通信原理課件第6章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)

1、第6章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)主講人：劉麗L第6章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)相關(guān)知識：1 .基帶信號：頻帶分布在低頻段（通常包含直流）且未經(jīng)調(diào)制的信號。2 .基帶傳輸：不經(jīng)載波調(diào)制而直接傳輸數(shù)字基帶信號的通信方式，常用于傳輸距離不太遠(yuǎn)的情況下。6.1數(shù)字基帶信號及其頻譜特性-數(shù)字基帶傳榆系統(tǒng)：不使用載波調(diào)制解調(diào)裝置而直接傳送基帶信號的系統(tǒng)。數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)模型1.1數(shù)字基帶信號數(shù)字基帶信號的要求：無直流分量和只有很小的低頻分量；含有碼元的定時信息；傳輸效率高；最好有一定的檢錯能力；適用于各種信源，即要求以上性能和信源的統(tǒng)計特性無關(guān)卜.L1數(shù)字基帶信號數(shù)字基帶信號波形實際系統(tǒng)常用的數(shù)字波形是矩形脈沖，這是由于矩形

2、脈沖易于產(chǎn)生和處理。1 .單極性波形（NRZ）2 .雙極性波形3 .單極性歸零波形（RZ）4 .雙極性歸零波形5 .差分波形（相對碼波形）6 .多電平脈沖波形（多進(jìn)制波形）L1數(shù)字基帶信號單極性波形（NRZ）編碼原則：這種波形用正（或負(fù)）電平和零電平分別表示二進(jìn)制碼元的“1”碼和“0”碼，也就是用脈沖的有無來表示碼元的“1”和“0”。波形特點：脈沖的極性單一，有直流分量，且脈沖之間無空隙，即脈沖的寬度等于碼元寬度。NRZ波形一般用于近距離的電傳機之間的信號傳輸o6.1.1數(shù)字基帶信號雙極性波形-編碼原則：正電平和負(fù)電平分別表示二進(jìn)制碼元的“1”碼和“o”碼，這種波形的脈沖之間也無空隙。波形謀總

3、從信源的統(tǒng)計規(guī)律來看，“1”碼和“0”碼出現(xiàn)的概率相等，所以這神波形無直流分量。同時這種波形具有較強的抗干擾能力。故雙極性波形在基帶傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。o-E6.1.1數(shù)字基帶信號單極性歸零波形(RZ)-編碼原則：脈沖的寬度小于碼元的寬度，每個電脈沖在小于碼元寬度的時間內(nèi)總要回到零電平，故這種波形又稱為歸零波形。波形特點：由于碼元間隔明顯，因此有利于定時信息的提取。但單極性RZ波形中仍含有直流分量，且由于脈沖變窄，碼元能量減小，因而在匹配接收時,盛出信噪比較不歸零波形的低。jiruinjui.1.1數(shù)字基帶信號雙極性歸零波形編碼原則：這種波形是用正電平和負(fù)電平分別表示二進(jìn)制碼元的“1”碼和“0

4、”碼，但每個電脈沖在小于碼元寬度的時間內(nèi)都要回到零電平。波形特點：兼有雙極性波形和歸零波形的特點。-EL1數(shù)字基帶信號I差分波形（相對碼波形）-絕對碼波形：信息碼元與脈沖電平之間的對應(yīng)關(guān)系是固定不變的（絕對的）波形。此時，信息碼也稱為絕對碼。-差分波形：信息碼元“1”和“0”反映在相鄰信號碼元的相對電平變化上的波形。差分波形中，碼元“1”和“0”分別用電平的跳變和不變來表示，即用相鄰信號碼元的相對電平來表示碼元“1”和“0”，故差分波形也稱為相對碼波形。差分波形也可以看成是差分碼序列對應(yīng)的絕對碼波形。差分碼bn與絕對碼an之間關(guān)系:6.1.1數(shù)字基帶信號由上式看出，當(dāng)絕對碼每出現(xiàn)一個“1”碼時

