基帶數(shù)字信號的表示和傳輸

第5章基帶數(shù)字信號的表示和傳輸本章內(nèi)容5.1概述5.2字符的編碼方法5.3基帶數(shù)字信號的波形5.4基帶數(shù)字信號的傳輸碼型5.5基帶數(shù)字信號的頻率特性5.6基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾5.7眼圖5.9小結(jié)5.1概述由信號源產(chǎn)生的信號（模擬或數(shù)字）稱為“基帶信號”基帶信號一般都不適合直接在信道中傳送，因為這類信號大都包含豐富的低頻甚至直流分量基帶數(shù)字通信系統(tǒng)中包含對基帶信號的各種處理，使之適合信道的傳送本章內(nèi)容5.1概述5.2字符的編碼方法5.3基帶數(shù)字信號的波形5.4基帶數(shù)字信號的傳輸碼型5.5基帶數(shù)字信號的頻率特性5.6基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾5.7眼圖5.9小結(jié)5.2字符的編碼方法不管是電報通信還是計算機通信系統(tǒng)中都用碼元和碼組表示傳遞的信息編碼規(guī)則和方法很多，其中具有代表性的是ASCII碼本章內(nèi)容5.1概述5.2字符的編碼方法5.3基帶數(shù)字信號的波形5.4基帶數(shù)字信號的傳輸碼型5.5基帶數(shù)字信號的頻率特性5.6基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾5.7眼圖5.9小結(jié)5.3基帶數(shù)字信號的波形1.

單極性波形它用有/無持續(xù)時間為Tb的脈沖（全寬碼）表示“1”/“0”Tb10110100V0t簡稱為單極性NRZ

碼單極性碼元的特性是包含直流分量，而直流分量不攜帶有效信息卻浪費功率，這是單極性碼元的主要缺點由于其包含直流分量，故常用于短距離通信5.3基帶數(shù)字信號的波形2.

雙極性波形它用極性為正/負、持續(xù)時間為Tb的脈沖表示“1”/“0”也稱為雙極性NRZ碼由于雙極性脈沖分別用極性相反的脈沖“1”或“0”，故若“1”、“0”等概出現(xiàn)，則其不包含直流分量10110100A/20t-A/25.3基帶數(shù)字信號的波形雙極性碼與單極性碼比較:沒有直流分量節(jié)省能量判決門限值較易確定優(yōu)點5.3基帶數(shù)字信號的波形3.

單極性歸零波形它用有/無持續(xù)時間為Tb/2的脈沖表示碼元“1”或“0”Tb10110100V0t其中含有直流分量嗎？5.3基帶數(shù)字信號的波形4.

雙極性歸零波形10110100A/20t-A/2用持續(xù)時間為Tb/2、極性為正/負的脈沖表示碼元“1”或“0”其中包含直流分量嗎？5.3基帶數(shù)字信號的波形5.

差分波形101101000t這種波形的特征是用電壓的變化表示碼元“1”或“0”，而不是用電壓值本身5.3基帶數(shù)字信號的波形6.

多電平波形多電平波形適用于高速多進制數(shù)字通信系統(tǒng)本章內(nèi)容5.1概述5.2字符的編碼方法5.3基帶數(shù)字信號的波形5.4基帶數(shù)字信號的傳輸碼型5.5基帶數(shù)字信號的頻率特性5.6基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾5.7眼圖5.9小結(jié)5.4基帶數(shù)字信號的傳輸碼型對編碼碼型要求較高傳輸效率沒有直流分量和較少的低頻分量包含定時信號有一定的檢錯能力適用于不同信源5.4基帶數(shù)字信號的傳輸碼型1.

