數(shù)字信號的基帶傳輸2

4.3數(shù)字基帶傳輸?shù)耐健⒔獯a“同步問題”“解碼問題”發(fā)送端2進(jìn)制序列…100110101…基帶碼型碼型變換及編碼信道接收端基帶通信系統(tǒng)中，發(fā)送端和接收端之間沒有時鐘信號相連，接收端為恢復(fù)發(fā)送端發(fā)送的二進(jìn)制序列，必須解決：1、位同步位同步：設(shè)法從接收波形中恢復(fù)發(fā)送端的時鐘信號（單個位或bit的同步問題）位同步方法：自同步法外同步法濾波法數(shù)字鎖相法1）自同步曼徹斯特碼的自同步時鐘入

A發(fā)送碼入C

1101001AC異或門輸出

DD（以太網(wǎng)802.3–10M系統(tǒng)采用的自同步法）發(fā)送端電路整形：當(dāng)有脈沖（正/負(fù)）觸發(fā)時，整形電路以該觸發(fā)時刻為起點(diǎn)，產(chǎn)生一定時間長度的正脈沖，在該正脈沖持續(xù)時間內(nèi)，不再接受新的脈沖觸發(fā)。觸發(fā)脈沖正向整形輸出此脈沖無觸發(fā)作用

1

101001ABCE微分正相整形全波整流3/4T單穩(wěn)整形整形與門ABCDFGDEFG

1

101001接收端電路E微分正相整形全波整流3/4T單穩(wěn)整形整形與門ABCDFG接收端電路曼徹斯特碼自同步的相位不確定問題11

11001ABCDEFG

0

001001上述位解碼錯誤的原因：碼序列的首位碼不為“1”。故在10M以太網(wǎng)中，傳一幀之前會有7個8bit的前導(dǎo)碼序列（共56bit），每個8bit的內(nèi)容是：“10101010”，保證碼序列的首位碼為“1”。802.3的幀結(jié)構(gòu)：前導(dǎo)碼序列/幀開始標(biāo)志/目的地址/源地址/數(shù)據(jù)/填充/校驗和（7字節(jié)）（1字節(jié)）

10101011（幀同步字節(jié)內(nèi)容）2）外同步法在發(fā)送數(shù)據(jù)前先向接收端發(fā)一串同步時鐘信號（101010…），接收端按接收到的時鐘脈沖頻率調(diào)整并鎖定自己的時鐘，以達(dá)成同步。外同步法的優(yōu)點(diǎn)：實現(xiàn)簡單外同步法的缺點(diǎn)：每幀都占用傳輸時間，降低信道帶寬利用率3）濾波法將輸入信號經(jīng)過微分、全波整流后，可得到一系列窄脈沖。這些窄脈沖中含有同發(fā)送端時鐘頻率一致的成分，用窄帶濾波器可以將這一頻率成分提取出來再通過過零檢測就可以在接收端恢復(fù)發(fā)送端時鐘。

