數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)

第4章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)4.1數(shù)字基帶信號碼型及其功率譜4.2無碼間干擾基帶傳輸系統(tǒng)4.3部分響應(yīng)系統(tǒng)4.4均衡技術(shù)4.5眼圖4.6基帶系統(tǒng)的抗噪聲能力課程目標：1：掌握數(shù)字基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型。2：掌握無碼間干擾基帶傳輸特性研究。3：理解部分響應(yīng)系統(tǒng)、眼圖和時域均衡、抗噪聲性能分析。第4章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)

4.1數(shù)字基帶信號碼型數(shù)字基帶信號------來自數(shù)據(jù)終端的原始數(shù)據(jù)信號。計算機輸出的二進制序列電傳機輸出的代碼PCM碼組，ΔM序列

……

這些信號往往包含豐富的低頻分量，甚至直流分量。在具有低通特性的有線信道中，特別是傳輸距離不太遠的情況下，它們可以直接傳輸，故稱為數(shù)字基帶傳輸。直接傳送基帶信號的系統(tǒng)稱為基帶傳輸系統(tǒng)。傳輸碼的選擇傳輸碼的結(jié)構(gòu)應(yīng)具有下列主要特性：1.數(shù)字基帶信號應(yīng)不含有直流分量，且低頻及高頻分量也應(yīng)盡量的少。2.數(shù)字基帶信號中應(yīng)含有足夠大的定時信息分量。這就要求數(shù)字基帶信號中含有或經(jīng)過簡單處理后含有定時脈沖信號的線譜分量，以便同步電路提取。3.基帶傳輸?shù)男盘柎a型應(yīng)與信源的統(tǒng)計特性無關(guān)。碼型結(jié)構(gòu)含有內(nèi)在的檢錯能力。第4章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)

4.1.1常見的基本碼型1.單極性非歸零碼NRZ（Non-ReturntoZero）0：由0電平表示二進制符號“0”，整個碼元期間電平保持不變

1：用正電平（高電平）表示二進制符號“1”，整個碼元期間電平保持不變+E0T01100101

應(yīng)用：電路內(nèi)部、近距離傳輸時設(shè)備之間、過渡碼型。01011001+E01.單極性非歸零碼NRZ（二）(1)含有低頻和直流成分（一般有線信道低頻傳輸特性比較差）。(2)由于信道衰減因素，不存在最佳判決電平。(3)不能直接提取位定時信息。(4)傳輸時需要信道一段接地，故不能用用兩根線均不接地的電纜來傳輸。2.雙極性非歸零碼BNRZ（BipolarNon-ReturntoZero）1：正電平表示符號“1”，整個碼元期間電平保持不變0：負電平表示符號“0”，整個碼元期間電平保持不變01100101+E-E(1)

不含直流成分，不需要接地的電纜來傳輸。(2)存在最佳判決電平0(3)出現(xiàn)連0或連1時，不能提取位定時信息。應(yīng)用：

V系列接口和RS-232C接口標準。3.單極性歸零碼RZ（ReturntoZero）01011001+E01：正向脈沖表示“1”，高電平持續(xù)τ秒后，又返歸零0：負電平表示“0”，整個碼元期間電平保持不變Tτ占空比可直接提取位定時信息。應(yīng)用：其他信號提取位同步信息的過渡碼形。

正向脈沖表示“1”，負向脈沖表示“0”。正向脈沖和負向脈沖都在碼元間隔時間內(nèi)返歸到零。01011001+E-E4.雙極性歸零碼BRZ

傳號差分NRZ(M)“1”相鄰碼元電平發(fā)生跳轉(zhuǎn)，“0”相鄰碼元電平不改變。+E0110110015.差分碼(傳號差分、空號差分）

差分碼波形代表的信息僅與相鄰碼元的電位變化有關(guān)，而與電平的極性無關(guān)。101

001

0

011011001akbk-1bk0110000110000001絕對碼相對碼解決載波相位模糊問題第4章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)

4.1.2非歸零單極性碼的功率譜

通過譜分析，可以了解信號需要占據(jù)的頻帶寬度，所包含的頻譜分量，有無直流分量，有無定時分量等。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)，所以只能用功率譜來描述它的頻譜特性。fs2fsf-fs-2fs第4章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)非歸零單極性碼的功率譜過零點帶寬B=fs主瓣旁瓣第4章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)單極性碼的功率譜

設(shè)二進制信息序列f(t)的碼速率為1000Bd，占用了多少帶寬？占空比為0.5的單極性歸零碼的過零點帶寬為：單極性非歸零碼的過零點帶寬為：占空比為0.4的單極性歸零碼的過零點帶寬為：過零點帶寬B=B=

