第5章 數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸系統(tǒng)

本章要點(diǎn)常用碼型數(shù)字基帶信號(hào)傳輸系統(tǒng)的頻譜分析數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)眼圖與均衡數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)應(yīng)用第五章數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸系統(tǒng)基帶傳輸：將數(shù)字基帶信號(hào)直接送入信道傳輸，就稱之為基帶傳輸(計(jì)算機(jī)局域網(wǎng))。PCM、ΔM編碼常用碼型§5.1概述頻帶傳輸：為了適應(yīng)信道傳輸而將基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，即將基帶信號(hào)的頻譜搬移到某一高頻處，變?yōu)轭l帶信號(hào)進(jìn)行傳輸，這種傳輸頻帶信號(hào)的方式稱為頻帶傳輸方式。

信源

信源編碼

信道編碼

調(diào)制器

信道

解調(diào)器

信道譯碼

信源譯碼

收信者噪聲、干擾表示數(shù)字信息序列或碼元序列的電脈沖形式稱為碼型，如單極性歸零碼、雙極性非歸零碼等。在有線信道中傳輸?shù)幕鶐盘?hào)又稱為線路傳輸碼型，即傳輸碼。一、碼型設(shè)計(jì)的原則：（1）編碼方案與信源的統(tǒng)計(jì)特性無關(guān)；（2）接收端能正確解碼；（3）碼型中直流成分、低、高頻成分很少；（4）便于提取定時(shí)信息；（5）具有內(nèi)在的檢錯(cuò)能力；（6）變換設(shè)備簡(jiǎn)單、可靠。§5.2數(shù)字基帶信號(hào)的常用碼型二、常用碼型：有單極性不歸零碼、雙極性不歸零碼、單極性歸零碼、雙極性歸零碼、差分碼等。高電平+V“1”零電平“0”（占滿一個(gè)碼元周期Ts）

基本二元碼1．單極性不歸零碼（NRZ）----通信系統(tǒng)內(nèi)部二進(jìn)制代碼11101001000110碼元周期Ts高電平+V規(guī)則：+V0接收端：由識(shí)別電路來完成接收，識(shí)別電路由放大、限幅、整形、抽樣判決器等組成。限幅整形器是把接收信號(hào)整理成“近似的方波”，即把低于限幅門限的信號(hào)變成零電平，而把高于限幅門限的信號(hào)變成有電脈沖。特點(diǎn)：有直流分量；判決電平不穩(wěn)定；難以提取位同步信息；傳輸時(shí)一端應(yīng)接地。

信道抽樣時(shí)刻判決電平2．單極性歸零碼（RZ）特點(diǎn)：同NRZ，但可提取位同步信息。（占空比<1

）高電平+V“1”零電平“0”規(guī)則：二進(jìn)制代碼11101001000110碼元周期Ts持續(xù)時(shí)間τ+V特點(diǎn)：無直流分量；判決電平穩(wěn)定；難以提取位同步信息；無接地問題。

正電平+V“1”負(fù)電平-V“0”（占空比＝1

）3．雙極性不歸零碼規(guī)則：二進(jìn)制代碼11101001000110負(fù)電平-V正電平+V+V-V4．雙極性歸零碼特點(diǎn)：同雙極性不歸零碼，經(jīng)整流可提取位同步信息。

正電平+V“1”負(fù)電平-V“0”（占空比＜1

）規(guī)則：二進(jìn)制代碼11101001000110+V-V以上四種信號(hào)只適用于設(shè)備內(nèi)部及近距離傳輸利用前后碼元電平的相對(duì)極性來傳送信息，是一種相對(duì)碼。5．差分碼相鄰碼元電平變化“1”相鄰碼元電平不變“0”規(guī)則：特點(diǎn)：收端的碼元極性與發(fā)送端完全相反也能正確判決

二進(jìn)制代碼11101001000110參考極性6．?dāng)?shù)字雙相（分相、曼徹斯特－Manchester）碼

規(guī)則：交替正、負(fù)脈沖(-V、+V)“0”交替負(fù)、正脈沖(+V、-V)“1”特點(diǎn)：無直流分量，定時(shí)信息豐富，編譯碼電路簡(jiǎn)單；但其碼元速率比輸入的信碼速率要高一倍。二進(jìn)制代碼

