用作時(shí)鐘又表示數(shù)據(jù)：一次從低到高的跳變表示1，從高到低的跳變表示0。在差分曼特斯特編碼中，中位跳變僅用作時(shí)鐘。而0的編碼是用一位開始時(shí)有跳變來(lái)表示，1用沒有跳變來(lái)表示。010110ManchesterDifferentialManchester第三十七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日雙相位(Biphase)雙相位編碼常用的有Manchester和差分(Differencial)Manchester編碼。Manchester編碼在每個(gè)位周期中間都有一次翻轉(zhuǎn)。這個(gè)位中間翻轉(zhuǎn)既作為一次時(shí)鐘、又作為數(shù)據(jù):從低到高翻轉(zhuǎn)表示1,從高到低翻轉(zhuǎn)表示0。對(duì)于差分Manchester編碼,位中間翻轉(zhuǎn)僅作為一次時(shí)鐘。0的編碼由每個(gè)位周期的開始處存在翻轉(zhuǎn)來(lái)表示,1的編碼則表示為在每個(gè)位周期的開始處沒有翻轉(zhuǎn)。差分Manchester編碼采用了差分編碼的特別優(yōu)點(diǎn)。所有的雙相位編碼技術(shù)在每個(gè)位時(shí)間里都需要至少一次翻轉(zhuǎn),或許有多達(dá)兩次翻轉(zhuǎn)。這樣,它的最大調(diào)制速率將兩倍于NRZ編碼,意味著其帶寬也相應(yīng)地要寬。第三十八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日雙相位(Biphase)雙相位碼的主要頻譜能量位于0.5到一倍位速率之間。其帶寬因此可算是窄的,而且沒有直流成份,但它的帶寬還是要比多電平二進(jìn)制碼的寬，雙相位編碼有許多優(yōu)點(diǎn):同步:接收器可以根據(jù)每個(gè)位時(shí)間之前的翻轉(zhuǎn)與發(fā)送器保持同步,因此,雙相位編碼也叫自時(shí)鐘碼無(wú)直流成份:雙相位編碼是交變的差錯(cuò)檢測(cè):當(dāng)缺少一個(gè)可預(yù)見的電平變化時(shí)(時(shí)鐘或Manchester編碼的數(shù)據(jù)),意味著存在錯(cuò)誤。只有導(dǎo)線上的噪聲將信號(hào)在一個(gè)可預(yù)見電平變化之前和之后翻轉(zhuǎn),才會(huì)導(dǎo)致一個(gè)不可檢測(cè)的錯(cuò)誤。出現(xiàn)這種情況的概率一般來(lái)講是不多的。第三十九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日各種不同類型編碼方式的譜密度

第四十頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日數(shù)據(jù)編碼技術(shù)二相方案的優(yōu)點(diǎn)：同步。不含直流成分。差錯(cuò)檢測(cè)。第四十一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日數(shù)據(jù)編碼技術(shù)編碼方案

從二進(jìn)制到信號(hào)元素的映射就是傳輸中使用的編碼方案。接收器解釋載運(yùn)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)時(shí)的任務(wù)：接收器必須知道一個(gè)比特何時(shí)開始和結(jié)束，以便在每個(gè)比特時(shí)段對(duì)輸入信號(hào)采樣一次。接收器必須識(shí)別每個(gè)比特的值。第四十二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日不可檢測(cè)的錯(cuò)誤產(chǎn)生示意

如Manchester編碼010變成000；101變成111:第四十三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日各種數(shù)字信號(hào)編碼速率的歸一化信號(hào)翻轉(zhuǎn)速率

第四十四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日B8ZS和HDB3的編碼規(guī)則

第四十五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日ModulationRate第四十六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日ScramblingUsescramblingtoreplacesequencesthatwouldproduceconstantvoltageFillingsequenceMustproduceenoughtransitionstosyncMustberecognizedbyreceiverandreplacewithoriginalSamelengthasoriginalNodccomponentNolongsequencesofzerolevellinesignalNoreductionindatarateErrordetectioncapability第四十七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日B8ZSBipolarWith8ZerosSubstitutionBasedonbipolar-AMIIfoctetofallzerosandlastvoltagepulseprecedingwaspositiveencodeas000+-0-+Ifoctetofallzerosandlastvoltagepulseprecedingwasnegativeencodeas000-+0+-CausestwoviolationsofAMIcodeUnlikelytooccurasaresultofnoiseReceiverdetectsandinterpretsasoctetofallzeros第四十八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日HDB3HighDensityBipolar3ZerosBasedonbipolar-AMIStringoffourzerosreplacedwithoneortwopulses第四十九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日B8ZSandHDB3第五十頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日B8ZS和HDB3的編碼規(guī)則