對于單極性非歸零碼，數(shù)字調(diào)制信號f(t)cos(ωct)帶寬為多少?B=2fsB=1/Ts=RB=1000Hz=RB/0.5=2000Hz1/0.5Ts1/0.4Ts=RB/0.4=2500Hzg1(t)－“0”碼，出現(xiàn)概率為p

Tb－碼元間隔g2(t)－“1”碼，出現(xiàn)概率為1-p

fb－碼元速率二進制隨機序列示意圖穩(wěn)態(tài)分量a(t)=E[g(t)]隨機分量u(t)=g(t)-E[g(t)]連續(xù)譜－決定信號帶寬離散譜－決定信號是否有直流及定時分量g1(t)及g2(t)一般不同，故G1(f)G2(f)，因而連續(xù)譜總是存在的；離散譜是否存在，取決于g1(t)和g2(t)的波形概率P。g1(t)~G1(f)g2(t)~G2(f)1.單極性非歸零碼的功率譜：g1(t)=0,g2(t)=g(t),P=1/2=0=Ts直流定時分量fs2fsf-fs-2fs過零點帶寬B=fsfs=1/Ts2.g(t)為半占空歸零矩形脈沖單極性半占空歸零信號的帶寬為Bs=2fs有直流分量有離散譜窄帶濾波器3.對于雙極性波形：若設(shè)P=1/2：fs2fsf-fs-2fsg(t)為雙極性矩形脈沖第4章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)常用碼型編碼規(guī)則：傳輸時，原“0”碼仍編為傳輸碼的0；原“1”碼，交替地變換為+1，-1，+1，-1，…1.傳號交替反轉(zhuǎn)碼AMI碼(AlternateMarkInversion)

AMI碼的功率譜中不含直流成分，連0串時不利于提取定時信號。信息碼:100110000000110011…+100–1+10000000-1+100–1+1…AMI碼:2.三階高密度雙極性碼HDB3碼(HighDensityBipolar3)HDB3是改進的AMI碼，它克服了AMI碼的缺陷而保留了其合理性能，被CCITT推薦使用。1.取代變換:將4個連0碼用000V或B00V代替，000V:相鄰V碼中間有奇數(shù)個1時，B00V:相鄰V碼中間有偶數(shù)1碼。2.加符號:給1碼、V碼及B碼加符號。原則是，V碼的符號與前一個非0碼的符號相同，1碼及B碼的符號與前個非0碼的符號相反。1000010000110000l1代碼：+1000+V-1000-V+1-1+B00+V-l+1HDB3碼:1000V1000V11B00V11+1000+1-1000-1+1-1+100+1-l+12.三階高密度雙極性碼HDB3碼(二)-解碼根據(jù)V與前面非零符號相同+1000+1-->+1000+V+100+1-->+B00+V試求HDB3碼對應(yīng)的原二進制信息代碼。HDB3:+1-10+1000+100-100+1-100-10+1判斷V和B：+1-10+1000+V00-100+1-B00-V0+1原信息碼：

11010000001001000001+1-10+1000+100-100+1-100-10+1AMI碼和HDB3碼的功率譜AMI碼和HDB3碼的功率譜3.數(shù)字雙相碼(曼徹斯特Manchester)

編碼規(guī)則:“0”碼用“01”

兩位碼表示，“1”

碼用“10”兩位碼表示，例如：

無直流分量，編碼過程也簡單。但帶寬比原信碼大1倍。

011010011010010110曼徹斯特碼0110110014.密勒碼密勒（Miller）碼編碼規(guī)則：“1”碼用碼元間隔中心點出現(xiàn)躍變來表示，即用“10”或“01”表示?！?”碼有兩種情況：單個“0”時，在碼元間隔內(nèi)不出現(xiàn)電平躍變，且與相鄰碼元的邊界處也不躍變，連“0”時，在兩個“0”碼的邊界處出現(xiàn)電平躍變，即“00”與“11”交替。5.CMI碼CMI碼是傳號反轉(zhuǎn)碼的簡稱，與數(shù)字雙相碼類似，它也是一種雙極性二電平碼。編碼規(guī)則是：“1”碼交替用“11”和“00”兩位碼表示；“0”碼固定地用“01”表示。6.nBmB碼

