數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)課件

1、第六章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)從本章起，側(cè)重討論數(shù)字通信的基本原理及有關(guān)技術(shù)問題數(shù)字基帶信號及其頻譜特性基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型數(shù)字基帶信號傳輸及無碼間干擾的基帶傳輸特性基帶傳輸系統(tǒng)的抗噪聲性能及眼圖部分響應系統(tǒng)和時域均衡6.0 引言定義：數(shù)字通信系統(tǒng)：數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)和數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)。意義： 利用對稱電纜構(gòu)成的近程數(shù)據(jù)通信 頻帶傳輸系統(tǒng)中同樣存在著基帶信號傳輸問題； 如果把調(diào)制與解調(diào)過程看作是廣義信道的一部分，則任何數(shù)字傳輸系統(tǒng)均可等效為基帶傳輸系統(tǒng)。數(shù)字頻帶傳輸?shù)幕A(chǔ)。6.1 數(shù)字基帶信號及其頻譜特性6.1.1 數(shù)字基帶信號-消息代碼的電波形 Ts碼元長度、碼元間隔； 注：電波形不一定是方波，以矩形

2、脈沖組成的基帶信號為例，介紹幾種最基本的基帶信號波形?；鶐盘柌ㄐ?.單極性非歸零波形(NRZ)是否有直流分量波形之間有無間隔是否能直接提取同步信息?？乖胄阅苋绾问欠裥枰诺酪欢私拥亍? 雙極性非歸零波形(BNRZ)是否有直流分量波形之間有無間隔是否能直接提取同步信息。抗噪性能如何是否需要信道一端接地。3 單極性歸零（RZ）波形是否有直流分量波形之間有無間隔是否能直接提取同步信息?？乖胄阅苋绾问欠裥枰诺酪欢私拥?。4 雙極性歸零（BRZ）波形是否有直流分量波形之間有無間隔是否能直接提取同步信息?？乖胄阅苋绾问欠裥枰诺酪欢私拥亍? 差分波形(相對碼波形) 利用相鄰碼元的電平變化傳遞信息。6 多

3、電平波形+E-E 1 0 1 0 0 1 101 00 11 10 01 11 00+3E+E-E-3E6.1.2 基帶信號的頻譜特性目的：針對信號的譜特性，設(shè)計或選擇信道，以利于信號方便通過。對象：二進制隨機脈沖序列。其中：g1(t)表示“0”碼; g2(t)表示“1”碼。s(t)的功率譜密度Ps()的求解思路：截短信號S(t)看成是由一個穩(wěn)態(tài)波V(t)和一個交變波u(t)構(gòu)成。這里的所謂穩(wěn)態(tài)波，即是隨機信號S(t)的平均分量。穩(wěn)態(tài)分量(周期)離散譜交變分量(非周期)連續(xù)譜1.求平均分量v(t)和交變分量u(t)先觀察序列中的一個碼元：平均分量： Pg1(t)+(1-P)g2(t)一個序列的

4、平均分量:交變分量：2. 求平均分量的功率譜密度 PV()離散譜3. 求交變分量的功率譜密度 Pu() 連續(xù)譜4.數(shù)字基帶信號功率譜Ps()結(jié)論：二進制隨機脈沖序列的功率譜Ps(f)可能包含連續(xù)譜和離散譜。連續(xù)譜總是存在的，離散譜不一定存在.連續(xù)譜確定帶寬；離散譜有無所需頻率成分。離散譜是否存在，取決于g1(t)和g2(t)的波形及其出現(xiàn)的概率P。一般情況下，它也總是存在的，但對于雙極性信號 g1(t) = - g2(t) = g(t) ，且概率P=1/2（等概）時，則沒有離散分量。根據(jù)離散譜可以確定隨機序列是否有直流分量和定時分量。例6-1求單極性NRZ信號的功率譜，假定p=1/2。對于單極

5、性NRZ信號，有 其中g(shù)(t)為高度為1、寬度為Tb的全占空矩形脈沖。例6-2 求雙極性NRZ信號的功率譜，假定p=1/2。譜分量, 直流, 定時分量, 帶寬 例6-3 求單極性RZ信號的功率譜，假定p=1/2。 例6-4 求雙極性RZ信號的功率譜，假定p=1/2。 = Ts / 2B=? RB=？單極性基帶信號：一定含有直流分量，歸零碼含有定時分量。雙極性基帶信號：等概時不含直流分量和定時分量。占空比越小，占用帶寬越寬。6.2 基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型 6.2.1 選碼規(guī)則原因: (1)基帶信號是代碼的電表示形式。但實際中并不是所有的代碼的電波形都能在信道中傳輸。 (2)碼型-連“0”符號的代碼相

