數(shù)字與數(shù)據(jù)通信 21基帶傳輸

1、一、 概述目前數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的信道主要有三種類型：1. 物理實(shí)線傳輸媒介信道，如雙絞線電纜、同軸電纜等；2. 電話網(wǎng)傳輸信道（模擬信道）；3. 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸信道（數(shù)字信道）。第2章 數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸 物理實(shí)線傳輸信道 1、雙絞線電纜 雙絞線是由兩條相互絕緣的銅導(dǎo)線扭絞起來構(gòu)成的，一對(duì)線作為一條通信線路。雙絞線可用于傳輸模擬信號(hào)，也可用于傳輸數(shù)字信號(hào)，其通信距離一般為幾到幾十公里。信道的傳輸特性呈低通型特性。 由于雙絞線成本低廉且性能較好， 在數(shù)據(jù)通信和計(jì)算機(jī)特通信網(wǎng)中都是一種普遍采用的傳輸媒介。 目前，在某些專門系統(tǒng)中，雙絞線在短距離傳輸中的速率已達(dá)100155M bit/s。內(nèi)導(dǎo)體芯線絕緣內(nèi)屏蔽

2、外屏蔽外套雙絞線（擰成扭絞狀的電纜， 又稱對(duì)稱電纜） 優(yōu)點(diǎn)：較穩(wěn)定 缺點(diǎn)：損耗較大 屏蔽雙絞線 (STP)非屏蔽雙絞線 (UTP)常用的雙絞線為3類(16Mbit/s) 和5類(155Mbit/s)兩種以鋁箔屏蔽以減少干擾和串音雙絞線外無任何屏蔽層 物理實(shí)線傳輸信道 2、同軸電纜 由一對(duì)導(dǎo)體組成，但它們是按同軸的形式構(gòu)成線對(duì)，其中最里層是內(nèi)導(dǎo)體芯線，外包一層絕緣材料，外面再套一個(gè)空心的圓柱形外導(dǎo)體，最外層是其保護(hù)作用的塑料外皮。內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體構(gòu)成一組線對(duì)。 同軸電纜具有很好的抗干擾性，它比雙絞線具有較好的頻率特性，具有更高的傳輸速率。但其成本較高。 與雙絞線信道特性相同，同軸電纜信道特性也是低

3、通特性，但它的低通帶寬要比雙絞線的頻帶寬。銅芯絕緣層外導(dǎo)體保護(hù)套同軸電纜 優(yōu)點(diǎn)：外導(dǎo)體接地、屏蔽干擾（b）同軸電纜實(shí)例 （c）海底同軸電纜實(shí)例 電話網(wǎng)傳輸信道 所謂電話網(wǎng)傳輸信道是指通過傳輸話音信號(hào)的電話網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)信號(hào) 電話網(wǎng)是專門設(shè)計(jì)用于傳輸話音信號(hào)的，話音信號(hào)的頻帶范圍是3003400Hz，是屬于帶通型信道。 所以電話網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)也是對(duì)應(yīng)帶通型信號(hào)的帶通型信道，對(duì)當(dāng)前廣泛采用的數(shù)字程控交換機(jī)電話網(wǎng)絡(luò)而言，帶通型信道的限制主要體現(xiàn)在交換機(jī)中的PCM編碼、解碼的帶限濾波器，它們的頻帶限制通常是3003400Hz。 電話網(wǎng)傳輸信道的總合特性是屬于帶通型信道，其通帶頻率范圍是3003400Hz。

