第4章-采样、编码与调制-3

物联网射频识别（RFID）技术与应用第4章编码与调制点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用读写器与电子标签之间消息的传递是通过电信号实现的。原始的电信号通常称为基带信号，有些信道可以直接传输基带信号，但以自由空间作为信道的无线电传输却无法直接传递基带信号。将基带信号编码，然后变换成适合在信道中传输的信号，这个过程称为编码与调制；在接收端进行反变换，然后进行解码，这个过程称为解调与解码。调制以后的信号称为已调信号，它具有两个基本特征，一个是携带有信息，一个是适合在信道中传输。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映信号与信道4.1编码与调制4.2RFID常用的编码方法4.3RFID常用的调制方法4.4物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用RFID常用的调制方法4.4点击此处结束放映1、调制和解调通常基带信号具有较低的频率分量，不宜通过无线信道传输。因此，在通信系统的发送端需要由一个载波来运载基带信号，也就是使载波的某个参量随基带信号的规律而变化，这一过程称为（载波）调制。载波受调制以后称为已调信号，它含有基带信号的全部特征。在通信系统的接收端则需要有解调过程，其作用是将已调信号中的原始基带信号恢复出来。调制和解调过程对通信系统是至关重要的，因为调制解调方式在很大程度上决定了系统可能达到的性能。三、RFID的调制和解调海南汽车过海数字/模拟转换在此，只讨论数据通信中最常用的数字/模拟调制方法。如前所述，一个正弦波可以通过3种特性定义：振幅、频率和相位。当改变其中任意一个时，就有了波的另一个形式。如果用原来的波代表二进制的1，则波的变形可以代表二进制的0，反之亦然。因此，通过反复改变简单电气信号的特性，可以用它来表示数字数据。数字/模拟转换正弦波的3个特性中任意一个都可以加以改变，从而使我们至少有3种将数字数据调制成模拟信号的方法，即幅移键控（AmplitudeShiftKeying，ASK）、频移键控（FrequencyShiftKeying，FSK）以及相移键控（PhaseShiftKeying，PSK）。此外，还有一种将振幅和相位变化相结合的方法称为正交调幅（QuadratureAmplitudeModulation，QAM）。其中QAM的效率最高，也是目前调制解调器中采用的技术。数字/模拟转换在讨论具体的数字/模拟转换方法之前，首先解释一下比特率、波特率和载波信号的概念。1.比特率和波特率比特率和波特率是数据通信中常用的两个术语。比特率是指每秒传输的比特数；波特率是指每秒传输的信号单元数（码元数目）。其中信号单元由若干比特组成。在讨论计算机的效率时，比特率更为重要，因为人们关心的是处理每段报文所需花费的时间。数字/模拟转换1.比特率和波特率但在数据传输方面，人们更关注数据在两地之间传输的效率，不管是一段段地传送还是一块块地传送。需要的信号单元越少，系统效率就越高，传输更多比特所需的带宽就越少，因此更重视波特率，波特率决定了发送信号所需的带宽。比特率等于波特率乘以每个信号单元表示的比特数。波特率等于比特率除以每个信号移位表示的比特数。比特率总是大于或等于波特率。数字/模拟转换1.比特率和波特率可以通过类比区分波特和比特的概念。例如在运输中，波特类似轿车，比特类似乘客。一辆轿车可运载一位或多位乘客。如果1000辆轿车每辆仅运载一位乘客（司机）从一个地方到另一个地方，则可运送1000位乘客。然而，如果每辆车运载4位乘客，则可运送4000位乘客。轿车的数量而不是乘客的人数决定了交通情况，所以为了提高运输力，需要更宽的高速公路。类似地，波特数而不是比特数决定了带宽。数字/模拟转换2.载波信号在模拟传输中，发送设备产生一个高频信号作为基波来承载信息信号，这个基波就被称为载波信号或载波频率。