数据通信

信号编码技术

2019-03-21 08:00 CST
2019-03-21 08:00 CST
CC BY-NC 4.0
  • 基带信号:信源发出的没有经过调制,低频信号
  • 载波信号:调制到高频的信号

数字基带信号(数数)

Data Element Signal Element
Data rate $R$ Signal rate $D=\frac{R}{L}=\frac{R}{\log_2M}$
$T_b=\frac{1}{R}$ 调制速率
比特差错率 BER
  • 接受端需求
    • 每比特定时关系
    • 每比特信号电平
  • BER 影响
    • 信噪比
    • 数据率
    • 带宽
    • 编码机制
编码术语
单极性 正、零电平
双极性 正、负电平
归零 信号电压在码元终止前回到零电平
双相位 单码用多相位表示
差分波形 利用相邻码元的电平跳变和不变来表示消息代码
多电平波形
  • 码型选择
    • 信号谱频:
      • 传输功率集中在带宽中心位置
      • 减少高频
      • 去掉直流:0,1等概率则无直流分量
    • 时钟同步
      • 定时信息
    • 差错检测
    • 信号干扰
    • 降低通信延迟和成本

不归零码 NRZ

  • NRZ-L:双极性不归零
  • NRZI: 双极性不归零差分
  • 缺点
    • 包含直流成分
    • 缺乏同步能力

多电平二进制

  • 双极性 AMI: 没有信号为0,1为正负脉冲交替
  • 伪三进制码:没有信号为1,0为正负脉冲交替
  • nBmB 码:低速情况解决同步问题
  • $B_T=0.5(1+r)D$

扰码技术

  • HDB3: 高密度双极性3零
    • AMI 为基础
    • 连续的0超过3个时,每四个变为一组为 B00V,V为破坏脉冲,B为调节脉冲
    • V与前一个相邻的非零脉冲极性相同,V码之间极性必须交替,B任意取值以满足V的要求
  • B8ZA: 双极性8零替换
    • AMI 为基础
    • 全零八位组之前最后一个脉冲电压为正:000+-0-+
    • 全零八位组之前最后一个脉冲电压为负:000-+0+-

双相位

  • 曼切斯特编码:低到高为1,高到低为0
  • 差分曼切斯特

数模转换(调制技术)

  • 载波频率 $f_c$:一种连续的频率,能够被调制或者用来承载另一个信号
  • 带宽 $B_T$
    • (ASK) $B_T=(1+r)R,0<r<1$
    • (FSK) $B_T=2\Delta+(1+r)R$
    • (MFSK) $B_T=\frac{(1+r)M}{\log_2M}R$
    • (MPSK) $B_T=\frac{1+r}{L}R=\frac{1+r}{\log_2M}R$
  • 信噪比:$M$ 越大
    • MASK,MPSK 越大
    • MFSK 越小

ASK: 振幅键控

$$S(t)=\begin{cases}A\cos(2\pi f_ct),&1\0,&0\end{cases}$$

  • 非相干解调:全波整流器
  • 相干解调:带通滤波器$\rightarrow$相乘器$\rightarrow$低通滤波器$\rightarrow$抽样判决器
    • $A\cos(\omega t)\cos(\omega t)=A-Acos(2\omega t)$
    • $\cos(2\alpha)=cos^2\alpha-sin^2\alpha$
  • 缺点:受噪声影响大
  • MASK: 多进制振幅键控/多电平调制

FSK: 频移键控

  • BFSK

$$S(t)=\begin{cases}A\cos(2\pi f_1t),&1\A\cos(2\pi f_2t),&0\end{cases}$$

  • MFSK
    • $T_s=LT$

PSK: 相移键控

$$S(t)=\begin{cases}A\cos(2\pi f_ct),&1\A\cos(2\pi f_ct+\pi),&0\end{cases}$$

  • BPSK
  • DPSK
  • QPSK
    • $s(t)=\frac{1}{\sqrt{2}}I(t)\cos(2\pi f_ct)-\frac{1}{\sqrt{2}}Q(t)\sin(2\pi f_ct)$
    • $R=\frac{R_{in}}{2}$
  • OQPSK
    • $s(t)=\frac{1}{\sqrt{2}}I(t)\cos(2\pi f_ct)-\frac{1}{\sqrt{2}}Q(t-T_b)\sin(2\pi f_ct)$
    • 叠加后信号相位变化不超过90度

QAM 正交调幅

  • 调幅+调相:$s(t)=d_1(t)\cos2\pi f_ct+d_2(t)\sin 2\pi f_ct$

模数转换

PCM 脉码调制

  • PAM 采样器:时值离散,振幅连续
  • 量化器:时值离散,振幅离散
  • 量化误差:6.02n+1.76 dB
  • 扩压函数:防止振幅较低的地方失真较严重

DM 增量调制

  • 在每个采样周期上升或下降一个步长值

模模转换(模拟调制)

AM 调幅

  • 载波信号 $S_{AM}(t)=(A_0+m(t)) cos(w_ct)$
    • $m(t)$ 调制信号
  • DSB 双边带
  • SSB 单边带

PM/FM 角度调制

  • PM: $S_{PM}(t)=A\cos(w_ct+n_pm(t))$
  • FM: $S_{FM}(t)=A\cos(w_ct+n_f\int m(\tau)d\tau)$