通信原理教程基帶數(shù)字信號(hào)的表示和傳輸課件

1、15.3 基帶數(shù)字信號(hào)的波形單極性波形雙極性波形單極性歸零波形雙極性歸零波形差分波形多電平波形 0 1 0 1 1 0 0 0 1-V0+V+V+V0+V-V0(a)(b)(c)(d)(e)(a) 單極性波形 (b)雙極性波形 (c)單極性歸零波形 (d)雙極性歸零波形(e)差分波形圖5.3.1 基帶信號(hào)的基本波形-V圖5.3.2 多電平波形0+V+3V-3V二進(jìn)制 牛牛文庫文檔分享25.4 基帶數(shù)字信號(hào)的傳輸碼型對(duì)于傳輸碼型，有如下一些要求：無直流分量和只有很小的低頻分量；含有碼元的定時(shí)信息；傳輸效率高；最好有一定的檢錯(cuò)能力；適用于各種信源，即要求以上性能和信源的統(tǒng)計(jì)特性無關(guān)AMI碼 傳號(hào)交

2、替反轉(zhuǎn)碼 編碼規(guī)則：“1” 交替變成“1”和“1”， “0” 仍保持為“0”， 例：消息碼： 0 1 0 1 1 0 0 0 1 AMI碼：0 +1 0 -1 +1 0 0 0 -1優(yōu)點(diǎn)：沒有直流分量 、譯碼電路簡單 、能發(fā)現(xiàn)錯(cuò)碼缺點(diǎn)：出現(xiàn)長串連“0”時(shí)，將使接收端無法取得定時(shí)信息。又稱：“1B/1T”碼 1位二進(jìn)制碼變成1位三進(jìn)制碼。 牛牛文庫文檔分享3HDB3碼 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(gè)以上（包括4個(gè)）連“0”時(shí)，則不作改變，AMI碼就是HDB3碼。當(dāng)發(fā)現(xiàn)4個(gè)或4個(gè)以上連“0”的碼元串時(shí)，就將第4個(gè)“0”

3、變成與其前一個(gè)非“0”碼元（“1”或“1”）同極性的碼元。將這個(gè)碼元稱為“破壞碼元”，并用符號(hào)“V”表示，即用“+V”表示“1”，用“V”表示“1”。為了保證相鄰“V”的符號(hào)也是極性交替： * 當(dāng)相鄰“V”之間有奇數(shù)個(gè)非“0”碼元時(shí)，這是能夠保證的。 * 當(dāng)相鄰“V”之間有偶數(shù)個(gè)非“0”碼元時(shí)，不符合此“極性交替”要求。這時(shí)，需將這個(gè)連“0”碼元串的第1個(gè)“0”變成“B”或“B”。B的符號(hào)與前一個(gè)非“0”碼元的符號(hào)相反；并且讓后面的非“0”碼元符號(hào)從V碼元開始再交替變化。 牛牛文庫文檔分享4例：消息碼: 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1AMI碼: -1 0

4、 0 0 0 +1 0 0 0 0 -1 +1 0 0 0 0 -1 +1HDB3碼: -1 0 0 0 -V +1 0 0 0 +V -1 +1 -B 0 0 -V +1 -1 -1 0 0 0 -1 +1 0 0 0 +1 -1 +1 -1 0 0 -1 +1 -1 譯 碼： -1 0 0 0 0 +1 0 0 0 0 -1 +1 0 0 0 0 +1 -1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1譯碼：發(fā)現(xiàn)相連的兩個(gè)同符號(hào)的“1”時(shí)，后面的“1”及其前面的3個(gè)符號(hào)都譯為“0”。然后，將“+1”和“-1”都譯為“1”，其它為“0”。優(yōu)點(diǎn)：除了具有AMI碼的優(yōu)點(diǎn)

5、外，還可以使連“0”碼元串中“0”的數(shù)目不多于3個(gè)，而且與信源的統(tǒng)計(jì)特性無關(guān)。 牛牛文庫文檔分享5雙相碼 曼徹斯特碼編碼規(guī)則：消息碼“0” 傳輸碼“01” 消息碼“1” 傳輸碼“10” 例： 消息碼： 1 1 0 0 1 0 1 雙相碼：10 10 01 01 10 01 10譯碼規(guī)則：消息碼“0”和“1”交替處有連“0”和連“1”，可以作為碼組的邊界。 優(yōu)缺點(diǎn)：只有2電平，可以提供定時(shí)信息，無直流分量； 但是占用帶寬較寬。+E-E1 00 1 牛牛文庫文檔分享6密勒碼 編碼規(guī)則：消息碼“1” 用中點(diǎn)處電壓的突跳表示，或者說用“01”或 “10”表示；消息碼“0” 單個(gè)消息碼“0”不產(chǎn)生電位變

