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第 6 章 信號編碼技術

第 6 章 信號編碼技術. 信號編碼 ( 轉換 ). (a) 編碼成數位信號. (b) 調變成類比信號. 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 / N 0 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. 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. 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)

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第 6 章 信號編碼技術

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  1. 第6章 信號編碼技術

  2. 信號編碼(轉換) (a) 編碼成數位信號 (b) 調變成類比信號

  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 d • f c= 載波頻率 • f d=頻率差 • M =不同信號單元的數目 = 2 L • L =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= 2L • L =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, PSK BT=(1+r)R • FSK BT=2F+(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) • MPSK • MFSK • L =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 摘錄自[COUC01]的結果 圖6.8各種調變技術的位元錯誤率理論值

  25. 雜訊環境下的性能分析(續) 摘錄自[COUC01]的結果 圖6.9 MFSK 和MPSK調變的位元錯誤率理論值

  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 • cos2fct = 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

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