數據通信與計算機網絡—

主要內容

數字到模擬轉換

幅移鍵控ASK

頻移鍵控FSK

相移鍵控PSK

正交振幅調制QAM

模擬信號調制

調幅AM

調頻FM

調相PM

一、數字到模擬轉換

? ? ? ? 數字信號需要低通通道，如果現實應用中只有帶通通道，只能選擇模擬信號進行傳輸。將數字數據轉換為帶通模擬信號，傳統上稱為數字到模擬轉換，將低通模擬信號轉換為帯通信號傳統上被稱為模擬到模擬轉換。數字到模擬轉換是指，根據數字數據中的信息而改變模擬信號的某種特征的過程。

圖5.1 ?數字到模擬轉換

????????正弦波通過三個特性定義，改變其中任意一個，就有了波的另一種形式，可以用它來表示數字數據，幅移鍵控、頻移鍵控、相移鍵控正交振幅調制QAM（將振幅和相位變化結合，效率最高）。?

圖5.2 ?數字到模擬轉換類型?

?????????比特率是每秒發送的位數，波特率是每秒發送的信號元素數。在數字數據模擬傳輸中，波特率小于等于比特率。

例5.1：

????????模擬信號的每個信號單元運送4位，如果每秒發送1000個信號單元，試求比特率。

解：這里r=4，S=1000，N未知，利用公式可以求得 N。

例5.2：

????????一個信號的比特率為8000bps，波特率為1000baud，問每個信號元素攜帶多少個數據元素？需要多少種不同類型的信號元素?

解：在這個例子中，S=1000，N=8000，r和L未知。先得到r，再得到L。

載波信號

????????在模擬傳輸中，發送設備產生一個高頻率信號作為基波來承載信息，被稱為載波信號（carrier signal）或者載波頻率，接收設備要將自己的收聽頻率調整到與所期望的發送設備的載波信號的頻率一致，數字信息通過改變載波信號的一個或者多個特性來調制載波信號，這稱為調制（或移動鍵控）。

幅移鍵控ASK

????????通過改變載波信號的振幅來生成信號元素；只有振幅變化而頻率和相位保持不變，常用的信號元素只使用兩個電平，稱為二進制幅移鍵控BASK或開關鍵控OOK。一個信號電平的振幅值是0，另一個和載波頻率振幅一樣。

圖5.2? 幅移鍵控ASK?

ASK帶寬

????????雖然承載信號只是一個簡單正弦波，但調制后產生一個非周期性復合信號，該信號有一個連續頻譜，帶寬與信號速率成正比，但通常涉及另一個因子d，它取決于調制和過濾處理。載波頻率fc位于帶寬中間。

圖5.4 ?二進制ASK實現（單極NRZ×振蕩器載波信號）?

例5.3?：

????????有100kHz的可用帶寬，范圍從200-300kHz，如果通過使用d=1的ASK調制數據，那么載波頻率和比特率是多少?

解：帶寬中點是250kHz，這意味著載波頻率可以是fc=250kHz，可以使用帶寬的公式得到比特率（d=1和r=1）：

例5.4：

????????在數據通信中，通常使用雙向通信的全雙工鏈路。需要把帶寬分成兩部分，每部分各有一個載波頻率，如圖5.5所示。圖中給出了兩個載波頻率和帶寬的位置，每個方向可用帶寬現在是50kHz，因此每個方向的數據速率為25kbps（參考例5.3）。

圖5.5 ?例5.4所用的全雙工ASK帶寬

頻移鍵控FSK

????????通過改變載波信號的頻率來表示數據，調制后信號的頻率在一個信號元素持續期間是恒定的，但如果數據元素改變則頻率在下一個信號元素會改變，所有信號元素的振幅峰值和相位保持不變。

圖5.6 ?二進制頻移鍵控BFSK（不同數據元素的載波頻率不同）

????????可把FSK看成兩個ASK信號，每個有自己的載波頻率；如果兩個頻率的差是2Δf （最小值？），那么BFSK要求的帶寬是：

??例5.5：

????????有一個100kHz的可用帶寬，范圍從200-300kHz。如果使用d=1的FSK調制數據，那么載波頻率和比特率應該是多少?

