通信原理第6章数字基带传输系统1.ppt

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1、1,第六章 数字信号基带传输系统,6.0 引言,6.1 数字基带信号及其频谱特性,6.2 基带传输的常用码型,6.3 数字基带信号传输与码间串扰,6.4 无码间串扰的基带传输特性,6.5 基带传输系统的抗噪声性能,6.6 眼图,6.7 部分响应和时域均衡,2, 6.0 引言,数字通信系统中两个重要变换 消息(离散的或连续的)与数字基带信号间的变换; 数字基带信号与信道信号间的变换 。 什么是数字基带信号? 未经调制的数字信号;含丰富的低频分量,甚至直流分量。,3,什么是数字基带传输? 不经载波调制而在信道中直接传输数字基带信号的系统;如在某些具有低通特性的有线信道中,特别是传输距离不太远的情况

2、下。 什么是数字频带(带通)传输? 数字基带信号经过载波调制,把频谱搬移到高载波处在带通型信道中的传输, 也称为调制或载波传输。,4,为什么要研究数字基带传输系统? 1、在利用对称电缆构成的近程数据通信系统广泛采用了这种传输方式。 2、基带传输方式在迅速发展。目前,它不仅用于低速数据传输,而且还用于高速数据传输。 3、数字基带传输中包含频带传输的许多基本问题。 4、任何一个采用线性调制的频带传输系统可等效为基带传输系统来研究。,5,研究的目标: 可靠性:在接收端要以最小的错误概率恢复出发送序列an,也就是要研究误码率与系统的什么参数有关,如何能使误码率达到最小。 有效性:基带传输系统的带宽都是

3、有限的,在有限带宽情况下如何尽可能提高码元速率。,6,6.1 数字基带信号及其频谱特性,6.1.1数字基带信号 数字基带信号是指消息代码的电波形,它是用不同的电平或脉冲来表示相应的消息代码。 数字基带信号的类型常见的有矩形脉冲、三角波、高斯脉冲和升余弦脉冲等。最常用的是矩形脉冲,因为矩形脉冲易于形成和变换。,7,这种信号脉冲的零电平和正电平分别对应着二进制代码0和1,或者说,它在一个码元时间内用脉冲的有或无来对应表示0或1码。,1. 单极性不归零波形NRZ,特点:极性单一,有直流分量,脉冲之间无间隔。另外位同步信息包含在电平的转换之中,当出现连0序列时没有位同步信息。,8,脉冲的正、负电平对应

4、于二进制代码1、0。 当0、1符号等可能出现时无直流分量。 恢复信号的判决电平为0,因而不受信道特性变化的影响,抗干扰能力也较强。 双极性波形有利于在信道中传输。,2. 双极性不归零波形,9,电脉冲宽度小于码元宽度,每个有电脉冲在小于码元长度内总要回到零电平(有电脉冲宽度小于码元宽度),所以称为归零波形。 可以直接提取定时信息,是其它波形提取位定时信号时需要采用的一种过渡波形。,3. 单极性归零波形(RZ),10,它是双极性波形的归零形式。每个码元内的脉冲都回到零点平,即相邻脉冲之间必定留有零电位的间隔。它除了具有双极性不归零波形的特点外,还有利于同步脉冲的提取。,4. 双极性归零波形(RZ)

5、,11,5. 差分波形,不用码元本身的电平表示消息代码, 而是用相邻码元的电平的跳变和不变来表示消息代码。 电平变表示1,不变表示0,也可以反过来。差分波形是以相邻脉冲电平的相对变化来表示代码,因此称为相对码,而相应地称前面的单极性或双极性波形为绝对码波形。 用差分波形传送代码可以消除设备初始状态的影响。,12,6. 多电平波形 多于一个二进制符号对应一个脉冲,波形统称为多电平波形或多值波形。例下图4电平波形。由于这种波形的一个脉冲可以代表多个二进制符号,故在高数据速率传输系统中,采用这种信号形式是适宜的。,13,消息代码的电波形并非一定是矩形的, 还可以是其他形式。若数字基带信号中各码元波形