6、化， 連“0”消息碼則在邊界使電平突變，或者說用 “11”或“00”表示 特點(diǎn)：當(dāng) “1”之間有一個(gè) “0”時(shí)，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(duì)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。00消息碼： 1 0 1 1 0 0 0 1雙相碼： 10 01 10 10 01 01 01 10 雙相碼波形： 雙相碼相位： 0 0 0 0密勒碼： 牛牛文庫文檔分享7CMI碼 傳號(hào)反轉(zhuǎn)碼 編碼規(guī)則：消息碼“1” 交替用“11”和“00”表示；消息碼“0” 用“01”表示， 00消息碼： 1 0 1 1 0 0 0 1

7、雙相碼： 10 01 10 10 01 01 01 10 雙相碼波形： 雙相碼相位： 0 0 0 0密勒碼：0CMI碼： 牛牛文庫文檔分享8nBmB碼 這是一類分組碼，它把消息碼流的n位二進(jìn)制碼元編為一組，并變換成為m位二進(jìn)制的碼組，其中mn。后者有2m種不同組合。由于mn，所以后者多出(2m 2n)種組合。在2m種組合中，可以選擇特定部分為可用碼組，其余部分為禁用碼組，以獲得好的編碼特性。雙相碼、密勒碼和CMI碼等都可以看作是1B2B碼。在光纖通信系統(tǒng)中，常選用m = n + 1，例如5B6B碼等。除了nBmB碼外，還可以有nBmT碼等等。nBmT碼表示將n個(gè)二進(jìn)制碼元變成m個(gè)三進(jìn)制碼元。

8、牛牛文庫文檔分享95.5 基帶數(shù)字信號(hào)的頻率特性二進(jìn)制隨機(jī)信號(hào)序列的功率譜密度 設(shè)信號(hào)中“0”和“1”的波形分別為g1 (t)和g2 (t)， 碼元寬帶為T。(b) g2(t)波形g2(t)0g1(t-nt)g2t-(n+1) 0 0 1 0 1Tts(t)(c) s(t)波形(a) g1(t)波形0g1(t) 牛牛文庫文檔分享10假設(shè)隨機(jī)信號(hào)序列是一個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)過程，其中“0”和“1”的出現(xiàn)概率分別為P和(1P)，而且它們的出現(xiàn)是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的則有：式中，其功率譜密度 ：式中，Tc為截取的一段信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，設(shè)它等于：式中，N是一個(gè)足夠大的整數(shù)。這樣， 及 若求出了截短信號(hào)sc(t)的頻譜密度Sc

9、(f)，利用上式就能計(jì)算出信號(hào)的功率譜密度Ps(f)。 牛牛文庫文檔分享11計(jì)算結(jié)果： 雙邊功率譜密度表示式：單邊功率譜密度表示式： 牛牛文庫文檔分享12功率譜密度計(jì)算舉例 單極性二進(jìn)制信號(hào) 設(shè)信號(hào)g1(t) = 0, g2(t) = g(t)，則由其構(gòu)成的隨機(jī)序列的雙邊功率譜密度為： 式中，G( f )是g(t)的頻譜函數(shù)。當(dāng)P = 1 / 2，且g(t)為矩形脈沖時(shí)，即當(dāng)時(shí)，g(t)的頻譜函數(shù)為故有式中， 牛牛文庫文檔分享13雙極性二進(jìn)制信號(hào)設(shè)信號(hào)g1(t) = -g2(t) = g(t)，則由其構(gòu)成的隨機(jī)序列的雙邊功率譜密度為：當(dāng)P = 1/2時(shí)，上式可以改寫為若g(t)為矩形脈沖，則將

10、其頻譜G( f )代入上式可得由上面兩個(gè)例子可以看出：1. 在一般情況下，隨機(jī)信號(hào)序列的功率譜密度中包含連續(xù)譜和離散譜兩個(gè)分量。但是對(duì)于雙極性信號(hào)g(t) = -g(t)，且概率P = 1/2時(shí)，則沒有離散譜分量。2. 若g1(t) = g2(t)，則功率譜密度中沒有連續(xù)譜分量，只有離散譜。 為周期性序列，不含信息量。 牛牛文庫文檔分享14基帶傳輸抽樣判決H(f)5.6 基帶數(shù)字信號(hào)傳輸與碼間串?dāng)_5.6.1 基帶數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)模型設(shè)：GT(f) 發(fā)送濾波器的傳輸函數(shù)， GR(f) 接收濾波器的傳輸函數(shù)， C(f) 信道的傳輸函數(shù)， H(f) = GT(f)C(f)GR(f)。 發(fā)送濾波器信

