通信原理第七章數(shù)字信號的基帶傳輸系統(tǒng)

1、通信原理,第7章 數(shù)字信號的基帶傳輸系統(tǒng),本章的結(jié)構(gòu)和重點,7.1 引言(基帶系統(tǒng)的用途) 7.2 數(shù)字基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型 7.3 數(shù)字基帶信號的頻譜分析 7.4 碼間串?dāng)_概念和無碼間傳輸條件 7.5 部分響應(yīng)系統(tǒng) 7.6 基帶系統(tǒng)的抗噪聲性能 7.7 眼圖 7.8 均衡,7.1 引言,一、基本概念 我們在第一章介紹過通信系統(tǒng)的分類 按傳輸信號是模擬信號還是數(shù)字信號分 分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng) 按傳輸信號是基帶信號還是頻帶信號分 分為基帶通信系統(tǒng)和頻帶(調(diào)制)通信系統(tǒng) 如果傳輸?shù)氖菙?shù)字信號,同時也是基帶信號,則稱這種系統(tǒng)為“數(shù)字基帶通信系統(tǒng)” 實際的例子有：USB通信、RS232串口通信

2、、局域網(wǎng)通信等等 主要用于近距離有線通信,二、基本結(jié)構(gòu)。,信道信號形成器：把原始基帶信號變換成適合于信道傳輸?shù)幕鶐盘?，主要是通過碼型變換和波形變換來實現(xiàn)，其目的是與信道匹配，便于傳輸，減小碼間干擾，利于同步提取和抽樣判決。,接收濾波器：濾除帶外噪聲，對信道特性均衡，使輸出的有利于抽樣判決。,7.2 數(shù)字基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型,7.2.1 數(shù)字基帶碼型設(shè)計的原則 (1) 對信源具有“透明性” 編碼方案與信源的統(tǒng)計特性無關(guān) (2) 接收端必須能正確解碼 (3) 沒有直流，且低頻、高頻分量要小 直流和低頻容易被耦合等電路隔離 高頻容易被線路的電容效應(yīng)引起的回路損耗掉,7.2.1 數(shù)字基帶碼型設(shè)計的原則

3、（續(xù)）,(4) 易于從基帶信號中提取同步信息 這里的“同步”可以理解為數(shù)字電路中時鐘(CLK) (5) 最好有一定的誤碼檢測功能 檢測出來錯誤后，能糾正就糾正，不能糾正可以請求重發(fā) (6) 編碼設(shè)備盡可能簡單,7.2.2 常用碼型,1、單極性不歸零碼,優(yōu)點：簡單,缺點：有直流、,最佳判決電平不確定,不能直接提取同步（分析完頻譜才能理解這一點）,7.2.2 常用碼型 (續(xù)),2、單極性歸零碼,缺點：有直流、,最佳判決電平不確定,優(yōu)點：能直接提取同步（分析完頻譜才能理解這一點）,7.2.2 常用碼型 (續(xù)),3、雙極性不歸零碼,優(yōu)點：無直流、,最佳判決電平確定(=0),缺點：不能直接提取同步（分析

4、完頻譜才能理解這一點）,7.2.2 常用碼型 (續(xù)),4、雙極性歸零碼,優(yōu)點：無直流、,最佳判決電平確定(=0),缺點：不能直接提取同步（分析完頻譜才能理解這一點）、但是整流后可以同步（CLK）,7.2.2 常用碼型 (續(xù)),5、差分碼（ “電平跳變” 表示1 ； “不跳變”表示0）,設(shè)初始狀態(tài)為高電平,差分碼在數(shù)字調(diào)制（第八章）中廣泛應(yīng)用,7.2.2 常用碼型 (續(xù)),6、數(shù)字雙相碼（又稱Manchester碼） 屬于“1B2B”碼，即1個bit用2bit來傳輸（頻帶展寬一倍，但可消除直流，同時含豐富的定時信息）；1用“+-”表示；0用“-+”表示,7.2.2 常用碼型 (續(xù)),7、CMI碼

5、（Code Mark Inverse） 也屬于“1B2B”碼。1用“+”“-”交替表示；0用“-+”表示。,7.2.2 常用碼型,8密勒碼 密勒（Miller）碼又稱延遲調(diào)制碼，它是數(shù)字雙相碼的一種變形。 1.連續(xù)出現(xiàn)1時交替使用“01”和“10”； 2.連續(xù)出現(xiàn)0時交替使用“00”和“11”； 3.二進(jìn)制碼不連續(xù)時，按照邊界不跳變原則。 密勒碼數(shù)字流中出現(xiàn)的最大脈沖寬度是兩個碼元時隙，最小寬度是一個碼元時隙，利用這一特點可以進(jìn)行誤碼檢測。,7.2.2 常用碼型,9. PST碼（成對選擇三進(jìn)碼） 用兩位二進(jìn)制數(shù)去表示二位三進(jìn)制數(shù)的編碼。1B/1T 編碼過程： 1.將二進(jìn)制代碼每兩位分為一組；

