第4章信號的調制與解調

4.1編碼技術4.2模擬信號的數(shù)字傳輸4.3數(shù)字信號的調制4.4信號的解調4.5調制解調器習題4.1編碼技術

總的來講，傳輸碼的結構取決于實際信道特性和系統(tǒng)工作的條件，一般應具有以下主要特性：

(1)相應的基帶信號中無直流成分和很小的低頻成分；

(2)傳輸碼型的傳輸效率要高；

(3)能從基帶信號中提取到定時信息；

(4)具有一定的檢錯能力。 4.1.1不歸零碼 不歸零碼有兩種：單極性不歸零碼和雙極性不歸零碼。如圖4-1(a)、(b)所示。

圖4-1不歸零碼(a)單極性不歸零碼；(b)雙極性不歸零碼 4.1.2歸零碼 歸零碼有兩種：單極性歸零碼和雙極性歸零碼，如圖4-2(a)、(b)所示。

圖4-2歸零碼(a)單極性歸零碼；(b)雙極性歸零碼 4.1.3雙相編碼 雙相編碼又稱曼徹斯特碼(Manchester)，其編碼原理是將一個碼元劃分成兩個等寬的間隔，前一個間隔為高電平而后一個間隔為低電平表示“1”，前一個間隔為低電平而后一個間隔為高電平表示“0”。用跳變的觀點來描述就是由正電平跳變到負電平表示“1”，由負電平跳變到正電平表示“0”；用相位的觀點來描述就是對每個二進制代碼“0”和“1”分別用兩個具有不同相位的二進制新碼去取代，所以稱為雙相編碼，例如：001?(零相位的一個周期的方波)110?(180??相位的一個周期的方波)

則 代碼： ??011001

雙相碼： ??011010010110

雙相編碼波形如圖4-3所示。圖4-3雙相編碼 4.1.4多電平二進制編碼 多電平二進制編碼是指用三種電平來表示二進制信號，較為常見的有傳號交替反轉碼、三階高密度雙極性碼等。

1)傳號交替反轉碼(AMI)

傳號交替反轉碼的編碼規(guī)則是將代碼“0”仍與零電平對應，而代碼“1”對應發(fā)送極性交替的正、負電平。在電報通信中，把“1”稱為傳號，把“0”稱為空號，因此這種碼稱為傳號交替反轉碼；又因為它是用三種電平來表示二進制信號的，故又稱其為偽三元碼。傳號交替反轉碼波形如圖4-4所示。圖4-4傳號交替反轉碼 2)三階高密度雙極性碼(HDB3碼)

為了解決AMI碼長連0的缺點，人們提出了AMI的一種改進型編碼，即三階高密度雙極性碼，其編碼原理是：先將代碼轉換成AMI碼，然后檢查AMI碼的連0串情況，若有4個以上連0串時，將每個4連0小段的第4個0變換成與前一個非0符號(+1或?1)同極性的符號。這樣做可能破壞“極性交替反轉”規(guī)律，此符號稱為破壞符號，用V符號表示，為使附加V符號后不破壞“極性交替反轉”特性，當相鄰V符號之間為奇數(shù)個非0符號時，其自動保持“極性交替反轉”特性，當相鄰V符號之間為偶數(shù)個非0符號時，將該小段的第1個0變換成+B或?B，B符號的極性與前一個非0符號相反，并讓后面的非0符號從V符號開始再交替變化。例如：

代碼：1000 0 1000 0 1 1 000 0 1 1 AMI碼：?1000 0 +10000 ?1 +1 000 0 ?1 +1 HDB3碼：?1000 ?V +1000+V ?1 +1 ?B00 ?V +1 ?1 HDB3碼的特點是無直流成分，低頻成分少，即使有長連0也能提取同步信號，譯碼電路簡單，但編碼電路較為復雜，是CCITT推薦使用的碼之一。4.2模擬信號的數(shù)字傳輸

