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第 6 章 訊號調變技術 PowerPoint PPT Presentation


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第 6 章 訊號調變技術. 大 綱. 數據資料傳輸之基礎觀念 訊號編碼原理概述 數位資料與數位訊號 數位資料與類比訊號 類比資料與類比訊號 類比資料與數位訊號. 大 綱. 數據資料傳輸之基礎觀念 訊號編碼原理概述 數位資料與數位訊號 數位資料與類比訊號 類比資料與類比訊號 類比資料與數位訊號. 數據資料傳輸之基礎觀念. 資料速率 (data rate) 乃定義為 資料單元 (data element) 的傳輸速率,單位常以位元 / 每秒或位元組 / 每秒來表示。

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第 6 章 訊號調變技術

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Presentation Transcript


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第6章 訊號調變技術


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大 綱

  • 數據資料傳輸之基礎觀念

  • 訊號編碼原理概述

  • 數位資料與數位訊號

  • 數位資料與類比訊號

  • 類比資料與類比訊號

  • 類比資料與數位訊號


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大 綱

  • 數據資料傳輸之基礎觀念

  • 訊號編碼原理概述

  • 數位資料與數位訊號

  • 數位資料與類比訊號

  • 類比資料與類比訊號

  • 類比資料與數位訊號


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數據資料傳輸之基礎觀念

  • 資料速率(data rate)乃定義為資料單元(data element)的傳輸速率,單位常以位元/每秒或位元組/每秒來表示。

  • 訊號傳輸速率通常表示為符元速率(symbol rate)或鲍率(baud rate),即指每秒所傳送之訊號單元數目。


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數據資料傳輸之基礎觀念(續)


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大 綱

  • 數據資料傳輸之基礎觀念

  • 訊號編碼原理概述

  • 數位資料與數位訊號

  • 數位資料與類比訊號

  • 類比資料與類比訊號

  • 類比資料與數位訊號


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資料編碼與調變傳輸概念

(a) 編碼成數位訊號

(b) 調變成類比訊號


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資料與訊號編碼之對應方式

  • 數位資料數位訊號:將二進制(binary)資料以線編碼(line coding)的處理方式,轉換成特定的訊號符元格式以利進行傳輸。一般而言,相較於將之編碼成類比訊號,此編碼方式較為節省成本且具有較低複雜度。常見於區域網路(LAN)傳輸應用上。

  • 數位資料類比訊號:於有些傳輸介質通道中,如光纖或非導引式的無線介質,只能允許存在類比訊號。故將數位資料或訊息經由調變適當的連續(類比)載波訊號之方式,編碼成已調變的類比訊號形式。此種編碼方式之運用彈性與所選用載波訊號之振幅、頻率或相位等特性有關。常見於無線通訊中之調變傳輸應用上。


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資料與訊號編碼之對應方式(續)

  • 類比資料類比訊號:低頻之類比訊號,受限於天線尺吋的實際考量,因而,在非導引式或無線的介質通道上傳輸並不具實用性,故通常需將一個聲音或影像之基頻類比訊號,升頻至較高頻率的類比訊號,以適合於實際上的傳輸實現。

  • 類比資料數位訊號:藉由現代的數位傳輸或交換技術,可提供較高的抗雜訊能力且有效地改善訊號傳輸之品質。利用各種型態的多工與數位編碼調變技術,如脈碼調變(PCM)或差動調變(DM)等,先將類比資料轉換成數位訊號後,再將之透過傳輸通道介質以達到通訊目的。


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大 綱

  • 數據資料傳輸之基礎觀念

  • 訊號編碼原理概述

  • 數位資料與數位訊號

  • 數位資料與類比訊號

  • 類比資料與類比訊號

  • 類比資料與數位訊號


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影響數位資料傳輸正確率之因素

  • 影響接收機由接收輸入訊號判別出數位資料的正確率之因素:

    • 訊雜比(S/N ratio, SNR)或訊號之位元單位能量與傳輸頻寬中雜訊頻譜密度之比值 (Eb/N0)

    • 資料速率

    • 傳輸頻寬


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影響數位資料傳輸正確率之因素(續)

  • 在其他因素保持不變的情況下:

    • 增加資料速率,位元錯誤率(BER)也會增加。

    • 增加SNR或Eb/N0可減少位元錯誤率。

    • 增加傳輸頻寬可提高資料速率。


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編碼技術

  • 另外一個可以改善傳輸性能的因素則是編碼技術,此編碼技術僅是單純地將資料位元對應成訊號單元

  • 評估與比較編碼技術的方法

    • 信號頻譜

    • 時脈

    • 錯誤偵測

    • 信號抗干擾與抗雜訊能力

    • 成本和複雜性


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各種數位訊號編碼格式

NRZ碼:Non-return to zero–level code 曼徹斯特碼:Manchester code

NRZI碼:Non-return to Zero, invert on ones 差動曼徹斯特碼:Differential Manchester code

Bipolar-AMI(Alternate Mark Inversion)


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無歸零碼

(Non-return to zero code, NRZ code)


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多重準位二進制碼

(Multiple level binary)


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雙相位(Bi-Phase)編碼


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大 綱

  • 數據資料傳輸之基礎觀念

  • 訊號編碼原理概述

  • 數位資料與數位訊號

  • 數位資料與類比訊號

  • 類比資料與類比訊號

  • 類比資料與數位訊號


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數位資料與類比信號

  • 類比(連續值)訊號傳送數位資料

    • 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) :以載波信號的相位表代二進制數值 (BPSK)


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調變類比訊號表示數位資料


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振幅鍵移調變(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

二進制

二進制


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振幅鍵移調變(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


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二進制頻率鍵移調變 (BFSK)