接收设备则将自己的接收频率调整到与预先设定的发送方载波信号频率一致。然后数字信息就通过改变载波信号的一个或多个特性（振幅、频率和相位）被调制到载波信号上。这一过程被称为调制(或数字键控)，并且信息信号被称为调制信号（或基带信号）。数字/模拟转换4.3.1幅移键控（ASK）在ASK中通过改变载波信号的强度来表示二进制的0或1，如图5.16所示。仅改变振幅，而频率和相位则保持不变，哪个电压代表0或1由系统设计者决定。比特持续时间是表示一个比特所需的时间段，在每个比特持续时间内信号的最大振幅是一个常数，其值与所代表的比特值（0或1）有关。采用ASK技术则传输速度将受到传输介质物理特性的限制。数字/模拟转换4.3.1幅移键控（ASK）幅值时间0011001波特1波特1波特1波特1波特1比特1比特1比特1比特1比特1s比特率=5波特率=5图5.16幅移键控数字/模拟转换4.3.1幅移键控（ASK）数字/模拟转换4.3.1幅移键控（ASK）但是，ASK受噪声影响很大。噪声是指在传输中由于别的因素产生的热、电磁感应等现象而引起线路中不期望的电压值。这些外来的电压和信号一起改变了振幅。在这种情况下，0可能变成1,1可能变成0.可以想象对于主要依赖振幅来识别比特的ASK调制方法，噪声是一个严重的问题。噪声通常只影响振幅，因此ASK是受噪声影响最大的调制技术。数字/模拟转换4.3.1幅移键控（ASK）一种常用的幅移键控技术是开关键控（OOK）。在OOK中，某一种比特值用电压来表示。该做法的优点是降低传输信息所需的能量。如前所述，信号的带宽是信号占据的整个频率范围。当分解一个ASK调制的信号时，会得到一个由许多简单频率组成的谱系。但是，有意义的频率在与之间，中间是载波频率，如图5.17所示。0.5cbaudfN0.5cbaudfNcfcf数字/模拟转换4.3.1幅移键控（ASK）振幅0频率最小带宽=baudN/2cbaudfN/2cbaudfN图5.17在ASK中波特率和带宽关系数字/模拟转换4.3.1幅移键控（ASK）采用ASK技术所需的带宽可用以下公式计算：其中是带宽，是波特率，是和线路状况有关的一个因子（最小值为0）。由此可见，传输所需的带宽等于波特率。虽然只有一个载波频率，但调制过程产生了一个由多种不同频率的简单信号合成的复合信号。(1)baudBWdNBWbaudNd数字/模拟转换4.3.2频移键控（FSK）在FSK中，它给数字0和1分别分配一个模拟信号频率。例如，假设0对应一个较高的频率，而1对应一个较低的频率，振幅和相位都不变。图5.19给出了FSK的概念描述。FSK避免了ASK中大多数的噪声问题。因为接收方是通过在给定时间间隔的频率变化来识别比值的，所以它能忽略电压的尖峰信号。限制FSK的因素则是载波的物理容量。数字/模拟转换4.3.2频移键控（FSK）幅值时间0001111波特1波特1波特1波特1波特1比特1比特1比特1比特1比特1s比特率=5波特率=5图5.19频移键控数字/模拟转换4.3.2频移键控（FSK）尽管FSK在两个载波频率之间切换，但作为同时存在的两个频率来研究更容易些。可以认为FSK频谱是中心频率分别为和的两个ASK频谱的组合。FSK传输要求的带宽等于信号波特率加上频移值（两个载波频率的差值）：，如图5.20所示。虽然仅有两个载波频率，但调制过程产生了一个合成信号，它是许多不同频率的简单信号的合成。0cf1cf01()ccbaudBWffN数字/模拟转换4.3.2频移键控（FSK）振幅0频率0cf1cf10ccff/2baudN/2baudN10ccbaudBWffN图5.20FSK波特率和带宽的关系数字/模拟转换4.3.3相移键控（PSK）在PSK中通过改变载波信号的相位来表示0或1.在相位改变时，最大振幅和频率都不变。例如，如果开始时用0°相位来表示二进制的0，就可以把相位改到180°来表示二进制的1。