6、相同而取值不同,则可表示为 an是第n个信息符号所对应的电平值(0、1或-1、1等);Ts为码元间隔;g(t)为某种脉冲波形。,对于二进制代码序列,若令g1(t)代表“0”,g2(t)代表“1”,则,14,6.1.2 基带信号的频谱特性,研究基带信号的频谱,可以了解信号带宽,有无直流分量,有无定时分量。这样才能选择匹配的信道,确定是否可提取定时信号。 数字基带信号是随机的脉冲序列,只能用功率谱来描述它的频谱特性。由相关函数去求功率谱密度的方法计算比较复杂。一种比较简单的方法是以功率谱的原始定义求出数字随机序列的功率谱公式。,15,设二进制的随机脉冲序列如图6-2 所示,其中,g1(t) 表示“

7、0”码,g2(t) 表示“1”码。g1(t)和g2(t)可以是任意的脉冲,为了便于在画图,这里我们把g1(t)、g2(t)画成三角波。,16,假设序列中任一码元时间Ts内g1(t)和g2(t)出现的概率分别为P和1-P,且认为它们的出现是统计独立的,则s(t)可用式(6.1- 2)表征,即,s(t)的功率谱密度为:,其中 是 的傅立叶变换,而sT(t)是s(t)的短截。即,17,为了使频谱分析的物理概念清楚,推导过程简化,把s(t)分解成稳态波v(t)和交变波u(t) 。 所谓稳态波,即随机序列s(t)的统计平均分量,它取决于每个码元内出现g1(t)和g2(t) 的概率加权平均,因此可表示成,

8、由于v(t)在每个码元内的统计平均波形相同,故v(t)是以Ts为周期的周期信号。,18,交变波u(t)是s(t)与v(t)之差,即 于是 式中 或写成 其中 显然, u(t)是一个随机脉冲序列 。,19,稳态波v(t) 的功率谱为,交变波u(t) 的功率谱为,总的功率谱由v(t)的功率谱和u(t)的功率谱相加,即(6.1-26),上式为双边的功率谱密度表示式,20,如果写成单边的,则有,式中: fs = 1/Ts 码元速率; Ts - 码元宽度(持续时间) G1(f)和G2(f)分别是g1(t)和g2(t)的傅里叶变换,21,由上式可见: 二进制随机脉冲序列的功率谱Ps(f)可能包含连续谱(第

9、一项)和离散谱(第二项)。 连续谱总是存在的,这是因为代表数据信息的g1(t)和g2(t)波形不能完全相同,故有G1(f) G2(f) 。谱的形状取决于g1(t)和g2(t)的频谱以及出现的概率P。,22,离散谱是否存在,取决于g1(t)和g2(t)的波形及其出现的概率P。 一般情况下,它也总是存在的,但对于双极性信号 g1(t) = - g2(t) = g(t) ,且概率P=1/2(等概)时,则没有离散分量 (f - mfs)。 根据离散谱可以确定随机序列是否有直流分量和定时分量。,23,例6-1求单极性NRZ和RZ矩形脉冲序列的功率谱。 解: 对于单极性波形:若设g1(t) = 0,g2(

10、t) = g(t) 将其代入下式 可得到由其构成的随机脉冲序列的双边功率谱密度为 当P=1/2时,上式简化为,24,讨论: 若表示“1”码的波形g2(t) = g(t)为不归零(NRZ)矩形脉冲,即 其频谱函数为 当 f = mfs 时:若m = 0,G(0) = TsSa(0) 0,故频谱Ps(f) 中有直流分量。 若m为不等于零的整数, 频谱Ps(f)中离散谱为零,因而无定时分量,25,这时,下式 变成,26,若“1”码的波形g2(t) = g(t)为半占空归零矩形脉冲,即脉冲宽度 = Ts /2 时,其频谱函数为 当 f = mfs 时:若m = 0,G(0) = Ts Sa(0)/2

