通信原理 第五章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)

第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.1數(shù)字基帶信號(hào)5.2數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.3無(wú)碼間串?dāng)_的基帶傳輸系統(tǒng)5.4眼圖5.5時(shí)域均衡原理5.6部分響應(yīng)技術(shù)1/31/20231第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.1數(shù)字基帶信號(hào)5.1.1數(shù)字基帶信號(hào)的常用碼型傳輸碼型的選擇，主要考慮以下幾點(diǎn)：

(1)碼型中低頻、高頻分量盡量少；

(2)碼型中應(yīng)包含定時(shí)信息，以便定時(shí)提??；

(3)碼型變換設(shè)備要簡(jiǎn)單可靠；

(4)碼型具有一定檢錯(cuò)能力，若傳輸碼型有一定的規(guī)律性，則就可根據(jù)這一規(guī)律性來(lái)檢測(cè)傳輸質(zhì)量，以便做到自動(dòng)監(jiān)測(cè)1/31/20232第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)

(5)編碼方案對(duì)發(fā)送消息類型不應(yīng)有任何限制，適合于所有的二進(jìn)制信號(hào)。這種與信源的統(tǒng)計(jì)特性無(wú)關(guān)的特性稱為對(duì)信源具有透明性；

(6)低誤碼增殖；

(7)高的編碼效率。1/31/20233第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)圖5–1數(shù)字基帶信號(hào)碼型單極性(NRZ)碼；(b)雙極性(NRZ)碼；(c)單極性(RZ)碼；(d)雙極性(RZ)碼；(e)差分碼；(f)交替極性碼(AMI)；(g)三階高密度雙極性碼(HDB3)；(h)分相碼；(i)信號(hào)反轉(zhuǎn)碼(CMI)1/31/20234第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)1.單極性不歸零(NRZ)碼

(1)發(fā)送能量大，有利于提高接收端信噪比；

(2)在信道上占用頻帶較窄；

(3)有直流分量，將導(dǎo)致信號(hào)的失真與畸變；且由于直流分量的存在，無(wú)法使用一些交流耦合的線路和設(shè)備；

(4)不能直接提取位同步信息；

(5)接收單極性NRZ碼的判決電平應(yīng)取“1”碼電平的一半。1/31/20235第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)2.雙極性不歸零(NRZ)碼

(1)從統(tǒng)計(jì)平均角度來(lái)看，“1”和“0”數(shù)目各占一半時(shí)無(wú)直流分量，但當(dāng)“1”和“0”出現(xiàn)概率不相等時(shí)，仍有直流成份；

(2)接收端判決門(mén)限為0，容易設(shè)置并且穩(wěn)定，因此抗干擾能力強(qiáng)；

(3)可以在電纜等無(wú)接地線上傳輸。1/31/20236第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)

3.單極性歸零(RZ)碼如圖5-1(c)所示。在傳送“1”碼時(shí)發(fā)送1個(gè)寬度小于碼元持續(xù)時(shí)間的歸零脈沖；在傳送“0”碼時(shí)不發(fā)送脈沖。其特征是所用脈沖寬度比碼元寬度窄，即還沒(méi)有到一個(gè)碼元終止時(shí)刻就回到零值，因此，稱其為單極性歸零碼。脈沖寬度τ與碼元寬度Tb之比τ/Tb叫占空比。單極性RZ碼與單極性NRZ碼比較，除仍具有單極性碼的一般缺點(diǎn)外，主要優(yōu)點(diǎn)是可以直接提取同步信號(hào)。此優(yōu)點(diǎn)雖不意味著單極性歸零碼能廣泛應(yīng)用到信道上傳輸，但它卻是其它碼型提取同步信號(hào)需采用的一個(gè)過(guò)渡碼型。即它是適合信道傳輸?shù)?，但不能直接提取同步信?hào)的碼型，可先變?yōu)閱螛O性歸零碼，再提取同步信號(hào)。

1/31/20237第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)4.雙極性歸零(RZ)碼5.差分碼6.交替極性碼(AMI)

(1)在“1”、“0”碼不等概率情況下，也無(wú)直流成分，且零頻附近低頻分量小。因此，對(duì)具有變壓器或其它交流耦合的傳輸信道來(lái)說(shuō)，不易受隔直特性影響。