5、，差分碼電平變化一次；當(dāng)出現(xiàn)“o”碼時，差分碼電平與前一碼元相同?？梢?，前后碼元取值的變化代表了原信碼中的“1”和“0”。譯碼方程為an=bn.ib由上式看出，譯碼時只要檢查前后碼元電平是否有變化就可以判決發(fā)送的是“I”碼還是“0”碼。6.1.1數(shù)字基帶信號譯科器：4=59,編科器：乩=8»何4編譯碼電路和波形的變化關(guān)系數(shù)字基帶信號的基帶信號波形(0進(jìn)制6沙元(0.°101O0II10<->0£_ii_ni_E(b)0ETriTTl-：_TLn_TL_FULL-EL-3E6.1.2基帶信號的頻譜特性的波形并非一定是矩形的。若表示各碼元的波形相同而電平取

6、值不同，則數(shù)字基帶信號可表示為：s（，）=斗式中，品一第個碼元所對應(yīng)的電平值Ts一碼元持續(xù)時間4G某種脈沖波形一般情況下，數(shù)字基帶信號可表示為一隨機脈沖序式中，S*t）可以有喇不同的脈沖波形。1. 2基帶信號的頻譜特性隨機脈沖序列的表示式設(shè)一個二進(jìn)制的隨機脈沖序列如下圖所示：©（1+2。）5圖中心一碼元寬度和負(fù)化）一分別表示消息碼“0”和“1，為任意波形。設(shè)序列中任一碼元時間幾內(nèi)。工（3和化）出現(xiàn)的概率分別為P和。5），且認(rèn)為它們的出現(xiàn)是統(tǒng)計獨立的，則該序列可表示為16L2基帶信號的頻譜特性S«）=£s”（z）19.）=.（，），以概率P出現(xiàn)5/1t）=g2（t-

7、nTs）,以概率（1一尸）出現(xiàn)S（t）的功率譜密度表示為Ps（f）=fsP（i-P）|GS-G"）+之|PG|（哂+（1-P）G2«）|28f-mfs）。=1/7；一碼元速率；7；一碼元寬度（持續(xù)時間）和分別是和兔（。的傅里葉變換|JL2基帶信號的頻譜特性AS二人尸。一P）|G（/）-G,6（+PG（皿）+（1-P）G（血）8（f-mfs）m=-w由上式可見：1 .二進(jìn)制隨機脈沖序列的功率譜2（?？赡馨B續(xù)譜（第一項）和離散譜（第二項）。2 .連續(xù)譜總是存在的，這是因為代表數(shù)據(jù)信息的外（。和絳（。波形不能完全相同，故有6（力*6（。o譜的形狀取決于負(fù)（與和兔（。的頻譜以及

8、出現(xiàn)的概率正。3,離散譜是否存在，取決于負(fù)（U和兔（丐的波形及其出現(xiàn)的概率a一般情況下，它也總是存在的，但對于雙極性信號g1g=-g<G=a。，且概率41/2（等概）時，則沒有離散分量區(qū)八mQ。根據(jù)離散譜可以確定隨機序列是否有直流分量和定時分量。.1.2基帶信號的頻譜特性信號的功率譜密度分別如下圖中的實線和虛線所示1 .二進(jìn)制基帶信號的帶寬主要依賴單個碼元波形的頻譜函數(shù)6（2和邑（0,時間波形的占空比越小，占用頻帶越寬。若以譜的第1個零點計算，NRZ（r=基帶信號的帶寬為6$=1"=。；RZ（r=7；/2）基帶信號的帶寬為/=1/彳=2。其中4=1/7；,是位定時信號的頻率，它

9、在數(shù)值上與碼元速率勺而等。2 .單極性基帶信號是否存在離散線譜取決于矩形脈沖的占空比。單極性NRZ信號中沒有定時分量，若想獲取定時分量，要進(jìn)行波形變換；單極性RZ信號中含有定時分量，可以直接提取它?！?”、"1”等概的雙極性信號沒有離散譜，也就是說沒有直流分量和定時分量。6.2基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型傳輸碼的碼型選擇原則不含直流，且低頻分量盡量少;應(yīng)含有豐富的定時信息，以便于從接收碼流中提取定時信號;功率譜主瓣寬度窄，以節(jié)省傳輸頻帶;不受信息源統(tǒng)計特性的影響，即能適應(yīng)于信息源的變化；.具有內(nèi)在的檢錯能力，即碼型應(yīng)具有一定規(guī)律性,以便利用這一規(guī)律性進(jìn)行宏觀監(jiān)測O.編譯碼簡單，以降低通信延時和