11、0,故功率谱Ps(f)中有直流分量。 若m为奇数, 此时有离散谱,因而有定时分量(m=1时) 若m为偶数, 此时无离散谱,功率谱Ps(f)变成,27,单极性信号的功率谱密度如下图所示,28,例6-2 求双极性NRZ和RZ矩形脉冲序列的功率谱。 解: 对于双极性波形:若设g1(t) = - g2(t) = g(t) ,则由 式 可得 当P = 1/2时,上式变为,29,讨论: 若g(t)是高度为1的NRZ矩形脉冲,那么上式可写成 若g(t)是高度为1的半占空RZ矩形脉冲,则有,30,从以上两例可以看出: 二进制基带信号的带宽主要依赖单个码元波形的频谱函数G1(f)和G2(f) 。时间波形的占空比

12、越小,占用频带越宽。 若以谱的第1个零点计算, NRZ( = Ts)基带信号的带宽为BS = 1/ = fs ;RZ( = Ts / 2)基带信号的带宽为BS = 1/ = 2fs 。其中fs = 1/Ts ,是位定时信号的频率,它在数值上与码元速率RB相等。,31,单极性基带信号是否存在离散线谱取决于矩形脉冲的占空比。单极性NRZ信号中没有定时分量,若想获取定时分量,要进行波形变换;单极性RZ信号中含有定时分量,可以直接提取它。“0”、“1”等概的双极性信号没有离散谱,也就是说没有直流分量和定时分量。,32,6.2 基带传输的常用码型,若一个变换器把数字基带信号变换成适合于基带信道传输的基带

13、信号,则称此变换器为数字基带调制器;相反,把信道基带信号变换成原始数字基带信号的变换器,称之为基带解调器。以上两者,合称为“基带调制解调器”。基带调制解调器设计中的首要问题就是本节要讨论的码型选择问题。,33,基带信号是代码的一种电表示形式,并不是所有的基带电波形都能在信道中传输。 单极性基带波形含有直流分量和较丰富低频分量就不适宜在低频传输特性差的信道中传输。 当消息代码中包含长串的连续“1”或“0”符号时,非归零波形呈现出连续的固定电平,因而无法获取定时信息。 单极性归零码在传送连“0”时,存在同样的问题。,34,对传输用的基带信号的主要要求有: 对代码的要求,原始消息代码必须编成适合于传

14、输用的码型; 对所选码型的电波形要求,电波形应适合于基带系统的传输。 前者属于传输码型的选择,后者是基带脉冲的选择。这是两个既独立又有联系的问题。,35,不含直流,且低频分量尽量少; 应含有丰富的定时信息,以便于从接收码流中提取定时信号; 功率谱主瓣宽度窄,以节省传输频带; 不受信息源统计特性的影响,即能适应于信息源的变化;,传输码的码型选择原则:,36,具有内在的检错能力,即码型应具有一定规律性,以便利用这一规律性进行宏观监测。 编译码简单,以降低通信延时和成本。 满足或部分满足以上特性的传输码型种类很多,下面将介绍目前常用的几种。,传输码的码型选择原则:,37,1、AMI码传号交替反转码

15、(Alternate Mark Invertion) 编码规则:将二进制消息代码“1”(传号)交替地变换为传输码的“+1”和“-1”,而“0” (空号)保持不变。,例:消息代码: 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 AMI 码: +1 0 0 1 +1 0 0 0 1 +1,一位二进制码编为一位三进制码,1B/1T码。,38,优点:没有直流成分,且高、低频分量少,编译码电路简单,且可利用传号极性交替这一规律观察误码情况;如果它是AMI-RZ波形,接收后只要全波整流,就可变为单极性RZ波形,从中可以提取位定时分量。 缺点:当原信码出现连“0”串时,信号的电平长时间不跳变,造成提取定时信号的困

16、难。,解决连“0”码问题的有效方法之一是采用HDB3码。,39,编码规则: (1) 当连0个数不超过3时,仍按AMI码的规则编。 (2) 连0个数超过3时,每4个连0段变为000V或B00V (称为取代节),当相邻V码间有奇数个1时,用000V,相邻V码间有偶数个1时,用B00V,其余0、1码仍为0、1码。 (3) 极性规则:1码与B码一起做极性交替,V码亦做极性交替;V码必须与前一个1码或B码同极性。 (4) 所有B、 V码均改为 1码,即得HDB3码。,2、HDB3码High Density Bipolar 3,40,例,HDB3 波形,AMI 波形,41,例: 消息: 1 0 0 0 0