1101001010接收波形微分后波形全波整流后波形窄帶濾波后波形過零檢測后提取發(fā)送端時鐘波形4）數(shù)字鎖相法接收端利用高頻穩(wěn)晶振分頻后的信號驅(qū)動計數(shù)器（例如采用n次計數(shù)）產(chǎn)生接收端本地時鐘。數(shù)字鎖相的作用是對接收端本地時鐘加以微調(diào)微調(diào)可以通過增加或減少計數(shù)次數(shù)n來實現(xiàn)由于通信雙方采用的標(biāo)稱時鐘周期實事可知，故接收端能夠保證產(chǎn)生的本地時鐘與發(fā)送端時鐘近似。只是因為器件誤差等原因，實際產(chǎn)生的時鐘周期不可能與標(biāo)稱時鐘周期完全一致N=5N=3N=6接收到的信號經(jīng)過微分、整形后所獲得的脈沖序列被稱為定時序列。11101001000110A-A碼元周期T微分整形定時序列定時序列中兩相鄰脈沖間的時間間隔是發(fā)送端時鐘周期（或半周期）的整數(shù)倍。故可用來調(diào)整接收端的計數(shù)次數(shù)n。定時序列中的每一個脈沖都會觸發(fā)接收端本地計數(shù)器清零并開始計數(shù)，每計數(shù)n次產(chǎn)生一個接收端本地時鐘脈沖。如果n次計數(shù)計滿之前又有一個定時序列的觸發(fā)脈沖到來，說明n的值大將n減1，同時收端本地計數(shù)器清零并開始以減1后的n計數(shù)產(chǎn)生時鐘上次計數(shù)的n0清零，n=n-1，重新計數(shù)0定時序列計數(shù)序列產(chǎn)生接收端本地時鐘脈沖如果在某n次計數(shù)計滿之后，下一個n次計數(shù)計滿之前，有一個定時序列的觸發(fā)脈沖到來，說明n值小n加1，同時收端本地計數(shù)器清零并開始以加1后的n計數(shù)。n0清零，n=n+1，重新計數(shù)0定時序列計數(shù)序列產(chǎn)生接收端本地時鐘脈沖如果在多個計數(shù)時間段內(nèi)始終沒有接收到定時序列的觸發(fā)脈沖信號接收端按照先前調(diào)整得到的n值自主產(chǎn)生接收端本地時鐘信號。n0定時序列計數(shù)序列自主產(chǎn)生本地時鐘脈沖自主產(chǎn)生本地時鐘脈沖計數(shù)序列2、位解碼在位同步的前提下，根據(jù)解碼規(guī)則解出該位或bit所代表的二進(jìn)制碼（0或1）位解碼的方法很多最簡單的位解碼方法是門限法采樣時刻采樣時刻判決門限g10采樣時刻采樣時刻判決門限g+10判決門限g-3、幀同步發(fā)送端發(fā)送的信息往往具有幀結(jié)構(gòu)的（如以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)）幀解碼：在位同步的前提下，根據(jù)幀協(xié)議：正確定位幀起始和幀結(jié)束時刻獲得位解碼得到的二進(jìn)制碼的含義確認(rèn)接收到幀的正確性在網(wǎng)絡(luò)中，位同步和位解碼是物理層的問題，幀同步和幀解碼是鏈路層的問題幀同步頭的選取，幀同步碼是特殊的碼組（巴克碼）該碼組在信息碼序列中不易出現(xiàn)，以便識別。該碼組相應(yīng)的識別器應(yīng)盡量簡單。目前最常用的幀同步碼組是巴克碼常用的幀同步方法：逐碼移位法置位同步法2位巴克碼：11，013位巴克碼：1104位巴克碼：1110，11015位巴克碼：111017位巴克碼：111001011位巴克碼：1110001001013位巴克碼：11111001101011）逐碼移位法定義一個滑窗，長度為同步碼的長度如果某個時該窗口中獲得的碼組與同步碼組相同，則表示達(dá)到同步如果不同，則將該窗口向后滑動一位重復(fù)上述步驟，直到達(dá)到幀同步。接收碼序列：01110000101011111110初始窗口右移1位后窗口右移2位后窗口找到幀同步頭同步碼組為1102）置位同步法設(shè)置接收緩沖器，緩沖器的字節(jié)長度與幀同步碼組的長度相同通過比較器實時比較緩沖器與同步碼緩沖器接收碼序列

…比較器（與幀同步碼組）比較輸出幀起始信號接收碼序列位同步得到的位定時時鐘3）假同步問題幀序列中的信息碼組有可能與幀同步碼組相同，存在假同步問題。通信系統(tǒng)利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖解決假同步問題同步態(tài)失步態(tài)搜索校核態(tài)2搜索校核態(tài)1同步保護(hù)態(tài)2同步保護(hù)態(tài)1檢測到一次失步檢測到一次同步檢測到一次同步檢測到一次失步檢測到一次同步檢測到一次同步檢測到一次失步檢測到一次失步檢測到一次失步檢測到一次同步失步態(tài)如連續(xù)檢測到3次同步，則進(jìn)入同步態(tài)。同步態(tài)如連續(xù)檢測到3次失步，則進(jìn)入失步態(tài)。同步保護(hù)態(tài)檢測到一次同步則進(jìn)入同步態(tài)?？偨Y(jié)：盡可能保持現(xiàn)有同步，一旦失步，則謹(jǐn)慎地判斷是否再次進(jìn)入同步態(tài)。4.4波形傳輸?shù)臒o失真條件矩形波的頻帶是無限延展的，而信道的帶寬一般是有限的且不是銳截止的。矩形脈沖在通過信道之后，波形會有一定的失真。較小的波形失真對二元碼和三元碼的影響不大，只是抗噪聲性能有所下降?！硐脘J截止信道真實信道矩形波頻譜信道頻譜經(jīng)信道傳輸后頻譜www理想低通信道和實際信道