(2)若接收端收到的碼元極性與發(fā)送端完全相反，也能正確判決。

(3)只要進(jìn)行全波整流就可以變?yōu)閱螛O性碼。1/31/20238第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)7.三階高密度雙極性碼(HDB3)當(dāng)信碼序列中加入破壞脈沖以后，信碼B和破壞脈沖V的正負(fù)必須滿足如下兩個(gè)條件：1/31/20239第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)

(1)B碼和V碼各自都應(yīng)始終保持極性交替變化的規(guī)律，以便確保編好的碼中沒(méi)有直流成分。

(2)V碼必須與前一個(gè)碼(信碼B)同極性，以便和正常的AMI碼區(qū)分開(kāi)來(lái)。如果這個(gè)條件得不到滿足，那么應(yīng)該在四個(gè)連“0”碼的第一個(gè)“0”碼位置上加一個(gè)與V碼同極性的補(bǔ)信碼，用符號(hào)B′表示。此時(shí)B碼和B′碼合起來(lái)保持條件(1)中信碼極性交替變換的規(guī)律。1/31/202310第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)8.分相碼9.傳號(hào)反轉(zhuǎn)碼(CMI)10.多進(jìn)制碼

圖5–2四進(jìn)制代碼波形1/31/202311第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.1.2數(shù)字基帶信號(hào)功率譜假設(shè)隨機(jī)脈沖序列為1/31/202312第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)從(5-3)式我們可以得出如下結(jié)論：若假設(shè)g1(t)=0,g2(t)為門(mén)函數(shù)，且p=1/2,則功率譜密度為1/31/202313第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)只有連續(xù)譜和直流分量。同理，當(dāng)P=1/2時(shí)，圖5-1(b)雙極性信號(hào)的譜密度為單極性歸零碼譜密度雙極性歸零碼譜密度1/31/202314第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)根據(jù)信號(hào)功率的90%來(lái)定義帶寬B，則有利用數(shù)值積分，由上式可求得雙極性歸零信號(hào)和單極性歸零信號(hào)的帶寬近似為1/31/202315第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.2數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.2.1數(shù)字基帶系統(tǒng)的基本組成圖5–9數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)方框圖1/31/202316第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.2.2基帶傳輸系統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析圖5–12基帶傳輸系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖假定輸入基帶信號(hào)的基本脈沖為單位沖擊δ(t)，這樣發(fā)送濾波器的輸入信號(hào)可以表示為1/31/202317第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)其中ak是第k個(gè)碼元，對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，ak的取值為0、1(單極性信號(hào))或-1、+1(雙極性信號(hào))。由圖5-12可以得到式中h(t)是H(ω)的傅氏反變換，是系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)，可表示為nR(t)是加性噪聲n(t)通過(guò)接收濾波器后所產(chǎn)生的輸出噪聲。1/31/202318第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)抽樣判決器對(duì)y(t)進(jìn)行抽樣判決，以確定所傳輸?shù)臄?shù)字信息序列{ak}。為了判定其中第j個(gè)碼元aj的值，應(yīng)在t=jTb+t0瞬間對(duì)y(t)抽樣，這里t0是傳輸時(shí)延，通常取決于系統(tǒng)的傳輸函數(shù)H(ω)。顯然，此抽樣值為1/31/202319第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.2.3碼間串?dāng)_的消除圖5–13理想的傳輸波形1/31/202320第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.3無(wú)碼間串?dāng)_的基帶傳輸系統(tǒng)

(1)基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸后在抽樣點(diǎn)上無(wú)碼間串?dāng)_，也即瞬時(shí)抽樣值應(yīng)滿足：令k′=j-k，并考慮到k′也為整數(shù)，可用k表示，1/31/202321第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)

(2)h(t)尾部衰減快。從理論上講，以上兩條可以通過(guò)合理地選擇信號(hào)的波形和信道的特性達(dá)到。下面從研究理想基帶傳輸系統(tǒng)出發(fā)，得出奈奎斯特第一定理及無(wú)碼間串?dāng)_傳輸?shù)念l域特性H(ω)滿足的條件。1/31/202322第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)

5.3.1理想基帶傳輸系統(tǒng)

