通信原理第七章數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸系統(tǒng)

1、通信原理,第7章 數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸系統(tǒng),本章的結(jié)構(gòu)和重點(diǎn),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(hào)的頻譜分析 7.4 碼間串?dāng)_概念和無(wú)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?cè)诘谝徽陆榻B過(guò)通信系統(tǒng)的分類 按傳輸信號(hào)是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)分 分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng) 按傳輸信號(hào)是基帶信號(hào)還是頻帶信號(hào)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(hào),同時(shí)也是基帶信號(hào),則稱這種系統(tǒng)為“數(shù)字基帶通信系統(tǒng)” 實(shí)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(hào)形成器：把原始基帶信號(hào)變換成適合于信道傳輸?shù)幕鶐盘?hào)，主要是通過(guò)碼型變換和波形變換來(lái)實(shí)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(duì)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(jì)的原則 (1) 對(duì)信源具有“透明性” 編碼方案與信源的統(tǒng)計(jì)特性無(wú)關(guān) (2) 接收端必須能正確解碼 (3) 沒(méi)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(jì)的原則

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

4、完頻譜才能理解這一點(diǎn)）,7.2.2 常用碼型 (續(xù)),4、雙極性歸零碼,優(yōu)點(diǎn)：無(wú)直流、,最佳判決電平確定(=0),缺點(diǎn)：不能直接提取同步（分析完頻譜才能理解這一點(diǎn)）、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(gè)bit用2bit來(lái)傳輸（頻帶展寬一倍，但可消除直流，同時(shí)含豐富的定時(shí)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(shí)交替使用“01”和“10”； 2.連續(xù)出現(xiàn)0時(shí)交替使用“00”和“11”； 3.二進(jìn)制碼不連續(xù)時(shí)，按照邊界不跳變?cè)瓌t。 密勒碼數(shù)字流中出現(xiàn)的最大脈沖寬度是兩個(gè)碼元時(shí)隙，最小寬度是一個(gè)碼元時(shí)隙，利用這一特點(diǎn)可以進(jìn)行誤碼檢測(cè)。,7.2.2 常用碼型,9. PST碼（成對(duì)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(guò)程： 1.將二進(jìn)制代碼每?jī)晌环譃橐唤M；

6、2.按表的對(duì)應(yīng)關(guān)系，每個(gè)碼組轉(zhuǎn)換成“+模式”或“-模式”； 3.連續(xù)出現(xiàn)10和01時(shí)，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(diǎn)：無(wú)直流、,且可以發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)單錯(cuò)誤,，能量集中在1/2碼速處,通過(guò)整流電路可將接收信碼恢復(fù)成單極性歸零碼，,利用傳號(hào)是否符合極性交替原則，可以檢測(cè)誤碼。,不同傳號(hào)率時(shí)AMI碼的功率譜,缺點(diǎn)：如果出現(xiàn)長(zhǎng)“0”則提取同步（CLK）困難,7.2.2 常用碼型 (續(xù)),11、HDB3碼（對(duì)AMI的改進(jìn),解決了連“0”問(wèn)題） 編碼步驟： 首先將數(shù)據(jù)變成AM

7、I碼 如果有4個(gè)連0，則每4個(gè)連0分成1小組，稱為一個(gè)“破壞節(jié)” 將破壞節(jié)的第4個(gè)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(gè)破壞節(jié)的V要保證與前一個(gè)非0比特同號(hào) 以后，相鄰的破壞節(jié)中的V要反號(hào),HDB3編碼規(guī)則（續(xù)）,如果一個(gè)破壞節(jié)中的V與前一個(gè)非0比特同號(hào)，則不用再對(duì)這個(gè)破壞節(jié)進(jìn)行任何動(dòng)作 如果一個(gè)破壞節(jié)中的V與前一個(gè)非0比特反號(hào)，則將這個(gè)破壞節(jié)中的第1個(gè)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(gè)V比特同號(hào),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(gè)破壞節(jié),第2個(gè)破壞節(jié),+,-,+,-,+,+V,-V,-B,+,-,檢測(cè)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(hào)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(hào)表明后面那個(gè)是V,0,連續(xù)非0同號(hào)表明后面那個(gè)是V,由于中間只有2個(gè)0，所以前面那個(gè)是B,0,0,再把所有1的符號(hào)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(gè)bit用6個(gè)bit來(lái)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(wú)直流”的原則，盡量使6bit中“1”與“0”的個(gè)數(shù)相等 對(duì)于那些0/1個(gè)數(shù)不相等的碼，設(shè)置2種模式（即每個(gè)5bit組有2個(gè)6bit組與之對(duì)應(yīng)，其中1個(gè)6bit組“1”多，另1個(gè)6bit組“0”多） 在傳輸時(shí)，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(hào)的功率分析,一、 二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)的功率譜密度,任何一個(gè)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(hào)的功率分析,一、 二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)的功率譜密度 分析思路： 將二進(jìn)制隨機(jī)序列分解成2部分,經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)，二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)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(jiǎn)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(wú)碼間傳輸條件,一、數(shù)字基帶信號(hào)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(duì)其他線路的干擾，所以在發(fā)送時(shí)會(huì)經(jīng)過(guò)“發(fā)送濾波器”,發(fā)送濾波器實(shí)際上就是一個(gè)低通濾波器 接收濾波器的作用是濾除帶外噪聲，對(duì)失真波形進(jìn)行補(bǔ)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(hào)在傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生“拖尾”現(xiàn)象 前面信號(hào)的拖尾有可能對(duì)后面信號(hào)的判決帶來(lái)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(hào)：,1. 系統(tǒng)傳遞函數(shù)：,3. 系統(tǒng)沖激響應(yīng)：,4. 基帶信號(hào)的輸出：,5. 接收濾波器的輸出：,上式表明：r(t)在任一時(shí)刻都包含了一個(gè)噪聲和另一個(gè)由很多碼元疊加產(chǎn)生的波形。,以第k個(gè)碼元為例，設(shè)抽樣時(shí)刻為（kTs + t0），則：,抽樣值,串?dāng)_值,噪聲,無(wú)碼間串?dāng)_的波形舉例,對(duì)第K個(gè)碼元，無(wú)碼間串?dāng)_的條件為：,令t0=0，則消除碼間串?dāng)_的條