4、 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸信道 采用PCM數(shù)字信道作為數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸信道稱為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸信道（DDN數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)） 這種信道的連接方式是， 將多個(gè)低速數(shù)據(jù)終端輸出的信號(hào)經(jīng)過時(shí)分多路復(fù)用或集中合成到 64Kbit/s 速率，然后直接以數(shù)字方式合入到PCM30路系統(tǒng)的某一個(gè)時(shí)隙，最后復(fù)用到2.048Mbit/s（一次群或基群速率）在數(shù)字線路上傳輸。 數(shù)字線路：光纖傳輸系統(tǒng)，數(shù)字微波及衛(wèi)星等傳輸系統(tǒng) 該傳輸系統(tǒng)的傳輸速率高，傳輸質(zhì)量好，是比較理想的數(shù)據(jù)傳輸信道，是當(dāng)前大力發(fā)展的一種數(shù)據(jù)傳輸方式。 為適應(yīng)前述三種類型傳輸信道，有三種數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)幕痉椒ǎ椿鶐鬏?、頻帶傳輸（或稱調(diào)制傳輸）及數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸2. 基帶傳

5、輸碼型的要求 1、傳輸碼型的功率譜中應(yīng)不含直流分量，同時(shí)低頻分量要盡量少。 2、傳輸碼型的功率譜高頻分量應(yīng)盡量少，節(jié)省傳輸頻帶并且減少電磁干擾。第三章 數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸 3、便于定時(shí)時(shí)鐘的提取 傳輸碼型功率譜中應(yīng)含有定時(shí)鐘信息，以便接收端能提取必需的定時(shí)鐘信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的同步。 4、傳輸碼型應(yīng)具有一定的檢測(cè)誤碼的能力 信號(hào)在信道中傳輸時(shí)，由于各種因素的影響，有可能產(chǎn)生誤碼，若傳輸碼型有一定的規(guī)律性，那么就可根據(jù)這一規(guī)律性來檢測(cè)是否有誤碼，做到自動(dòng)監(jiān)測(cè)，保證傳輸質(zhì)量。 5、對(duì)信源統(tǒng)計(jì)依賴性最小 對(duì)信源具有透明性，信道上傳輸?shù)幕鶐鬏敶a型應(yīng)具有對(duì)信源統(tǒng)計(jì)依賴最小的特性，即對(duì)信源經(jīng)信源編碼后，直接轉(zhuǎn)換的

6、數(shù)字信號(hào)的類型不應(yīng)有任何限制（例如“1”和“0”出現(xiàn)的概率及連“0”多少等）。 6、要求碼型變換設(shè)備簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn) 由信息源直接轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)不適合于直接在電纜信道中傳輸，需經(jīng)碼型變換設(shè)備轉(zhuǎn)換成適合于傳輸?shù)拇a型，要求碼型變換設(shè)備要簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。2. 常用數(shù)據(jù)序列形式分別畫出的下列波形單極性不歸0碼單極性歸0碼雙極性不歸0碼雙極性歸0碼AMI碼CMI碼3. 數(shù)據(jù)序列的頻譜特性目的：通過研究數(shù)據(jù)序列的頻譜特性，找出數(shù)據(jù)序列的能量分布特性，以便決定信道的頻帶特性。 對(duì)確定信號(hào)，可用傅里葉變換方法求得信號(hào)頻譜，但數(shù)據(jù)序列是隨機(jī)的， 不能再用傅里葉變換確定其頻譜，只能用統(tǒng)計(jì)的方法研究其功率譜密度，簡(jiǎn)稱

7、功率譜。 隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)序列的功率譜包括連續(xù)譜和離散譜兩個(gè)部分。單極性不歸零碼及其功率譜缺點(diǎn)：（1） 有直流成分，且信號(hào)能量大部分集中在低頻（占空比越大，信號(hào)能量越集中在低頻部分）。（2） 提取時(shí)鐘fB困難。（3） 無檢測(cè)誤碼能力，因傳輸碼型無規(guī)律。（4）與信源統(tǒng)計(jì)特性關(guān)系密切，長(zhǎng)“0”串出現(xiàn)不可避免。單極性歸零碼（=TB/2）及功率譜二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)序列的功率譜曲線AMI碼及功率譜優(yōu)點(diǎn)：（1） 無直流成份，低頻成份也少（由于AMI碼的傳號(hào)碼極性交替反轉(zhuǎn)），有利于采用變量器進(jìn)行遠(yuǎn)供電源的隔離，而且對(duì)變量器的要求（如體積）也可以降低。（2） 高頻成份少。這不僅可節(jié)省傳輸頻帶、提高信道利用率，同