11、道接收濾波器抽樣判決噪聲GR(f)C(f)GT(f) 牛牛文庫文檔分享155.6.2 碼間串?dāng)_及奈奎斯特準(zhǔn)則 碼間串?dāng)_ 相鄰碼元間的互相重疊碼間串?dāng)_產(chǎn)生的原因 系統(tǒng)總傳輸特性H(f)不良。碼間串?dāng)_的特點(diǎn) 隨信號(hào)的出現(xiàn)而出現(xiàn)，隨信號(hào)的消失而消失 （乘性干擾）克服碼間串?dāng)_的原理設(shè)：系統(tǒng)總傳輸函數(shù)H(f)具有理想矩形特性：式中，T為碼元持續(xù)時(shí)間 當(dāng)系統(tǒng)輸入為單位沖激函數(shù)(t)時(shí)，抽樣前接收信號(hào)波形h(t)應(yīng)該等于H(f)的逆傅里葉變換： 牛牛文庫文檔分享16 由圖(b)可見，h(t)的零點(diǎn)間隔 等于T，只有原點(diǎn)左右第一個(gè)零點(diǎn) 之間的間隔等于2T。 在理論上，可以用持續(xù)時(shí)間為T 的碼元進(jìn)行傳輸而無碼間

12、串?dāng)_。如圖(c)所示。這時(shí)，傳輸帶寬：W = 1/(2T) Hz傳輸速率 : RB = (1/T) 波特速率帶寬比: RB/W 2 Baud/Hz 奈奎斯特速率理想傳輸特性的問題不能物理實(shí)現(xiàn)波形的“尾巴”振蕩大，時(shí)間長，要求抽樣時(shí)間準(zhǔn)確。 1/2TH(f)T0-1/2Tf(a) H(f)曲線(b) h(t)曲線(c) h(t)和h(t-T)間無串?dāng)_示意圖 牛牛文庫文檔分享17實(shí)用無碼間串?dāng)_傳輸特性：要求傳輸函數(shù)是實(shí)函數(shù)，且在 f = w處奇對(duì)稱， 稱為奈奎斯特準(zhǔn)則。(a) 傳輸函數(shù)(b) 矩形分量(c) 奇對(duì)稱分量H1(f) 牛牛文庫文檔分享18例：余弦滾降特性的傳輸函數(shù)其沖激響應(yīng)為：W1/W

13、 稱為滾降系數(shù)。 當(dāng)W1/W = 1時(shí)，稱為升余弦特性。 此時(shí)s0(t)的旁瓣小于31.5 dB，且零點(diǎn)增多了。 滾降特性仍然保持2W波特的傳輸速率，但是占用帶寬增大了。 (a) 傳輸函數(shù)(b) 沖激響應(yīng) 牛牛文庫文檔分享195.6.2 部分響應(yīng)系統(tǒng)部分響應(yīng)系統(tǒng)解決的問題：理想矩形傳輸特性：帶寬最小，但不可實(shí)現(xiàn)，滾降特性：可以實(shí)現(xiàn)，但帶寬增大了。部分響應(yīng)特性：可以解決上述矛盾。部分響應(yīng)特性原理：例：設(shè)傳輸函數(shù)H(f)為理想矩形。當(dāng)加入兩個(gè)相距時(shí)間T的單位沖激時(shí)，輸出波形是兩個(gè)sinx/x波形的疊加：式中，W = 1/2Tf1/2TG(f) 牛牛文庫文檔分享20上波形的頻譜為： 余弦形，帶寬1/

14、2T。輸出波形公式g(t)可以化簡為: g(t)值隨 t 2的增大而減小。 由上式可得， 若用g(t)作為碼元的波形，并以間隔T傳輸，則在抽樣時(shí)刻上僅相鄰碼元之間互相干擾，而在抽樣時(shí)刻上與其他碼元互不干擾。 表面觀察，由于圖中相鄰碼元間存在干擾，似乎不能以時(shí)間間隔T傳輸碼元。但是，因?yàn)檫@種干擾是確知的，故有辦法仍以1/T 波特的碼元速率正確傳輸。 抽 樣 時(shí) 刻a -1 a0 a1 a2 牛牛文庫文檔分享21 設(shè)系統(tǒng)輸入的二進(jìn)制碼元序列為ak，其中ak = 1。當(dāng)發(fā)送碼元ak時(shí)，接收波形在相應(yīng)抽樣時(shí)刻上的抽樣值Ck決定于下式： Ck的可能取值只有2、0、2，由上式可知：如果前一碼元ak-1已知

