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第 6 章 訊號調變技術

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

  1. 第6章 訊號調變技術

  2. 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

  3. 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

  4. 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。

  5. 數據資料傳輸之基礎觀念(續)

  6. 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

  7. 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

  8. 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。

  9. 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。

  10. 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

  11. 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

  12. 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。

  13. 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

  14. 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)

  15. 無歸零碼 (Non-return to zero code, NRZ code)

  16. 多重準位二進制碼 (Multiple level binary)

  17. 雙相位(Bi-Phase)編碼

  18. 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

  19. 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)

  20. 調變類比訊號表示數位資料

  21. 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

  22. 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

  23. 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。

  24. 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。

  25. 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

  26. 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

  27. 多重FSK調變(續) Ts 圖6.8 採用M = 4之MFSK調變之頻率

  28. 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

  29. 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°。

  30. 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

  31. QPSK與OQPSK調變架構 圖6.10QPSK與OQPSK調變架構

  32. 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：

  33. QPSK與OQPSK波形圖例

  34. 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

  35. 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

  36. 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

  37. 性能分析-傳輸頻寬(續)

  38. 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

  39. 雜訊環境下的性能分析(續) MFSK調變 MPSK調變

  40. 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)

  41. QAM調變器方塊圖

  42. 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

  43. 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

  44. 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)

  45. 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)

  46. 振幅調變時域波形範例

  47. 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

  48. 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

  49. 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

  50. 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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