解：這個問題類似于例5.3，使用FSK進行調制，頻帶的中點是在250kHz。選擇2Δf為50kHz，這意味著：

圖5.7 ?BFSK實現?

????????兩種實現方法：非相干和相干。

????????非相干BFSK中，當一個信號元素結束下一個信號元素開始時相位不連續，而在相干BFSK中，兩個信號元素的邊界處的相位是連續的，?相干BFSK中可以使用一個壓控振蕩器（VCO），根據輸入電平（單極NRZ信號）改變頻率。?

?多電平FSK

????????使用多于兩個頻率，例如使用4個不同頻率則每次可以發送兩位。注意：相鄰頻率需要間隔2Δf （ 2Δf >=S）。

?例5.6：

????????我們需要用3Mbps的比特率每次發送3位，載波頻率是10MHz，假設d=0，計算使用不同頻率的個數、波特率和帶寬。

解：使用不同頻率的個數L=23=8。由于r=3，故波特率S=3Mbps/3=1Mbaud。這意味著載波頻率必須至少相隔1MHz （2Δf>=S），帶寬是B=8×1M=8MHz。圖5.8給出了頻率和帶寬的分配。

圖5.8 ?用于例5.6的MFSK帶寬

相移鍵控PSK

????????通過改變載波的相位來表示兩個或多個不同的信號元素，相位改變時，峰值振幅和頻率保持不變。最簡單的是二進制BPSK，只有兩個信號元素，一個相位是0°，另外一個相位是180°。 ????????BPSK和BASK一樣簡單，但更不易受噪聲影響；PSK優于FSK是因為不需要兩個載波信號。

圖5.9 ?二進制相移鍵控?

圖5.10 ?BPSK實現（極性NRZ×振蕩器載波頻率）?

?圖5.11 ?QPSK（正交PSK）及其實現?

????????使用2個獨立的BPSK，一個同相，另一個正交（90°相移），四種相位45°、-45°、135°和-135°，代表四種不同信號元素。

例5.7：

????????試求使用QPSK以速率12Mbps傳輸信號的帶寬，設d=0。

解：對QPSK，每個信號元素攜帶2位，即r=2。因此，信號速率（波特率）S=N×(1/r)=6Mbaud。已知d=0，有B=S=6MHz。

星座圖概念

????????星座圖有助于定義信號元素的振幅和相位，X軸與同相載波相關，垂直Y軸與正交載波相關，圖中每個點包含4條信息，點在X軸的投影定義了同相成分的峰值振幅，點在Y軸的投影定義了正交成分的峰值振幅。點到原點的連線長度是該信號元素的峰值振幅（X成分和Y成分的組合），連線和X軸之間的角度是信號元素的相位。

圖5.12 ?星座圖概念

例5.8：

解：

圖5.13 ?三個星座圖?

?正交振幅調制QAM（ADSL：QAM+FDM）

????????QAM：quadrature amplitude modulation——正交振幅調制是ASK和PSK的結合，使用兩個載波，一個同相而另一個正交，而且每個載波都用不同的振幅。

QAM可能有無窮多個變化（可采用多個電平調制）：

????????4-QAM：4種不同信號元素，分別采用單極NRZ/極性NRZ/兩個正電平來調制兩個載波。

????????16-QAM：16種不同信號元素，采用8個不同電平（4正4負）的信號進行調制。

64和256種狀態的系統都已實現。

圖5.14 ?一些QAM方案的星座圖

二、模擬信號調制?

????????模擬信號調制是通過模擬信號來表示模擬信息的，既然信號已經是模擬了，為什么還要調制呢？如果介質具有帶通特性或者只有帶通帶寬可用，則模擬信號就需要調制——例如每個無線電臺或（人的聲音）生成的模擬信號都是低通信號，都在一個頻率范圍內，為了收聽不同電臺，需要將低通信號平移，使每一個信號對應不同的頻率范圍，為了使信號真正被傳輸，可能會需要較高的頻率。對于非導向傳輸，事實上是不可能直接用天線傳輸基帶信號的，因為需要直徑為幾千米的天線。