理想基帶傳輸系統(tǒng)的傳輸特性具有理想低通特性，其傳輸函數(shù)為如圖5-14(a)所示，其帶寬B=(ωb/2)/2π=fb/2(Hz)，對(duì)其進(jìn)行傅氏反變換得1/31/202323第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)圖5–14理想基帶傳輸系統(tǒng)的H(ω)和h(t)1/31/202324第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)如果信號(hào)經(jīng)傳輸后整個(gè)波形發(fā)生變化，但只要其特定點(diǎn)的抽樣值保持不變，那么用再次抽樣的方法(這在抽樣判決電路中完成)，仍然可以準(zhǔn)確無(wú)誤地恢復(fù)原始信碼，這就是奈奎斯特第一準(zhǔn)則(又稱為第一無(wú)失真條件)的本質(zhì)。在圖5-14所表示的理想基帶傳輸系統(tǒng)中，各碼元之間的間隔Tb=1/(2B)稱為奈奎斯特間隔，碼元的傳輸速率RB=1/Tb=2B

。

所謂頻帶利用率是指碼元速率RB和帶寬B的比值，即單位頻帶所能傳輸?shù)拇a元速率，其表示式為1/31/202325第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)圖5-15H(ω)的分割1/31/202326第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.3.2無(wú)碼間串?dāng)_的等效特性1/31/202327第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)由于h(t)是必須收斂的，求和與求積可互換，得1/31/202328第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.3.3升余弦滾降傳輸特性升余弦滾降傳輸特性H(ω)可表示為

H(ω)是對(duì)截止頻率ωb的理想低通特性H0(ω)按H１(ω)的滾降特性進(jìn)行“圓滑”得到的，H1(ω)對(duì)于ωb具有奇對(duì)稱的幅度特性，其上、下截止角頻率分別為ωb+ω1、ωb-ω1。它的選取可根據(jù)需要選擇，升余弦滾降傳輸特性H1(ω)采用余弦函數(shù)，此時(shí)H(ω)為1/31/202329第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)

(1)當(dāng)α=0，無(wú)“滾降”，即為理想基帶傳輸系統(tǒng)，“尾巴”按1/t的規(guī)律衰減。當(dāng)α≠0，即采用升余弦滾降時(shí)，對(duì)應(yīng)的h(t)仍舊保持t=±Tb開(kāi)始，向右和向左每隔Tb出現(xiàn)一個(gè)零點(diǎn)的特點(diǎn)，滿足抽樣瞬間無(wú)碼間串?dāng)_的條件，但式(5-23)中第二個(gè)因子對(duì)波形的衰減速度是有影響的。在t足夠大時(shí)，由于分子值只能在+1和-1間變化，而在分母中的1與(2αt/Tb)2

比較可忽略。因此，總體來(lái)說(shuō)，波形的“尾巴”在t足夠大時(shí)，將按1/t3的規(guī)律衰減，比理想低通的波形小得多。此時(shí)，衰減的快慢還與α有關(guān)，α越大，衰減越快，碼間串?dāng)_越小，錯(cuò)誤判決的可能性越小。1/31/202330第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)

(2)輸出信號(hào)頻譜所占據(jù)的帶寬B=(1+α)fb/2，當(dāng)α=0時(shí)，B=fb/2，頻帶利用率為2Baud/Hz，α=1時(shí)，B=fb，頻帶利用率為1Baud/Hz；一般α=0~1時(shí)，B=fb/2~fb，頻帶利用率為2~1Baud/Hz?？梢钥闯靓猎酱?，“尾部”衰減越快，但帶寬越寬，頻帶利用率越低。因此，用滾降特性來(lái)改善理想低通，實(shí)質(zhì)上是以犧牲頻帶利用率為代價(jià)換取的。1/31/202331第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)(3)當(dāng)α=1時(shí)，有1/31/202332第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.4眼圖圖5-19基帶信號(hào)波形及眼圖1/31/202333第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)圖5-20眼圖照片1/31/202334第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)圖5-21眼圖的模型1/31/202335第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)

(1)最佳抽樣時(shí)刻應(yīng)選擇在眼圖中眼睛張開(kāi)的最大處。

(2)對(duì)