模拟数据、数字数据的传输与调制技术.ppt

2.3 模拟数据、数字数据的传输与调制技术 术 语 数据 表达意义的实体 信号 数据的电的、磁的或光的表现形式， 用以传输数据 传输 利用信号沿介质的传播以实现数据通信 模拟信号 指幅度随时间连续变化的信号 数字信号 指振幅只取离散电平值的信号 模拟传输系统 vs. 数字传输系统 模拟传输系统： 在模拟传输系统中采用模拟信号传送数据，该系统的特 点是使用 放大器 来补偿信号在传输过程中的衰减，但传输信 号上被迭加进来的干扰也被放大了。 数字传输系统： 在数字传输系统中采用数字信号传送数据。该系统的特 点是在传输介质中插入 转发器（ Repeater， 或叫中继器） 对 信号进行整形、接力、放大，以补偿传输过程中信号的衰耗 和抑止干扰，由于干扰被整形掉了，信号传输质量高。 数据编码（调制）： 就是将数据转换为适合于在信道上传输的某种电或光信 号形式 (模拟或数字信号 )。 基带 传输 vs. 频带传输 基带传输 ： 按照原始信号的固有频带传输 频带传输 （宽带传输）： 用基带数据信号对某个频率的载波进行调制， 将其变换成适合于在某个频段上传输的模拟信号 数据通信系统模型 传输 系统 输 入 信 息 输 入 数 据 发送 的信号 接收 的信号 输 出 数 据 源点 终点 发送器 接收器 调制解调器 PC 机 公用电话网 调制解调器 数字比特流 数字比特流 模拟信号 模拟信号 正文 正文 数据通信系统 源系统 目的系统 传输系统 输 出 信 息 PC 机 “ 数据 信号 ” 转换的四种组合 模拟数据 模拟信号 放大器 调制器 模拟数据 数字信号 PCM 编码器 数字数据 模拟信号 调制器 数字数据 数字信号 数字 发送器 数据编码（调制） 上面 “数据 信号” 转换的 这四种组合中，第一种 “模拟 数据 模拟信号” 转换一般在无线电领域使用（如在收音机与电 视机电路中），后三种则在计算机网络中普遍采用： 连续波数字调制 （ 数字 数据 模拟 信号 ） 脉冲数字调制 （模拟数据 数字信号 ） 数字数据的数字信号编码 （数字数据 数字信号 ） （ 1） 连续波数字调制 调幅，幅移键控 ASK（ Amplitude Shift Keying） 用载波的不同振幅来表示不同的二进制值，如用载波的有 无分别表示“ 1”和“ 0”。 调频，频移键控 FSK（ Frequency Shift Keying） 用载波频率附近的两个不同频率来表示两个二进制值 。 调相，相移键控 PSK（ Phase Shift Keying） 用载波的相位移动来表示数据。在下图中，信号相位与前 面信号串同相的信号表示“ 0”，信号相位与前面信号串反相 的信号表示“ 1”，这是 相对相移键控 。也可用载波初相为 表示“ 1”，初相 0表示“ 0”，这是 绝对相移键控 。 ASK （调幅） ASK： 用载波的两个不同振幅表示 0 (0v)和 1 (+5v) FSK （调频） FSK： 用载波两个不同频率表示 0 (如 1.2KHz)和 1 (如 2.4KHz) PSK： 用载波的初相位 0表示 0 ，初相位 表示 1 PSK （绝对调相） PSK 星座图 1比特 星座图 本星座图中，有两种不同的码元： 初相位为 0度的载波、初相位为 180度的载波 PSK （相对调相） PSK： 用载波的起始相位是否变化表示 0 (同相 ) 1(反相 ) ASK、 FSK 和 PSK 的比较 多级调制方法 1 -单参量多级调制 01 11 00 10 本星座图中，有四种不同的码元： 初相位分别为 0度、 90度、 180度、 270度的载波，即 调制级数 M=4 +900 01 + 00 00 +2700 11 +1800 10 4-PSK +90 0 0 0 +180 0 +270 0 数据率 = 码元信号速率 x log2M 其中， M： 调制级数 多级调制方法 1 -单参量多级调制（续） 2比特 星座图 本星座图中，有四种不同的码元： 初相位分别为 0度、 90度、 180度、 270度的载波 多级调制方法 1 -单参量多级调制（续） 4-PSK 单参量多级调制 8-PSK 单参量多级调制 3比特 本星座图中，有八种不同的码元：初相位分别为 0度、 45度、 90度、 135度、 180度、 225度、 270度、 315度的载波 多级调制方法 2 多参量 多级调制 The 4-QAM(单参量 ) and 8-QAM(多参量 ) 星座 图 4-QAM 有四种不同的码元 (使用 4种不同的 相位 ) 8-QAM 有八种不同的码元 (使用 振幅 和 相位 的 8 种组合 ) QAM（ Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制） 8-QAM (正交幅度调制 ) :使用 振幅 和 相位 的 8 种组合 8-QAM 信号图 16-QAM 星座图 16-QAM 有十六种不同的码元 16 QAM 