《信号编码技术》PPT课件.ppt

1,第6章 信號編碼技術,2,信號編碼(轉換),(b)調變成類比信號,(a)編碼成數位信號,3,信號編碼準則,有哪些因素影響接收機由輸入信號判讀出數位資料的正確率?訊雜比(Eb/N0或許更恰當)資料傳輸率頻寬 增加資料傳輸率位元錯誤率也會增加 增加SNR可減少位元錯誤率 增加頻寬可提高資料傳輸率,4,編碼技術的因素,信號頻譜 時脈信號抗干擾與抗雜訊能力成本和複雜性,5,數位資料與類比信號(數位調變),數位資料與類比信號 幅移鍵控調變(ASK)以載波的兩種振幅分別表示二進制數值 頻移鍵控調變(FSK)以接近載波頻率的兩個不同頻率分別表示二進制數值(BFSK)相移鍵控調變(PSK)載波信號的相位表代二進制數值(BPSK),6,三種基本調變波形,圖6.2,7,幅移鍵控調變(ASK),固定振幅的載波出現時表示一個二進數值，沒有載波信號表示另一個二進數值其中 是載波信號,8,幅移鍵控調變(續),ASK調變中載波信號振幅會瞬間變化，並不是一個有效率的調變技巧 在傳送聲音等級的線路，典型的資料速率是1200 bps 光纖採用ASK調變方式傳送數位資料,9,二進制頻移鍵控調變(BFSK),最簡單的相移鍵控是用兩個相位表示兩個二進制的數值 其中f1和f2分佈在載波頻率的兩側，且與載波頻率的差相等。,10,頻移鍵控調變(續),BFSK抗雜訊能力比ASK好，其錯誤率較低比ASK好 在聲頻線路的典型速率上限是1200 bps 可用於高頻(3到30仟赫)無線電傳輸，例如，區域性網路的同軸電纜傳輸。,11,多重FSK調變(MFSK),使用多個頻率的多重FSK調變，其頻寬效率更高，但錯誤率也會較高 f i=f c+(2i 1 M)f df c=載波頻率f d=頻率差M=不同信號單元的數目=2 LL=每個信號單元表示的位元個數,12,多重FSK調變(續),為配合輸入的資料速率，每個輸出信號單元的周期是:Ts=LT 秒，其中T是位元周期(資料速率=1/T)一個信號單元期間內頻率固定不變，以此方式編碼L位元所需頻寬是:2Mfd要區別M個不同頻率最小的頻率間隔是:2fd=1/Ts因此調變器需要的頻寬是:Wd=2Mfd=M/Ts,13,多重FSK調變(續),14,相移鍵控調變(PSK),二階相移鍵控調變(BPSK)相移鍵控是用兩個相位表示兩個二進制的數值,15,差動PSK(differential PSK,DPSK),二進制 0 s資料為0時載波相位不變(與前一位元時之相位相同)二進制 1 資料為1時載波相位改變180度(與前一位元時之相位相反),16,四階相移鍵控調變(QPSK),四階相移鍵控調變(QPSK)每個信號單元表示2個位元,17,QPSK調變方塊圖,圖6.6,18,偏移QPSK(offset QPSK,OQPSK),圖6.6同時也顯示QPSK的一種變化情形，我們稱為偏移QPSK(offset QPSK,OQPSK)，或稱正交QPSK，主要差別是在Q通道延遲一個位元時間，其信號表示成：,19,QPSK與OQPSK波形圖例,20,多階相移鍵控調變之調變率與資料率,多階相位一次表示資料的位元數可超過兩個，例如使用八種不同相位之調變方式一次傳送3個位元，其調變率與資料率之關係:D=調變率，單位 baud R=資料率，單位bps M=不同信號單元的個數=2LL=每個信號單元的位元數,21,性能分析,調變信號的傳輸頻寬(BT)ASK,PSKBT=(1+r)RFSKBT=2F+(1+r)R R=資料傳輸速率 0 r 1;頻寬直接相關於位元傳輸速率 F=f2-fc=fc-f1,22,性能分析(續),調變信號的傳輸頻寬(BT)MPSKMFSKL=是每個信號單元可表示編碼的位元數 M=是不同信號單元的數目,23,性能分析(續),24,雜訊環境下的性能分析,圖6.8各種調變技術的位元錯誤率理論值,摘錄自COUC01的結果,25,雜訊環境下的性能分析(續),圖6.9 