圖4-5為模擬信號進行數(shù)字傳輸?shù)膶崿F(xiàn)框圖。圖4-5模擬信號的數(shù)字傳輸 4.2.1抽樣 所謂抽樣，就是對一時間上連續(xù)的模擬信號，每隔一定時間間隔取出不同時刻的信號值的過程。 抽樣定理：如果對某一帶寬有限的模擬信號進行抽樣，如果模擬信號的最高頻率為fm，那么用一個重復頻率為fs?(fs≥2fm)的抽樣脈沖對該信號進行抽樣，則得到的抽樣信號中完全包含原有信號的所有信息。接收方可以從抽樣信號中完全恢復出信號。 抽樣過程如圖4-6所示。圖4-6抽樣過程 4.2.2量化 量化分為均勻量化和非均勻量化。把輸入信號的取值域按等距離分割的量化稱為均勻量化，根據(jù)信號的不同區(qū)間來確定量化間隔稱為非均勻量化，如圖4-7所示。

圖4-7兩種量化特性(a)均勻量化；(b)非均勻量化 4.2.3編碼 將每一個量化值用一組二進制代碼表示的過程稱為編碼。在實際的設備中，編碼和量化常常是同時完成的。編碼器的類型有很多種，最常用的逐次反饋比較型PCM編碼器。

4.2.4解碼 解碼是編碼的逆過程，它的目的是恢復出原始的數(shù)字信號。常用的解碼器一般有三種類型：電阻網(wǎng)絡型、級聯(lián)型、級聯(lián)—網(wǎng)絡混合型。解碼后的信號是在時間上離散的脈沖，為了恢復出原模擬信號，常常在譯碼器后接一低通濾波器，濾除離散脈沖中的諧波分量，得到其基頻原始模擬信號。4.3數(shù)字信號的調制 4.3.12ASK信號的調制

2ASK是用二進制信號“0”和“1”對高頻載波進行幅度控制，控制的方法是：若為1，載波通過；若為0，載波不能通過。其實現(xiàn)過程如圖4-8所示。 載波信號一般為一高頻正弦信號，數(shù)字信號控制著開關的通斷，其輸入和輸出波形如圖4-9所示。圖4-82ASK信號實現(xiàn)示意圖圖4-92ASK信號波形 2ASK信號的產生可以用上述鍵控的方法實現(xiàn)，也可以用普通的模擬調制的方法實現(xiàn)，其原理框圖如圖4-10所示。圖4-102ASK調制原理圖

圖4-10中，m(t)為如圖4-9所示的數(shù)字信號，且m(t)為 其中，g(t)為持續(xù)時間Ts的矩形脈沖，則2ASK已調信號為

由頻譜分析可知，時域上的基帶數(shù)據(jù)信號m(t)對應于頻域上的M(f)，如圖4-11(a)所示。m(t)與載波cos?ωct相乘后通過濾波器得到的已調信號就相當于對M(f)進行頻譜搬移，s2ASK(t)對應的s(f)如圖4-11(b)所示。 信號的頻帶寬度通常也可以定義為信號幅度從最大值降到第一個零點的寬度。因為信號能量的90%集中在此頻段中，從圖4-11中可以看出，信號的帶寬B為2fs，而碼元速率RB=1/Ts即fs。因此，2ASK系統(tǒng)的頻帶利用率為圖4-11調制前后頻譜圖(a)基帶信號；(b)已調信號 4.3.22FSK信號的調制

2FSK是用二進制信號“0”和“1”對高頻載波進行頻率調制，即若二進制信號值為1，則2FSK信號輸出頻率為f1的載波；若二進制信號值為0，則2FSK信號輸出頻率為f2的載波，其實現(xiàn)過程如圖4-12所示。圖4-122FSK信號實現(xiàn)示意圖

載波信號為一高頻正弦信號，數(shù)字信號控制著開關的通斷，數(shù)字信號為“1”時，開關上端接通，數(shù)字信號為“0”時，開關下端接通，從而得到2FSK信號，其2FSK波形如圖4-13所示。

2FSK信號的產生可以用上述的鍵控進行頻率選擇的方法實現(xiàn)，也可以用普通的模擬調制的方法，將數(shù)字信號加到調頻器上直接實現(xiàn)，此方法如圖4-14所示。圖4-132FSK信號波形圖4-142FSK信號實現(xiàn)示意圖