星座图（续） 16-QAM(正交幅度调制 ) :使用 振幅 和 相位 的 16种组合 可供选择的相位有 12 种， 而对于每一种相位有 1 或 2 种振幅可供选择 由于 4bit 编码共有 16 种不同的 组合，因此这 16 个点中的每 点可对应于一种 4 bit 的编码 r (r, ) 多级调制后比特、波特对比图 Modulation Units Bits/Baud Baud rate Bit Rate ASK, FSK, 2-PSK Bit (1 bit) 1 N N 4-PSK, 4-QAM Dibit (2 bit) 2 N 2N 8-PSK, 8-QAM Tribit (3 bit) 3 N 3N 16-QAM Quadbit (4 bit) 4 N 4N 32-QAM Pentabit (5 bit) 5 N 5N 64-QAM Hexabit (6 bit) 6 N 6N 128-QAM Septabit (7 bit) 7 N 7N 256-QAM Octabit (8 bit) 8 N 8N 多级调制后比特率、波特率对比图 电信干线上最初采用模拟传输，因而使用 频分复用 FDM 的传 输方式 目前我国长途通信线路、市内电话交换局间的中继线 (下图的红 色线 )上都已实现了数字化，采用时分多路复用 TDM， 因而现在 的模拟通信电路 (下图的白色线 )就只剩下从用户电话机到电话交 换局之间的这一段几公里长的用户线上。 电信使用的传输 调制解调器 数据经过模拟传输系统后会出现差错 出现差错 0 1 0 0 1 0 1 0 0 还原后 的数据 t 接收到的 失真信号 0 1 0 0 1 1 1 0 0 t 发送的 基带信号 t 采样时刻 为什么要用调制解调器？ (1) 发送的数字基带信号包含各种频率成分，其中一部分已落 到模拟电话通信系统所能通过的频率范围 (300-3400Hz)之外， 因而通不过去，有失真； (2) 即使能通过电话线路的那部分频率成分中，各频率成分 经受的衰减和时延也可能不同，有失真； (3) 电话线路中存在噪声和各种干扰信号，有失真。 失真或干扰严重时会出现差错，即产生误码。 若所传送 的码元速率越高，信号的失真就越严重。 为解决 (1)(2)，必须将数字信号转换为频率范围为 300 - 3400Hz之间的模拟信号来传输，即再模拟信道两端各加上一 个调制解调器；为解决 (3)，则要利用差错检测和纠正技术。 调制解调器 调制解调器 (MODEM) 包括： 调制器 (MOdulator)： 把要发送的数字信号转换为 频率范围在 3003400 Hz 之间的模拟信号，以便在 电话用户线上传送； 解调器 (DEModulator)： 把电话用户线上传送来的 模拟信号转换为数字信号。 。 这里的调制解调器是指使用在标准的二线模拟话路 （ 3.1 kHz 的标准话路带宽）上提供全双工的异步数 字通信的调制解调器 调制解调器的作用 调制器的主要作用就是个 波形变换器 ，它把基带 数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波 形 ; 解调器的作用就是个 波形识别器 ，它将经过调制 器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号 . 若识别不正确，则产生误码 在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设施 调制解调器的速率 * 目前调制解调器的 信息传输速率 已很接近于香 农的信道容量极限了： C = W log2(1 + S/N) ， 其中 W为电话信道带宽 3.1 KHz 要提高信息传输速率，只能设法提高 信噪比 在电话的用户线上，最大的噪声来自模拟到数 字的模数转换所带来的 量化噪声 产生量化噪声的地方（经过 A/D 变化的地方） * A 2/4 A/D A/D D/A D/A 数字信号 数字信号 交换机 1 交换机 2 V.34 33.6 kb/s 调制解调器 B D/A A/D 4/2 V.34 33.6 kb/s 调制解调器 产生量化噪声 产生量化噪声 使用 V.34 调制解调器（ 33.6 kb/s) 产生量化噪声 产生量化噪声 用户环路 模拟信号 用户环路 模拟信号 这种量化噪声已经无法再减小， V.34 的 33.6kb/s 速率基本已达极限。 仅在 “ 用户 - ISP”间使用 V.90 调制解调器 （下行 56 kb/s， 上行 33.6 kb/s） A 2/4 A/D A/D 交换机 ISP V.90 56 kb/s 调制解调器 D/A V.90 56 kb/s 调制解调器 数字信号 数字信号 至因特网 （数字信号） 用户环路 模拟信号 仅在此处 产生量化噪声 仅在此处 产生量化噪声 网络中的下行信道不包含 A/D变换， 从因特网一直到交换机都是数字传输， 因此下行信道的信噪比可以明显提高。 