8、時(shí)也可以減少電磁感應(yīng)引起的串話。（3） 碼型功率譜中雖無fB定時(shí)鐘頻率成份，但經(jīng)全波整流，可將AMI碼變換成單極性半占空碼，就會(huì)含有定時(shí)鐘fB成份，便可從中提取定時(shí)鐘成份。（4）AM1碼具有一定的檢錯(cuò)能力。缺點(diǎn)：長(zhǎng)“0”串會(huì)出現(xiàn)，不利于定時(shí)鐘提取，為克服這一缺點(diǎn)，引入了HDB3碼。CMI碼 CMI 碼是傳號(hào)反轉(zhuǎn)碼的簡(jiǎn)稱，編碼規(guī)則為：“1”碼交替用“00”和“11”表示；“0”碼用“01 ” 表示。優(yōu)點(diǎn)：沒有直流分量，且有頻繁出現(xiàn)波形跳變，便于定時(shí)信息提取，具有誤碼監(jiān)測(cè)能力。曼徹斯特碼（雙相碼）（以太網(wǎng)） 每個(gè)碼元用兩個(gè)連續(xù)極性相反的脈沖來表示 比如： “0”10 “1”01優(yōu)點(diǎn)： 無直流分量

9、最長(zhǎng)連0數(shù)為2 定時(shí)信息豐富 編譯碼電路簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：碼元速率提高了一倍差分曼徹斯特碼先求相對(duì)碼，再用相對(duì)碼做曼徹斯特碼優(yōu)點(diǎn)： 避免極性反轉(zhuǎn)時(shí)引起的譯碼錯(cuò)誤110001000010“0”10 “1”01各種信號(hào)編碼方案頻譜密度二、 數(shù)據(jù)信號(hào)的基帶傳輸1. 基帶傳輸系統(tǒng)構(gòu)成模型基帶數(shù)據(jù)信號(hào)：數(shù)據(jù)終端輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)代碼序列。基帶數(shù)據(jù)信號(hào)的主要特征是：信號(hào)的主要能量是集中于從 0 開始至某一頻率的低通型頻帶。基帶：基帶數(shù)據(jù)信號(hào)所占的低通型頻帶?；鶐鬏敚翰话嵋苹鶐盘?hào)頻譜的傳輸方式。發(fā)送濾波信道接收濾波均衡取樣判決噪聲akk12基帶數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成模型發(fā)送濾波器：平滑濾波，起限制信號(hào)頻帶的作用；信道：同

10、軸電纜、對(duì)稱電纜、架空明線；接收濾波器：濾除帶外噪聲和干擾；均衡：對(duì)接收波形進(jìn)行均衡，改善信道特性的不理想；抽樣判決器：在規(guī)定時(shí)刻進(jìn)行抽樣，對(duì)抽樣值進(jìn)行判決，確定是“0”還是“1”；2. 理想低通網(wǎng)絡(luò)波形形成 奈奎斯特第一準(zhǔn)則碼間干擾：由于傳輸特性的不理想，加上加性噪聲的影響，使脈沖寬度展寬，延伸到相鄰的碼元中去，從而造成鄰近碼元的相互干擾 1、無碼間干擾的時(shí)域條件傳遞函數(shù)： 其中，fN為截止頻率，也就是理想低通網(wǎng)絡(luò)的帶寬 理想低通特性我們知道，網(wǎng)絡(luò)對(duì)單位沖激脈沖(t)的響應(yīng)，就是網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)的傅立葉反變換，即為了分析方便，通常令td =0 單位沖激脈沖通過理想低通網(wǎng)絡(luò)的輸出響應(yīng)(1)t=0時(shí)

