數(shù)據(jù)信號的傳輸-1

1、 數(shù)據(jù)通信原理數(shù)據(jù)通信原理方莉方莉北京郵電大學(xué)信通院北京郵電大學(xué)信通院TelTel：1350133029313501330293，EmailEmail：2u課程簡介課程簡介u第一章第一章 概述概述u第二章第二章 數(shù)據(jù)信號傳輸數(shù)據(jù)信號傳輸u第三章第三章 差錯控制差錯控制u第四章第四章 數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)交換u第五章第五章 通信協(xié)議通信協(xié)議u第六章第六章 數(shù)據(jù)通信網(wǎng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng) 目錄目錄3 第二章第二章 數(shù)據(jù)信號傳輸數(shù)據(jù)信號傳輸u數(shù)據(jù)信號的傳輸是數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)信號的傳輸是數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)。u數(shù)據(jù)信號的傳輸有三種方式：數(shù)據(jù)信號的傳輸有三種方式：基帶傳輸基帶傳輸頻帶傳輸頻帶傳輸數(shù)字傳輸數(shù)字傳輸4 第二章第

2、二章 數(shù)據(jù)信號傳輸數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)谝还?jié)第一節(jié) 數(shù)據(jù)信號及特性描述數(shù)據(jù)信號及特性描述第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)信號的基帶傳輸數(shù)據(jù)信號的基帶傳輸?shù)谌?jié)第三節(jié) 數(shù)據(jù)信號的頻帶傳輸數(shù)據(jù)信號的頻帶傳輸?shù)谒墓?jié)第四節(jié) 數(shù)據(jù)信號的數(shù)字傳輸數(shù)據(jù)信號的數(shù)字傳輸5 第一節(jié)第一節(jié) 數(shù)據(jù)信號及特性描述數(shù)據(jù)信號及特性描述u基帶傳輸中設(shè)計或選擇信號碼型時要求基帶傳輸中設(shè)計或選擇信號碼型時要求不含直流分量，且高頻分量和低頻分量要少不含直流分量，且高頻分量和低頻分量要少便于定時與同步信息地提取便于定時與同步信息地提取編碼方案對信源透明編碼方案對信源透明碼型具有一定抗噪聲性能碼型具有一定抗噪聲性能碼型具有較高的編碼碼型具有較高的編碼碼型沒

3、有或者只有很小的誤碼增值碼型沒有或者只有很小的誤碼增值碼型變換設(shè)備要簡單可靠碼型變換設(shè)備要簡單可靠 6 第一節(jié)第一節(jié) 數(shù)據(jù)信號及特性描述數(shù)據(jù)信號及特性描述u數(shù)據(jù)終端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息是以數(shù)據(jù)終端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息是以 “ “0”0”、“1”1”組成的隨機序列，組成的隨機序列，它用它用不同形式的電信號不同形式的電信號表示，從而構(gòu)成不同形式的表示，從而構(gòu)成不同形式的數(shù)據(jù)信號數(shù)據(jù)信號；u本節(jié)將介紹本節(jié)將介紹NRZNRZ碼、碼、 RZRZ碼、雙極性碼、雙極性歸零碼、差分碼、雙極性碼、雙極性歸零碼、差分碼碼等編碼規(guī)則、頻譜組成、特點及應(yīng)用等。等編碼規(guī)則、頻譜組成、特點及應(yīng)用等。u主要內(nèi)容主要內(nèi)容1.1 1.1

4、基帶信號基帶信號1.2 1.2 數(shù)據(jù)序列功率譜特性數(shù)據(jù)序列功率譜特性7 1.1 1.1 基帶信號基帶信號u數(shù)據(jù)序列的電信號表示數(shù)據(jù)序列的電信號表示圖圖3-13-1（a,b,c,da,b,c,d） 常用數(shù)據(jù)序列形式常用數(shù)據(jù)序列形式 8 1.1 1.1 基帶信號基帶信號u數(shù)據(jù)序列的電信號表示數(shù)據(jù)序列的電信號表示差分信號：利用相對于前一個碼元電平是否改變來表示差分信號：利用相對于前一個碼元電平是否改變來表示“1”1”或或“0”0”。圖圖3-1(f) 3-1(f) 常用數(shù)據(jù)序列形式常用數(shù)據(jù)序列形式 9 1.1 1.1 基帶信號基帶信號u單極性不歸零單極性不歸零(NRZ)(NRZ)碼碼 編碼規(guī)則：高電平