混洗

第五十一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日如果出現(xiàn)連續(xù)的八個(gè)零且在它們前面的是一正電壓脈沖,則這八個(gè)零被編碼為000+-0-+如果出現(xiàn)連續(xù)的八個(gè)零且在它們前面的是一負(fù)電壓脈沖,則這八個(gè)零被編碼為000-+0+-該技術(shù)強(qiáng)制產(chǎn)生兩個(gè)AMI碼的違例碼,這些違例碼不太可能由噪聲或其它傳輸損失形成。接收器識(shí)別此模版并且將它們解釋成連續(xù)的八個(gè)零。B8ZS第五十二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日HDB3高密度雙極3個(gè)零碼HDB3(High-DensityBipolar-3Zeros)也是基于雙極AMI的編碼。HDB3碼將每個(gè)四個(gè)零的串替換成含有一個(gè)或兩個(gè)脈沖的序列。每一種情況第四個(gè)零都由一個(gè)違例碼替換。該規(guī)則還要保證連續(xù)的違例碼其極性都要改變,因此將不會(huì)引入直流成份。這樣,如果剛才的違例是正脈沖,當(dāng)前的違例應(yīng)為負(fù)脈沖,反之亦然。第五十三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日HDB3前面脈沖的極性自上次替換以來(lái)雙極脈沖(二進(jìn)制1)的數(shù)目奇數(shù)偶數(shù)0000000000第五十四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日各種不同數(shù)字編碼類型理論位差錯(cuò)率

第五十五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日DigitalData,AnalogSignalPublictelephonesystem300Hzto3400HzUsemodem(modulator-demodulator)Amplitudeshiftkeying(ASK)Frequencyshiftkeying(FSK)Phaseshiftkeying(PK)第五十六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日數(shù)據(jù)編碼技術(shù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，模擬信號(hào)幅移鍵控（ASK）

兩個(gè)二進(jìn)制的值用載波信號(hào)的兩個(gè)不同幅度表示。頻移鍵控（FSK） 兩個(gè)二進(jìn)制的值用載波頻率附近的兩個(gè)不同的頻率表示。相移監(jiān)控（PSK） 兩個(gè)二進(jìn)制的值通過(guò)載波信號(hào)相位的偏移來(lái)表示數(shù)據(jù)。所有編碼技術(shù)(調(diào)制方式)所產(chǎn)生的信號(hào)占用的帶寬都以載波頻率為中心頻率。

