文元美现代通信原理课件第4章__数字信号的基带传输_2

1、数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理第第 4 4 章章 数字信号的基带传输数字信号的基带传输 4.1 数字基带信号数字基带信号 4.2 数字基带传输系统数字基带传输系统 4.3 无码间串扰的基带传输系统无码间串扰的基带传输系统 4.4 眼图眼图 4.5 时域均衡原理时域均衡原理 4.6 部分响应技术部分响应技术 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理数字基带传输系统的基本结构 信道 信号形成 发送滤波器 接收滤波器 抽样判决 噪声 位同步提取 恢复后的 数字基带信号 信源 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理4.1 数字基带信号数字基带信号 4.1.1 数字基带信号

2、的常用码型数字基带信号的常用码型 传输码型的选择，主要考虑以下几点： (1) 码型中低频、 高频分量尽量少； (2) 码型中应包含定时信息， 以便定时提取； (3) 码型变换设备要简单可靠； (4) 码型具有一定检错能力，若传输码型有一定的规律性，则就可根据这一规律性来检测传输质量，以便做到自动监测数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理 (5) 编码方案对发送消息类型不应有任何限制， 适合于所有的二进制信号。这种与信源的统计特性无关的特性称为对信源具有透明性； (6) 低误码增殖； (7) 高的编码效率。 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理ttttttttt01000011

3、000001010二进制代码(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)数字基带信号码型(a)单极性(NRZ)码 ；(b) 双极性(NRZ)码；(c) 单极性(RZ)码； (d) 双极性(RZ)码；(e) 差分码；(f) 交替极性码(AMI)； (g) 三阶高密度双极性码(HDB3)；(h) 分相码；(i) 信号反转码(CMI) 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理1. 单极性不归零单极性不归零(NRZ)码码 (1) 发送能量大，有利于提高接收端信噪比； (2) 在信道上占用频带较窄； (3) 有直流分量，将导致信号的失真与畸变；且由于直流分量的存在，无法使用一些交流耦合的

4、线路和设备； (4) 不能直接提取位同步信息； (5) 接收单极性NRZ码的判决电平应取“1”码电平的一半。 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理2. 双极性不归零双极性不归零(NRZ)码码 (1) 从统计平均角度来看，“1”和“0”数目各占一半时无直流分量， 但当“1”和“0”出现概率不相等时，仍有直流成份； (2) 接收端判决门限为0， 容易设置并且稳定， 因此抗干扰能力强； (3) 可以在电缆等无接地线上传输。 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理3. 单极性归零单极性归零(RZ)码码 在传送“1”码时发送1个宽度小于码元持续时间的归零脉冲；在传送“0”码时不发送脉冲

5、。其特征是所用脉冲宽度比码元宽度窄，即还没有到一个码元终止时刻就回到零值，因此，称其为单极性归零码。脉冲宽度与码元宽度Tb之比/Tb叫占空比。单极性RZ码与单极性NRZ码比较， 除仍具有单极性码的一般缺点外，主要优点是可以直接提取同步信号可以直接提取同步信号。此优点虽不意味着单极性归零码能广泛应用到信道上传输，但它却是其它码型提取同步信号需采用的一个过渡码型。 即它是适合信道传输的，但不能直接提取同步信号的码型， 可先变为单极性归零码，再提取同步信号。 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理4. 双极性归零双极性归零(RZ)码码 (1) 在“1”、“0”码不等概率情况下， 也无直流成分

6、， 且零频附近低频分量小。 因此，对具有变压器或其它交流耦合的传输信道来说，不易受隔直特性影响。 (2) 若接收端收到的码元极性与发送端完全相反， 也能正确判决。 (3) 只要进行全波整流就可以变为单极性码。 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理5. 5. 差分码差分码数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理6. 交替极性码交替极性码(AMI)数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理7. 三阶高密度双极性码三阶高密度双极性码(HDB3) 当信码序列中加入破坏脉冲以后，信码B和破坏脉冲V的正负必须满足如下两个条件： 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理 (1) B