11、有輸出最大值，且波形出現(xiàn)拖尾，其拖尾的幅度是隨時(shí)間而逐漸衰減的；(2)其響應(yīng)值在時(shí)間軸上具有很多零點(diǎn)。第一個(gè)零點(diǎn)是1/2BN，以后各相鄰零點(diǎn)的間隔都是1/2BN （ BN是理想低通的截止頻率）。單位沖激脈沖序列最大值點(diǎn)處抽樣判決示意圖對(duì)于等效成截止頻率為fc的理想低通網(wǎng)絡(luò)來說，若數(shù)字信號(hào)以2fc的符號(hào)速率傳輸，則在各碼元的間隔處（即TB=1/2BN的整數(shù)倍處）進(jìn)行抽樣判決，不產(chǎn)生碼間干擾，可正確識(shí)別出每一個(gè)碼元。奈奎斯特第一準(zhǔn)則如果系統(tǒng)等效網(wǎng)絡(luò)具有理想低通特性，且截止頻率為BN ，則系統(tǒng)中允許的最高碼元速率（極限速率）為2BN，這時(shí)的系統(tǒng)輸出波形在峰值點(diǎn)上不產(chǎn)生碼間干擾。國(guó)際上把BN稱為奈奎斯

12、特頻帶, 2BN稱為奈奎斯特速率， TB= 1/2BN稱為奈奎斯特間隔 無碼間干擾的碼速率為： 2BN/k(Bd)，最高頻帶利用率為：2（Bd/Hz）無碼間干擾的時(shí)域條件也就是說， h(t)的值除t=0時(shí)不為零外,在其他所有抽樣點(diǎn)均為零。 2、無碼間干擾的頻域條件 在頻域看，該系統(tǒng)的傳輸特性按2/Ts切段疊加后，再搬回（-/Ts , /Ts ）區(qū)間疊加，疊加后若其幅度為常數(shù)，則表明此基帶傳輸系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無碼間干擾傳輸。無碼間干擾的頻域條件碼元傳輸速率與傳輸系統(tǒng)特性之間的關(guān)系稱為奈奎斯特第一準(zhǔn)則。它為我們確定某基帶系統(tǒng)是否存在碼間串?dāng)_提供了理論依據(jù)。3. 具有幅度滾降特性的低通網(wǎng)絡(luò) 波形形成 理想

13、低通特性的理想基帶傳輸系統(tǒng)，頻譜窄，能達(dá)到極限傳輸速率，但有如下兩個(gè)缺點(diǎn)： 理想低通傳遞函數(shù)物理上不可實(shí)現(xiàn)的，頻率截止特性過于陡峭，且拖尾振蕩幅度大，收斂慢； 對(duì)接收端定時(shí)抽樣時(shí)鐘信號(hào)的準(zhǔn)確度要求極高因其具有波動(dòng)幅度很大的拖尾，必須嚴(yán)格在規(guī)定的時(shí)間取樣，稍有偏差，就會(huì)有碼間干擾。 圖中，C點(diǎn)稱為奇對(duì)稱點(diǎn)，傳輸特性的曲線段關(guān)于這點(diǎn)作奇對(duì)稱。 幅頻特性滾降的傳遞函數(shù)的取值應(yīng)是在 01的范圍內(nèi)H(f)100.5(1+)(1-)BNfCH(f)100.5BN(1+) BNfC余弦滾降系統(tǒng) 引入滾降系數(shù)后，系統(tǒng)的最高傳碼率不變，但是此時(shí)系統(tǒng)的帶寬擴(kuò)展為 系統(tǒng)的頻帶利用率為 4. 部分響應(yīng)形成系統(tǒng)部分響應(yīng)