11101001000110

1B/2B碼

+V-V7．CMI（傳號(hào)反轉(zhuǎn)碼）碼

規(guī)則：交替正、負(fù)脈沖(-V、+V)“0”交替負(fù)、正脈沖(+V

+V、-V-V)“1”特點(diǎn)：無直流分量，定時(shí)信息豐富，編譯碼電路簡(jiǎn)單，可檢錯(cuò)。二進(jìn)制代碼

11101001000110

+V-V

1B/2B碼

8．密勒（延遲調(diào)制—Miller）碼規(guī)則：“1”碼用碼元時(shí)隙的中點(diǎn)出現(xiàn)跳變來表示(即“10”、“01”)

碼元起點(diǎn)電平極性與前碼元末相相同

“0”碼分兩種情況處理(“00”、“11”)

對(duì)于單個(gè)“0”時(shí)，在碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)不出現(xiàn)電平躍變，電平與前相鄰碼元的末相相同對(duì)于連“0”時(shí)，在兩個(gè)“0”碼的邊界處出現(xiàn)電平躍變特點(diǎn)：碼流中出現(xiàn)最大寬度為2T、最小寬度為T的波形，故可檢錯(cuò)。二進(jìn)制代碼111010010001109．交替雙極性（AMI）碼代碼：10011000111…AMI碼：＋100－1＋1000－1＋1－1…交替的正、負(fù)電平“1”（＋1、-1－歸零)零電平“0”規(guī)則：二進(jìn)制代碼10110000101000011特點(diǎn)：無直流，低頻少，可檢錯(cuò)。但連“0”碼多時(shí)丟失定時(shí)信息。

偽三元碼

+V-V歸零的AMI碼10．三階高密度雙極性碼（HDB3）是AMI碼改進(jìn)型，克服了連“0”碼多時(shí)丟失定時(shí)信息的缺點(diǎn)，是CCITT推薦使用的碼型之一。編碼規(guī)則：1.先編成AMI碼，檢查代碼連“0”情況，若連“0”數(shù)<4個(gè)，編碼完畢2.若連“0”數(shù)≥

4個(gè)

①代碼中的“1”稱為信碼B，并用B+、B-表示②將連“0”按4個(gè)分組，將“0000”用“000V”取代，且V的極性與前一個(gè)B碼相同，稱為破壞碼③檢查兩個(gè)V之間B的個(gè)數(shù)

若為奇數(shù)，編碼完畢若為偶數(shù)，將后一組“000V”用“B’00V”取代，B’稱補(bǔ)碼，極性與前一個(gè)B碼相反，后一個(gè)V與B’極性相同④保證V、BB’兩序列極性交替出現(xiàn)代碼10110000101000011AMI+1

0-1

+1

000

0

-1

0+1

0

0

00-1

+1B碼B+

0B-

B+

0

00

0

B-

0B+

0000

B-

B+

V碼B+

0B-

B+

0

00

V+

B-

0

B+

000V+

B-

B+

B’碼B+

0B-

B+

0

00

V+

B-

0

B+

B-’

0

0V-

B+

B-HDB3

+1

0-1

+1

0

00+1

-1

0+1

-1

0

0-1

+1

-1二進(jìn)制代碼10110000101000011特點(diǎn)：同AMI，且克服其缺點(diǎn)，譯碼簡(jiǎn)單。

譯碼：1.找出兩相同極性的碼，后一個(gè)即為V碼；2.自V碼向前數(shù)第三個(gè)碼，若不是零即為B’碼；3.去掉V碼和B’碼，余下的全是B碼；4.經(jīng)全波整流即為原單極性代碼。

代碼10110000101000011AMI+1

0-1

+1

0

00

0

-1

0+1

0

0

00-1

+1B碼B+

0B-

B+

0

00

0

B-

0B+

0000

B-

B+

V碼B+

0B-

B+

0

00

V+

B-

0B+

000V+

B-

B+

B’碼B+

0B-

B+

0

00

V+

B-

0

B+

B-’