7、码和V码各自都应始终保持极性交替变化的规律，以便确保编好的码中没有直流成分。 (2) V码必须与前一个码(信码B)同极性，以便和正常的AMI码区分开来。如果这个条件得不到满足，那么应该在四个连“0”码的第一个“0”码位置上加一个与V码同极性的补信码，用符号B表示。此时B码和B码合起来保持条件(1)中信码极性交替变换的规律。 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理HDB3数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理8. 分相码分相码 数字双相码又称Manchester码，其编码规则是：将信息代码0编码为线路码“01”；信息代码1编码为线路码“10”(也可以将信息代码0、1的编码规则反之

8、)。 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理9. 传号反转码传号反转码(CMI) CMI码的编码规则是：将信息代码码的编码规则是：将信息代码0编码为线路码编码为线路码“01”；信息代码；信息代码1编码为线路码编码为线路码“11”与与“00”交替出交替出现。现。 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理10. 多进制码多进制码 四进制代码波形 01231011011000t(a)(b)013-1-31110010100t数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理用数字电路实现码型之间的变换用数字电路实现码型之间的变换1、AMI HDBAMI HDB3 3（分立元件或专用芯片）2

9、、单极性不归零码单极性不归零码 单极性归零码单极性归零码 单极性不归零码单极性不归零码 单极性归零码单极性归零码 a-单极性不归零码 b-码元同步脉冲 c-单极性归零码abc 与 b a c 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理单极性不归零码单极性不归零码 单极性归零码单极性归零码 Q-单极性不归零码 cp-码元同步脉冲 D-单极性归零码用D触发器实现 状态方程为： cp D Q DcpQ D 触发器DQn1数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理3 3、单极性不归零码、单极性不归零码 差分码差分码单极性不归零码单极性不归零码 差分码差分码用J-K触发器实现 状态方程为： a-

10、单极性不归零码 cp-码元同步脉冲 Q-单极性归零码 cp a cp Q J=1cpQ J-k 触发器nnnnnQQKJQKQJQ111;则取K=1与cpa数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理单极性不归零码单极性不归零码 差分码差分码用异或门实现 状态方程为： cp CK DK 异或1KKKDCD延时CkDk数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理差分码差分码 单极性不归零码单极性不归零码用异或门实现 状态方程为： cp CK DK 异或1KKKDDC延时DKCk数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理4.1.2 数字基带信号功率谱数字基带信号功率谱 TWFwPTTf2)

11、()(lim 随机过程的频谱特性是用它的功率谱密度来表述的。我们知道，随机过程中的任一实现任一实现是一个确定的功率型信号，而对于任意的确定功率信号f(t)，它的功率谱密度为过程的功率谱密度过程的功率谱密度应看做是任一实现的功率谱的统计平均，即 TWFTfwPTwPE2)()(lim)(数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理数字基带信号的一般数学表达式数字基带信号的一般数学表达式 设二进制的随机脉冲序列如图 （a）所示。 其中，假设g1(t) 表示“0”码，g2(t) 表示“1”码。g1(t)和g2(t)在实际中可以是任意的脉冲，但为了便于在图上区分，这里我们把g1(t)画成宽度为Ts的

12、方波方波，把g2(t)画成宽度为Ts的三角波三角波。 现在假设序列中任一码元时间Ts内g1(t)和g2(t)出现的概率分别为P和1-P，且认为它们的出现是统计独立的，则s(t)可用下式表征。即。时，概率为出现；时，概率为出现P10)(P1)()()()(21bbbnbnTtgnTtgnTtgnTtgtS数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理g2(t 4Ts)g1(t 3Ts)g1(t 2Ts)g2(t Ts)g (t)g1 (t)g2(t Ts)g2(t 2Ts)ttO Ts2Ts2O Ts2 TsTs2Tsv(t)tOu(t)(a)(b)(c)随机脉冲序列示意波形数字信号的基带传输

13、2022-6-17通信原理 为了使频谱分析的物理概念清楚，推导过程简化，我们可以把s(t)分解成稳态波v(t)和交变波u(t)。 所谓稳态波，即是随机序列s(t)的统计平均分量，它取决于每个码元内出现g1(t)、 g2(t)的概率加权平均，且每个码元统计平均波形相同，因此可表示成 其波形如图 (b)所示， 显然v(t)是一个以Ts为周期的周期函数。 nbbnTtgPnTtPgtV)()1 ()()(21数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理交变波u(t)是s(t)与v(t)之差， 即 u(t)=s(t)-v(t)或者写成显然u(t)是随机脉冲序列 ，图 （c）画出了u(t)的一个实现。