nBmB碼是把原信息碼流的n位二進制碼作為一組，編成m位二進制碼的新碼組。由于m＞n，新碼組可能有2m種組合，故多出(2m-2n)種組合。從中選擇一部分有利碼組作為可用碼組，其余為禁用碼組，以獲得好的特性。在光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，通常選擇m＝n+1，有1B2B碼、2B3B、3B4B碼以及5B6B碼等，其中，5B6B碼型已實用化，用作三次群和四次群以上的線路傳輸碼型。8B10B應(yīng)用：串行連接SCSI、串行ATA、光纖鏈路、吉比特以太網(wǎng)、XAUI（10吉比特接口）、PCIExpress總線、InfiniBand、SerialRapidIO、HyperTransport總線以及IEEE1394b接口（火線）技術(shù)中。8B10B2將8bit代碼組合編碼成10bit代碼。確保字節(jié)易于同步；簡單糾錯；在一行中不會產(chǎn)生超過四個連“1”或連“0”；“1”與“0”的不平衡度（“0”的個數(shù)減去“1”的個數(shù)）不會超過2個。它的系統(tǒng)開銷高達25%。

64B66B編碼技術(shù)。這種技術(shù)應(yīng)用于10G以太網(wǎng)（10GBase-R），是一種編碼與擾碼相結(jié)合的技術(shù)。首先，數(shù)據(jù)被分成8個字節(jié)一組（總共64比特）。然后，這些字節(jié)采用自同步擾碼實現(xiàn)隨機化，其特征多項式為x58+x39+1。4.2無碼間干擾基帶傳輸系統(tǒng)1.碼間干擾(Intersymbolinterference---ISI)噪聲n(t)碼間干擾2.碼間干擾產(chǎn)生的原因：信道的不理想特性發(fā)濾波器收濾波器GT(ω)GR(ω)3.消除碼間干擾產(chǎn)生的方法：頻域、時域a.頻域:b.時域:時域均衡器(橫向濾波器)幅頻特性相頻特性理想恒參信道特性傳輸特性總傳輸特性接收濾波器輸出發(fā)送濾波器沖激響應(yīng)g(t)噪聲n(t)發(fā)濾波器收濾波器GT(ω)GR(ω)沖激響應(yīng)g(t)s(t)=[∑anδ(t-nTs)*g(t)]=∑ang(t-nTs)d(t)總沖激響應(yīng)r(t)

無碼間干擾傳輸條件(一)

無碼間干擾傳輸條件(二)輸出波形在kTs+t0時刻的抽樣值接收濾波器輸出：1確定ak2碼間串?dāng)_3噪聲=>=>Nyquist’sFirstmethod

第一準則=>證明：作變量代換，則有1.理想低通系統(tǒng)=>-π/Tsπ/TsTs

若理想低通系統(tǒng)，以RB=1/Ts的速率傳輸，可以滿足無碼間干擾的傳輸條件。如果：RB=2/Ts=1/(Ts/2)

？如果：RB=1/nTs？帶寬B=1/2Ts例4.4H(ω)如圖所示，傳輸信號為碼元周期為Ts的矩形脈沖,判斷是否滿足無碼間干擾的傳輸條件。傳輸速率為：1/Ts傳輸帶寬為：B=1/2Ts最高頻帶利用率為：

若某系統(tǒng)的頻帶寬度為W(Hz)，則該系統(tǒng)無碼間干擾時的最高傳輸速率為2W(波特)Nyquist速率。理想低通系統(tǒng)在實際應(yīng)用中存在兩個問題：

a.物理實現(xiàn)極為困難；

b.h(t)的“尾巴”很長，衰減很慢，當(dāng)定時存在偏差時，可能出現(xiàn)嚴重的碼間串?dāng)_。

無碼間干擾傳輸條件(四)-π/Tsπ/TsTs升余弦滾降濾波器W1:無滾降時截至頻率W2:滾降部分截至頻率α=W1/W2=1升余弦滾降濾波器(RaisedCosine-RolloffFiltering)=>傳輸速率為:1/Ts,B=1/Ts,η=1(B/H)當(dāng)一般情況α越大，該系統(tǒng)沖激響應(yīng)波形衰減越快；頻帶利用率越低。系統(tǒng)頻域特性如圖所示:當(dāng)發(fā)送速率為2/Ts時，以下基帶系統(tǒng)能否實現(xiàn)無碼間干擾？若發(fā)送速率為1/Ts呢？1.利用最高頻帶利用率第4章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)