17、 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 l AMI:-1 0 0 0 0 +1 0 0 0 0 -1 +1 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 HDB: -1 0 0 0 V +1 0 0 0 +V -1 +1-B 0 0 V +B 0 0 +V -l 其中的V和B与1波形相同,用V或B符号表示的目的是为了示意该非“0”码是由原信码的“0”变换而来的。,特点: 1)每一个破坏点V 的极性总是与前一个非0符号的极性相同。B也视为非0符号。 2)只要找到破坏点V,就可判断其前面必为3个连0符号。 3)利于提取定时时钟。,42,由相邻两个同极性码找出V码,同极性码中的后面那个

18、码为破坏脉冲V ; 由V向前数第三个码如果不是零码,表明它是B码; 把V码和B码去掉以后留下来的全是信码;,HDB3: -1 0 0 0 1 +1 0 0 0 +1 -1 +1 -1 0 0 1 +1 -1 译码1:-1 0 0 0 V +1 0 0 0 +V -1 +1 -B 0 0 V +1 -1 译码2:-1 0 0 0 0 +1 0 0 0 0 -1 +1 0 0 0 0 +1 -1 代码: 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1,译码规则:,43,3、双相码(曼彻斯特码) 编码规则:0码用01两位码表示,1码用10两位码表示。,优缺点:它在每个码元间隔

19、的中心点都存在电平跳变,所以含有丰富的位定时信息,且没有直流分量。缺点是占用带宽加倍,使频带利用率降低。,44,4、差分双相码 双相码是利用每个码元持续时间中间的电平跳变进行同步和信码表示( 10表示 “1” 01表示 “0”)。而在差分双相码编码中,每个码元中间的电平跳变用于同步,而每个码元的开始处是否存在额外的跳变用来确定信码。有跳变则表示 “1”,无跳变则表示“0”。,45,编码规则: “1”码用码元持续时间中心点出现跳变表示,即用“10”或“01”表示; “0”码分两种情况处理: 对于单个“0”时,在码元持续间内不出现电平跃变,且与相邻码元的边界处也不跳变; 连0串 在两个0码的边界处

20、出现电平跳变,即00与11交替。,5、miller(密勒)码双相码的变形,46,特点: 1.双相码的下降沿对应密勒码的跃变沿; 2.码元宽度比双向码大,Miller码中出现最大宽度为 2Ts的波形,这一性质可用于误码检测;,代码波形,双相码波形,密勒码波形,例:,47,编码规则: 1码交替用11或00表示;0码用01表示。 CMI码有较多的电平跃变,因此含有丰富的定时信息。由于10为禁用码组,不会出现3个以上的连码,这个规律可用来检错。CMI码易于实现,是CCITT推荐的PCM高次群采用的接口码型。,6、CMI码,48,在数字双相码、密勒码和CMI码中,每个原二进制信码都用一组2位的二进码表示

21、,因此这类码又称为1B2B码。,双相码,密勒码,CMI码,49,6、 块编码 形式:有nBmB码,nBmT码等 nBmB码:把原信息码流的n位二进制码分为一组,并置换成m位二进制码的新码组,其中m n。由于,新码组可能有2m 种组合,故多出(2m -2n )种组合。在2m 种组合中,以某种方式选择有利码组作为可用码组,其余作为禁用码组,以获得好的编码性能。,50,为了实现同步,可以按照不超过一个前导“0”和两个后缀“0”的方式选用码组,其余为禁用码组。这样,如果接收端出现了禁用码组,则表明传输过程中出现误码,从而提高了系统的检错能力。 双相码、密勒码和CMI码都可看作1B2B码。 优缺点:提供

22、了良好的同步和检错功能,但带宽增大。,51,nBmT码:将n个二进制码变换成m个三进制码的新码组,且m n。 例:4B3T码,它把4个二进制码变换成3个三进制码。显然,在相同的码速率下,4B3T码的信息容量大于1B1T,因而可提高频带利用率。,52,6.3 基数字带脉冲传输与码间串扰,6.3.1 数字基带信号传输系统的组成,6.3.2数字基带信号传输定量分析,53,6.3.1 数字基带信号传输系统的组成,图 6 -6数字基带传输系统,54,信道信号形成器:是把原始基带信号变换成适合于信道传输的基带信号,这种变换主要是通过码型变换和波形变换来实现的,其目的是与信道匹配,便于传输,减小码间串扰,利

