數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)-第三章.1-.2

第三章基帶傳輸與頻帶傳輸

上一章：消息?模擬信號(hào)的數(shù)字化本章內(nèi)容：信號(hào)如何傳輸基帶信號(hào)如何編碼傳送基帶信號(hào)?頻帶信號(hào)傳送（頻帶變換）12/23/20231經(jīng)電纜傳輸后的脈沖波形示意圖12/23/20232碼間干擾示意圖12/23/20233第三章基帶傳輸與頻帶傳輸

3.1數(shù)字基帶信號(hào)及傳輸碼型3.2基帶傳輸系統(tǒng)與測量工具3.3頻帶傳輸與數(shù)字振幅調(diào)制3.4頻率調(diào)制與相位調(diào)制12/23/202343.1

數(shù)字基帶信號(hào)及傳輸碼型3.1.1數(shù)字基帶信號(hào)的碼型設(shè)計(jì)要求3.1.2常用數(shù)字基帶信號(hào)傳輸碼型基帶傳輸系統(tǒng)12/23/202353.1.1數(shù)字基帶信號(hào)的碼型設(shè)計(jì)要求盡量減少信號(hào)的高頻分量（帶寬、串音干擾）盡量減少信號(hào)的低頻分量、消除直流分量（雙線平衡傳輸時(shí)的耦合需要、降低能耗的需要）碼型中應(yīng)包含定時(shí)信息——同步信息提取\碼型對信源無限制；1和0的出現(xiàn)概率各占1/2，避免出現(xiàn)長連1或0（避免直流分量、同步信息提?。┐a型具有一定檢錯(cuò)糾錯(cuò)能力（抗噪聲與碼間串?dāng)_）碼型變換設(shè)備簡單可靠12/23/20236單極性不（非）歸零碼（NRZ碼，NotReturnZero）脈沖寬度等于碼元間隔，有脈沖表示“1”，無脈沖表示“0”。有直流分量。占空比τ/T=1；不能直接提取同步信號(hào)。定義占空比為脈沖寬度τ和碼元寬度T之比0頻、低頻分量大且難以提取同步信息，只能短距離傳輸。3.1.2常用數(shù)字基帶信號(hào)傳輸碼型12/23/20237雙極性非歸零碼脈沖寬度等于碼元間隔，正脈沖表示“1”，負(fù)脈沖表示“0”，通常數(shù)字信息“0”、“1”近似等概出現(xiàn)，因此，這種信號(hào)的直流分量近似為零。占空比τ/T=1；判決電平穩(wěn)定為0，抗干擾，不能直接提取同步信號(hào)3.1.2常用數(shù)字基帶信號(hào)傳輸碼型12/23/20238單極性歸零碼（RZ碼，ReturnZero）占空比τ/T<1可提取同步信號(hào)占帶寬高3.1.2常用數(shù)字基帶信號(hào)傳輸碼型雙極性歸零碼

占空比τ/T<1每個(gè)脈沖都有零電平可提取同步信號(hào)12/23/20239差分碼---用相鄰碼元的極性變化表示0、1，消除設(shè)備初始狀態(tài)的影響，解決相位模糊電平跳變與否表示1、0缺點(diǎn)：傳送連續(xù)0則缺少同步信號(hào)3.1.2常用數(shù)字基帶信號(hào)傳輸碼型12/23/202310數(shù)字基帶信號(hào)波形12/23/202311曼徹斯特碼Manchester（1）曼徹斯特碼Manchester“1”---高電平到低電平的脈沖“0”---低到高的脈沖優(yōu)點(diǎn)：無直流分量、定時(shí)信息豐富、編譯碼電路簡單（2）差分曼徹斯特碼“1”---比特開始時(shí)刻無跳變“0”---比特開始時(shí)刻有跳變比特中點(diǎn)位置電平跳變→提取定時(shí)同步信息信號(hào)占用帶寬比原碼大1倍適于近距低速傳輸---10Mb/s，同軸電纜局域網(wǎng)12/23/202312曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼12/23/202313傳號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼（AMI）三種電平（1）傳號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼（AMI）

