数据通信与网络:CH5 Analog Transmission
CH5 Analog Transmission
文章目录
- CH5 Analog Transmission
- 5.1 Digital - to - Analog Conversion
- 5.1.1 Aspects of Digital - to -analog Conversion
- Data Element Versus Signal Element
- Bit Rate Vursus Signal Rate
- Bandwidth
- Carrier Signal
- 5.1.2 Amplitude shift keying 幅移键控ASK
- (1)二进制ASK(BASK)
- ASK带宽:
- ASK实现
- (2)multilevel ASK
- 5.1.3 Frequency Shift Keying 频移键控FSK
- (1)二进制FSK(BFSK)
- BFSK bandwidth:
- implementation of BFSK
- (2)MFSK 多电平FSK
- 5.1.4 Phase Shift Keying 相移键控PSK
- (1)二进制PSK (BPSK)
- implementation
- (2)Quadrature PSK(QPSK)正交PSK
- (3)Constellation Diagram
- 5.1.5 Quadrature Amplitude Modulation 正交振幅调制
- QAM的带宽
- 5.2 ANALOG-TO-ANALOG CONVERSION
- 5.2.1 Amplitude modilation 调幅
- AM bandwidth
- 5.2.2 Frequency modilation 调频
- FM bandwidth
- 5.2.3 Phase modilation 调相
- PM bandwidth
- FM bandwidth
将数字信号转换为带通模拟信号传统上称为数字到模拟转换。
将模拟信号转换为带通信号传统上称为模拟到模拟转换。
数字数据−−>模拟信号模拟数据−−>模拟信号数字数据-->模拟信号\\ 模拟数据-->模拟信号 数字数据−−>模拟信号模拟数据−−>模拟信号
5.1 Digital - to - Analog Conversion
简单思路——改变正弦波的三个特性:Amplitude振幅,Frequency频率, Phase相位
数字到模拟的机制{幅移键控ASK频移键控FSK相移键控PSK数字到模拟的机制\begin{cases}幅移键控ASK\\频移键控FSK\\相移键控PSK\end{cases} 数字到模拟的机制⎩⎪⎨⎪⎧幅移键控ASK频移键控FSK相移键控PSK
另外还有一种将振幅和相位变化结合起来的机制:**正交振幅调制(quadrature amplitude modulation)**QAM,使用最多,普遍采用
5.1.1 Aspects of Digital - to -analog Conversion
Data Element Versus Signal Element
- 数据元素:信息的最小实体
- 信号元素:信号的最小单元
Bit Rate Vursus Signal Rate
S=N×1rbaudS = N\times\frac{1}{r}baud S=N×r1baud
N是数据速率,r是每个信号元素携带数据元素的个数。
- 数字传输:r = log2L\log_2^Llog2L,L是电平个数
- 模拟传输:r=log2Lr = log_2^Lr=log2L,L是信号元素的类型
比特率是每秒发送的位数,波特率是每秒发送的信号元素数。在数字数据模拟传输中,波特率小于等于比特率。
Bandwidth
模拟传输中带宽与数据速率成正比。除了FSK还要加一个常数项。
Carrier Signal
载波信号carrier signal:在模拟传输中,发送设备产生一个高频率信号作为基波来承载信息,这个基波称为载波信号或者载波频率。
接收设备的收听频率与载波信号的频率一致;
数字信息通过改变载波信号的一个或多个特性来调制载波信号,称为调制或移动键控。
5.1.2 Amplitude shift keying 幅移键控ASK
(1)二进制ASK(BASK)
常用的信号元素只使用两个电平:
{电平峰值为0电平峰值和载波频率相同\begin{cases}电平峰值为0\\电平峰值和载波频率相同\end{cases} {电平峰值为0电平峰值和载波频率相同
ASK带宽:
非周期模拟信号:连续频谱
B=(1+d)×SB = (1+d)\times S B=(1+d)×S
S是信号速率,B是带宽,d的范围是0-1.
虽小带宽是S,最大带宽是2S。
载波频率fc位于带宽的中间——如果有可用的带通通道,选择fc使调制后的信号能占用该带宽。
ASK实现
- EXAMPLE:
有 100kHz的可用带宽,范围从 200 到 300 kHz。如果通过使用 d = 1 的ASK 调制数据,那么载波频率和比特率是多少?