在每个比特持续时间内的相位是一个常数，其值依赖于所代表的比特值（0或1）。图5.21给出了PSK编码的概念描述。数字/模拟转换4.3.3相移键控（PSK）幅值时间0001111波特1波特1波特1波特1波特1比特1比特1比特1比特1比特1s比特率=5波特率=5图5.21相移键控数字/模拟转换4.3.3相移键控（PSK）上述的PSK编码方式常常被称为2-PSK，或者二相位PSK，这是由于在调制中使用了两个不同的相位值（0°和180°）。图5.22通过把相位值和比特值列表对照进一步说明了两者的关系。第二个图称作星座图和相位状态图，只通过描述相位表示了同样的关系。数字/模拟转换4.3.3相移键控（PSK）比特相位（度）01180001图5.22相移键控星座图数字/模拟转换4.3.3相移键控（PSK）PSK不像ASK调制那样易受噪声的影响，但同FSK一样受带宽的限制。这意味着接收方可以可靠地检测到更小的信号变化。因此除了仅采用两种信号变化，每种变化代表一个比特的方式之外，还可以采用4种信号变化，每种相移代表两个比特（如图5.23所示）。数字/模拟转换4.3.3相移键控（PSK）幅值时间001111010001波特1波特1波特1波特1波特2比特2比特2比特2比特2比特1s比特率=10波特率=5图5.234-PSK的星座图数字/模拟转换4.3.3相移键控（PSK）图5.23中信号的星座图在图5.24中给出，0°相位现在代表00；90°代表01；180°代表10,270°代表11，这种技术称为4-PSK或QPSK。每个相位所代表的两个比特叫做一个双位。当使用4-PSK时，可以用两倍于2-PSK的速度传输数据。数字/模拟转换4.3.3相移键控（PSK）双位组相位（度）0001900001010111802700111图5-244-PSK的星座图数字/模拟转换4.3.3相移键控（PSK）进一步把这个想法扩展到8-PSK。在这种情况下，每次对相位只变化45°，而不是90°，通过采用8个不同相位，每相移一次代表了3个比特（三位组）（每次相移代表的比特位数和相位总数之间是2的幂次关系。当采用4相位时，可以一次发送两个比特；当采用8相位时，可以一次发送3个比特。图5.25显示了相位变化和每次所代表的三位组之间的关系：8-PSK比2-PSK快3倍.数字/模拟转换4.3.3相移键控（PSK）三位组相位（度）00000145001001190135100101110111180225270315001010011100101110111图5.258-PSK星座图数字/模拟转换4.3.3相移键控（PSK）与计算ASK调制所需最小带宽的原理相同，PSK调制所需的最小带宽也与ASK调制所需的带宽相等。但PSK调制中的最大比特率比ASK要大的多。因此，尽管在相同的带宽下ASK调制和PSK调制的最大波特率相同，但PSK调制的比特率却可以是ASK调制的两倍或更多（如图5.26所示）.数字/模拟转换4.3.3相移键控（PSK）振幅0频率最小带宽=baudN/2cbaudfN/2cbaudfN图5.26PSK所需的带宽数字/模拟转换数字/模拟转换4.3.4正交振幅调制（QAM）PSK调制技术受到设备检测相位微小变化能力的限制。这个因素限制了其比特率的提高。到目前为止人们都只是一次改变了正弦波3个特性中的一个，但如果同时改变其中的两个会如何？带宽限制使得FSK和其他技术的结合实际上是无效的。但是为什么不试着将ASK技术和PSK技术结合起来呢？若在相位上有x种变化，且在振幅上有y种变化，则总共有x.y种可能的变化对应每个变化的相应比特数。正交振幅调制技术正是如此。正交是由最小性能所要求的限制派生而来的，且与三角几何有关。数字/模拟转换4.3.4正交振幅调制（QAM）QAM是将ASK和PSK以某种方式结合起来，使得在每一位组、双位组、三位组、四位组等之间具有最大的反差。QAM可能的变化是无数的。理路上讲，振幅变化的可能数量可以和相