AMI碼，“0”碼與零電平對應(yīng)，而“1”碼對應(yīng)發(fā)送極性交替的正、負(fù)電平。直流分量為零。

1傳號(hào)0空號(hào)發(fā)送端發(fā)現(xiàn)極性不交替出現(xiàn)，出現(xiàn)誤碼。檢錯(cuò)缺點(diǎn)：傳送連續(xù)0則缺少同步信號(hào)12/23/202314（AMI的改進(jìn)）連“0”數(shù)≤3，仍按AMI規(guī)則編碼，傳號(hào)極性交替連“0”數(shù)>3，第4個(gè)“0”改為非“0”，V或-V破壞脈沖V極性與前非“0”脈沖極性相同相鄰V碼的極性須交替，以保無直流V極性與前非“0”脈沖極性相同，否則，將四連“0”的第一個(gè)“0”更改為與該破壞脈沖相同極性的脈沖，并記為+B或-B(調(diào)節(jié)脈沖)原來的信碼與B合起來要保持極性的交替三階高密度雙極性碼(HDB3碼)12/23/202315三階高密度雙極性碼(HDB3碼)編碼舉例：代碼：100001000011000011AMI碼：

-10000+10000-1+10000-1+1步驟1：-1000–V+1000+V-1+10

00+V-1+1步驟2：-1000–V+1000+V-1+10

00-V-1+1HDB3：-1000–V+1000+V-1+1-B00–V+1-1碼字：-1000–1+1000+1-1+1-100–1+1-112/23/202316譯碼規(guī)則：相鄰兩同極碼→V碼，后碼為破壞脈沖VV前數(shù)第三個(gè)碼如不是零→

B碼把V碼和B碼還原為0HDB3碼字：-1000–1+1000+1-1+1-100–1+1-1譯碼1：-1000–V+1000+V-1+1-B00–V+1-1譯碼2：-10000+10000-1+10000+1-1代碼：100001000011000011

優(yōu)點(diǎn)：無直流、含定時(shí)信息、檢錯(cuò)能力

三階高密度雙極性碼(HDB3碼)12/23/202317mBnB碼Manchester碼與CMI碼——1B2B碼冗余檢錯(cuò)m個(gè)比特一組→n比特碼元（二元碼）輸出m<

n——從2n狀態(tài)中選擇2m種狀態(tài)來代替選優(yōu)5B6B碼：光纖中繼線64種組合中選32種“優(yōu)”——0、1個(gè)數(shù)平衡檢錯(cuò)12/23/2023185B6B碼六位碼中含有三個(gè)“1”、三個(gè)“0”的平衡碼組共有20個(gè)。含有四個(gè)“1”、兩個(gè)“0”或四個(gè)“0”、兩個(gè)“1”的不平衡碼組各有15個(gè)。0和1的差別數(shù)量不大，各選12個(gè)。一般將這24個(gè)碼組分成正、負(fù)兩種模式，正模式中1的個(gè)數(shù)多，負(fù)模式中0的個(gè)數(shù)多。當(dāng)碼流中出現(xiàn)上述某種模式后，則后一碼組應(yīng)選用另一種模式。另外20個(gè)碼組由于0和1的個(gè)數(shù)懸殊太大，不利于穩(wěn)定碼流中的直流分量，因此不選用。12/23/2023195B6B碼型(一種方案)輸入二元碼組輸出二元碼組正模式數(shù)字和負(fù)模式數(shù)字和000000000100010000110001110111001100011010010000與正模工相同與正模工相同與正模工相同與正模工相同000000100001010011000111011010010011101100111001000＋2與正模工相同與正模工相同與正模工相同000110000－212/23/2023200100001001010100101110011001010101011110011100＋2＋2與正模工相同與正模工相同10100001100000－2－201100011010111001111101011011110101110001011＋2＋2＋20010100100001010001與正模工相同－2－2－20100001000110010100110010110111010110110010100＋2＋2＋2與正模工相同1000101001000010100－2－2－212/23/20232110100101011011010111110110111010101010011001＋2＋200001001000101與正模工相同與正模工相同－2－200110001100111010110111011010011011100100101102000010010與正模工相同與正模工相同與正模工相同－2000111001110111110111111001011000110011101110000000與正模工相同與正模工相同與正模工相同與正模工相同000012/23/2023223.2基帶傳輸系統(tǒng)與測量工具3.2.1基帶傳輸系統(tǒng)基帶傳輸系統(tǒng)的組成理想低通網(wǎng)絡(luò)波形形成幅度滾降特性的低通網(wǎng)絡(luò)波形形成部分響應(yīng)形成系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的均衡技術(shù)3.2.2實(shí)用的基帶系統(tǒng)工程測量工具——眼圖12/23/202323一、基帶數(shù)據(jù)信號(hào)g1(t)?“0”，g2(t)?“1”，碼元間隔為T 單極性不歸零g1(t)=0g2(t)是幅度A、寬T的矩形脈沖12/23/202324