5、表示編碼規(guī)則：高電平表示1 1碼，零電平表示碼，零電平表示0 0碼；波形如下：碼；波形如下：特點及應(yīng)用：特點及應(yīng)用： 發(fā)送能量大有利于提高收端信噪比發(fā)送能量大有利于提高收端信噪比 帶寬窄但直流和低頻成分大；帶寬窄但直流和低頻成分大； 不能提取同步信號不能提取同步信號 判決電平不易穩(wěn)定判決電平不易穩(wěn)定 一般用于一般用于設(shè)備內(nèi)部和短距離通信設(shè)備內(nèi)部和短距離通信中。中。10 1.1 1.1 基帶信號基帶信號u單極性歸零單極性歸零(RZ)(RZ)碼碼編碼規(guī)則：編碼規(guī)則：高電平表示高電平表示1 1碼，零電平表示碼，零電平表示0 0碼碼； 電平的持續(xù)時間電平的持續(xù)時間比碼比碼元周期元周期Tb小，其波形如下

6、小，其波形如下占空比：占空比：/Tb ，典型的取值是，典型的取值是/Tb =50%=50%特點及應(yīng)用：特點及應(yīng)用： 具有單極性碼的大多特點但帶寬增大，具有單極性碼的大多特點但帶寬增大， 可以直接提取同步信息；可以直接提取同步信息； 一般用于設(shè)備內(nèi)部和短距離通信中。一般用于設(shè)備內(nèi)部和短距離通信中。11 1.1 1.1 基帶信號基帶信號u雙極性不歸零碼雙極性不歸零碼 編碼規(guī)則：用正電平表示編碼規(guī)則：用正電平表示“1”1”，負(fù)電平表示，負(fù)電平表示“0”0”，特點及應(yīng)用：特點及應(yīng)用： 發(fā)送能量大有利于提高收端信噪比發(fā)送能量大有利于提高收端信噪比 無直流但低頻成份大無直流但低頻成份大 不能提取同步信號不

7、能提取同步信號 判決電平容易穩(wěn)定，無需線路接地判決電平容易穩(wěn)定，無需線路接地12 1.1 1.1 基帶信號基帶信號u雙極性歸零碼雙極性歸零碼 編碼規(guī)則：用正電平表示編碼規(guī)則：用正電平表示“1”1”，負(fù)電平表示，負(fù)電平表示“0”0”，電平的持續(xù)時間，電平的持續(xù)時間比碼元周期比碼元周期Tb小，其波形如下：小，其波形如下：占空比：占空比：/ / Tb ，典型的取值是，典型的取值是/ / Tb =50% =50% 特點及應(yīng)用：特點及應(yīng)用： 具有雙極性碼的優(yōu)點具有雙極性碼的優(yōu)點 比較容易提取同步信息；比較容易提取同步信息；13 1.1 1.1 基帶信號基帶信號u差分碼差分碼 編碼規(guī)則：差分碼是用相鄰兩個

8、電平變化與否表示編碼規(guī)則：差分碼是用相鄰兩個電平變化與否表示“1”1”和和“0” 0” ：特點及應(yīng)用：特點及應(yīng)用： 即使傳輸過程中所有電平都發(fā)生了反轉(zhuǎn)，接收端仍能正確判決；即使傳輸過程中所有電平都發(fā)生了反轉(zhuǎn)，接收端仍能正確判決； 是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的一種常用碼型；是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的一種常用碼型；14 1.1 1.1 基帶信號基帶信號u例例1 1：已知二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列為：已知二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列為10101101010110，以矩形脈沖為例，畫出，以矩形脈沖為例，畫出雙極性歸零信號的波形圖（設(shè)雙極性歸零信號的波形圖（設(shè)=T/2=T/2）。）。 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 15

9、1.1 1.1 基帶信號基帶信號u例例2 2：已知二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列為：已知二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列為11001011100101，以矩形脈沖為，以矩形脈沖為例，例， 畫出畫出差分信號差分信號的波形圖（的波形圖（假設(shè)假設(shè)“1”1”電平改變，電平改變，“0”0”電平不變；初始電平為電平不變；初始電平為0 0）。）。1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 16 1.2 1.2 數(shù)據(jù)序列功率譜特性數(shù)據(jù)序列功率譜特性u頻譜是描述信號的頻域特性。頻譜是描述信號的頻域特性。u研究基帶信號的頻譜結(jié)構(gòu)是十分必要的；研究基帶信號的頻譜結(jié)構(gòu)是十分必要的；通過譜分析，可以了解信號需要占據(jù)的通過譜分析，可以了解信號