第五十七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日ModulationTechniques第五十八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日AmplitudeShiftKeyingValuesrepresentedbydifferentamplitudesofcarrierUsually,oneamplitudeiszeroi.e.presenceandabsenceofcarrierisusedSusceptibletosuddengainchangesInefficientUpto1200bpsonvoicegradelinesUsedoveropticalfiber第五十九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日FrequencyShiftKeyingValuesrepresentedbydifferentfrequencies(nearcarrier)LesssusceptibletoerrorthanASKUpto1200bpsonvoicegradelinesHighfrequencyradioEvenhigherfrequencyonLANsusingco-ax第六十頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日FSKonVoiceGradeLine第六十一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日PhaseShiftKeyingPhaseofcarriersignalisshiftedtorepresentdataDifferentialPSKPhaseshiftedrelativetoprevioustransmissionratherthansomereferencesignal第六十二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日QuadraturePSKMoreefficientusebyeachsignalelementrepresentingmorethanonebite.g.shiftsof/2(90o)EachelementrepresentstwobitsCanuse8phaseanglesandhavemorethanoneamplitude9600bpsmodemuse12angles,fourofwhichhavetwoamplitudes第六十三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日PerformanceofDigitaltoAnalogModulationSchemesBandwidthASKandPSKbandwidthdirectlyrelatedtobitrateFSKbandwidthrelatedtodatarateforlowerfrequencies,buttooffsetofmodulatedfrequencyfromcarrierathighfrequencies(SeeStallingsformath)Inthepresenceofnoise,biterrorrateofPSKandQPSKareabout3dBsuperiortoASKandFSK第六十四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日數(shù)據(jù)編碼技術(shù)幅移鍵控（ASK）頻移鍵控（FSK）相移鍵控（PSK）第六十五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日調(diào)制技術(shù)00110100010ASKFSKPSK第六十六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日ASK二進(jìn)制的每個(gè)值對(duì)應(yīng)二不同幅值的載波頻率。通常,一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字用一幅值固定的載波頻率表示,另一個(gè)則用無(wú)載波表示:這里載波信號(hào)是Acos(2fct+c)。ASK對(duì)突變的增益敏感,是一種十分低效的調(diào)制技術(shù),在語(yǔ)音級(jí)線路上,它典型的應(yīng)用最多達(dá)1200bps。ASk技術(shù)也被用于光纖傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù):對(duì)LED發(fā)射器,一種信號(hào)元素由一光脈沖表示,而另一種則用無(wú)光表示;對(duì)激光發(fā)射器通常維持一偏置電流,使得設(shè)備發(fā)射一低能級(jí)光,該低能級(jí)光表示一種信號(hào)元素,而高能級(jí)光用來(lái)表示另一種信號(hào)元素。

第六十七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日FSK兩個(gè)二進(jìn)制值由二個(gè)在載波頻率附近的不同頻率表示,產(chǎn)生信號(hào)如:這里f1和f2典型地是位于載波信號(hào)fc兩旁的、偏移相等的頻率。

第六十八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日FSK示例：一個(gè)Modem使用FSK在語(yǔ)音級(jí)線路全雙工通信的例子。語(yǔ)音級(jí)線路可通過(guò)的頻率在300到3400Hz之間,全雙工則意味著信號(hào)可以同時(shí)做雙向傳送。為達(dá)到這一點(diǎn),這個(gè)帶寬再分成在一個(gè)方向上(收或者發(fā)均可)載波中心頻率位于1700Hz,其兩端各偏移100Hz用來(lái)表示1和0。類似地對(duì)另一方向上(發(fā)或者收均可)該Modem使用2125Hz的載波中心頻率,再向其兩端等距各偏移100Hz用來(lái)表示1和0。第六十九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日FSKFSK不如ASK那樣對(duì)誤差敏感,在語(yǔ)音級(jí)線路上,它典型的應(yīng)用最高達(dá)1200bps(2400bps)。它也常用于高頻(3到30MHz)無(wú)線電傳輸,還可以以更高的頻率用于采用同軸電纜的局域網(wǎng)上。

注意這里稍有一些頻譜重疊,會(huì)有少許干擾。第七十頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日PSK&QPSK用載波信號(hào)相位的變化用來(lái)表示數(shù)值。差分PSK相位的調(diào)制變換將參考發(fā)送的前一位bit:發(fā)送一個(gè)與前面已發(fā)送信號(hào)相同相位的信號(hào)表示二進(jìn)制0；發(fā)送一個(gè)與剛才發(fā)送信號(hào)相反相位的信號(hào)表示二進(jìn)制1:

更有效利用帶寬的辦法可以使每個(gè)信號(hào)元素表示多于一位二進(jìn)制數(shù)值。例如,不是象常用的PSK編碼技術(shù)那樣相位只變化180,而是多次90變化,稱之為四相位PSK(QuadraturePhase-ShiftKeying)QPSK。第七十一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日QPSK每個(gè)信號(hào)元素不是表示一位而是表示兩位二進(jìn)制數(shù)。