14、 出现以概率（出现以概率P1),()()1)()1 ()()(P),()()1 ()()1 ()()()(2121221211bbbbbbbbbbnnTtgnTtgPnTtgPnTtPgnTtgnTtgnTtgPnTtgPnTtPgnTtgtu出现以概率，出现以概率其中P1P,1)()()(u21PPanTtgnTtgatnbbnn数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理下面我们根据上两式， 分别求出稳态波v(t)和交变波u(t)的功率谱，将两者的功率谱合并起来就可得到随机基带脉冲序列s(t)的频谱特性1、v(t)的功率谱密度pv(f)由于V(t)是以Tb为周期的周期信号，故可展开成傅氏

15、级数，然后根据周期信号功率谱密度与傅氏系数的关系得到V(t)的功率谱。稳态波是离散线谱，根据离散谱可确定随机序列是否含有直流分量和定时分量。2、U(t)功率谱密度pu(f)U(t)是功率型随机脉冲序列，它的功率谱密度可用截短函数和求统计平均的方法来求。交变波的功率谱是连续谱，与g1(t)、g2(t)的频谱以及出现的概率有关。根据连续谱可确定随机序列的带宽。3、s(t)=u(t)+v(t)的功率谱密度p(f)数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理假设随机脉冲序列为假设随机脉冲序列为 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理从上式我们可以得出如下结论： 单极性不归零信号单极性不归零信

16、号 若假设g1(t)=0, g2(t)为门函数，且p=1/2,则功率谱密度为只有连续谱和直流分量。数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理双极性不归零信号双极性不归零信号 当P=1/2时，双极性信号的谱密度为 )()(2babxfTSTPmbbabxmffmfTSTP)()(4)(4)(222)()(22fTSTPbabx单极性归零码谱密度单极性归零码谱密度 双极性归零码谱密度双极性归零码谱密度 动画演示是占空比数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理根据信号功率的90%来定义带宽B， 则有 dPdPxxBB)(21)90. 0()(2122 利用数值积分，由上式可求得双极性归零信

17、号和单极性归零信号的带宽近似为 1B数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理4.1.3 码型变换的基本方法码型变换的基本方法 1. 码表存储法码表存储法 图 4 3 码表存储法方框图 串/并移位寄存器待变换码流PROM(模式控制)A0Am-2AmDnDn-1Dn-2D0D1(M1)(M2)并/串移位寄存器已变换码流A1Am-1Dn-3数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理2. 布线逻辑法布线逻辑法 图 4 4 布线逻辑法方框图 并/串行变换移位寄存器已变换码流布线逻辑串/并行变换移位寄存器待变换码流数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理图 4 - 5CMI编/译码器及各点

18、波形(a)CMI码编码器电路； (b) CMI码译码器电路； (c) 各点波形 NRZ码输入DQQCP0CP时钟CMI码输出(a)QDCP1NRZ码输出延时T1定时提取相位调整CMI码输入cdba(b)CPNRZ01011001abCMI0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 00 1 1 1T1cdCP101011001NRZ(c)11&1&数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理 3. 单片单片HDB3编译码器编译码器 近年来出现的HDB3编码器采用了CMOS型大规模集成电路CD22103， 该器件可同时实现HDB3编、译码，误码检测及AIS码检出等功能。主要特点有：

19、 编、译码规则符合CCITT G.703建议， 工作速率为50 kb/s10 Mb/s； 有HDB3和AMI编、 译码选择功能； 接收部分具有误码检测和AIS信号检测功能； 所有输入、 输出接口都与TTL兼容； 具有内部自环测试能力。 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理图 4 - 6CD22103 引脚及内部框图 12345678910111213141516VDD+HDB3-OUT-HDB3-OUT-HDB3-INLTE+HDB3-INCKRERRVSSAISRAISCRXNRZ-OUTHDB3/AMICTXNRZ-INCD22103编码译码AIS检出误码检出环回CRXCTXNR

20、Z-INRAISHDB3/AMILTE-HDB3-IN+HDB3-IN+HDB3-OUT-HDB3-OUTCKRNRZ-OUTERRAIS&数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理图 4 7 实用HDB3编/译码电路 HDB3OUTHDB3OUTHDB3INHDB3INAISCKRCTXNRZINNRZOUTRAISCRXVSSVDD5VHDB3 AMI至单/双变换自ATC、整形电路至AIS告警至时钟提取、中断检出电路LTEF3F1F2F4R1C12MCLKRAISCLKDR2(至收逻辑)2MCLKXDX2(自CRC编码)1111数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理4.