  • 最簡單的二進制頻率鍵移調變是用兩個相位表示兩個二進制的數值

    其中f1和f2是分佈在載波頻率的兩側之頻 率,且與載波頻率的差相等。


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二進制頻率鍵移調變(續)

  • BFSK抗雜訊能力比ASK好,在相同條件下,其錯誤率較ASK的低 。

  • 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。


Fsk mfsk

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

    其中

    f i = fc + (2i – 1 – M ) f d

    fc = 載波頻率

    fd =頻率差

    M =不同信號單元的數目 = 2L

    L =每個信號單元表示的位元個數


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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


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多重FSK調變(續)

Ts

圖6.8 採用M = 4之MFSK調變之頻率


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相位鍵移調變(PSK)

  • 二準位相移鍵控調變 (BPSK) :用兩個相位表示兩個二進制的數值


Psk dpsk

差動PSK(DPSK)

  • 當二進制資料位元為0時,表示訊號相位與前一訊號之相位相同,即相位不變。

  • 當資料位元為1時,表示訊號相位與前一訊號之相位相反,即相差180°。


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四準位相位鍵移調變(QPSK)

  • 四階相移鍵控調變(QPSK) :每個信號單元表示2個位元


Qpsk oqpsk

QPSK與OQPSK調變架構

圖6.10QPSK與OQPSK調變架構


Qpsk offset qpsk oqpsk

偏移QPSK(offset QPSK, OQPSK)

  • 在圖6.10中同時也呈現了QPSK的另一種變化情形,稱之為偏移QPSK (offset QPSK, OQPSK),主要差別是在Q位元串流中,加入了一個位元時間之延遲,其訊號可表示成:


Qpsk oqpsk1

QPSK與OQPSK波形圖例


Multilevel psk

多準位相位鍵移調變(Multilevel PSK)

  • 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:

    其中

    D =調變率,單位 bauds

    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


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性能分析-傳輸頻寬

  • 調變信號的傳輸頻寬 (BT)

    • ASK, PSK

    • FSK

      R =資料傳輸速率

      0 < r < 1;

      F = f2 fc = fc f1


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性能分析-傳輸頻寬(續)

  • 調變信號的傳輸頻寬

    • 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


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性能分析-傳輸頻寬(續)


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雜訊環境下的性能分析

圖6.12 各種調變技術的位元錯誤率理論值


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雜訊環境下的性能分析(續)

MFSK調變

MPSK調變


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正交振幅調變(QAM)

  • 正交振幅調變(QAM)是由ASK和PSK所結合而成

    • QAM使用兩個頻率相同但相位相差90°的載波同時傳送兩個不同信號單元

  • 圖6.14此QAM調變訊號表示如下:

(6.14)


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QAM調變器方塊圖


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大 綱

  • 數據資料傳輸之基礎觀念

  • 訊號編碼原理概述

  • 數位資料與數位訊號

  • 數位資料與類比訊號

  • 類比資料與類比訊號

  • 類比資料與數位訊號


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類比調變

  • 類比資料調變成類比訊號有兩個主要的理由:

    • 為了有效地傳輸,因而需要一個較高頻率的載波訊號。實際上非導引式的傳輸不可能用來傳送基頻訊號,因為需要直徑長數千公尺的天線。

    • 藉由類比調變可達到分頻多工之目的


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基本類比調變技巧

  • 基本類比調變

    • 振幅調變(amplitude modulation, AM)是最簡單的一種調變

    • 角度調變

      • 頻率調變(frequency modulation, FM)

      • 相位調變(phase modulation, PM)


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振幅調變

  • 振幅調變信號

    其中

    cos2fct = 載波

    x(t) = 輸入信號(欲傳送的資料)

    na =調變指數

  • 這種調變也稱為雙邊帶傳送載波(double sideband transmitted carrier, DSBTC)


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振幅調變時域波形範例


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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


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振幅調變傳輸功率

  • 傳輸功率

    其中

    Pt =s(t)全部的傳輸功率

    Pc =載波的傳輸功率


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單邊帶振幅調變

  • 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

  • 缺點

    • 需用同步接收技術


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角度調變

  • 角度調變:

    • 相位調變:相位正比於調變信號

      其中np =相位調變指數

    • 頻率調變:頻率變化(相角微分)正比於調變信號

      其中nf =頻率調變指數


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角度調變與振幅調變時域波形範例

載波

弦波調變信號(基頻)

DSBTC振幅調變信號


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角度調變與振幅調變時域波形範例(續)

調變信號

頻率調變信號


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角度調變與振幅調變時域波形範例(續)

調變信號

相位調變信號


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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


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角度調變信號頻寬

  • 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

  • Carson法則估計角度調變信號頻寬

    其中

  • FM信號之頻寬公式為


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大 綱

  • 數據資料傳輸之基礎觀念

  • 訊號編碼原理概述

  • 數位資料與數位訊號

  • 數位資料與類比訊號

  • 類比資料與類比訊號

  • 類比資料與數位訊號


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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)

    • 差異調變 (DM)

類比資料之數位化過程


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類比資料轉至數位信號 (續)

  • 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


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脈碼調變方塊圖


Sampling theorem

取樣定理(sampling theorem)

  • 假如一個訊號 f(t)在一般期間內以高於其最高訊號頻率2倍的速率來加以取樣,那麼所得到取樣訊號包含原訊號所有資訊,使用一個低通濾波器可將此取樣訊號重建回原來之訊號f(t) 。


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脈衝振幅調變過程(取樣)


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脈衝振幅調變(PAM)

(a) 訊號取樣(PAM)


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脈衝振幅調變(量化編碼)


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非線性編碼的效應


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典型的縮張函數


Delta modulation dm

差異調變 (Delta Modulation, DM)


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差異調變(續)

(a) 訊號傳送


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差異調變(續)

(b)訊號接收


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