14、系統(tǒng)的思想： 一種可實(shí)現(xiàn)的形成系統(tǒng)，它允許存在一定的、但受控的碼間干擾，而在接收端可以加以消除，這樣的系統(tǒng)既能使頻帶利用率提高到理論上的最大值，使其響應(yīng)波形的前導(dǎo)和后尾波動(dòng)隨時(shí)間有較快衰減，又近似地物理實(shí)現(xiàn)。 1、第一類部分響應(yīng)編碼二個(gè)在時(shí)間上錯(cuò)開T的理想低通的沖激響應(yīng)波形相加tg(t)T2T3T4TT2T3T01碼間干擾特別提醒1、波形的拖尾按照t2速率衰減2、頻譜限制在（-/Ts , /Ts ）之間 傳輸帶寬為 BN= 1/2Ts 頻帶利用率為 2（Bd/Hz） 碼間串?dāng)_只發(fā)生在前后碼元之間，對(duì)其他碼元不影響，是確定的，可控的，在接收端可以消除的tg(t)T2T3T4TT2T3T01碼元發(fā)

15、生串?dāng)_示意圖怎么消除？發(fā)送端發(fā)1個(gè)“1”碼，接收端會(huì)收到2個(gè)“1”碼，在接收端收到的前一個(gè)“1”碼作為接收的“1”碼，而延遲T時(shí)間后收到的“1”就可以不計(jì)，判為“0”誤碼擴(kuò)散 碼元的恢復(fù)必須參考前一碼元的判決結(jié)果，只要有一個(gè)碼元發(fā)生錯(cuò)誤判決，會(huì)相繼影響后面的碼元 為了避免誤碼擴(kuò)散現(xiàn)象，在部分響應(yīng)系統(tǒng)中通常采用預(yù)編碼，來解決誤碼擴(kuò)散 問題。 預(yù)編碼：即產(chǎn)生差分碼整個(gè)過程可概括為：預(yù)編碼相關(guān)編碼模2判決TT相加發(fā)送低通信道接收低通取樣判決bkakbk-1bk-1ckk模2判決預(yù)編碼相關(guān)編碼模2理想低通形成網(wǎng)絡(luò)預(yù)編碼部分的信號(hào)變換關(guān)系為：相關(guān)編碼部分的信號(hào)變換關(guān)系為：第一類部分響應(yīng)編碼的原理性框圖信

16、號(hào)變換過程舉例如下：設(shè)ak為0011100101，則有：收端 ck= 0 或 2 時(shí)，可判決 k = 0；ck=1時(shí)，可判決 k =1ak 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1bkckk1 1 1 0 0 1100000111221010011100101ak 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1bkckk0 0 0 1 1 001112211100121001110010101由上面例題可得出兩點(diǎn)結(jié)論： 不論bk-1的初始狀態(tài)為0 或1，接收端都能恢復(fù)原發(fā)數(shù)據(jù)序列，即數(shù)據(jù)的傳輸不受預(yù)編碼電路初始值影響； 由于采用預(yù)編碼后， k的判決僅與ck有關(guān)，而與ak-1無關(guān)，所以k的判決與先行碼無關(guān)

17、，即解決了誤碼擴(kuò)散的問題。 第一類部分響應(yīng)信號(hào)的頻譜如書表2-1（38頁）所示，頻譜是余弦形的，對(duì)于某些低頻特性不好的信道來說，傳輸這樣的信號(hào)會(huì)帶來信號(hào)失真，基帶信號(hào)還要經(jīng)過單邊帶調(diào)制，則要求基帶信號(hào)的低頻分量越小越好，要求得到一個(gè)正弦形的頻譜信號(hào)。T發(fā)送低通信道接收低通判決bkakbk-1k取樣脈沖預(yù)編碼取樣ck第一類部分響應(yīng)編碼的系統(tǒng)框圖形成SSB信號(hào)的濾波特性 理想高通得到上邊帶理想低通得到下邊帶單邊帶信號(hào)的頻譜 理想高通得到上邊帶理想低通得到下邊帶tg(t)T2T3T4TT2T3T01-1第四類部分響應(yīng)形成波形g(t)2、第四類部分響應(yīng)編碼 采用時(shí)間上錯(cuò)開2T的兩個(gè)理想低通的形成波形相