21、 缓存插入法缓存插入法 图 4 8 缓存插入法框图 Q1Q2Qn已变换码流缓冲寄存器已变换时钟待变换码流待变换频率时钟时序分配器插入码(1) 插入码(2)时序分配器Qn-1数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理4.2 数字基带传输系统数字基带传输系统 4.2.1 数字基带系统的基本组成数字基带系统的基本组成 数字基带传输系统方框图数字基带传输系统方框图 脉冲形成器发送滤波器信道接收滤波器抽样判决抽样判决码元再生定时脉冲噪声n(t)gT(t)d(t)同步提取电路CPGT()C()GR()y(t)输入dk输出dk 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理基带传输系统各点的波形 数字信

22、号的基带传输 2022-6-17通信原理码间串扰示意图 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理4.2.2 基带传输系统的数学分析基带传输系统的数学分析 基带传输系统简化图 )()()()(RTGCGH)()(bkkkTtatd 假定输入基带信号的基本脉冲为单位冲击(t)，这样发送滤波器的输入信号可以表示为 H()抽样判决y(t)d(t)输出基带信号数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理其中ak是第k个码元，对于二进制数字信号，ak的取值为0、 1(单极性信号)或-1、+1(双极性信号)。由图可以得到 kRbktnkTthaty)()()(式中h(t)是H()的傅氏反变换，是系统

23、的冲击响应，可表示为 deHthtj)(21)(nR(t)是加性噪声n(t)通过接收滤波器后所产生的输出噪声。 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理 抽样判决器对y(t)进行抽样判决，以确定所传输的数字信息序列ak。为了判定其中第j个码元aj的值，应在t=jTb+t0瞬间对y(t)抽样，这里t0是传输时延，通常取决于系统的传输函数H()。 显然，此抽样值为 kkbRbkkbRbkkbRbbkbtjTntTkjhatajhtjTntTkjhatjTnkTtjThatjTy)()0()()()(0000000）（）（数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理4.2.3 码间串扰的消除

24、码间串扰的消除 jkbktTkjha0)(0理想的传输波形 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理4.3 无码间串扰的基带传输系统无码间串扰的基带传输系统 (1) 基带信号经过传输后在抽样点上无码间串扰， 也即瞬时抽样值应满足： 0)( 1)(0或其它常数tTkjhbkjkj令k=j-k， 并考虑到k也为整数，可用k表示， 01)(0tkThb00kk数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理 (2) h(t)尾部衰减快。 从理论上讲，以上两条可以通过合理地选择信号的波形和信道的特性达到。下面从研究理想基带传输系统出发，得出奈奎斯特第一定理及无码间串扰传输的频域特性H()满足的条件

25、。 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理 4.3.1 理想基带传输系统理想基带传输系统 理想基带传输系统的传输特性具有理想低通特性， 其传输函数为 0)( 1)(或其它常数H22bb 如图4-14(a)所示，其带宽B=(b/2)/2=fb/2(Hz)，对其进行傅氏反变换得 )2(221)(21)(22BtBSdedeHthaBBtjtj数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理理想基带传输系统的H()和h(t) 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理 如果信号经传输后整个波形发生变化，但只要其特定点的抽样值保持不变，那么用再次抽样的方法(这在抽样判决电路中完成)，仍然可以

26、准确无误地恢复原始信码，这就是奈奎斯特第一准则(又称为第一无失真条件)的本质。 在图4 - 14所表示的理想基带传输系统中，各码元之间的间隔Tb=1/(2B)称为奈奎斯特间隔， 码元的传输速率RB=1/Tb=2B 。 所谓频带利用率是指码元速率RB和带宽B的比值，即单位频带所能传输的码元速率，其表示式为 )/(/HzBaudBRB频带利用率数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理H()的分割 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理4.3.2 无码间串扰的等效特性无码间串扰的等效特性 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理由于h(t)是必须收敛的，求和与求积可互换，得 de