15、，則在收到Ck后，就可以求出ak 值。 上例說明：原則上，可以達(dá)到理想頻帶利用率，并且使碼元波形的“尾巴”衰減很快。 存在問題：錯(cuò)誤傳播。故不能實(shí)用。 牛牛文庫文檔分享22實(shí)用部分響應(yīng)特性：設(shè)：發(fā)送端的輸入碼元ak用二進(jìn)制數(shù)字0和1表示首先將ak按照下式變成bk：式中，為模2加法， bk為二進(jìn)制數(shù)字0或1。將bk用來傳輸。仿照上述原理，有 預(yù)編碼（相關(guān)編碼）若對(duì)上式作模2加法運(yùn)算，則有 上式表明，對(duì)Ck作模2加法運(yùn)算，就可以得到ak，而無需預(yù)知ak-1，并且也沒有錯(cuò)誤傳播問題。 牛牛文庫文檔分享23例：設(shè)輸入 ak為1 1 1 0 1 0 0 1，則編解碼過程為： 初始狀態(tài)bk-10 初始狀態(tài)

16、bk-11二進(jìn)制序列ak 1 1 1 0 1 0 0 11 1 1 0 1 0 0 1二進(jìn)制序列bk-1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1二進(jìn)制序列bk 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0序 列Ck 1 1 1 2 1 0 0 11 1 1 0 1 2 2 1二進(jìn)制序列Ckmod 1 1 1 0 1 0 0 11 1 1 0 1 0 0 1雙極性輸入序列ak 雙極性信號(hào)序列bk 雙極性信號(hào)序列bk-1 序列Ck 0 0 0 2 0 2 2 0 0 0 0 2 0 2 2 0判決準(zhǔn)則：若Ck = 0，判為ak = +1；若Ck = 2，判

17、為ak = -1。 牛牛文庫文檔分享24方框圖第一類部分響應(yīng)系統(tǒng)、雙二進(jìn)制(Duobinary)信號(hào)傳輸系統(tǒng) T發(fā)送濾波器接收濾波器相加模2判決T抽樣脈沖(a) 原理方框圖發(fā)送濾波器接收濾波器相加模2判決T抽樣脈沖(b) 實(shí)際方框圖 牛牛文庫文檔分享25一般部分響應(yīng)特性：令式中，kn( n = 1, 2, , N) 加權(quán)系數(shù)，可以取正、負(fù)或零值 對(duì)上式中g(shù)(t)作傅里葉變換，得到其頻譜G(f)為： 由上式看出，G(f)的頻譜仍然僅存在于(-1/2T, 1/2T)范圍內(nèi)。 牛牛文庫文檔分享26設(shè)輸入序列為ak，相應(yīng)的編碼序列為Ck，則有式中，ak可以是L進(jìn)制的數(shù)字 預(yù)編碼規(guī)則為：式中，為模L加法

18、 對(duì)于bk的相關(guān)編碼規(guī)則為：最后對(duì)Ck進(jìn)行模L運(yùn)算 ：由上式看出，現(xiàn)在也不存在錯(cuò)誤傳播問題 。按照上述原理，目前已經(jīng)有5類部分響應(yīng)特性。 牛牛文庫文檔分享275.7 眼 圖眼圖 用示波器實(shí)際觀察接收信號(hào)質(zhì)量的方法。 對(duì)于二進(jìn)制雙極性信號(hào)，在理想情況下，顯示有如一只睜開的眼睛：在有干擾情況下， “眼睛”張開的程度代表干擾的強(qiáng)弱。 牛牛文庫文檔分享28眼圖模型“眼睛”張開最大的時(shí)刻是最佳抽樣時(shí)刻；中間水平橫線表示最佳判決門限電平；陰影區(qū)的垂直高度表示接收信號(hào)振幅失真范圍；“眼睛”斜邊的斜率表示抽樣時(shí)刻對(duì)定時(shí)誤差的靈敏度；在無噪聲情況下，“眼睛”張開的程度，即在抽樣時(shí)刻的上下兩陰影區(qū)間的距離之半，為噪聲容限；若在抽樣時(shí)刻的噪聲值超過這個(gè)容限，就可能發(fā)生錯(cuò)誤判決。 牛牛文庫文檔分享295.8 時(shí)域均衡器5.8.1 概述均衡器的用途 減小碼間串?dāng)_均