10、成本。6.2基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型基帶傳輸系統(tǒng)中常用的線路傳輸型碼1.傳號交替反轉(zhuǎn)碼AMI碼2.HDB3碼3.雙相碼4.密勒碼5.CMI碼6.2基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型AMI碼：傳號交替反轉(zhuǎn)碼編碼規(guī)則:'T交替變成“+1”和“一1”,“0”仍保持為“0”。消息碼:AMI碼:101100+10-1+100優(yōu)點:沒有直流分量、譯碼電路簡單、010-1能發(fā)現(xiàn)缺點:定時信息。出現(xiàn)長串連“0”時，將使接收端無法取得6.2基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型HDB3碼一3階高密度雙極性碼編碼規(guī)則:首先，將消息碼變換成AMI碼,然后，檢查AMI碼中連“0”的情況;當(dāng)沒有發(fā)現(xiàn)4個以上（包括4個）連“0”時,則不作改變，AMI碼就

11、是HDB3碼。當(dāng)發(fā)現(xiàn)4個或4個以上連“0”的碼元串時,就將第4個“0”變成與其前一個非“0”碼元（“+1，或-1»）同極性的碼元。將這個碼元稱為“破壞碼元”并用符號“片表示，即用“+片表示“+1”，用“一片表示“一1”。16.2基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型為了保證相鄰“。'的符號也是極性交替:當(dāng)相鄰“。'之間有奇數(shù)個非“0碼元時，這是能夠保證的。當(dāng)相鄰“，之間有偶數(shù)個非"0”碼元時，不符合此“極性交替”要求。這時，需將這個連“0”碼元串的第T個“0變成”+夕或“一夕。8的符號與前一個非“0碼元的符號相反；并且讓后面的非"0”碼元符號從四元開始再交替變化。6.

12、2 基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型舉例L1：消息碼：1AMI 碼：+1HDB3 碼：+10 0 0 0 1000 0 -10 0 0 + K-10 0 0 0 1 1 0 0 0000 +1-1 0 00 0 0 -K+l-l+ 00 0 110 0 +1 -10 + K-1 +1+1譯碼：+1000+1-10000 0-100 0 0 0 1 000-1 +1-1+1000 +1-1 00 0 0 1 1 000+1-1 +10 0 0 -1 +10 0 0 1 1發(fā)現(xiàn)相連的兩個同符號的“1”時，后面的“1”及其前面的3個符號都譯為“0”。然后,將“+后和“-后都譯為“I”，其它為“0后(6.2基帶傳輸

13、的常用碼型多元序列:00001 0 1 00000000AMI 碼：_nl/1 uAMI-V hdb30.40.2NRZ -B-y+VIHDB3碼是目前實際系0.8統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的碼0.6型。00.20.40.60.816.2基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型雙相碼一曼徹斯特碼編碼規(guī)則：用一個周期的方波來代表碼元“1”,而用它的反相波形來代表碼元“0”。消息碼傳輸碼“01”消息碼傳輸碼“10”例:消息碼:雙相碼:110110001010101100110譯碼規(guī)則：消息碼“0”和“I”交替處有連“0”和連優(yōu)缺點：每個碼元的中心部位都發(fā)生電平跳變，因“1”,可以作為碼組的邊界。此有利于定時同步信號的提取，只有2電

14、平，無直流分量；但是占用帶寬較寬。6.2基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型密勒碼編碼規(guī)則:消息碼“1”-用中點處電壓的突跳表示，或者說用“01”或“10”表示;消息碼“0”f單個消息碼“0”不產(chǎn)生電位變化，連“0”消息碼則在邊界使電平突變，或者說用“11”或“00”表示。6.2基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型密勒碼:消息碼:雙相碼: 雙相碼波形: 雙相碼相位:“1”之間有一個特點：當(dāng)“0”時，碼元寬度最長（等于兩倍消息碼的長度）。這一性質(zhì)也可以用來檢測誤碼。產(chǎn)生：雙相碼的下降沿正好對應(yīng)密勒碼的突變沿。因此，用雙相碼的下降沿觸發(fā)雙穩(wěn)觸發(fā)器就可以得到密勒碼。6.2基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型CMI碼一傳號反轉(zhuǎn)碼編碼規(guī)則:消息碼：雙相碼：