AMI碼AMI

即傳號交替反轉(zhuǎn)碼（AlternativeMarkInverse）編碼規(guī)則：“1”交替由正、負極性脈沖表示，而“0”保持為0消息碼:AMI碼:10110100+10-1000+1-15.4基帶數(shù)字信號的傳輸碼型沒有直流分量優(yōu)點有一定的檢錯能力缺點當連續(xù)出現(xiàn)多個“0”碼元時，定時信號會丟失5.4基帶數(shù)字信號的傳輸碼型2.

雙相碼雙相碼又稱為Manchester碼編碼規(guī)則：每個二進制碼元都轉(zhuǎn)換成為一個相位不同的方波周期消息碼:雙相碼:1011010010011001010110105.4基帶數(shù)字信號的傳輸碼型沒有直流分量優(yōu)點有定時信號缺點傳輸帶寬增加一倍編碼電路較簡單5.4基帶數(shù)字信號的傳輸碼型3.Miller碼編碼規(guī)則：碼元“1”用在碼元持續(xù)時間中點處電壓跳變表示，或者說用“01”或“10”表示，而碼元“0”的表示情況有兩種：單個“0”碼元不產(chǎn)生變化，連續(xù)“0”碼元則在相鄰“0”碼元的邊界跳變，即，用“11”或“00”表示。消息碼:Miller碼:1011010010000111110010015.4基帶數(shù)字信號的傳輸碼型4.CMI碼CMI（CodedMarkInversion)碼全稱為轉(zhuǎn)號反轉(zhuǎn)碼消息碼:CMI碼:10110100編碼規(guī)則：碼元“1”交替用正和負電壓表示，而碼元“0”用“01”表示11010001010111005.4基帶數(shù)字信號的傳輸碼型5.

nBmB碼屬于分組碼在這種碼型中，將消息流中的n位二進制碼元分為一組，并將其轉(zhuǎn)換成m位的二進制碼字，一般m>n由于m>n，編碼碼字分為了許用碼組和禁用碼組，從而使這種碼型具有了一定的誤碼檢錯能力5.4基帶數(shù)字信號的傳輸碼型6.HDB3碼HDB3碼是3rdorderHighDensityBipolar（三階高密度雙極性碼）的簡稱編碼規(guī)則:首先，用“B”脈沖表示“1”其次，每出現(xiàn)連續(xù)四個0就用取代節(jié)“B00V”或“000V”取代，使取代后的連0個數(shù)不超過3如果兩個連續(xù)的V脈沖中B脈沖的個數(shù)是偶數(shù)，則用“B00V”;如果是奇數(shù)則用“000V”5.4基帶數(shù)字信號的傳輸碼型“B”脈沖和“V”脈沖分別滿足極性交替原則，并且“V”脈沖應和前一個“B”脈沖保持極性一致由于“V”脈沖破壞了“B”脈沖的極性交替規(guī)律，故常稱“V”脈沖為“破壞碼元”HDB3的譯碼比較簡單：從收到的碼元序列中找到破壞碼元“V”，然后將其本身及其前三個碼元變?yōu)?，最后將所有的負極性脈沖變?yōu)檎龢O性就完成了譯碼5.4基帶數(shù)字信號的傳輸碼型