6、應的電波形，會長時間出現(xiàn)0電位，不利定時信息的提取。1.對傳輸用基帶信號的主要要求: 不但其波形，而且其碼型亦應適合于在信道中傳輸。2.碼型問題 信碼(消息代碼) 傳輸碼(線路碼)3.選碼規(guī)則(傳輸碼的特征)不含直流，且低頻分量盡量少；(相應的基帶信號)含有豐富的定時信息；(相應的基帶信號)傳輸效率要高(功率譜主瓣寬度窄)；不受信息源統(tǒng)計特性的影響；具有內(nèi)在的檢錯能力；編譯碼簡單。6.2.2 幾種常用的傳輸碼型1. AMI碼（傳號交替反轉(zhuǎn)碼） 編碼規(guī)則：傳號(1)極性交替，空號(0)不變。 an： 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 AMI: +1 0 -1 0 0 +1

7、0 0 0 0 0 -1 0 +1 -1 0 +1 0 0 -1 0 0 0 0 0 +1 0 -1 特點：（1）無直流分量和僅有小的低頻分量；（2） 二電平三電平1B/1T碼（3）易于檢錯(極性交替否？)；（4）編、譯碼簡單；（5）當出現(xiàn)長的連0串時，不利于定時信息的提取。(作為取樣脈沖，控制判決電路)2.HDB3碼(三階高密度雙極性碼)編碼規(guī)則：(1)變成AMI碼；(2)連“0”數(shù)目超過3時，將每4個連“0”化作一小節(jié)，定義為000V，且V與前一個傳號同號；(3)如果兩個相同的V同號，把后一個V 的第一個“0”變成B，且B與V反號， 這時再將從V和后面的傳號變號， 使+1和-1交替變化，使

8、碼中+1和-1的 數(shù)目接近。例如：代碼： 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1AMI碼： 0 +1 0 0 0 0 -1+1 0 0 0 0 0 -1 0+1加V： 0 +1 0 0 0 V+-1+1 0 0 0 V+ 0 -1 0+1加B: 0 +1 0 0 0 V+-1+1 B- 0 0 V- 0 -1 0+1HDB3： 0 +1 0 0 0 +1 -1+1 -1 0 0 -1 0 +1 0 -1V是表示破壞極性交替規(guī)律的傳號,V是破壞點,譯碼時,找到破壞點,斷定V及前3個符號必是連0符號,從而恢復4個連0碼,再將-1變成+1,便得到消息代碼. -1 0 0 0

9、-1 +1 0 0 0 +1 +1 0 0 +1 -1 0 0 -1譯成 0 0 0 0 2.雙相碼：又稱曼徹斯特（Manchester）碼編碼規(guī)則：001(一個周期的正負對稱方波)；110 (反向波形)例如：消息碼： 1 1 0 0 1 0 1雙相碼：10 10 01 01 10 01 10特點：是否含有位定時信息；是否有直流分量；編譯碼是否簡單；缺點是什么？6.3 數(shù)字基帶信號傳輸與碼間串擾6.3.1數(shù)字基帶信號傳輸系統(tǒng)的組成工作原理：6.3.2 基帶傳輸系統(tǒng)的碼間串擾產(chǎn)生該誤碼的原因： 信道加性噪聲和頻率特性不理想引起的波形畸變。基帶傳輸系統(tǒng)的數(shù)學模型如圖所示：右邊第一項是確定信息ak的

10、依據(jù)；第二項：ak之外其他碼元在抽樣時刻的“貢獻”，對當前碼元ak的判決起著干擾的作用，稱之為碼間串擾值（隨機）；第三項：輸出噪聲在抽樣瞬間的值，顯然是一個隨機干擾。若要獲得良好性能碼間干擾和噪 聲的綜合影響足夠小將碼干和噪 聲分開考慮 先n(t)=0（無噪聲 設(shè)計H()分析碼干無碼干 分 析Pe6.4 無碼間串擾的基帶傳輸特性1.碼間干擾產(chǎn)生的原因： 系統(tǒng)傳輸總特性不理想，導致前后碼元的波形畸變并使前面波形出現(xiàn)很長的拖尾，從而對當前碼元的判決造成干擾。2.消除碼間串擾的基本思想 在t0、Ts+ t0 、2Ts +t0碼元抽樣判決時刻上其它相鄰碼元的取值正好為0，就能消除碼間串擾，如下圖所示：