4.3部分響應(yīng)系統(tǒng)的概念

利用部分響應(yīng)波形傳送的基帶系統(tǒng)稱為部分響應(yīng)系統(tǒng)。

可使頻率帶利用率達到理論最大值，又可降低定時精度要求。

有控制地引入碼間干擾，而在其余碼元的抽樣時刻無碼間干擾，4.3第Ⅰ類部分響應(yīng)波形

sinx/xRB=1/TsB=1/2Tsη=2(B/H)碼元發(fā)生串?dāng)_的示意圖相加模2判決TT發(fā)收抽樣脈沖akak′信息判決預(yù)編碼相關(guān)編碼bkck4.3第Ⅰ類部分響應(yīng)波形實用的部分響應(yīng)系統(tǒng)預(yù)編碼bk=akbk-1ck=bk+bk-1ak=bkbk-1相關(guān)編碼模2判決[ck]mod2=[bk+bk-1]mod2=bk

bk-1=ak=[]mod2bk+bk-1+模2判決T發(fā)收akak′bkck發(fā)送濾波接收濾波信道

例4.5設(shè)待發(fā)二進制基帶序列ak為：11101001，按照第一類部分響應(yīng)系統(tǒng)的規(guī)則，給出其變換過程。

設(shè)ak11101001bk-101011000bk10110001ck1112100111101001[ck]mod2部分響應(yīng)的一般形式(5.9-11)(5.9-10)

可見,G(ω)僅在(-π/Ts,π/Ts)范圍內(nèi)存在?！邦A(yù)編碼-相關(guān)編碼-模L判決”過程預(yù)編碼，由

ak=R1bk+R2bk-1+…+RNbk-(N-1)

確定bk，這里的“+”是指“模L相加”。相關(guān)編碼（算術(shù)加）

ck=R1bk+R2bk-1+…+RNbk-(N-1)模L判決

[ck]modL=[R1bk+R2bk-1+…+RNbk-(N-1)]modL=ak部分響應(yīng)信號類別R1R2R3R4R5二進制輸入時的CR電平數(shù)012I113II1215III21-15類別R1R2R3R4R5二進制輸入時的CR電平數(shù)IV10-13V-1020-15續(xù)表（2）4.4均衡技術(shù)(Equalization)

時域均衡：利用均衡器產(chǎn)生的時間波形去直接校正已畸變的波形。根據(jù)信道特性的變化進行調(diào)整，能夠有效地減小碼間串?dāng)_(高速數(shù)據(jù)傳輸)。

頻域均衡：從校正系統(tǒng)頻率特性出發(fā)，使基帶系統(tǒng)的總特性滿足無失真?zhèn)鬏敆l件(低速數(shù)據(jù))。

均衡技術(shù)可減少碼間串?dāng)_的影響?；鶐到y(tǒng)中使用可調(diào)(或不可調(diào))濾波器可以校正或補償系統(tǒng)特性,減小碼間串?dāng)_的影響,這種濾波器稱為均衡器。

4.4均衡技術(shù)均衡器調(diào)整方式：分為手動和自動均衡

預(yù)置式均衡：發(fā)送預(yù)先規(guī)定的測試脈沖序列，調(diào)整各抽頭系數(shù)，至誤差小于某一允許范圍。

自適應(yīng)均衡可在數(shù)據(jù)傳輸過程根據(jù)某種算法不斷調(diào)整抽頭系數(shù)。迫零算法(ZF).隨機梯度算法(LMS).遞推最小二乘算法(RLS)時域均衡原理

基帶傳輸系統(tǒng)模型(5.4-4)總傳輸特性(5.5-9)Nyquist第一準則當(dāng)H(ω)不滿足式(5.5-9)無碼間串?dāng)_條件時，就會形成有碼間串?dāng)_的響應(yīng)波形。時域均衡原理式中，Cn完全依賴于H(ω)。設(shè)插入濾波器的頻率特性為T(ω)，要使證明：如果在接收濾波器和抽樣判決器之間插入一個稱之為橫向濾波器的可調(diào)濾波器，那么，理論上就可消除抽樣時刻上的碼間串?dāng)_。(5.8-1)(5.8-2)(5.8-3)滿足

如果

周期函數(shù)輸出或者同時使yk(除k＝0外)都等于零較難難。例三抽頭橫向濾波器，其中其余都為零，試求均衡器輸出y(t)在各抽樣點上的值。相加解：同理有限長橫向濾波器可減小但不能完全碼間串?dāng)_。4.5眼圖(Eyepattern)

濾波器部件不理想或信道特性的變化引起H(ω)特性改變，會使系統(tǒng)性能降低。計算由于這些因素所引起的誤碼率非常困難，尤其在碼間串?dāng)_和噪聲同時存在的情況下，系統(tǒng)性能的定量分析更是難以進行。(a)幾乎無噪聲和串?dāng)_(b)有噪聲和串?dāng)_一個有效的實驗方法是觀察接收信號的眼圖?；鶐盘柌ㄐ渭把蹐D眼圖的模型

當(dāng)存在噪聲時，眼圖的線跡變成了比較模糊的帶狀的線，噪聲越大，線條越寬，越模糊，“眼睛”張開得越小。4.6無碼間串?dāng)_