MFSK 和MPSK調變的位元錯誤率理論值,摘錄自COUC01的結果,26,正交振幅調變(QAM),正交振幅調變(QAM)是由ASK和PSK所結合而成的QAM使用兩個頻率相同但相位相差的載波同時傳送兩個不同信號單元,27,QAM調變器方塊圖,28,類比調變,數位信號的調變 當只有類比傳輸設備可用時數位資料必須要轉換成類比信號 類比信號的調變 為了有效的傳輸需要一個較高頻率的載波信號 調變可達到分頻多工的目的,29,基本類比調變技巧,類比資料對類比信號調幅(AM)角調變調頻(FM)調相(PM),30,振幅調變,振幅調變cos2fct=載波x(t)=輸入信號(欲傳送的資料)na=調變指數 輸入信號與載波的振幅比這種調變也稱為雙邊帶傳送載波(double sideband transmitted carrier,DSBTC),31,振幅調變時域波形範例,32,振幅調變頻域波形範例,(a)調變信號頻譜,(b)AM信號頻譜與載波頻譜,33,振幅調變傳輸功率,傳輸功率 Pt=s(t)全部的傳輸功率 Pc=載波的傳輸功率,34,單邊帶調變,AM 的單邊帶調變(SSB)只傳送一個邊帶不傳送載波與另一邊帶 優點 只需一半頻寬 傳輸功率較低 不利的缺點需用通步接收,35,角調變,角調變:相位調變:相位正比於調變信號 np=相位調變指數頻率調變:頻率變化(相位微分)正比於調變信號nf=頻率調變指數,36,角調變時域波形範例,37,類比調變號信號頻寬,AM、FM與PM等信號之頻譜:皆以載波頻率 fc 為中心 然而其頻寬差異卻很大 但是角調變中有 cos(t)之非線性函數，故產生信號的頻率範圍很大 由此可知FM與PM信號之頻寬比AM信號頻寬大,38,角調變號信號頻寬,Carson法則 其中改寫FM信號之頻寬公式為,39,類比資料至數位信號,類比資料轉至數位信號之技巧 脈碼調變(PCM)脈衝調變(DM),圖6.14 類比資料的數位化,40,類比資料轉至數位信號,將類比資料轉成數位資料的程序即是我們熟知的數位化，一旦類比資料轉成數位資料後常可加以運用或處理:數位資料可使用NRZ-L編碼方式再傳送 使用NRZ-L以外的其他方式編碼成數位信號再傳送可將數位資料轉換成類比信號(調變)再傳送,41,脈碼調變,依據取樣定理：假如一個信號f(t)在一般期間內以高於其最高信號頻率2倍的速率來加以取樣，那麼所得到取樣信號包含原信號所有資訊，使用一個低通濾波器可將此取樣信號重建回原來之信號f(t)。每個類比取樣值必須表示成一個二進制碼 類比的取樣稱為脈波振幅調變(pulse amplitude modulation,PAM)此數位信號是由n位元的區塊所組成，每個n位元數值表示一個PCM脈波的振幅,42,脈碼調變(續),圖6.15脈碼調變,43,脈碼調變(續),量化PAM信號只能近似而無法完全恢復成原信號 量化雜訊 對量化雜訊之訊雜比 每增加一個位元SNR增加大約6dB(4倍的關係),44,非線性編碼的效應,45,壓彈函數,46,脈衝調變,類比輸入以每一取樣週期向上或向下移一個準位的步階函數來近似 每一取樣週期步階函數向上或向下移一個固定的準位值()比較類比輸入信號與最近的步階函數值 假如取樣波形的數值超過步階函數時產生一個1 否則產生一個0,47,脈衝調變(續),圖6.18,48,脈衝調變傳送接收方塊圖,圖6.19,49,脈衝調變(續),兩個重要的參數 步階大小 取樣速率 提高取樣速率可改善系統的精確度 明顯地,會增加輸出信號的資料速率 相較於PCM，DM主要的優點是容易實現,50,以數位技巧傳送理由,以數位技巧傳送類比資料的發展仍繼續快速的進行 中繼器代替放大器 雜訊不會累加 數位信號傳輸使用分時多工(TDM)技術，類比信號傳輸使用分頻多工(FDM)技術 沒有此項困擾 類比信號轉換到數位信號後可以使用有效的數位交換技術,