0

0V-

B+

B-HDB3

+1

0-1

+1

0

00+1

-1

0+1

-1

0

0-1

+1

-1譯碼1+1

0-1

+1

0

00+1

-1

0

+1

-1

0

0-1

+1

-1譯碼2+1

0-1

+1

0

00+1

-1

0

+1

-1

0

0-1

+1

-1譯碼3+1

0-1

+1

0

000

-1

0

+1

0

0

00+1

-1譯碼41

0

1

1

0

000

1

0

1

0

0

001

118數(shù)字基帶信號(hào)是一個(gè)隨機(jī)信號(hào)，通常用功率譜密度來描述,具有統(tǒng)計(jì)特性。功率譜密度與基帶傳輸系統(tǒng)的帶寬選擇和位同步信號(hào)提取密切相關(guān)。5.3數(shù)字基帶信號(hào)的功率譜密度一、任意波形的二進(jìn)制隨機(jī)序列的功率譜密度tf(t)g2(t)g1(t)TsTS:碼元周期19g1(t)代表”1”概率:P設(shè)g2(t)代表”0”概率:1-P則單邊功率譜密度可表示為:fS

(基波)－

1/TS單位:BaudG1(f)－g1(t)的頻譜函數(shù)；G2(f)－g2(t)的頻譜函數(shù)mfs－fs的各次諧波20結(jié)論:2.第二項(xiàng)表直流分量，不一定存在(等概的雙極性碼－不存在）①②③1.第一項(xiàng)表連續(xù)譜，永遠(yuǎn)存在，確定帶寬（能量）3.第三項(xiàng)表離散譜，不一定存在，可分析是否有位同步信號(hào)二、舉例1.單極性不歸零碼(NRZ)脈沖序列的功率譜密度。(等概）g1(t)=0其它At≤Tsg2(t)=01二、舉例則7.3.3基帶信號(hào)的功率譜計(jì)算單邊功率譜密度為:結(jié)論:1.連續(xù)譜（能量）分布于整個(gè)f軸，主要在低頻，B=fs2.有直流分量3.f＝kfs值為0，無離散譜，無同步信息單極性不歸零碼不可提取同步信息12.單極性歸零碼(RZ)脈沖序列的功率譜密度。（、等概）

g1(t)=0其它At≤Ts/2g2(t)=0Ts/2=t則單邊功率譜密度為:(P=1/2)結(jié)論:1.連續(xù)譜（能量）分布于整個(gè)f軸，主要在低頻，B=2fs2.有直流分量3.有諧波離散譜，出現(xiàn)于f＝(2k－1)fs處，

同步信息可從基波中提取單極性歸零碼可直接提取同步信息3.雙極性不歸零碼和歸零碼碼序列的功率譜密度。（P=1/2）g1(t)=－g2(t)G1(f)=－G2(f)雙極性不歸零碼結(jié)論:1.B=fs

；

B=2fs雙極性歸零碼2.無直流分量和離散譜，不可直接提取同步信息3.對(duì)于雙極性歸零碼，可利用整流或前沿起動(dòng)信號(hào)，得到定時(shí)信息275.4數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)一、數(shù)字基帶信號(hào)傳輸系統(tǒng)模型：如下圖所示一個(gè)典型的數(shù)字基帶信號(hào)傳輸系統(tǒng)模型

碼型變換：將數(shù)字信息源產(chǎn)生的基帶信號(hào)進(jìn)行碼型變換；發(fā)送濾波器：它限制發(fā)送信號(hào)頻帶，并進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換；信道：電纜等狹義信道也可以是帶調(diào)制器的廣義信道，信道中的窄帶高斯噪聲會(huì)給傳輸波形造成隨機(jī)畸變；接收濾波器：濾除混在接收信號(hào)中的帶外噪聲和由信道引入的噪聲，對(duì)失真波形進(jìn)行盡可能的補(bǔ)償（均衡）；再生抽樣判決器：是一個(gè)識(shí)別電路，將接收濾波器輸出的信號(hào)波形放大、限幅、整形后再加以識(shí)別，進(jìn)一步提高信噪比；碼型譯碼：將抽樣判決器送出的信號(hào)還原成原始信碼。

系統(tǒng)各部分波形如下圖所示TS

TS

TS

抽樣值g抽樣判決再生：由識(shí)別電路來完成接收，識(shí)別電路由放大、限幅、整形、抽樣判決器等組成。限幅整形器是把接收信號(hào)整理成“近似的方波”，即把低于限幅門限的信號(hào)變成零電平，而把高于限幅門限的信號(hào)變成有電脈沖。信道抽樣時(shí)刻判決電平1.定義：由于系統(tǒng)傳輸特性不良或加性噪聲的影響，使信號(hào)波形發(fā)生畸變，造成收端判決上的困難，因而造成誤碼，這種現(xiàn)象稱為碼間串?dāng)_。