第七十二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日多級(jí)調(diào)制方法10110000+90+180+27011信號(hào)速率D=數(shù)據(jù)速率R/l+90o010o00+270o11+180o114-PSK第七十三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日利用八個(gè)不同相位,可以一次傳送三位二進(jìn)制數(shù)。例如一標(biāo)準(zhǔn)的9600bpsModem使用了12個(gè)相位角,其中四個(gè)相位上信號(hào)具有兩個(gè)幅值。第七十四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日ModulationPerformanceASK: BT=(1+r)R 0<r<1PSK: BT=(1+r)RFSK: BT2F+(1+r)R F=f2-fc=fc–f1第七十五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日R/BTforvariousDigital-to-AnalogEncodingSchemesR/BTr=0r=0.5r=1R/BTASK1.00.670.51/(1+r)FSKWideband(F>>R)Narrowband(Ffc)~01.0~00.67~00.5BTF,R/BT01/(1+r)PSK1.00.670.51/(1+r)MultilevelsignalingL=4,b=log2L=2L=8,b=log2L=3L=16,b=log2L=4L=32,b=log2L=52.003.004.005.001.332.002.673.331.001.502.002.50第七十六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日多級(jí)調(diào)制方法216-QAM（正交振幅調(diào)制）：使用振幅和相位的16種組合145o第七十七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日各種數(shù)字模擬信號(hào)編碼方案的位差錯(cuò)率第七十八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日對(duì)一給定的信號(hào)化方案,位差錯(cuò)率可以通過(guò)增加Eb/N0得到減小,但代價(jià)是帶寬的增加或數(shù)據(jù)速率的減小,換言之,減少了帶寬效率。例:設(shè)有一位差錯(cuò)率為10-7的信道,S/N=12dB,求FSK,ASK,PSK以及QPSK的帶寬系數(shù)為多少？Pe=10-7FSK14.2dB-2.2dB0.6ASK14.2dB-2.2dB0.6PSK11.2dB0.8dB1.2QPSK11.2dB0.8dB2.4第七十九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日AnalogData,DigitalSignalDigitizationConversionofanalogdataintodigitaldataDigitaldatacanthenbetransmittedusingNRZ-LDigitaldatacanthenbetransmittedusingcodeotherthanNRZ-LDigitaldatacanthenbeconvertedtoanalogsignalAnalogtodigitalconversiondoneusingacodecPulsecodemodulationDeltamodulation第八十頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日PulseCodeModulation(PCM)(1)Ifasignalissampledatregularintervalsataratehigherthantwicethehighestsignalfrequency,thesamplescontainalltheinformationoftheoriginalsignal(Proof-Stallingsappendix4A)Voicedatalimitedtobelow4000HzRequire8000samplepersecondAnalogsamples(PulseAmplitudeModulation,PAM)Eachsampleassigneddigitalvalue第八十一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日PulseCodeModulation(PCM)(2)4bitsystemgives16levelsQuantizedQuantizingerrorornoiseApproximationsmeanitisimpossibletorecoveroriginalexactly8bitsamplegives256levelsQualitycomparablewithanalogtransmission8000samplespersecondof8bitseachgives64kbps第八十二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日NonlinearEncodingQuantizationlevelsnotevenlyspacedReducesoverallsignaldistortionCanalsobedonebycompanding第八十三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日DeltaModulationAnaloginputisapproximatedbyastaircasefunctionMoveupordownonelevel()ateachsampleintervalBinarybehaviorFunctionmovesupordownateachsampleinterval第八十四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日DeltaModulation-example第八十五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日DeltaModulation-Operation第八十六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日DeltaModulation-PerformanceGoodvoicereproductionPCM-128levels(7bit)Voicebandwidth4khzShouldbe8000x7=56kbpsforPCMDatacompressioncanimproveonthise.g.Interframecodingtechniquesforvideo第八十七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日數(shù)據(jù)編碼技術(shù)模擬數(shù)據(jù)，數(shù)字信號(hào)脈沖調(diào)制（PCM）增量調(diào)制（DM）第八十八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日數(shù)字信號(hào)承載模擬數(shù)據(jù)模擬話音采樣時(shí)鐘PAM信號(hào)PCM信號(hào)采樣電路量化和比較

數(shù)字化聲音第八十九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Nyquist理論

在理想的無(wú)噪聲信道，若

f

是傳輸媒體的最大傳輸頻率,采樣頻率為2*f時(shí)，接收方才可以從采樣脈沖信號(hào)中完全恢復(fù)原信號(hào)Nyquist,1920

第九十頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日PCM 采樣信號(hào)：基于Nyquist理論原始信號(hào)