從2FSK信號的波形可以看出，它是兩個交錯的ASK信號的疊加，其表達式為 從圖4-15可以看出，頻帶利用率為圖4-15頻譜示意圖 4.3.32PSK信號的調制

2PSK是用二進制信號“0”和“1”對高頻載波進行相位調制，由于相位可分為絕對相位和相對相位，故相移鍵控相應地分為絕對相移鍵控(2PSK)和相對相移鍵控(2DPSK)。

2PSK的相位變化是以未調載波的相位為基準，若數(shù)字信號為“1”，則已調載波的相位與未調載波同相；若數(shù)字信號為“0”，則已調載波的相位與未調載波反相。2DPSK的相位變化是以前后碼元的相對相位變化來傳送數(shù)字信號的，若數(shù)字信號為“1”，則當前碼元載波的相位與前一碼元載波的相位反相；若數(shù)字信號為“0”，則當前碼元載波的相位與前一碼元載波的相位同相。反過來控制亦可，其波形變化如圖4-16所示。圖4-162PSK和2DPSK信號波形 2PSK信號的產生可以用相位選擇法或直接調相法來實現(xiàn)，相位選擇法如圖4-17所示。圖4-172PSK相位選擇法 2PSK的相位選擇法與2FSK的頻率選擇法類似，所不同的是頻率選擇法輸出的是同頻率的載波，而相位選擇法輸出的是同幅同頻不同相位的載波。 我們已經(jīng)知道，2ASK信號的表達式為 從2PSK的波形可以看出，其波形與2ASK波形基本相同，所不同的是an的取值和載波的相位。對于2ASK波形，an取0或1，其相位為一固定值，一般取0相位；而2PSK的an恒取1，相位有兩種取值：0和π，故2PSK的表達式可寫為

由于相位φn只取0和π，則2PSK的表達式可改寫為 此表達式在形式上與2ASK完全相同，所以直接調相法的實現(xiàn)形式也是通過將數(shù)字信號和載波經(jīng)過乘法器、濾波器處理得到2PSK輸出信號，如圖4-18所示。圖4-18直接調相法

由于2PSK信號的表達式和2ASK信號的表達式的區(qū)別僅在于an的取值不同，因而2PSK信號的帶寬與2ASK信號的帶寬相同，均為數(shù)字信號帶寬的兩倍，其頻帶利用率為 由于2PSK信號的解調中存在有一個“相位模糊”的問題，使得絕對移相方式在實際應用中受到限制，取而代之的是相對相移鍵控，亦稱為二進制差分相移鍵控(2DPSK)。2DPSK信號產生的方法是相對調相，其調制原理框圖如圖4-19所示。圖4-19相對調相法

所謂差分編碼，就是將絕對碼轉變成相對碼，由圖4-16可知，設其絕對碼為an，相對碼為bn，則

an 101001101 bn

1001110110 an與bn之間符合下式： 差分編碼的實現(xiàn)非常簡單，采用如圖4-20所示的電路即可實現(xiàn)bn。圖4-20差分編碼實現(xiàn)電路 4.3.4多進制信號的調制 與二進制數(shù)字調制相比，多進制數(shù)字調制有兩個特點：(1)在相同的碼元傳輸速率下，多進制系統(tǒng)的信息傳輸速率比二進制系統(tǒng)的高。例如，四進制系統(tǒng)的信息傳輸速率是二進制系統(tǒng)的兩倍，八進制系統(tǒng)的信息傳輸速率是二進制系統(tǒng)的三倍；(2)在相同的信息速率下，多進制碼元傳輸速率比二進制的低，因而多進制信號碼元的持續(xù)時間要比二進制的長。使得碼元的能量增加，減小了由于信道特性引起的碼間干擾的影響等?；诙噙M制的這些特點，使得多進制調制方式獲得了較為廣泛的應用。