100001101000000001(V+)...(V-)...(V+)...(V-)...B+B-00V-B+B-0B+000V+B-00V-B+

B+000V+B-B+0B-000V-B+00V+B-

B-000V-B+B-0B+000V+B-00V-B+

B-B+00V+B-B+0B-000V-B+00V+B-

例：本章內(nèi)容5.1概述5.2字符的編碼方法5.3基帶數(shù)字信號的波形5.4基帶數(shù)字信號的傳輸碼型5.5基帶數(shù)字信號的頻率特性5.6基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾5.7眼圖5.9小結(jié)5.5基帶數(shù)字信號的頻率特性1.二進制隨機序列的功率譜設二進制脈沖序列中，g1(t)表示“1”,g0(t)表示“0”,持續(xù)時間為Tc，并設“1”和“0”是獨立的，分別以P和1-P的概率出現(xiàn)。則，功率可表示為:(雙邊譜)或(單邊譜)5.5基帶數(shù)字信號的頻率特性從表達式中可看出，信號的功率譜包含兩部分，一部分是連續(xù)譜，另一部分是離散譜從中還可看出，在fc的整數(shù)倍處有離散譜線存在，這就是定時信號，它可以用來建立系統(tǒng)同步5.5基帶數(shù)字信號的頻率特性2.功率譜密度計算舉例找出單極性NRZ碼的功率譜，P1=P0=1/2解:5.5基帶數(shù)字信號的頻率特性單極性NRZ的功率譜為:可見，其包含直流分量和連續(xù)譜fG(f)01/TcTc/42/Tc3/Tc1/45.5基帶數(shù)字信號的頻率特性找出雙極性NRZ碼的功率譜，P1=P0=1/2解:5.5基帶數(shù)字信號的頻率特性雙極性NRZ的功率譜為:可見，沒有直流分量和離散譜，只包含連續(xù)譜fG(f)01/TcTc2/Tc3/Tc5.5基帶數(shù)字信號的頻率特性找出單極性RZ碼的功率譜，P1=P0=1/2解:5.5基帶數(shù)字信號的頻率特性單極性RZ的功率譜為:可見，除連續(xù)譜外，還包含直流分量和在奇次諧波處有離散譜，其中fc處的分量可用作定時信號fG(f)01/TcTc/162/Tc3/Tc4/Tc5/Tc6/Tc1/4π21/36π21/100π21/165.5基帶數(shù)字信號的頻率特性找出雙極性RZ碼的功率譜，P1=P0=1/2解:5.5基帶數(shù)字信號的頻率特性雙極性RZ的功率譜為:可見，只有連續(xù)譜，不存在直流分量離散譜fG(f)01/TcTc/42/Tc3/Tc4/Tc5/Tc6/Tc本章內(nèi)容5.1概述5.2字符的編碼方法5.3基帶數(shù)字信號的波形5.4基帶數(shù)字信號的傳輸碼型5.5基帶數(shù)字信號的頻率特性5.6基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾5.7眼圖5.9小結(jié)5.6.1基帶數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)模型圖5.6.1是一典型基帶數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)圖5.6.2是簡化的基帶數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)，其中，GT(f)和GR(f)分別是發(fā)送濾波器和接受濾波器本章討論的對象就是：5.6.2碼間串擾及奈奎斯特準則奈奎斯特第一準則（零碼間串擾）在基帶系統(tǒng)的接收機中，判決器將每個接收碼元在抽樣時刻的抽樣值和門限電平作比較由于系統(tǒng)傳輸特性的影響，可能使相鄰碼元的脈沖波形相互重疊，而影響正確判決，這種相鄰碼元間的相互重疊稱為“碼間串擾（ISI）”5.6.2碼間串擾及奈奎斯特準則碼間串擾產(chǎn)生的原因是系統(tǒng)總傳輸特性H(f)非理想性現(xiàn)在我們不加證明地給出無碼間串擾的系統(tǒng)總傳輸特性H(f)：其中，Tb為一個碼元周期5.6.2碼間串擾及奈奎斯特準則理想LPFH(f)f01/2Tb-1/2Tb1由圖可見，當t=kTb時，除t=0外，h(t)=00Tbt2Tb3Tb-Tb-2Tb-3Tb1/Tbh(t)理想LPF是最簡單的無ISI系統(tǒng)5.6.2碼間串擾及奈奎斯特準則對理想LPF，若數(shù)碼率為R=1/Tb，則在抽樣時刻沒有ISI1/Tb為奈奎斯特速率，是無碼間串擾條件下的最快速度B=1/2Tb為奈奎斯特帶寬,它是在無ISI條件下的最小帶寬Tb為奈奎斯特間隔頻帶利用率：帶寬每赫茲能夠支持的最大數(shù)據(jù)傳輸速度，即，(b/s·Hz),對于LPF,，也是所有系統(tǒng)在無碼間串擾條件下能達到的最大值