15、 雙相碼波形: 雙相碼相位:密勒碼:CMI 碼:CMI碼易于實現(xiàn)，含有豐富的定時信息。此外，由于10為禁用碼組，不會出現(xiàn)3個以上的連碼，這個規(guī)律可用來宏觀檢錯O6.3 數(shù)字基帶信號傳輸與碼間串?dāng)_數(shù)字基帶信號傳榆系統(tǒng)的組成基本結(jié)構(gòu)信道信號形成器（發(fā)送濾波器）：壓縮輸入信號頻帶,把傳輸碼變換成適宜于信道傳輸?shù)幕鶐盘柌ㄐ蜲-信道：信道的傳輸特性一般不滿足無失真?zhèn)鬏敆l件，因此會引起傳輸波形的失真。另外信道還會引入噪聲（）,并假設(shè)它是均值為零的高斯白噪聲。-接收濾波器：它用來接收信號，濾除信道噪聲和其他干擾,對信道特性進(jìn)行均衡，使輸出的基帶波形有利于抽樣判決。-抽樣判決器：對接收濾波器的輸出波形進(jìn)行抽

16、樣判決，以恢復(fù)或再生基帶信號。-同步提?。河猛教崛‰娐窂慕邮招盘栔刑崛《〞r脈沖(O基帶數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)模型輸入tttG"Gc(f)GW)輸出噪聲H（砥除Gc（平+）諭域無限0.碼間串?dāng)_y(t):時刻t+T,前一個碼元的的波形必會影響后面碼元的判決，嚴(yán)可轆x(t)鄉(xiāng)失真，又有延遲,輸入信號波形表示為重喘道趟融噪聲的影響x(，)=£%萬(一=s基帶傳制不統(tǒng)的靜WB畢:海犧懶出）信號為"s(r)=x(/)*/2(f)=£6/(一丁)考慮信道加性噪聲的影響后，系統(tǒng)總的輸出波形為、。）=$（，）+/«）=乞4/（，一7）十%（，）=-CO送入取樣判決電

17、路后得'&)= Za，MkT-T) + %(kT)=-s碼間串?dāng)_6.4 無碼間串?dāng)_的基帶傳輸特性若想消除碼間串?dāng)_，應(yīng)使Zaflhck-n)Ts+%=O，iwk在上式中，若讓加但）不始在q+小24+fo等后面碼元抽樣判決時刻上正好為0,就能消除碼間串?dāng)_,如下圖所示:.4無碼間串?dāng)_的基帶傳輸特性系統(tǒng)無碼間串?dāng)_的條件a/(o)=yn=ky(kT)=j-n)T=On工knkA =()h(kT)=時域條件A#06.4無碼間串?dāng)_的基帶傳輸特性/?(/)=JH)*do)IaOQ/?(7')=_J/(<y)eitokTd(D將上式用分段積分來表示，每段寬度為手，則有hkl i=

18、1i=01=1。/A - A-V '“作變量代步一芋子。或 等 為.4無碼間串?dāng)_的基帶傳輸特性=/?(0)=1等效低通傳輸特性“3歷4(。)= <工H，24C 0) +< T >)7T = T工H>7頻域特性6.4無碼間串?dāng)_的基帶傳輸特性頁域條件的物理意義-將（在。軸上以2冗/q為間隔切開,然后分段沿碗平移到（f/Ts，兀/TJ區(qū)間內(nèi)，將它們進(jìn)行疊加，其結(jié)果應(yīng)當(dāng)為一常數(shù)（不必一定是1）O-這一過程可以歸述為：一個實際的血刃）特性若能等效成一個理想（矩形）低通濾波器,則可實現(xiàn)無碼間串?dāng)_。滿足抽樣點處滿足抽樣點處無碼間串?dāng)_頻域條件無碼間串?dāng)_時域條件.4無碼間串?dāng)_的基帶傳輸特性在理論上，可以用持續(xù)時間為7的碼元進(jìn)行傳輸而無碼間串?dāng)_。6.4無碼間串?dāng)_的基帶傳輸特性七理想低通特性還可以看出，對于帶寬為B=l/27；(Hz)的理想低通傳輸特性：-若輸入數(shù)據(jù)以4=1/波特的速率進(jìn)行傳輸，則在抽樣時刻上不存在碼間串?dāng)_。-若以高于1/。波特的碼元速率傳送時，將存在碼間串?dāng)_。通常將此帶寬幽為奈奎斯特帶寬，將赫為奈奎斯特速率。此基帶系統(tǒng)所能提供的最高