PAM脈沖帶量化誤差的PCM脈沖011100011011001100

PCM輸出343314011100011011001100AdaptingDigitizer第九十一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日PCM轉(zhuǎn)化過(guò)程ABCDBACD模擬話音采樣時(shí)鐘PAM信號(hào)PCM信號(hào)采樣電路量化和比較數(shù)字化聲音第九十二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日t2~1.50.92~0.91.08~1.10.11~0.10.56~0.60.28~0.30.27~0.3PulseCodeModulation第九十三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日DigitBinaryequivalentPCMwaveform00000100012001030011401005010160110701118100091001101010111011121100131101141110151111PulseCodeModulation第九十四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Effectnonlinearencoding151413121110987654321015141312111086543972101Withoutnonlinearencoding2WithnonlinearencodingOuantizinglevelsStrongsignalWeaksignal第九十五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日增量調(diào)制（ΔM）工作原理增量調(diào)制(ΔM)或增量脈碼調(diào)制方式（DM），是繼PCM后出現(xiàn)的又一種模擬信號(hào)數(shù)字化的方法。1946年由法國(guó)工程師DeLoraine提出，目的在于簡(jiǎn)化模擬信號(hào)的數(shù)字化方法。在軍事通信和衛(wèi)星通信中廣泛使用，也用于高速大規(guī)模集成電路中的A/D轉(zhuǎn)換器。增量M調(diào)制是預(yù)測(cè)編碼中最簡(jiǎn)單的一種，是將信號(hào)上一采樣的樣值作為預(yù)測(cè)值的單純預(yù)測(cè)編碼方式。它將信號(hào)瞬時(shí)值與前一個(gè)抽樣時(shí)刻的量化值之差進(jìn)行量化，而且只對(duì)這個(gè)差值的符號(hào)進(jìn)行編碼，而不對(duì)差值的大小編碼。因此量化只限于正和負(fù)兩個(gè)電平，只用一比特傳輸一個(gè)樣值。如果差值是正的，就發(fā)“1”碼，若差值為負(fù)就發(fā)“0”碼。第九十六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日增量調(diào)制（ΔM）工作原理數(shù)碼“1”和“0”只是表示信號(hào)相對(duì)于前一時(shí)刻的增減，不代表信號(hào)的絕對(duì)值。同樣，在接收端，每收到一個(gè)“1”碼，譯碼器的輸出相對(duì)于前一個(gè)時(shí)刻的值上升一個(gè)量階；每收到一個(gè)“0”碼就下降一個(gè)量階。當(dāng)收到連續(xù)“1”碼時(shí)，表示信號(hào)連續(xù)增長(zhǎng)；當(dāng)收到連續(xù)“0”碼時(shí)，表示信號(hào)連續(xù)下降。譯碼器輸出經(jīng)過(guò)低通濾波器濾去高頻量化噪聲，從而恢復(fù)原信號(hào)。只要抽樣頻率足夠高，量化階距大小適當(dāng)，收端恢復(fù)的信號(hào)與原信號(hào)非常接近，量化噪聲可以很小。第九十七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日調(diào)制過(guò)程

第九十八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日增量調(diào)制（ΔM）工作原理增量調(diào)制與PCM比較有如下特點(diǎn):在比特率較低時(shí)，增量調(diào)制的量化信噪比高于PCM；增量調(diào)制抗誤碼性能好，可用于比特誤碼率為10－2—10－3的信道，而PCM則要求10－4—10－6；增量調(diào)制通常采用單純的比較器和積分器作編譯碼器（預(yù)測(cè)器），結(jié)構(gòu)比PCM簡(jiǎn)單。第九十九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日增量調(diào)制（ΔM）工作原理在ΔM中量化過(guò)程中存在斜率過(guò)載（量化）失真，主要是因?yàn)檩斎胄盘?hào)的斜率較大，調(diào)制器跟蹤不上而產(chǎn)生的。在ΔM中每個(gè)抽樣間隔內(nèi)只容許有一個(gè)量化電平的變化，當(dāng)輸入信號(hào)的斜率比抽樣周期決定的固定斜率大時(shí)，量化階的大小便跟不上輸入信號(hào)的變化，因而產(chǎn)生斜率過(guò)載失真（或稱為斜率過(guò)載噪聲）。ΔM的工作原理圖，在調(diào)制端使用的量化器只有1比特輸出，即Δ輸出1或－1兩個(gè)值。預(yù)測(cè)值為上一時(shí)間的抽樣值與差值Δ之和。輸出端譯碼器既可以使用與編碼器本地譯碼器一致的電路譯碼，也可以直接使用積分器和低通濾波器組成。第一百頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Z(yǔ)-1+BinaryInputReconstructedWaveformTransmissionReception＋－y(n)=x(n)+x(n-1)＋