18、減作為基本傳輸波形，頻譜為正弦形的 由上圖可見波形的前導(dǎo)和后尾波動(dòng)隨時(shí)間的衰減比單個(gè)理想低通的形成波形加快。 但是帶寬與理想低通網(wǎng)絡(luò)的帶寬一樣，因此，以該波形作為系統(tǒng)傳輸波形可以達(dá)到每赫2 Bd的極限速率。 誤碼擴(kuò)散問題仍需通過預(yù)編碼解決。信號(hào)變換過程舉例如下：同樣設(shè)ak為0011100101，則有：ak 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1bkckkak 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1bkckk001110010111000 01 10 10 00 10 01 1-1 00 -10 100111001011 10 01 01 11 00 0-1 -11 00 10 -1當(dāng)收端 ck

19、= 0時(shí)，可判決 k = 0 ；ck=1時(shí)，可判決 k = 1 由上面例題可得出兩點(diǎn)結(jié)論： 不論bk-1和bk-2的初始狀態(tài)為0 或1，接收端都能恢復(fù)原發(fā)數(shù)據(jù)序列； 由于采用預(yù)編碼后， k的判決僅與ck有關(guān)，而與ak-2無關(guān)，所以k的判決與先行碼無關(guān)，即解決了誤碼擴(kuò)散的問題。6. 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的時(shí)域均衡 在實(shí)際通信系統(tǒng)中，總的傳輸特性一般不能完全理想，不可避免地存在碼間干擾，采用均衡器可以消除或減小通信系統(tǒng)參數(shù)變化引起的碼間干擾。頻域均衡（了解） 頻域均衡的思路是利用幅度均衡器和相位均衡器來補(bǔ)償傳輸系統(tǒng)幅頻特性和相頻特性的不理想，即保證傳輸系統(tǒng)對(duì)各頻率分量具有相同的傳輸系數(shù) (即在通帶內(nèi)應(yīng)有

20、平直的幅頻特性)和相同的傳輸時(shí)延(線性相頻特性)，這樣，就可消除符號(hào)間干擾。01ffNH(f)2f td時(shí)域均衡： 思路是消除接收的時(shí)域信號(hào)波形的取樣點(diǎn)處的碼間干擾，并不是要求傳輸波形的所有細(xì)節(jié)都與奈氏準(zhǔn)則所要求的理想波形完全一致。 時(shí)域均衡是對(duì)信號(hào)在時(shí)域上進(jìn)行處理，較頻域均衡更直接，更直觀，數(shù)字通信系統(tǒng)常常采用。時(shí)域均衡的原理（教材39頁）多級(jí)抽頭延遲線、可變?cè)鲆骐娐泛颓蠛推鹘M成。5. 數(shù)據(jù)序列的擾亂與解擾在前面的討論中，我們假定數(shù)據(jù)序列是隨機(jī)的，但是有時(shí)有一些特殊情況，如一段短時(shí)間的連 “0”或連“1”、一些短周期的確定性數(shù)據(jù)序列等 例如： 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 在這個(gè)序列中， 11個(gè)連“0”串、共有15“0”，只有5個(gè)“1”，“1”和“0”嚴(yán)重不平衡，失去了隨機(jī)性這樣的數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)傳輸系統(tǒng)是不利的這主要是由于： 可能產(chǎn)生交調(diào)串音。長(zhǎng)“0”或“1”序列具有很強(qiáng)的單頻分量，造成對(duì)相鄰信道數(shù)據(jù)信號(hào)的干擾 可能造成傳輸系統(tǒng)失步。長(zhǎng) “0”或長(zhǎng)“1”序列可能造成接收端提取定時(shí)信息困難 可能造成均衡器調(diào)節(jié)信息丟失。時(shí)域均衡器調(diào)節(jié)加權(quán)系數(shù)需要數(shù)據(jù)信號(hào)具有足夠的隨機(jī)性，否則可能導(dǎo)致均衡器中的濾波器發(fā)散而不能正常工作。擾亂：就是將輸入