6、2.按表的對應(yīng)關(guān)系，每個碼組轉(zhuǎn)換成“+模式”或“-模式”； 3.連續(xù)出現(xiàn)10和01時，兩種模式交替變換。,7.2.2 常用碼型 (續(xù)),10、AMI碼（Alternative Mark Inverse） 1用“+”“-”交替表示；0用“0電平”表示。,優(yōu)點：無直流、,且可以發(fā)現(xiàn)簡單錯誤,，能量集中在1/2碼速處,通過整流電路可將接收信碼恢復(fù)成單極性歸零碼，,利用傳號是否符合極性交替原則，可以檢測誤碼。,不同傳號率時AMI碼的功率譜,缺點：如果出現(xiàn)長“0”則提取同步（CLK）困難,7.2.2 常用碼型 (續(xù)),11、HDB3碼（對AMI的改進(jìn),解決了連“0”問題） 編碼步驟： 首先將數(shù)據(jù)變成AM

7、I碼 如果有4個連0，則每4個連0分成1小組，稱為一個“破壞節(jié)” 將破壞節(jié)的第4個0用“+1”或“-1”替換掉，稱之為V比特。V取“+1”或“-1”的法則是： 第一個破壞節(jié)的V要保證與前一個非0比特同號 以后，相鄰的破壞節(jié)中的V要反號,HDB3編碼規(guī)則（續(xù)）,如果一個破壞節(jié)中的V與前一個非0比特同號，則不用再對這個破壞節(jié)進(jìn)行任何動作 如果一個破壞節(jié)中的V與前一個非0比特反號，則將這個破壞節(jié)中的第1個0替換成“+1”或“-1”，稱之為B比特， B取“+1”或“-1”的法則是與本破壞節(jié)的那個V比特同號,后面的碼元從此開始交替。,例7.1HDB3編碼舉例,0,1,0,0,0,0,1,1,0,0,0,

8、0,0,1,0,1,0,第1個破壞節(jié),第2個破壞節(jié),+,-,+,-,+,+V,-V,-B,+,-,檢測方法： 信息碼按 +、-交替的規(guī)律變化； 破壞碼按+、-交替的規(guī)律變化； V碼總和前一信碼的符號相同。,例7.2HDB3解碼舉例,0,+1,0,0,0,+1,-1,+1,-1,0,0,-1,0,+1,0,-1,0,連續(xù)非0同號表明后面那個是V,0,連續(xù)非0同號表明后面那個是V,由于中間只有2個0，所以前面那個是B,0,0,再把所有1的符號去掉就恢復(fù)了原始信息了,7.2.2 常用碼型及其波形(續(xù)),5B6B碼（光纖通信常用碼型） 每5個bit用6個bit來表示（犧牲有效性，換取可靠性） 6bit

9、碼選取方法： 為了符合“盡量無直流”的原則，盡量使6bit中“1”與“0”的個數(shù)相等 對于那些0/1個數(shù)不相等的碼，設(shè)置2種模式（即每個5bit組有2個6bit組與之對應(yīng)，其中1個6bit組“1”多，另1個6bit組“0”多） 在傳輸時，使2種模式交替進(jìn)行編碼輸出,5B6B碼舉例,如果輸入00000,00000,00000, 則輸出110010,110010,110010, 如果輸入00001,00001,00001,00001, 則輸出110011,100001,110011,100001, 如果輸入00001,00010,00001,00010, 則輸出110011,100010,1100

10、11,100010,7.3 數(shù)字基帶信號的功率分析,一、 二進(jìn)制數(shù)字基帶信號的功率譜密度,任何一個數(shù)字基帶脈沖序列的一般表示式可寫為,代表任一碼元波形,“1”,“0”,7.3 數(shù)字基帶信號的功率分析,一、 二進(jìn)制數(shù)字基帶信號的功率譜密度 分析思路： 將二進(jìn)制隨機序列分解成2部分,經(jīng)過理論推導(dǎo)，二進(jìn)制數(shù)字基帶信號功率譜通用表達(dá)式為,若用單邊功率譜密度表示，則,二、 用功率譜密度通用表達(dá)式推出最簡單的4種碼型功率譜圖,1、單極性不歸零碼,付立葉變換,付立葉變換,單極性不歸零碼的功率譜密度,單極性不歸零碼的功率譜密度,2、單極性歸零碼的功率譜密度,付立葉變換,付立葉變換,2、單極性歸零碼的功率譜密度