10、需要占據(jù)的頻帶寬度頻帶寬度，所包含，所包含的的頻譜分量頻譜分量，有無直流分量，有無定時分量等；，有無直流分量，有無定時分量等；針對信號的譜特點來選擇相針對信號的譜特點來選擇相匹配的信道匹配的信道，以及確定是否可，以及確定是否可以從信號中以從信號中提取定時信號提取定時信號。17 1.2 1.2 數(shù)據(jù)序列功率譜特性數(shù)據(jù)序列功率譜特性u基帶信號的頻譜特性基帶信號的頻譜特性確知信號確知信號傅氏變換傅氏變換頻譜頻譜數(shù)字基帶信號是隨機的脈沖序列，沒有確定的頻譜函數(shù)，數(shù)字基帶信號是隨機的脈沖序列，沒有確定的頻譜函數(shù)，所以只能用所以只能用功率譜功率譜來描述它的頻譜特性。用來描述它的頻譜特性。用隨機過程的理隨機

11、過程的理論論來分析。來分析。隨機信號隨機信號復(fù)雜變換復(fù)雜變換功率譜功率譜18 1.2 1.2 數(shù)據(jù)序列功率譜特性數(shù)據(jù)序列功率譜特性u數(shù)字基帶信號的一般表達(dá)式數(shù)字基帶信號的一般表達(dá)式 假設(shè)假設(shè)“1”用用g1(t)表示，表示， “0”用用g2(t)表示，數(shù)字信號的波形表示，數(shù)字信號的波形如下圖所示：如下圖所示：( )()nbns ta g tnT19 1.2 1.2 數(shù)據(jù)序列功率譜特性數(shù)據(jù)序列功率譜特性 假設(shè)在一個碼元周期假設(shè)在一個碼元周期Tb內(nèi)內(nèi)“1”出現(xiàn)的概率為出現(xiàn)的概率為P，“0”出現(xiàn)的概出現(xiàn)的概率為率為1-P，其中：，其中：uan是第是第n個脈沖的相對幅度，其取值與所用碼型有關(guān)，個脈沖的相

12、對幅度，其取值與所用碼型有關(guān)，u對于單極性信號有：對于單極性信號有：u對于雙極性信號：對于雙極性信號：出現(xiàn)以概率出現(xiàn)以概率P1)()()(21bbnTtgPnTtgtg碼元碼元”“”“0011na碼元碼元”“”“0111na( )()nbns ta g tnT20212212( )(1)|( )( )|()(1)()|()ssssssnPff PPGfGffPG nfP Gnffnf 1.2 1.2 數(shù)據(jù)序列功率譜特性數(shù)據(jù)序列功率譜特性u隨機數(shù)據(jù)序列信號的功率譜密度表達(dá)式隨機數(shù)據(jù)序列信號的功率譜密度表達(dá)式：fs=1/Ts，符號速率，符號速率；G1(f)和和G2(f)分別為分別為g1(t)和和g

13、2(t)的傅氏變換，頻譜；的傅氏變換，頻譜；式中的第一項表示式中的第一項表示連續(xù)譜連續(xù)譜，由其可以確定，由其可以確定信號的帶寬信號的帶寬；第二項是第二項是離散譜離散譜，由其可以判斷信號，由其可以判斷信號有無直流分量有無直流分量以及是以及是否包含否包含同步信息同步信息。21 1.2 1.2 數(shù)據(jù)序列功率譜特性數(shù)據(jù)序列功率譜特性u連續(xù)譜連續(xù)譜：由于：由于g1(t)和和g2(t)不可能完全相同，所以其對應(yīng)的頻譜不可能完全相同，所以其對應(yīng)的頻譜G1(f)G2(f)，故，故連續(xù)譜部分總是存在的連續(xù)譜部分總是存在的。 u離散譜離散譜:與信號碼元出現(xiàn)與信號碼元出現(xiàn)“1”，“0”的概率和信號脈沖形狀有的概率和