－

Z-1+0or1Output1=+0=-AnalogInputReconstructedWaveform＋－＋－y(n)=x’(n)-x’(n-1)第一百零一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日AnalogData,AnalogSignalsWhymodulateanalogsignals?HigherfrequencycangivemoreefficienttransmissionPermitsfrequencydivisionmultiplexing(chapter8)TypesofmodulationAmplitudeFrequencyPhase第一百零二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Analog

Modulation第一百零三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日SpreadSpectrumAnalogordigitaldataAnalogsignalSpreaddataoverwidebandwidthMakesjammingandinterceptionharderFrequencyhopingSignalbroadcastoverseeminglyrandomseriesoffrequenciesDirectSequenceEachbitisrepresentedbymultiplebitsintransmittedsignalChippingcode第一百零四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日Analogdata,AnalogSignals調(diào)制過(guò)程:輸入信號(hào)m(t)與載波頻率fc相結(jié)合,可以產(chǎn)生一帶寬中心位于fc的信號(hào)s(t)。對(duì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),當(dāng)只有模擬傳輸設(shè)備可用時(shí),需要將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)制轉(zhuǎn)換成模擬形式。當(dāng)數(shù)據(jù)已經(jīng)是模擬形式時(shí),調(diào)制的兩個(gè)基本原因:一個(gè)高效的傳輸過(guò)程將需要較高的頻率。對(duì)非波導(dǎo)傳輸,看起來(lái)不太可能傳送基帶信號(hào),因?yàn)樗枰奶炀€半徑將達(dá)許多公里。通過(guò)調(diào)制可以利用頻分多路技術(shù)。第一百零五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日調(diào)幅AmplitudeModulation調(diào)幅是最簡(jiǎn)單的調(diào)制形式。數(shù)學(xué)上該過(guò)程可以表達(dá)為:s(t)=[1+nax(t)]cos2fct

這里cos2fct

是載波信號(hào),x(t)是輸入信號(hào)(載有數(shù)據(jù)),二者歸一化到單位幅值。參數(shù)

na稱為調(diào)制系數(shù),是輸入信號(hào)與載波信號(hào)幅值的比值。輸入信號(hào)為m(t)=nax(t),上式中的1表示直流成份,它可以防止丟失信息。該方案也被稱作雙邊帶傳輸載波(DSBTC)第一百零六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日調(diào)幅已調(diào)制的AM信號(hào)

調(diào)制的正弦波

第一百零七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日調(diào)幅例:若x(t)是幅值調(diào)制信號(hào)cos2fmt,導(dǎo)出s(t)的表達(dá)式。有: s(t)=[1+nacos2fmt]cos2fct利用三角衡等式,上式展開成產(chǎn)生的信號(hào)是原載波頻率成份加上距其兩邊f(xié)mHz處一對(duì)頻率成份。AM是輸入信號(hào)與載波信號(hào)之積。輸出信號(hào)的包略是[1+nax(t)],只要

na<1,包略線就確切表示了原信號(hào)；若

na>1,包略線將越過(guò)時(shí)間軸,也將丟失信息。

第一百零八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，2022年，8月28日AM信號(hào)AM信號(hào)的頻譜由原載波頻譜加上轉(zhuǎn)移至fc的輸入信號(hào)。|f|>|fc|的部分叫高邊帶uppersideband,|f|<|fc|的部分叫低邊帶lowersideband。高邊帶和低邊帶都是原頻帶m(f)的復(fù)制,低邊帶是原頻帶的反轉(zhuǎn)。例:考慮一帶寬范圍在300到3000Hz、用60kHz載波調(diào)制的語(yǔ)音信號(hào),產(chǎn)生信號(hào)的高邊帶是60.3至63kHz,低邊帶是57至59.7kHz,載波是60kHz。一個(gè)