ch5.数字信号基带传输系统

1、明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行计算机科学与技术系：计算机科学与技术系：贾伟贾伟E-Mail：JWB1 第第5章章数字信号基带传输数字信号基带传输基带传输系统基带传输系统2噪声源噪声源信信 源源信道编码信道编码信源编码信源编码调调 制制 器器信信 道道解解 调调 器器信信 宿宿信道译码信道译码信源译码信源译码内容内容u数字基带传输系统构成数字基带传输系统构成 u数字基带信号常用码型数字基带信号常用码型 u数字基带信号功率谱数字基带信号功率谱 u数字基带传输中码间串扰数字基带传输中码间串扰u无码间串扰基带传输系统无码间串扰基带传输系统 u噪声对传输性能的影响噪声对传输性能的影响 u眼图眼图

2、u时域均衡时域均衡 u部分响应系统部分响应系统 3明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行计算机科学与技术系：计算机科学与技术系：贾伟贾伟E-Mail：JWB45.1数字基带传输系统构成数字基带传输系统构成 数字基带传输和数字频带传输数字基带传输和数字频带传输u数字基带信号数字基带信号n 来自数据终端的原始数据信号，或者模拟信号经数字化处理后的来自数据终端的原始数据信号，或者模拟信号经数字化处理后的数字信号；频谱都是从零频或零频附近开始数字信号；频谱都是从零频或零频附近开始 ，其功率主要集中在，其功率主要集中在一个有限的频带范围内一个有限的频带范围内 。u数字基带传输数字基带传输n 不经过调制直

3、接进行数字信号的传输称为数字信号的基带传输。不经过调制直接进行数字信号的传输称为数字信号的基带传输。n 一般要进行信道编码（将一般要进行信道编码（将基本码型基本码型编码成在比较适合在信道上传编码成在比较适合在信道上传输的输的线路码型线路码型在广义的调制含义下成为在广义的调制含义下成为编码调制编码调制，与之对应，与之对应的称为载波调制（狭义的调制）。）的称为载波调制（狭义的调制）。）u数字频带传输数字频带传输n 经过调制，利用载波传输调制后的频带信号称为数字信号的频带经过调制，利用载波传输调制后的频带信号称为数字信号的频带传输。传输。5基带传输系统基带传输系统6脉冲形成器输入发送滤波器定时脉冲输

4、出信道信号形成器信道接收滤波器抽样判决器同步提取 n t恢复原恢复原来基带来基带信号信号 ( )RG将原始二进制序列将原始二进制序列变换成比较适合信变换成比较适合信道传输的码型，并道传输的码型，并提供同步定时信息提供同步定时信息将输入的矩形将输入的矩形脉冲变换成适脉冲变换成适合信道传输的合信道传输的波形波形 常为有线信道常为有线信道会引入噪声会引入噪声滤除带外滤除带外噪声，对噪声，对信道特性信道特性进行均衡进行均衡基带传输系统中的波形基带传输系统中的波形7( )RG明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行计算机科学与技术系：计算机科学与技术系：贾伟贾伟E-Mail：JWB85.2 数字基带信号常

5、用码型数字基带信号常用码型 数字基带信号码型设计原则数字基带信号码型设计原则u码型中码型中低频、高频低频、高频分量尽量分量尽量少少。u码型中应码型中应包含定时包含定时信息，以便定时提取。信息，以便定时提取。u码型码型变换设备要简单变换设备要简单可靠。可靠。u码型具有一定码型具有一定检错能力检错能力，若传输码型有一定的规律性，就，若传输码型有一定的规律性，就可根据这一规律性来检测传输质量，以便做到自动检测。可根据这一规律性来检测传输质量，以便做到自动检测。u编码方案对发送消息类型不应有任何限制，适合于所有的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

6、性称为对信二进制信号。这种与信源的统计特性无关的特性称为对信源具有源具有透明性透明性。u低误码增殖低误码增殖，误码增殖是指单个数字传输错误在接收端解，误码增殖是指单个数字传输错误在接收端解码时，造成错误码元的平均个数增加。从传输质量要求出码时，造成错误码元的平均个数增加。从传输质量要求出发，希望它越小越好。发，希望它越小越好。u高的高的编码效率编码效率 9数字基带信号码型分类数字基带信号码型分类u二元码二元码u三元码三元码u多元码多元码u基本码型基本码型n(a)单极性码单极性码n(b)双极性码双极性码n(c)单归零码单归零码n(d)双归零码双归零码n(e)差分码差分码u线路码型线路码型n1.A