與二進制類似，多進制的調制方式可分為：多進制數(shù)字振幅調制(MASK)、多進制數(shù)字頻率調制(MFSK)和多進制數(shù)字相位調制(MPSK)。并且在MASK、MFSK、MPSK的基礎上進行了改進，形成了較為常用的QPSK、QDPSK、APK(振幅相位聯(lián)合鍵控)等調制方式。4.4信號的解調 4.4.12ASK信號的解調

2ASK信號的解調通常采用兩種方法：相干解調法和非相干解調法(包絡檢波法)。相干解調法原理方框圖如圖4-21所示。圖4-21相干解調法

其中

圖4-21中，帶通濾波器的作用是抑制帶外噪聲并讓信號順利通過，低通濾波器的作用是濾除fs以上頻率的信號與噪聲，讓基帶信號順利通過，同時平滑波形，抽樣判決器對信號進行抽樣判決，就可以恢復出數(shù)字信號{an}。但需要注意的是，相干解調中的載波必須與發(fā)端的載波同頻同相，常常通過載波提取電路得到。 另一種包絡檢波法原理示意圖如圖4-22所示。圖4-22包絡檢波法 4.4.22FSK信號的解調

2FSK信號的解調方法有與2ASK信號解調相類似的相干解調和非相干解調(包絡檢波)，分別如圖4-23和圖4-24所示。圖4-232FSK的相干解調圖4-242FSK的非相干解調

過零檢測法的基本思想是2FSK的信號波形使用兩種不同的頻率分別代表“0”和“1”，不同的頻率在一個碼元寬度內過零點的數(shù)目一定不同，根據(jù)檢測出來的過零點的數(shù)目來判斷其信號的0和1，其原理及波形示意圖如圖4-25所示。圖4-25過零檢測法 4.4.32PSK信號的解調

2PSK的解調我們一般用相干解調。因為解調的過程實質上是將輸入的已調信號與本地載波信號進行極性比較的過程，故又稱極性比較法，其解調示意圖如圖4-26所示。圖4-262PSK的解調 2DPSK的解調只要在2PSK解調后的輸出后加一個差分譯碼器就可以了，如圖4-27所示。圖4-272DPSK的解調4.5調制解調器

調制解調器調制解調的基本原理在上幾節(jié)中已經(jīng)進行了介紹，其與計算機的連接如圖4-28所示。圖4-28Modem與計算機的連接示意圖 4.5.1調制解調器的類型

1．調制解調器的分類

1)?Modem按傳輸速率分類

(1)?Modem的傳輸速率在300～1200b/s之間為低速Modem；

(2)?Modem的傳輸速率在1200～2400b/s之間為中速Modem；

(3)?Modem的傳輸速率在2400b/s以上為高速Modem。

2)?Modem按調制技術分類

(1)?FSK調制方式的FSKModem；

(2)?PSK調制方式的PSKModem；

(3)?QAM調制方式的QAMModem；

(4)?APK調制方式的APKModem；

(5)?TCM調制方式的TCMModem。 3)?Modem按使用線路分類

(1)使用公共交換電話網(wǎng)(PSTN)的撥號線方式；

(2)固定連接兩點，按月租收費的專線方式。

4)?Modem按外型分類

(1)安置在PC機外部，通過RS-232接口與計算機相連，配置獨立電源的外接式Modem；

(2)插在計算機的擴展槽內，必須與計算機總線結構適配的內插式Modem；

(3)用于筆記本計算機的袖珍式Modem；

(4)通過無線網(wǎng)絡接入的無線Modem；

5)?Modem按操作狀態(tài)分類

(1)微機中最普遍使用的異步Modem；

(2)某些大型機使用的同步Modem。 2．調制解調器的標準 表4-1為V系列的Modem的主要參數(shù)標準。表4-1V系列Modem的主要參數(shù)標準 4.5.2調制解調器的通信協(xié)議

1．XModem協(xié)議

XModem協(xié)議是由WardChristensen發(fā)明的適合在兩個微型計算機之間進行文件傳送操作的一種簡單的檢錯方法。其字組格式如圖4-29所示。圖4-29XModem協(xié)議的字組格式