23、于同步提取和抽样判决。 码型变换将二进制脉冲序列变为双极性码;波形变换减小码间串扰,利于同步提取和抽样判决。,55,信道: 允许基带信号通过的媒质。通常为有线信道 。 信道的传输特性通常不满足无失真传输条件,甚至是随机变化的。 信道还会进入噪声。 在通信系统的分析中,常常把噪声n(t)等效,集中在信道中引入。,56,接收滤波器:包括匹配滤波器、均衡器 匹配滤波器用来尽可能排除信道噪声和其它干扰; 均衡器对信道特性均衡,消除信道冲激响应对信号的干扰,使输出的基带波形有利于抽样判决。,57,抽样判决器: 它是在传输特性不理想及噪声背景下,在规定时刻对接收滤波器的输出波形进行抽样判决,以恢复或再生基

24、带信号。而用来抽样的位定时脉冲则依靠同步提取电路从接收信号中提取,位定时的准确与否将直接影响判决效果。,58,发送端:形成原生基带信号并将其送入信道。,接收端:为抑制噪声,加接收滤波器,并用判决识别电路从接收信号中获得再生基带信号。,原生基带信号与再生基带信号之间不可避免地存在差异,存在差异的原因: 1)系统传输性能不理想 2)加性噪声影响 3)抽样点偏离(同步性能不好引起),59,输入信号,码型变换后,传输的波形,信道输出,接收滤波输出,位定时脉冲,恢复的信息,60,再生信号波形,接收基带,t,判决门限,两种误码原因:码间串扰、信道加性噪声,61,6.3.2 数字基带信号传输的定量分析,假设

25、:an 发送滤波器的输入符号序列,取值为0、1或-1,+1。 d (t) 对应的基带信号为分析方便,写为,发送滤波器输出 式中 gT (t) 发送滤波器的冲激响应。 设发送滤波器的传输特性为GT () ,则有,62,是加性噪声 通过接受滤波器后的波形,总传输特性 设信道的传输特性为C(),接收滤波器的传输特性为GR () ,则系统的总传输特性为 其单位冲激响应为,63,将接收滤波器的输出r(t)送到采样判决器进行采样判决。第k个采样时刻 tk=kTs+t0,t0为信道和接收滤波器所造成的延迟时间。因此在第k个时刻的抽样值为:,64,第一项:第k个码元的在接收端tk时刻的输出值. 第二项:第k个

26、码元之外所有的码元在t=tk时刻造成的干扰总和,称为码间串扰。 第三项:信道中随机噪声在t=tk时刻对ak的干扰值。,65,第k个码元波形的抽样值,它是确定ak的依据。 除第k个码元以外的其他码元波形在第k个抽样时刻上的总和,它对当前码元ak的判决起着干扰的作用,称为码间串扰值。由于an是以概率出现的,码间串扰值通常是一个随机变量。 输出噪声在抽样瞬间的值,它是一种随机干扰,也要影响对第k个码元的正确判决。 ,66,实际抽样值不仅有本码元的值,还有码间串扰值及噪声,故当r (kTs + t0 )加到判决电路时,对ak取值的判决可能判对也可能判错。若判决电路的判决门限为Vd ,则这时判决规则为: 当 r (kTs + t0 ) Vd时,判ak为“1” 当 r (kTs + t0 ) Vd时,判ak为“0” 显然,只有当码间串扰值和噪声足够小时,才能基本保证上述判决的正确 ,67,码间串扰的定义,由于信道特性的不理想,波形失真比较严重时,可能出现前面几个码元的波形同时串到后面,对后面某一个码元的抽样判决产生影响。这种影响就叫做码间串扰。,68,码间串扰,69,码间串扰,70,码间串扰,71,思考题,什么是码间串扰? 码间串扰形成的原因?,

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