27、TiHkThbbbkTjTTibb 221)(02)(bibeqTTiHHbbTT数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理4.3.3 升余弦滚降传输特性升余弦滚降传输特性 升余弦滚降传输特性H()可表示为 )()()(10HHH H()是对截止频率b的理想低通特性H0()按H()的滚降特性进行“圆滑”得到的，H1()对于b具有奇对称的幅度特性，其上、下截止角频率分别为b+1、b-1。它的选取可根据需要选择，升余弦滚降传输特性H1()采用余弦函数， 此时H()为 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理显然，它满足(4-19)式，故一定在码元传输速率为fb=1/Tb时无码间串扰。它所

28、对应的冲击响应为 221cossin)(bbbbTtTtTtTtth数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理升余弦滚降传输特性 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理不同值的频谱与波形 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理 (1) 当=0，无“滚降”，即为理想基带传输系统，“尾巴”按1/t的规律衰减。当0，即采用升余弦滚降时，对应的h(t)仍旧保持t=Tb开始，向右和向左每隔Tb出现一个零点的特点，满足抽样瞬间无码间串扰的条件， 但式(4-23)中第二个因子对波形的衰减速度是有影响的。在t足够大时，由于分子值只能在+1和-1间变化，而在分母中的1与(2t/Tb)2 比较

29、可忽略。 因此，总体来说， 波形的“尾巴”在t足够大时，将按1/t3的规律衰减，比理想低通的波形小得多。此时，衰减的快慢还与有关，越大，衰减越快， 码间串扰越小，错误判决的可能性越小。 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理 (2) 输出信号频谱所占据的带宽B=(1+)fb/2，当=0时， B=fb/2，频带利用率为2Baud/Hz，=1时，B=fb，频带利用率为1 Baud/Hz；一般=01时，B=fb/2fb，频带利用率为21 Baud/Hz。可以看出越大，“尾部”衰减越快，但带宽越宽，频带利用率越低。因此，用滚降特性来改善理想低通， 实质上是以牺牲频带利用率为代价换取的。 数字信

30、号的基带传输 2022-6-17通信原理(3) 当=1时， 有 ,02cos12)(bbTTH为其它值bT2221cossin)(bbbbTtTtTtTtth数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理4.3.4 无码间串扰时噪声对传输性能的影响无码间串扰时噪声对传输性能的影响 1. 误码率误码率Pe的两种表示方式的两种表示方式 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理2. Pe与与关系曲线关系曲线 Pe与曲线 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理 图给出了单、双极性Pe的关系曲线，从图中可以得出以下几个结论： (1) 在信噪比相同条件下， 双极性误码率比单极性低， 抗干扰性

31、能好。 (2) 在误码率相同条件下， 单极性信号需要的信噪功率比要比双极性高3dB。 (3) Pe曲线总的趋势是，Pe，但当达到一定值后，Pe将大大降低。 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理 3. Pe与码元速率与码元速率Rb的关系的关系 从Pe的关系式中无法直接看出Pe与Rb的关系，但，B与fb有关，且成正比，因此当Rb时，B，Pe。 这就是说，码元速率Rb(有效性指标)和误码率Pe (可靠性指标)是相互矛盾的。 Bnn02数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理4.4 眼眼 图图 基带信号波形及眼图 动画演示 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理眼图照片 数字信

32、号的基带传输 2022-6-17通信原理眼图的模型 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理 (1) 最佳抽样时刻应选择在眼图中眼睛张开的最大处。 (2) 对定时误差的灵敏度，由斜边斜率决定，斜率越大，对定时误差就越灵敏。 (3) 在抽样时刻上，眼图上下两分支的垂直宽度，都表示了最大信号畸变。 (4) 在抽样时刻上，上、下两分支离门限最近的一根线迹至门限的距离表示各自相应电平的噪声容限，噪声瞬时值超过它就可能发生判决差错。 (5) 对于信号过零点取平均来得到定时信息的接收系统，眼图倾斜分支与横轴相交的区域的大小，表示零点位置的变动范围， 这个变动范围的大小对提取定时信息有重要影响。 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理4.5 时域均衡原理时域均衡原理 时域均衡基本波形 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理横向滤波器方框图 TbTbTbTbTbTb来自接收滤波器x(t)CNCN2CN1CN去判决电路C N1C N2g(t)数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理横向滤波器工作原理 数字信号的基带传输 2022-6-17通信原理 x(t)经过延迟后，在q点和r点分别得到x(t-T)和x(t-2T)， 如图4-29(c)和(d)