11、,2、單極性歸零碼的功率譜密度圖,3、雙極性不歸零碼的功率譜密度,付立葉變換,付立葉變換,3、雙極性不歸零碼的功率譜密度,3、雙極性不歸零碼的功率譜密度,4、雙極性歸零碼的功率譜密度,付立葉變換,付立葉變換,4、雙極性歸零碼的功率譜密度,7.4 碼間串?dāng)_概念和無碼間傳輸條件,一、數(shù)字基帶信號傳輸系統(tǒng)模型 從前面分析可知，雖然常用碼型的功率主要集中在基帶，但是在高頻區(qū)也有功率 為了防止這些高頻功率產(chǎn)生對其他線路的干擾，所以在發(fā)送時會經(jīng)過“發(fā)送濾波器”,發(fā)送濾波器實際上就是一個低通濾波器 接收濾波器的作用是濾除帶外噪聲，對失真波形進(jìn)行補償，提高信噪比。,二、 碼間串?dāng)_,由于基帶通信大部分用于近距離

12、有線傳輸，因此電纜的電容效應(yīng)不容忽視 由于電纜分布電容放電緩慢這一特性，造成基帶信號在傳輸時會產(chǎn)生“拖尾”現(xiàn)象 前面信號的拖尾有可能對后面信號的判決帶來干擾，這種干擾稱為碼間串?dāng)_,1.碼間串?dāng)_的概念,碼間干擾示意圖,2、碼間串?dāng)_的數(shù)學(xué)分析,2. 基帶信號：,1. 系統(tǒng)傳遞函數(shù)：,3. 系統(tǒng)沖激響應(yīng)：,4. 基帶信號的輸出：,5. 接收濾波器的輸出：,上式表明：r(t)在任一時刻都包含了一個噪聲和另一個由很多碼元疊加產(chǎn)生的波形。,以第k個碼元為例，設(shè)抽樣時刻為（kTs + t0），則：,抽樣值,串?dāng)_值,噪聲,無碼間串?dāng)_的波形舉例,對第K個碼元，無碼間串?dāng)_的條件為：,令t0=0，則消除碼間串?dāng)_的條

13、件為：,時域條件,四、無碼間串?dāng)_的基帶傳輸特性,經(jīng)推導(dǎo)，可得頻域條件：,該條件稱為奈奎斯特第一準(zhǔn)則。,無碼間串?dāng)_的H(w)的頻譜圖舉例,例題7.3試判斷下面?zhèn)鬏敽瘮?shù)中哪個有串?dāng)_,哪個沒有串?dāng)_?,例題7.3解(1),疊加后在中間那個區(qū)間內(nèi)不是常數(shù), 因此不滿足無碼間串?dāng)_條件,會產(chǎn)生串?dāng)_,例題7.3解(2),疊加后在中間那個區(qū)間內(nèi)是常數(shù), 因此滿足無碼間串?dāng)_條件,不會產(chǎn)生串?dāng)_,五、 無碼間串?dāng)_的理想傳輸函數(shù),稱為奈奎斯特帶寬，換算成f(Hz)為,可見無碼間串?dāng)_時的理想傳輸函數(shù)的截止頻率可以是碼元速率的一半,無碼間串?dāng)_的理想傳輸函數(shù)的演示, 系統(tǒng)帶寬：, 信道利用率：,采用理想低通的系統(tǒng)，若使碼元之

14、間不會產(chǎn)生串?dāng)_ 當(dāng)碼元速率RB一定時，最小的信道帶寬為RB/2； 當(dāng)信道帶寬BN(Hz)一定時，最大的碼元速率為2BN(B),且無碼間串?dāng)_的傳輸速率為2BN/k，其中k為整數(shù)。,通常將此理想低通傳輸特性的帶寬BN=1/2Ts稱為奈奎斯特帶寬;Ts稱為奈奎斯特間隔；該系統(tǒng)無碼間串?dāng)_的最高傳輸速率RB=2BN=1/Ts稱為奈奎斯特速率。,例7.4若在03000Hz頻段的理想信道上傳輸12000bit/s的二進(jìn)制信號和四進(jìn)制信號，哪個有碼間串?dāng)_，哪個沒有碼間串?dāng)_？,滾降系數(shù)：,六、 無碼間串?dāng)_的滾降系統(tǒng),按余弦滾降的傳遞函數(shù),人們發(fā)明滾降系統(tǒng)的根本原因是理想低通系統(tǒng)是不可物理實現(xiàn)的,滾降系統(tǒng)的頻譜圖