接收方在接收到一個字組后對字組的每一部分進行如下檢查：

(1)第一個字符是SOH嗎？

(2)此字組確實是新接收到的而不是已接收到的嗎？

(3)確實接收到了128個數(shù)據(jù)字符嗎？

(4)本地計算機的校驗值與接收到的字組的最后一個字符(檢驗值)是否相等？

如果接收方對上述進行的檢查表示滿意，它就會向發(fā)送方發(fā)回一個確認(ACK)字符，發(fā)送方接著發(fā)送下一個字組；如果接收方對上述進行的檢查不滿意，它就會向發(fā)送方發(fā)回一個未確認(NAK)字符，發(fā)送方接著重新發(fā)送出錯的字組。

XModem協(xié)議是一種設計簡單的通信協(xié)議，它有一定的局限性。最初只支持單文件的傳輸，盡管后來在此基礎上發(fā)展出了多文件協(xié)議，但仍不完善。

由于XModem協(xié)議的每一字組只能傳送128個字符且糾錯能力有限，在XModem協(xié)議的基礎上改進后產生了一些XModem協(xié)議的派生協(xié)議，如XModem-CRC、XModem-1K、XModem-G等。

2．YModem協(xié)議

YModem協(xié)議與傳送單個文件的XModem協(xié)議及它的派生協(xié)議不同，它支持多個文件的傳輸，其字組格式如圖4-30所示。

圖4-30YModem協(xié)議的字組格式YModem協(xié)議在文件傳輸能力方面也有所提高，有關文件的所有信息也能準確無誤地傳輸?shù)綄Ψ?，例如文件名、建立時間、文件長度等；由于YModem協(xié)議支持多個文件傳輸，故其可以接受MS–DOS路徑且支持MS–DOS的通配符，即*、？等，這極大地方便了文件的傳輸。另外，YModem協(xié)議中還有YModem-G協(xié)議，它可看作是XModem-G協(xié)議的批處理傳輸文本，且不具備檢錯和糾錯功能，只能用于具有檢錯和糾錯功能的Modem。 3．ZModem協(xié)議

ZModem協(xié)議是一個全雙工的協(xié)議，它既支持128個字符的數(shù)據(jù)字組的傳送，又支持1024個字符的數(shù)據(jù)字組的傳送。但ZModem協(xié)議傳輸字組字節(jié)的大小基于傳輸線路的質量，而傳輸線路的質量是由接收到的要求重新傳輸?shù)拇螖?shù)來決定的。當要求重發(fā)的次數(shù)較多時，ZModem協(xié)議就使用128個字符的數(shù)據(jù)字組進行傳送；當要求重發(fā)的次數(shù)較少時，ZModem協(xié)議就使用1024個字符的數(shù)據(jù)字組進行傳送。

ZModem協(xié)議除了數(shù)組的大小可隨著傳輸線路的差錯率大小的改變而改變之外，它還能使一個中斷的文件傳輸從中斷點重新開始。并且支持多文件傳送和支持傳統(tǒng)的、擴展的CRC差錯檢查。 4．WXModem協(xié)議

WXModem協(xié)議是一個全雙工的具有“可調窗口”的協(xié)議，它允許最多傳輸4個XModem協(xié)議的128個字符的數(shù)據(jù)字組，提高了傳輸效率。最早被用在分組交換網(wǎng)中。

5．SEALINK協(xié)議

SEALINK協(xié)議是一個全雙工的協(xié)議，具有可調窗口，它允許最多傳輸6個XModem協(xié)議的128個字符的數(shù)據(jù)字組，該協(xié)議比WXModem協(xié)議更適合在分組交換網(wǎng)中使用。 6．KERMIT協(xié)議

KERMIT協(xié)議是由哥倫比亞大學設計開發(fā)的，主要用在一些小型計算機和大型計算機上。由于XModem協(xié)議及其派生協(xié)議都是用于8個比特的傳輸?shù)?，而一些計算機系統(tǒng)只支持7個比特的字符且不能使用ASCII的控制字符，故KERMIT協(xié)議為此類計算機提供了一個文件的傳輸機制。 4.5.3調