7、MI码码(传号交替反转传号交替反转码码)n2.HDB3码码(3阶高密度双阶高密度双极性码极性码)n3.双相码双相码n4.CMI码码(传号反转码传号反转码)n5.nBmB码码n6.多电平码多电平码二二.基本码型基本码型(分类分类)u 在数字基本传输中，基本码型在数字基本传输中，基本码型一般用于设备内部和近距离的传输，或一般用于设备内部和近距离的传输，或用作过渡码型用作过渡码型，一般不用做通信信道上的信号传输（采用线路码）。，一般不用做通信信道上的信号传输（采用线路码）。极性极性单极单极双极双极归归零零不不 归零归零 单极单极 不归零不归零 双极双极 不归零不归零归零归零单极单极 归零归零双极双极

8、 归零归零差分编码差分编码sT归零（归零（RZ）：占空比）：占空比 B时，时，H(f)=0。分三种情况讨论如下：。分三种情况讨论如下：u情况情况1：rs2BBB)( fHBrs2sr2srsrBrsBrssrBrsiseqrifHfH)(无法选择无法选择H(f)确保确保Heq(f)=Ts!奈奎斯特第一准则讨论奈奎斯特第一准则讨论u情况情况2：rs=2B,BB)( fH2sr2srsrsriseqrifHfH)(只有一种只有一种H(f)能导致能导致Heq(f)=Ts!)( , 0,)(其它BfTfHs对应传输带宽最小的情况！对应传输带宽最小的情况！奈奎斯特第一准则讨论奈奎斯特第一准则讨论u情况情

9、况3：rsrs/2的基带传输系统为升余弦滚降特性的基带传输系统为升余弦滚降特性频域条件的物理意义频域条件的物理意义u频域条件的物理意义频域条件的物理意义n将将H( )在在 轴上以轴上以2 /Ts为间隔切开，然为间隔切开，然后分段沿后分段沿 轴平移到轴平移到(- /Ts, /Ts)区间内，区间内，将它们进行叠加，其结果应当为一常数将它们进行叠加，其结果应当为一常数（不必一定是（不必一定是Ts ）。）。 n这一过程可以归述为：一个实际的这一过程可以归述为：一个实际的H( )特性若能等效成一个理想（矩形）低通特性若能等效成一个理想（矩形）低通滤波器，则可实现无码间串扰。滤波器，则可实现无码间串扰。s

10、TsT3sTsT3 H( )0isTiH2是是H(H( ) )移位移位2 2 i/Ti/Ts s再相加而成的，只要检再相加而成的，只要检查在区间（查在区间（- - /T/Ts s， /T/Ts s）上能否叠加出）上能否叠加出一根水平直线即可判断有无码间干扰。一根水平直线即可判断有无码间干扰。速率，划分区间取决于传输2sr第一准则的物理解释第一准则的物理解释例：例： 0sTP( )rs=1/Ts?rs=2/Ts?sT 0P( )sTsTsT2sT2rs=1/Ts? 0P( )sTsTrs=1/Ts?rs=1/(2Ts)? 0P( )sTsTsT2sT2rs=1/Ts?判断下列系统是否有码间干扰?

11、二二.理想基带传输系统理想基带传输系统 99TtTtdfefHthTTftj/sin)()(2/12/12T为码元持续时间为码元持续时间1( )0HT其他10B/T/T( )H12 B22 B32 B12 B22 B32 B0( )h t5.5 无码间串扰基带传输系统无码间串扰基带传输系统 u一一.无码间串扰基带传输系统的要求无码间串扰基带传输系统的要求 u二二.理想基带传输系统理想基带传输系统 u三三.无码间串扰的等效特性无码间串扰的等效特性 u四四.升余弦滚降传输特性升余弦滚降传输特性 100一、无码间串扰基带传输系统的要求一、无码间串扰基带传输系统的要求 101 抽样点上无码间串扰 01