5.6.2碼間串擾及奈奎斯特準則升余弦滾降特性濾波器

是物理不可實現(xiàn)的，因為其沖激響應是非因果的，并且持續(xù)時間無限長理想LPF能達到最大傳輸速率、最大頻帶利用率和最小傳輸帶寬，但在實踐中卻存在兩點缺陷：由于Sa函數(shù)的拖尾起伏較大，因此要求抽樣時刻非常準確，否則會影響相鄰碼元抽樣值的正確判斷5.6.2碼間串擾及奈奎斯特準則為實現(xiàn)無碼間串擾系統(tǒng)，必須擴展傳輸帶寬、降低頻帶利用率，生成的一類系統(tǒng)具有“滾降”截止特性，如“升余弦滾降”濾波器圖5.6.6，式5.6.701/215.6.2碼間串擾及奈奎斯特準則由圖可見，由于系統(tǒng)沖激響應比1/x下降更快，故對濾波器的截止特性要求降低了對時鐘信號的要求降低了但付出的代價是：帶寬展寬、頻帶利用率下降以全升余弦滾降為例：在無碼間串擾條件下，數(shù)碼率為Rb=1/Tb時,帶寬為B=1/Tb，故η=1bit/s·Hz5.6.2碼間串擾及奈奎斯特準則例：當碼元速率為2/Tb時試判斷以下各系統(tǒng)是否存在ISIf1/Tb-1/Tb0

(1)

(2)

(3)

(4)f3/2Tb-3/2Tb0f1/2Tb-1/2Tb0f2/Tb-2/Tb01/Tb-1/Tb1/Tb-1/Tb1/Tb-1/Tb具有滾降特性的濾波器雖然能實現(xiàn)，且拖尾較小，卻是以犧牲頻帶利用率為代價5.6.3部分響應系統(tǒng)理想LPF可以達到最高的頻帶利用率2Baud/Hz，但卻物理不可實現(xiàn)，且輸出波型拖尾過大過長部分響應系統(tǒng)中包含兩個主要操作：預編碼和相關編碼而“部分響應系統(tǒng)”則是能兼顧這兩方面的解決辦法奈奎斯特碼元速率限制不再適用于部分響應系統(tǒng)，因為相關編碼后的碼元不再獨立，因此可獲得更高的碼元傳送速率5.6.3部分響應系統(tǒng)相關編碼也稱相關濾波，是有目的地引入可控碼間串擾，從而產(chǎn)生一個幅度有所增加的、具有相關性的脈沖序列預編碼是在對碼元進行相關編碼前進行的，目的是為了防止“差錯蔓延”現(xiàn)象。表5.6.2是五類部分響應波型，下面以第I類和第IV類為例介紹工作原理5.6.3部分響應系統(tǒng)N=1,k1=k2=1第I類部分響應系統(tǒng)——雙二進制信號0f|H(f)|fb/2-fb/2Tb0t帶寬為fb/25.6.3部分響應系統(tǒng)由圖可見：波型振蕩的前趨和后繼比Sa函數(shù)衰減更快，故對定時抖動較不敏感抽樣間隔為Tb/2頻帶利用率為2bit/s?Hz部分響應系統(tǒng)達到滾降特性的性能而沒有增加傳輸帶寬，在保持碼元速率較高的情況下，付出的代價是引入了可控的ISI，并且輸出波型幅度更大5.6.3部分響應系統(tǒng)相關編碼存在一個弱點：當由噪聲引起誤碼時，該碼元后的所有碼元都會錯誤，直到再產(chǎn)生誤碼為止，此現(xiàn)象稱為“差錯蔓延”現(xiàn)象例如：故ClassIN=1,k1=k2=1若差錯蔓延5.6.3部分響應系統(tǒng)預編碼可以防