二、基帶傳輸系統(tǒng)的組成發(fā)送濾波器?限制信號(hào)頻帶并起波形形成作用接收濾波器?濾除帶外噪聲和干擾、波形形成均衡器?用來均衡信道畸變?nèi)优袥Q電路?排除噪聲干擾、提取有用信號(hào)、恢復(fù)發(fā)端數(shù)碼

{ak}是發(fā)送數(shù)據(jù)序列，沖激脈沖代表，送入發(fā)送濾波器的波形12/23/202325三、理想低通網(wǎng)絡(luò)波形形成

（0）無失真?zhèn)鬏斴斎胄盘?hào)s(t)→r(t)相應(yīng)地：S(ω

)→R(ω

)

該信道的單位沖擊響應(yīng)：δ(t)→h(t)H(ω)無失真?zhèn)鬏敚簉(t)=K·s(t-td)td為固定時(shí)延上式兩邊變換：R(ω

)=K·S(ω

)·e-jωtd由卷積定理：R(ω

)=S(ω

)·H(ω)所以：H(ω

)=K·e-jωtd或?qū)憺椋簗H(ω)|=K，θ(ω)=-ωtd幅頻特性為常數(shù)；相頻特性與頻率成正比。12/23/202326三、理想低通網(wǎng)絡(luò)波形形成

（1）理想低通傳輸特性的沖激響應(yīng)假定從1點(diǎn)到2點(diǎn)的系統(tǒng)傳輸特性是理想低通傳輸特性，其傳輸函數(shù)（fN為截止頻率，td為固定時(shí)延）

據(jù)信號(hào)與傳輸理論：網(wǎng)絡(luò)對單位沖激脈沖

(t)的響應(yīng)，就是網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)的付立葉反變換(此時(shí)R(ω

)=S(ω

)·H(ω)=H(ω))

其響應(yīng)h(t)的波形如圖≤12/23/202327三、理想低通網(wǎng)絡(luò)波形形成

理想低通的沖激響應(yīng)12/23/202328三、理想低通網(wǎng)絡(luò)波形形成

理想低通沖激響應(yīng)特點(diǎn)：

①在t=td處有最大值（2fN），通常可令td=0；②在最大值兩邊作均勻間隔的衰減波動(dòng)，以t=td為中心，每隔1/2fN秒有一個(gè)過零點(diǎn)。數(shù)據(jù)序列沖激脈沖輸入，按疊加定理，每個(gè)沖激脈沖

(t)在濾波器輸出都產(chǎn)生一個(gè)如上的響應(yīng)波形。濾波器的輸出響應(yīng)為12/23/202329三、理想低通網(wǎng)絡(luò)波形形成