14、信號脈沖形狀有關(guān)，在某些情況下關(guān)，在某些情況下可能沒有離散譜分量可能沒有離散譜分量。212212( )(1)|( )( )|()(1)()|()ssssssnP ff PPGfGff PG nfP G nffnf22 1.2 1.2 數(shù)據(jù)序列功率譜特性數(shù)據(jù)序列功率譜特性u數(shù)據(jù)序列功率譜特性結(jié)論：數(shù)據(jù)序列功率譜特性結(jié)論：隨機數(shù)字基帶信號的功率譜通常包括隨機數(shù)字基帶信號的功率譜通常包括離散譜和連續(xù)譜離散譜和連續(xù)譜兩部兩部分；分；不論是不論是連續(xù)譜還是離散譜連續(xù)譜還是離散譜都與基本脈沖都與基本脈沖g(t)的頻譜的頻譜P(f)、及、及基帶信號的形式、統(tǒng)計特性有關(guān)；基帶信號的形式、統(tǒng)計特性有關(guān)；23 1

15、.2 1.2 數(shù)據(jù)序列功率譜特性數(shù)據(jù)序列功率譜特性u例：設(shè)例：設(shè)g1(t)為幅度為幅度A、寬度為、寬度為T的的矩形脈沖矩形脈沖，g2(t)則為幅度則為幅度-A、寬度為、寬度為T的的矩形脈沖矩形脈沖。 則有則有G1(f)=-G2(f)=G(f),當(dāng)當(dāng)P1/2時的功率譜密度為：時的功率譜密度為：此時只有連續(xù)譜。此時只有連續(xù)譜。2122212|( )( )(1)|( )( )|()(1)()|()ssssssnsP ff PPGfGff PG nfPfG fG nffnf24 幾種典型隨機數(shù)據(jù)信號序列的功率譜密度幾種典型隨機數(shù)據(jù)信號序列的功率譜密度u1) 雙極性歸零序列雙極性歸零序列設(shè)出現(xiàn)設(shè)出現(xiàn)“1

16、”，“0”的概率都是的概率都是 1/2，脈沖寬度為，脈沖寬度為，幅度為，幅度為A。考慮考慮g1(t)=-g2(t)，=T/2，其，其功率譜密度功率譜密度為：為： 2122sin22222( )42sfTATATfTGfGfSafTA TfTP fSa 25 幾種典型隨機數(shù)據(jù)信號序列的功率譜密度幾種典型隨機數(shù)據(jù)信號序列的功率譜密度u1) 雙極性歸零序列雙極性歸零序列 22222sin24242fTA TfTA TP fSafTf f4/T4/T2/T2/T-2/T-2/T-4/T-4/TP P(f)(f)26 幾種典型隨機數(shù)據(jù)信號序列的功率譜密度幾種典型隨機數(shù)據(jù)信號序列的功率譜密度u2) 雙極性

17、不歸零序列雙極性不歸零序列設(shè)出現(xiàn)設(shè)出現(xiàn)“1”，“0”的概率都是的概率都是 1/2，脈沖寬度，脈沖寬度T，幅度為，幅度為A。考慮考慮g1(t)=-g2(t)，其功率譜密度為其功率譜密度為：f f2/T2/T1/T1/T0 0-1/T-1/T-2/T-2/TP P(f)(f) 22p fA T SafT27 幾種典型隨機數(shù)據(jù)信號序列的功率譜密度幾種典型隨機數(shù)據(jù)信號序列的功率譜密度u3) 單極性歸零序列單極性歸零序列設(shè)出現(xiàn)設(shè)出現(xiàn)“1”1”，“0”0”的概率都是的概率都是1/21/2，“1”1”碼發(fā)碼發(fā)g g2 2(t)(t)信號信號波形，脈沖寬度為波形，脈沖寬度為=0.5T=0.5T，“0”“0”碼

18、發(fā)碼發(fā)0 0。其功率譜密度為：其功率譜密度為： 2222162162snAnp fSafnfA TfTSa28 幾種典型隨機數(shù)據(jù)信號序列的功率譜密度幾種典型隨機數(shù)據(jù)信號序列的功率譜密度u3)單極性歸零序列單極性歸零序列f4fs4fs2fs2fs0 0-2fs-2fs-4fs-4fsP(f)單極性歸零碼單極性歸零碼=T/2=T/229 幾種典型隨機數(shù)據(jù)信號序列的功率譜密度幾種典型隨機數(shù)據(jù)信號序列的功率譜密度u4)單極性不歸零序列單極性不歸零序列f2fs2fsfs fs0 0-fs-fs-2fs-2fsP(f)單極性不歸零碼功率譜密度單極性不歸零碼功率譜密度30 部分碼型的功率譜結(jié)構(gòu)如下圖所示部分碼型的功率譜結(jié)構(gòu)如下圖所示