的頻域特征研究波形傳輸?shù)氖д鎲栴}，將基帶傳輸?shù)南到y(tǒng)框圖抽象為下圖信源基帶編碼波形生成信道接收濾波再生同步碼型譯碼s(t)S(w)將波形生成、信道、接收濾波器看成一個系統(tǒng)系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)：s(t)，頻譜：S(w)。系統(tǒng)的輸入：二進(jìn)制“1，0”序列（基帶編碼形成）序列記為：m1、m2、m3、…，其中，mk=0或1，k=1，2，3，…數(shù)學(xué)上輸入序列m(t)可以表示為

m(t)=m1(t-T)+m2(t-2T)+m3(t-3T)+…1、奈奎斯特第一準(zhǔn)則：采樣值無失真發(fā)端波形經(jīng)傳輸?shù)竭_(dá)收端后，整個波形會發(fā)生變化，但只要在特定的采樣點(diǎn)上幅度值不變，則收端可以通過再次采樣的方法準(zhǔn)確無誤地恢復(fù)原始信碼。由圖，第1個碼元的波形在第2個碼元波形的采樣點(diǎn)上沒有產(chǎn)生串?dāng)_。采樣值無失真條件：任何碼元生成的波形在自己的采樣點(diǎn)上不為零，而在其他碼元的采樣點(diǎn)上為零。即要求s(t)滿足：

s(0)=s0

而s(kT)=0k=±1，±2，…

從頻域分析：上述公式的含義為：在頻率軸w上，將頻譜S(w)的實部和虛部以2/T為間隔切開，然后將多個間隔的分段頻譜都移到(-/T，/T)區(qū)間上并完成疊加。要求實部疊加的結(jié)果為常數(shù)，虛部疊加的結(jié)果為0。例如：-/T

/T3/T-3/T-/T

/T疊加后結(jié)果-/T

/T3/T-3/T-/T

/T疊加后結(jié)果Re[S(w)]Im[S(w)]wwS0T舉例：可以看出，上述三種（0，0.5，1.0）的頻譜均滿足采樣無失真條件

=0為理想信道（不可能實現(xiàn)）

=0.5及1.0為實際信道由奈奎斯特第一準(zhǔn)則，上述三種信道均可以碼速率1/T來傳輸碼元?？梢?，對理想低通信道，碼速率為1/T(bit/s)，而帶寬為1/(2T)(Hz)，碼速帶寬比為2，即1M(Hz)的帶寬可以獲得2M(bit/s)的碼速率。而實際信道達(dá)不到，對應(yīng)為0.5和1.0，碼速帶寬比分別為4/3和1，即，用1M(Hz)帶寬可獲得1.33M(bit/s)和1M(bit/s)的碼速率。接收端實際波形：發(fā)送二進(jìn)制碼序列為11接收波形分離顯示接收波形合成顯示發(fā)送端二進(jìn)制碼序列為0,1,0,1,0,0,0,1,1,1,0情況下的接收端波形2、奈奎斯特第二準(zhǔn)則：轉(zhuǎn)換點(diǎn)無失真發(fā)端波形經(jīng)信道傳輸?shù)竭_(dá)收端后，整個波形會發(fā)生變化，可以對接受波形進(jìn)行限幅處理，只要再生脈寬正好等于碼元間隔的矩形波，則收端可以準(zhǔn)確無誤地恢復(fù)原始信碼。紅線為對應(yīng)發(fā)送端第1個二進(jìn)制碼元的接收波形，藍(lán)線為對應(yīng)發(fā)送端第2個二進(jìn)制碼元的接收波形，綠線為通過限幅再生的發(fā)送端碼元脈沖。由于碼元周期為T，每隔T發(fā)一個碼元，故轉(zhuǎn)換點(diǎn)為-T/2，T/2，3T/2，5T/2，…，轉(zhuǎn)換點(diǎn)無失真條件：任何碼元生成的波形在自己的轉(zhuǎn)換點(diǎn)上不為零，而在其他碼元的轉(zhuǎn)換點(diǎn)上為零。即要求s(t)滿足：s(-T/2)=1/2，s(T/2)=1/2而s[(2k-1)T/2]=0，k=±1，±2，…轉(zhuǎn)換點(diǎn)無失真條件：上述公式的含義為：在頻率軸w上，將頻譜S(w)的實部和虛部以2/T為間隔切開，各間隔內(nèi)的分段頻譜乘(-1)n后都移到(-/T，/T)區(qū)間上完成疊加。要求實部疊加的結(jié)果為Tcos(T/2)，虛部疊加的結(jié)果為0。例如：-/T

/T3/T-3/T-/T

/T疊加后結(jié)果-/T

/T3/T-3/T-/T

/T疊加后