11、3.無碼間串擾的頻域條件無碼干的頻域條件其中Heq()為等效理想低通上條件稱為奈奎斯特(Nyquist)第一準則 物理意義： 將H()在 軸上左右平移以2/Ts的倍數(shù)，在(-/Ts, /Ts)區(qū)間內(nèi)疊加的結(jié)果應當為一直線(常數(shù)),當以1/ Ts速率傳輸基帶信號時，無碼間串擾。如何判斷一個系統(tǒng)能否實現(xiàn)無碼間串擾傳輸？4.無碼間串擾的傳輸特性的設(shè)計(1)具有理想低通特性的基帶系統(tǒng)例：用一系列沖激信號d(t)（ 110）來通過該理想LPF，則LPF的輸出gR(t)形成一系列抽樣函數(shù)波形。理想低通傳輸特性的帶寬1/2Ts稱為奈奎斯特帶寬,將系統(tǒng)無碼間干擾的最高傳輸速率1/Ts稱為奈奎斯特速率。問若RB

12、1/Ts, RBP(0) 若P(1) P(0)6.6 眼圖一種實驗方法 眼圖是指利用實驗的方法估計和改善（通過調(diào)整）傳輸系統(tǒng)性能時在示波器上觀察到的一種圖形。 觀察眼圖的方法：調(diào)整示波器掃描周期，使To=Tb這時示波器屏幕上看到的圖形像人的眼睛，故稱為“眼圖”。從“眼圖”上可以觀察出碼間串擾和噪聲的影響，從而估計系統(tǒng)優(yōu)劣程度。碼間串擾越大，眼圖越小，且越不端正；噪聲越大，線跡越寬，越模糊。眼圖模型：最佳抽樣時刻對定時誤差的靈敏度噪聲容限抽樣失真過零點失真判決門限電平6.7.1 部分響應系統(tǒng) 為了消除碼間串擾，要求把基帶傳輸系統(tǒng)的總特性H()設(shè)計成：理想低通特性。等效理想低通傳輸特性升余弦頻率特

13、性問題：能否找到一種頻帶利用率既高、“尾巴”衰減又大、收斂又快的傳輸波形呢？部分響應波形部分響應系統(tǒng) 6.7 部分響應系統(tǒng)與時域均衡部分響應系統(tǒng)的基本原理 Sa(x)波形具有理想矩形頻譜?，F(xiàn)將兩個時間上相隔一個碼元Tb的Sa(x)波形相加，則得可見，除了在相鄰t=Tb/2的取樣時刻g(t)1外，其余的取樣時刻上， g(t)具有等間隔零點。顯然， g(t)的頻譜G()限制在(-/Tb ，/Tb)內(nèi)，且呈緩變的半余弦濾波特性。波形g(t)的拖尾幅度與t2成反比，比由理想低通形成的h(t)衰減大，收斂也快。如果碼元傳輸率是1/Tb,頻帶利用率：能否以碼元速率1/Tb無碼間干擾傳輸？可見用g(t)作為

14、傳送波形，且傳送速率為1/Tb時，在抽樣時刻:發(fā)送碼元與其前后碼元相互干擾，而與其它碼元不發(fā)生干擾。這種“干擾”是確定的，在收端可以消除掉，故仍可按1/Tb傳輸速率傳送碼元。設(shè)輸入的二進制碼元序列為ak，ak在抽樣點上的取值為+1和-1，則當發(fā)送碼元ak時，接收波形g(t)在抽樣時刻的取值為:式中，ak-1表示ak前一碼元在第k個時刻上的抽樣值。不難看出，ck將可能有-2、0及+2三種取值。 顯然，如果前一碼元ak-1已經(jīng)判定，則碼間串擾被利用（或者說被控制）。問題：上述判決方法雖然在原理上是可行的，但可能會造成誤碼傳播（差錯傳播）。相關(guān)編碼：為了得到預期的部分響應信號頻譜預編碼：解除了碼元之

15、間的相關(guān)性解決差錯傳播：模2判決第I類部分響應系統(tǒng)組成框圖例： ak 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1bk-1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1bk 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0Ck 0 2 0 0 2 2 2 0 -2 0 0ak 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1判決規(guī)則：6.7.2 時域均衡實際的基帶傳輸系統(tǒng)不可能完全滿足無碼干傳輸條件，當串擾嚴重時，必須對系統(tǒng)的傳輸函數(shù)進行校正，使其達到或接近無碼間串擾要求的特性。理論和實踐表明，在基帶系統(tǒng)中插入一種可調(diào)濾波器就可以補償整個系統(tǒng)的幅頻和相頻特性，從而減小碼間串擾的影響。這個對系統(tǒng)校正的過程稱為均衡，實現(xiàn)均衡的濾波器稱為均衡器。均衡方式 1） 頻域均衡：從頻率響應考慮，使包括均衡器在內(nèi)