15、形,可見當(dāng)碼元速率為Ts時此類系統(tǒng)無碼間串?dāng)_,可以看出這是一個隨時間增大，“尾巴”加速衰減的抽樣函數(shù),滾降系統(tǒng)的信號演示,余弦滾降系統(tǒng),(1+)fN,(1-)fN,滾降系統(tǒng)的截止頻率與BN的關(guān)系,滾降系統(tǒng)的頻帶利用率,7.5解（續(xù)）,f1,f2,f(Hz),H(f),7.5 部分響應(yīng)技術(shù),一、什么是部分響應(yīng)系統(tǒng),有控制地在某些碼元的抽樣時刻引入碼間串?dāng)_，而在其余碼元的抽樣時刻無碼間串?dāng)_，就能提高頻帶利用率，同時又可以加快“拖尾”的衰減速度，降低對定時精度的要求，通常把這種波形稱為部分響應(yīng)波形。即在抽樣時刻它利用了前后二個碼元波形各自一部分合成而得到的，故而得名“部分響應(yīng)”。 利用這種波形進(jìn)行傳

16、送的基帶傳輸系統(tǒng)稱為部分響應(yīng)系統(tǒng)。,二、第一類部分響應(yīng),二、第一類部分響應(yīng),二、第一類部分響應(yīng),由圖可知：,三、差錯傳播和預(yù)編碼,采用第一類部分響應(yīng)技術(shù)編碼，合成波,信息序列ak為雙極性二元碼，所以發(fā)送序列ck有0和2三個電平。接收端對ck抽樣之后做減法,*誤碼增殖，也叫差錯傳播,三、差錯傳播和預(yù)編碼,為避免因相關(guān)編碼引起的差錯傳播現(xiàn)象，通常在發(fā)送端先給信息序列加預(yù)編碼。預(yù)編碼規(guī)則是：,即,三、差錯傳播和預(yù)編碼,現(xiàn)在，送入發(fā)送濾波器的輸入碼元序列,接收端對ck作模2判決即可恢復(fù)出信息序列,例題7.7已知第一類部分響應(yīng)系統(tǒng)的輸入如下表第一行，請?zhí)顫M此表,一般，題目中會給出bk-1，但若沒給出，可

17、按bk-1=0計算,0,0,1,1,1,1,0,0,1,1,1,0,1,2,1,1,2,0,1,0,1,1,0,第四類部分響應(yīng)系統(tǒng),與第一類部分響應(yīng)系統(tǒng)類似，但要注意： 計算關(guān)系式不同 Ck的取值不同(Ck=+1/-1對應(yīng)ak=1)。,ck=bk-bk-2,bk=akbk-2,典型題型,Ck=bk-bk-2,bk=akbk-2,部分響應(yīng)系統(tǒng)的實現(xiàn)方法,方法一： 采用教材上的框圖直接實現(xiàn)，使用近似理想的低通實現(xiàn)框圖中的理想低通（由于所有部分響應(yīng)系統(tǒng)在奈奎斯特帶寬處都很小，所以“近似理想”不會帶來很大影響） 方法二： 直接用濾波器綜合設(shè)計方法，設(shè)計出部分響應(yīng)系統(tǒng)的G(w)，即用一個電路實現(xiàn)框圖中“

18、相關(guān)碼+理想低通”的綜合效果 可參見圖書館濾波器設(shè)計一書,概率密度函數(shù)：,高斯白噪聲：a=0， ，,7.6 無碼間串?dāng)_基帶傳輸?shù)目乖肼曅阅?1. 噪聲：,2. 錯判：,對于雙極性基帶信號，抽樣判決器輸入端得到的波形可表示為：,分析： 是高斯過程，,過程 的一維概率密度函數(shù)為：,過程 的一維概率密度函數(shù)為：,圖像：,設(shè)判決門限為Vd，則：,（1）將1錯判為0的概率為：,（2）將0錯判為1的概率為：,（3）總誤碼率為：,由此可知：Pe與判決門限Vd有關(guān)。通常，把使總誤碼率最小的判決門限電平稱為最佳門限電平。,當(dāng) P(1) = P(0) = 時，最佳門限電平為：Vd0。,此時：,結(jié)論：Pe依賴于信號峰值A(chǔ)與噪聲均方值之比。而與采用什么樣的信號形式無關(guān)。,7.7 眼圖,一. 眼圖分析法: 評價基帶傳輸系統(tǒng)性能的一種定性而方便的方法是用示波器觀察接收端的基帶信號波形，用來分析碼間串?dāng)_和噪聲對系統(tǒng)性能的影響。因傳輸二進(jìn)制脈沖時，在示波器屏幕上可以觀察到類似人眼的圖案，稱之為“眼圖”。這種用以分析基帶傳輸系統(tǒng)性能的方法，稱為眼圖分析法。,二.觀察波形的具體方法,7.8 均衡,1. 目的：消除實際傳輸中，系統(tǒng)傳輸特性偏離理想特性，而引入的碼間串?dāng)_。,2. 分類：,（1）頻域均衡：利