带宽中点是 250kHz,意味着载波频率 fcf_cfc = 250 kHz,可以使用带宽的公式得到比特率。 ( d = 1 和 r = 1)。
B=(1+d)×S=2×N×1r=2N=100B = (1+d)\times S = 2\times N \times\frac{1}{r} = 2N = 100 B=(1+d)×S=2×N×r1=2N=100
比特率为50bps
- EXAMPLE:
在数据通信中通常使用双向通信的全双工链路,需要把带宽分成两部分,每个部分有一个载波频率,如图5.5所示。图中给出了两个载波频率和带宽的位置。每个方向可用带宽是50 kHz, 因此每个方向的数据速率为 25 kbps。
(2)multilevel ASK
5.1.3 Frequency Shift Keying 频移键控FSK
改变载波信号的频率来表示数据。而信号的振幅峰值和相位保持不变。
(1)二进制FSK(BFSK)
考虑两个载波频率:f1和f2。
- 如果元素是0,使用第一个载波
- 如果元素是1,使用第二个载波
通常两个载波的频率很高,差很小:
一个带宽中点的频率是f1,另一个是f2,f1和f2离这个带的中点距离都是Δf\Delta fΔf,则f1和f2中间距离为2Δf2\Delta f2Δf
BFSK bandwidth:
B=(1+d)×S+2ΔfB = (1+d)\times S + 2\Delta f B=(1+d)×S+2Δf
implementation of BFSK
非相干 noncoherent
一个信号的结束和下一个信号开始时的位不连续。可以看做使用两个载波频率的ASK
相干 coherent
边界连续
(2)MFSK 多电平FSK
多电平FSK比较常见。可以使用多于2个频率。例如:
使用4个频率,f1,f2,f3,f4f_1,f_2,f_3,f_4f1,f2,f3,f4,每次发送两个位
使用8个频率,每次发送3个数据位
Note:相邻频率之间需要间隔2Δf2\Delta f2Δf
example:
用 3Mbps 的比特率每次发送 3 位数据,载波频率是 10 MHz,计算使用不同频率的个数、波特率和带宽。
使用不同频率的个数 L=23=8L= 2^3 =8L=23=8
波特率 S = 3MHz/3 = 1Mbaud
带宽 = 频率个数×每个频率的带宽,即B = 8 ×(1+ d ) × S = 8 MHz(d = 0),
意味着载波频率必须相隔1MHz (2Δf = 1 MHz)。
5.1.4 Phase Shift Keying 相移键控PSK
(1)二进制PSK (BPSK)
只使用两个信号元素,一个是相位0,一个是相位180
implementation
使用极性NRZ信号和载波信号相乘,形成两个相位的波形:
(2)Quadrature PSK(QPSK)正交PSK
两个独立的BPSK调制,一个是同相位的,一个是正交的。两两相加后相位四种情况:
−135°,−45°,45°,135°-135°,-45°,45°,135°−135°,−45°,45°,135°
可编码2位信息,即r = 2
加和共四种情况:
{180+270:sin(t+180°)+sin(t+270°)0+270:sin(t+0°)+sin(t+270°)180+90:sin(t+180°)+sin(t+90°)0+90:sin(t+0°)+sin(t+90°)\begin{cases} 180+270:sin(t+180°)+sin(t+270°) \\ 0+270:sin(t+0°)+sin(t+270°)\\ 180+90:sin(t+180°)+sin(t+90°)\\ 0+90:sin(t+0°)+sin(t+90°)\\ \end{cases} ⎩⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎧180+270:sin(t+180°)+sin(t+270°)0+270:sin(t+0°)+sin(t+270°)180+90:sin(t+180°)+sin(t+90°)0+90:sin(t+0°)+sin(t+90°)
试求使用QPSK以速率12Mbps传输信号的带宽,设d = 0:
使用QPSK传输,每个信号可以承载2个数据元素
B=(1+d)×S=(1+d)×N×1r=12×12×1=6MHzB = (1+d)\times S = (1+d)\times N\times \frac{1}{r} = 12\times\frac{1}{2}\times 1 = 6MHz B=(1+d)×S=(1+d)×N×r1=12×21×1=6MHz
(3)Constellation Diagram
1.水平X轴与同相载波相关,垂直Y轴与正交载波相关
2.点在X轴的投影定义了同相成分的峰值振幅,点在Y轴的投影定义了正交成分的峰值振幅。
3.连线与X轴之间的角度是信号元素的相位。
EXAMPLE:
5.1.5 Quadrature Amplitude Modulation 正交振幅调制
改变两个元素:Quardrature Amplitude Modulation正交振幅调制,使用两个载波:
- 一个同相,一个正交
- 且每个载波使用不同的振幅。
正交振幅调制是ASK和PSK的结合。
QAM的带宽
最小带宽 ASK和PSK传输所需的最小带宽相同。
5.2 ANALOG-TO-ANALOG CONVERSION
模拟信号调制的原因:如果介质具有带通特性或者只有带通带宽可用,则模拟信号就需要进行调制。
模拟到模拟的转换有三种方法实现:调幅,调频,调相
5.2.1 Amplitude modilation 调幅
对载波信号进行调制:使其振幅随着调制信号的振幅变化而变化。
调制信号变成了载波信号的包络线
AM bandwidth
AM带宽是调制信号带宽的2倍:
BAM=2BB_{AM} = 2B BAM=2B
5.2.2 Frequency modilation 调频
FM:载波信号的频率随着调制信号的振幅改变而调整。载波信号的峰值和振幅都不变。
FM bandwidth
BFM=2(1+β)BB_{FM} = 2(1+\beta)B BFM=2(1+β)B
其中β\betaβ为调制技术的因子,一般为4
5.2.3 Phase modilation 调相
载波信号的相位随着调制信号的振幅变化而变化。
PM bandwidth
BPM=2(1+β)BB_{PM} = 2(1+\beta)B BPM=2(1+β)B
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FM bandwidth
BFM=2(1+β)BB_{FM} = 2(1+\beta)B BFM=2(1+β)B
其中β\betaβ为调制技术的因子,一般为4
BPM=2(1+β)BB_{PM} = 2(1+\beta)B BPM=2(1+β)B
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