13、件為：,時(shí)域條件,四、無(wú)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(wú)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(gè)有串?dāng)_,哪個(gè)沒(méi)有串?dāng)_?,例題7.3解(1),疊加后在中間那個(gè)區(qū)間內(nèi)不是常數(shù), 因此不滿足無(wú)碼間串?dāng)_條件,會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_,例題7.3解(2),疊加后在中間那個(gè)區(qū)間內(nèi)是常數(shù), 因此滿足無(wú)碼間串?dāng)_條件,不會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_,五、 無(wú)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(jiàn)無(wú)碼間串?dāng)_時(shí)的理想傳輸函數(shù)的截止頻率可以是碼元速率的一半,無(wú)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(huì)產(chǎn)生串?dāng)_ 當(dāng)碼元速率RB一定時(shí)，最小的信道帶寬為RB/2； 當(dāng)信道帶寬BN(Hz)一定時(shí)，最大的碼元速率為2BN(B),且無(wú)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(wú)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(hào)和四進(jìn)制信號(hào)，哪個(gè)有碼間串?dāng)_，哪個(gè)沒(méi)有碼間串?dāng)_？,滾降系數(shù)：,六、 無(wú)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(shí)現(xiàn)的,滾降系統(tǒng)的頻譜圖

15、形,可見(jiàn)當(dāng)碼元速率為Ts時(shí)此類系統(tǒng)無(wú)碼間串?dāng)_,可以看出這是一個(gè)隨時(shí)間增大，“尾巴”加速衰減的抽樣函數(shù),滾降系統(tǒng)的信號(hào)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(shí)刻引入碼間串?dāng)_，而在其余碼元的抽樣時(shí)刻無(wú)碼間串?dāng)_，就能提高頻帶利用率，同時(shí)又可以加快“拖尾”的衰減速度，降低對(duì)定時(shí)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(shí)刻它利用了前后二個(gè)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(cuò)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(gè)電平。接收端對(duì)ck抽樣之后做減法,*誤碼增殖，也叫差錯(cuò)傳播,三、差錯(cuò)傳播和預(yù)編碼,為避免因相關(guān)編碼引起的差錯(cuò)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(cuò)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(duì)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(qǐng)?zhí)顫M此表,一般，題目中會(huì)給出bk-1，但若沒(méi)給出，可

17、按bk-1=0計(jì)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(jì)算關(guān)系式不同 Ck的取值不同(Ck=+1/-1對(duì)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(shí)現(xiàn)方法,方法一： 采用教材上的框圖直接實(shí)現(xiàn)，使用近似理想的低通實(shí)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(huì)帶來(lái)很大影響） 方法二： 直接用濾波器綜合設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出部分響應(yīng)系統(tǒng)的G(w)，即用一個(gè)電路實(shí)現(xiàn)框圖中“

18、相關(guān)碼+理想低通”的綜合效果 可參見(jiàn)圖書館濾波器設(shè)計(jì)一書,概率密度函數(shù)：,高斯白噪聲：a=0， ，,7.6 無(wú)碼間串?dāng)_基帶傳輸?shù)目乖肼曅阅?1. 噪聲：,2. 錯(cuò)判：,對(duì)于雙極性基帶信號(hào)，抽樣判決器輸入端得到的波形可表示為：,分析： 是高斯過(guò)程，,過(guò)程 的一維概率密度函數(shù)為：,過(guò)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(cuò)判為0的概率為：,（2）將0錯(cuò)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(shí)，最佳門限電平為：Vd0。,此時(shí)：,結(jié)論：Pe依賴于信號(hào)峰值A(chǔ)與噪聲均方值之比。而與采用什么樣的信號(hào)形式無(wú)關(guān)。,7.7 眼圖,一. 眼圖分析法: 評(píng)價(jià)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(hào)波形，用來(lái)分析碼間串?dāng)_和噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響。因傳輸二進(jìn)制脈沖時(shí)，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(shí)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