取樣時(shí)刻t=td+mT，am碼元的取樣判決值達(dá)到最大值，即

am2fN是取樣值，第二項(xiàng)為前后碼元干擾，碼間干擾或符號(hào)間干擾。如在發(fā)端按T=1/2fN間隔傳送數(shù)據(jù)序列，上式第二項(xiàng)為零sin2

fN

(m?k)T=sin

(m?k)=0，取樣值y(t)|t=td+mT=

am2fN

12/23/20233012/23/202331三、理想低通網(wǎng)絡(luò)波形形成

（2）奈氏準(zhǔn)則如系統(tǒng)等效網(wǎng)絡(luò)具有理想低通特性，且截止頻率為fN

時(shí)，則該系統(tǒng)中允許的最高碼元（符號(hào)）速率為2fN

，這時(shí)系統(tǒng)輸出波形在峰值點(diǎn)上不產(chǎn)生前后符號(hào)間干擾。fN稱為奈奎斯特頻帶，2fN

波特稱為奈奎斯特速率，稱為奈奎斯特間隔。以2fN

波特的速率傳輸，抽樣時(shí)刻上的碼間干擾是不存在的以高于2fN波特的碼元速率傳送，將存在碼間干擾。2fN

波特是極限速率，所以系統(tǒng)的最高頻帶利用率為2Bd/Hz。12/23/202332四、幅度滾降特性的低通網(wǎng)絡(luò)波形形成

理想的低通濾波特性無法實(shí)現(xiàn)。

即使獲得了相當(dāng)逼近理想的特性，波形h(t)的“尾巴”——衰減振蕩幅度較大，對接收端時(shí)鐘信號(hào)準(zhǔn)確度要求極高。尋求一個(gè)傳輸系統(tǒng)，它既可物理實(shí)現(xiàn)，又能滿足奈氏準(zhǔn)則的基本要求：速率為2fN的數(shù)據(jù)信號(hào)通過系統(tǒng)后能在所有按間隔的取樣點(diǎn)處不產(chǎn)生碼間干擾。滾降特性：對不可實(shí)現(xiàn)的理想低通特性的幅頻特性加以修改，使它在fN

處不是垂直截止特性，而是有一定的緩變過渡特性（或圓滑），這種緩變過渡特性稱為滾降特性。12/23/202333

滿足奈氏準(zhǔn)則、形成滾降特性：過理想低通特性的點(diǎn)處作奇對稱四、幅度滾降特性的低通網(wǎng)絡(luò)波形形成12/23/202334

滾降系數(shù)：由于奇對稱的滾降條件，截止頻率fN具體展寬的數(shù)值與所實(shí)現(xiàn)的滾降特性有關(guān)。引入滾降系數(shù)

的概念。

式中，

為滾降系數(shù)，f

為截止頻率所增加的頻帶。f

的取值應(yīng)在0～fN

內(nèi)，則

的取值應(yīng)是在0～1的范圍內(nèi)。

滾降低通網(wǎng)絡(luò)的頻帶為

B=(1+a)fN

四、幅度滾降特性的低通網(wǎng)絡(luò)波形形成12/23/202335

升余弦幅頻滾降特性多種幅頻特性可以滿足滾降的條件，采用較多的是升余弦形狀的幅頻特性

值越大，其沖激響應(yīng)的尾巴衰減越快，因此允許取樣定時(shí)相位有較大的偏移。然而，

值越大，頻帶利用率就越小，因?yàn)檫@時(shí)頻帶利用率為

（Bd/Hz）

四、幅度滾降特性的低通網(wǎng)絡(luò)波形形成12/23/202336

升余弦幅頻滾降特性（

=1

）12/23/202337

升余弦滾降低通的響應(yīng)

圖中

為滾降系數(shù)。

=0表示沒有滾降，即理想低通情況；

=1表示最大滾降，其沖激響應(yīng)的尾巴衰減很快。12/23/202338五、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的均衡技術(shù)

在基帶系統(tǒng)中插入可調(diào)濾波器以減小碼間干擾影響，這種起補(bǔ)償作用的濾波器稱為均衡濾波器。頻域均衡利用可調(diào)濾波器的頻率特性（包括幅度特性和相位特性）來補(bǔ)償基帶傳輸系統(tǒng)頻率特性的不理想，使基帶系統(tǒng)總特性滿足實(shí)際要求，消除碼間干擾。

時(shí)域均衡消除接收的時(shí)域信號(hào)波形的取樣點(diǎn)處的碼間干擾，用波形補(bǔ)償?shù)姆椒▽κд娴牟ㄐ芜M(jìn)行校正。波形補(bǔ)償法---失真波形直接校正：觀