产生量化噪声的地方（经过 A/D 变化的地方） * 调制解调器通信方式 数据通信可分为 同步通信 和 异步通信 两大类： 同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频 率严格一致。发送端发送连续的比特流； 异步通信时要求接收端时钟和发送端时钟基本同 步 (误差不超过 7%)。发送端发送完一个字节后， 可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节 . 异步通信的通信开销较大，但接收端可使用廉价 的、具有一般精度的时钟来进行数据通信 模拟数据、数字数据的传输与调制技术 连续波数字调制 （ 数字 数据 模拟 信号 ） 脉冲数字调制 （模拟数据 数字信号 ） 数字数据的数字信号编码 （数字数据 数字信号 ） （ 2） 脉冲数字调制 由于数字传输的质量好、价格低，在通信网 络中便于交换和处理，常常需要把模拟数据转换为 数字信号来传输。最常用的模拟号编码方法是脉冲 编码调制 PCM (Pulse Code Modulation)。 PCM包括三个步骤： 采样 ， 量化和编码 . 从模拟数据到数字信号的过程如下图所示： 从模拟数据到数字信号 PAM（ Pulse Amplitude Modulation） 脉冲数字调制 采样 : 即按一定的时间间隔采样测量模拟信号幅值 。 根据奈奎斯特定理：只要采样频率不低于有效信 号最高频率的两倍 ， 则采样值包含了原始信号的 全部信息 ; 量化 :使采样值在取值上离散化 。 通常的做法是将原始 信号的取值范围划分成若干个等级 （ 通常为 2n 级 ） ， 将每个采样值取整到离它最近的一个等 级上 ; 编码 :将量化的的采样值用一定位数的二进制数来表示 。 PCM 原理视图 采样周期 T t 信号 t 采样 1001 0011 1100 0010 t 编码 t 解码 t 还原 PCM 转换过程举例 3.2 3.9 2.8 3.4 1.2 4.2 3 4 3 3 1 4 011 100 011 011 001 100 原始信号 PAM采样 PCM 量化 （有量化误差） 011100011011001100 PCM 编码 “模拟话音数字化声音” PCM 转换 A B C D B A C D 模拟话音 采样时钟 PAM 信号 PCM 信号 采样电路 量化和编码 数字化声音 模拟数据、数字数据的传输与调制技术 连续波数字调制 （ 数字 数据 模拟 信号 ） 脉冲数字调制 （模拟数据 数字信号 ） 数字数据的数字信号 编码 （数字数据 数字信号 ） （ 3）数字数据的数字信号编码 常用的编码方式有： 不归零编码 (NRZ)， 归零编码 (RZ) 曼彻斯特编码，差分曼彻斯特编码 单极型脉冲 (电压有或无 )和 双极型脉冲 (电压正或 负 )都可以用来表示 2进制数。单极型会积累直流分 量，而双极型脉冲可以有效抑制直流分量，克服单 极型脉冲的弊病。 不归零编码 在一个码元的全部时间内，电平保持 恒定。 归零编码 在一个码元结束时电平总是回到零 . 单极与双极型、不归零与归零型 1 1 1 1 1 0 0 0 t 位值 t t t 单极型 NRZ 单极型 RZ 双极型 NRZ 双极型 RZ NRZ-L、 NRZ-I 数字 “ 1” 处发生跳变 NRZ 编码的缺点是从信号中不能提取出时钟同步信号。 注：通信时有外同步方案 (一根线传输数据，一根线传输同步时钟 )、 内同步方 案 (只用一根线，传输数据叠加时钟同步的混合信号，接收时再从中分离出时 钟信号 )两种，后一个方案好，因为可以节省一根导线。 双极型 RZ 制编码 中间跳变可用于提取同步时钟 双极型 RZ 编码的优点是从信号中可以提取出时钟 信号，但占用带宽比 NRZ宽得多。另外，双极型编码 有 效地抑制了直流分量。 数字数据的数字信号编码（续） 曼彻斯特编码 ：每位起始根据需要跳变，中间必有一次电 平跳变：从高到低的跳变表示 “ 1” 从低到高的跳变表示 “ 0” 差分曼彻斯特编码 ：曼彻斯特编码的一种变形： 每位的中间跳变只用于提取同步时钟信号 , 用位的起始处有无跳变来区分 “ 0” 和 “ 1” 若有跳变表示 “ 0” ，无跳变表示 “ 1” 。 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码，都可以被用来从中间 电平跳变中 提取同步时钟 信号，这两种编码方式常用于局 域网中，曼彻斯特编码用于以太网，差分曼彻斯特编码用 于令牌环网中。 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码 小 结 本小节重点： 1. 理解 ASK, FSK, PSK的基本概念 2. 了解采样定律， PCM调制技术及其三个步骤 3. 了解单极型脉冲和双极型脉冲的概念；掌握不归 零编码，归零编码，曼彻斯特编码，差分曼彻斯 特编码，外同步、内同步通信与同步时钟提取等 知识点