2．現(xiàn)象：時(shí)域脈沖會(huì)被展寬，甚至重迭（串?dāng)_）到鄰近時(shí)隙中去成為干擾。

二、基帶傳輸中的碼間串?dāng)_：變形延時(shí)拖尾圖中a1、a2和a3分別為前三個(gè)“1”碼在t=3Tb+t1時(shí)刻產(chǎn)生的碼間串?dāng)_值；a4為第四個(gè)碼（“0”碼）在t=3Tb＋t1時(shí)刻的值。當(dāng)a1+a2＋a3+a4<0時(shí)，判決正確；反之，當(dāng)a1+a2＋a3+a4>0時(shí)，判決錯(cuò)誤。1110最佳判決時(shí)刻三、無碼間串?dāng)_的基帶傳輸特性

1.簡(jiǎn)化的基帶傳輸系統(tǒng)

其中發(fā)送濾波器接收濾波器信道要求：輸出在抽樣判決點(diǎn)無碼間串?dāng)_無碼間串?dāng)_基帶傳輸系統(tǒng)沖激函數(shù)即當(dāng)前碼元除了k=0時(shí)有抽樣值，在其他抽樣點(diǎn)上的取值應(yīng)該均為02.理想基帶傳輸系統(tǒng)

理想基帶傳輸系統(tǒng)是典型基帶傳輸系統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析模型，它具有理想的低通濾波特性（即傳輸特性），傳輸函數(shù)為：式中，為低通濾波器的截止頻率H(ω)=e–jωt00其它ωH(ω)10沖激響應(yīng)為ωH(ω)1a）理想低通特性0TS

h(t’)b）理想低通特性的沖激響應(yīng)0tBN＝1/2TSt’=0時(shí)出現(xiàn)最大值,有延時(shí),有拖尾,t’=TS處出現(xiàn)零點(diǎn)2TS

3TS

4TS

-TS

-2TS

-4TS

-3TS

奈奎斯特(Nyquist)定理（奈奎斯特第一準(zhǔn)則）當(dāng)基帶傳輸系統(tǒng)具有理想低通濾波器特性時(shí)，以截止頻率兩倍的速率傳輸數(shù)字信號(hào)，能消除碼間串?dāng)_。RB＝1/TSRB=2BNTT2T3T3．理想低通濾波器基帶傳輸?shù)奶卣鲄⒘浚海?）奈奎斯特帶寬:BN

（2）奈奎斯特速率:RB

（3）奈奎斯特間隔:TS（4）無碼間串?dāng)_的理想低通系統(tǒng)的頻帶利用率:

η=RB/

BN=2Bd/Hz4．理想低通濾波器的缺點(diǎn)：（1）工程不易實(shí)現(xiàn)，濾波器截止特性不會(huì)做得很陡。（2）接收時(shí)對(duì)判斷要求很嚴(yán)。（3）沖激響應(yīng)衰減慢，拖尾長(zhǎng)。四、無碼間串?dāng)_的滾降系統(tǒng)

無碼間串?dāng)_的基帶傳輸特性等效式0

若將該系統(tǒng)的傳輸特性按間隔分段,再搬回(,)區(qū)間疊加,若疊加后的幅度值為一常數(shù),則此基帶傳輸系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無碼間串?dāng)_。

*

升余弦滾降傳輸特性一種無碼間串?dāng)_的系統(tǒng)是具有升余弦滾降特性，對(duì)處呈奇對(duì)稱的傳輸系統(tǒng)。注意，“滾降”是指升余弦信號(hào)的頻譜過渡特性，而不是指波形的形狀。具有滾降系數(shù)α的升余弦傳輸函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

H(ω)=TS0≤

0

其時(shí)域函數(shù)

滾降因子α（α在0—1之間變化）BNB1頻帶利用率實(shí)際帶寬=帶寬的擴(kuò)展量奈奎斯特帶寬fH(f)例：已知RB=56kbit/s,求基帶傳輸時(shí)取α=0.25，α=0.5，α=0.75，α=1時(shí)所需實(shí)際信道帶寬。解：先求奈奎斯特帶寬（頻率）∵BN=RB/2=56×103/2=28KHz∴B=(1+α)BNB=(1+0.25)28=35KHzB=(1+0.5)28=42KHz§5.6眼圖與均衡

一、眼圖1.誤碼的來源:發(fā)送濾波器、信道、接收濾波器特性不理想，定時(shí)判斷誤差等2.評(píng)價(jià)方法—眼圖(定性),