12、()0sjkh tjk Tjk010()00skh tkTk或 h(t)尾部衰减快 0000( )()()()sjkRskj ktjTa h ta hjk TtntjTy二二.理想基带传输系统理想基带传输系统10212B22B32B12B22B32B0( )h th(t)的零点间隔等于的零点间隔等于T，在理论上，可以用持续在理论上，可以用持续时间为时间为T 的码元进行传的码元进行传输而无码间串扰输而无码间串扰。传输带宽：传输带宽： B =1/(2T ) Hz传输速率传输速率: RS =(1/T ) 波特波特速率带宽比速率带宽比: RS /B2 Baud/Hz 【例例5-1】u某基带系统的频率特

13、性是截止频率为某基带系统的频率特性是截止频率为1MHz、幅度为幅度为1的理想低通滤波器。的理想低通滤波器。n（1）求此基带系统无码间串扰的码速率。）求此基带系统无码间串扰的码速率。n（2）设此系统传输信息速率为）设此系统传输信息速率为3Mbps，能否，能否无码间串扰传输？无码间串扰传输？103104三三.无码间串扰的等效特性无码间串扰的等效特性 u理想低通滤波器在实际中是不可能存在的理想低通滤波器在实际中是不可能存在的n频域上无法实现矩形幅度特性滤波器。频域上无法实现矩形幅度特性滤波器。n即使能实现，也要求有一个非常精确的抽样即使能实现，也要求有一个非常精确的抽样 点，如果稍微偏离，码间干扰将

14、急剧增加。点，如果稍微偏离，码间干扰将急剧增加。105思考思考:什么样的滤波器可以满足无串绕什么样的滤波器可以满足无串绕 要求，而且又能实现呢？要求，而且又能实现呢？三三.无码间串扰的等效特性无码间串扰的等效特性 106 奈奎斯特奈奎斯特19281928年给出了一条解决途径，他证明了为得到无年给出了一条解决途径，他证明了为得到无码间串扰的传输特性，系统传输函数不必为矩形，而容许是具码间串扰的传输特性，系统传输函数不必为矩形，而容许是具有缓慢下降边沿的任何形状。有缓慢下降边沿的任何形状。 2issiHTT常数称为奈奎斯特准则。称为奈奎斯特准则。要求：要求：/sT即：即：在（ ， ）区间内能叠加成

15、一个矩形频率特性， /sT/sT四四.升余弦滚降传输特性升余弦滚降传输特性 107(1)(1)(1)( )1sin22(1)0ssssssssTTTTHTTTT 2 22sin/cos/( )/14/sssst Tt Th tt TtT111()H12 1221滚降系数： 升余弦滚降：1四四.升余弦滚降传输特性升余弦滚降传输特性 108【例例5-2】1091105.6 噪声对传输性能的影响噪声对传输性能的影响 u一一.发发“0”码时判决器输入端信号码时判决器输入端信号x(t)分布分布u二二.发发“1”码时判决器输入端信号码时判决器输入端信号x(t)分布分布u三三.误码率计算误码率计算u四四.单

16、极性情况时的误码率单极性情况时的误码率 1115.6 噪声对传输性能的影响噪声对传输性能的影响 112发“0”码发“1”码( )As tA设二进制信号波形为双极性设二进制信号波形为双极性: 一、发一、发“0”码时判决器输入端信号码时判决器输入端信号x(t)分布分布 ( )( )( )Rx ts tnt( )RAnt 是零均值的高斯噪声，概率分布为：( )Rnt2221( )2nVnf Ve22201( )2nx Anf xe二二.发发“1”码时判决器输入端信号码时判决器输入端信号x(t)分布分布 113( )( )( )Rx ts tnt( )RAnt22211( )2nx Anf xe1(

17、)f x0( )f xAAdV(1/0)P(0/1)P1ddxVxV判为判为0在发“0”码时误判为“1”码，P(1/0)；误码的两种情况：误码的两种情况： 在发“1”码时误判为“0”码，P(0/1) ；三三.误码率计算误码率计算 114(0) (1/0)(1) (0/1)ePPPPP 22211(0/1)211222ddnx AVVdndnPP xVfx dxedxVAerf 222011/0211222nddx AdVVndnPP xVfx dxedxVAerf2(0)ln2(1)ndPVAP(0)(1)1/2PP当1022denAVPerfc四四.单极性情况时的误码率单极性情况时的误码率

18、115发“0”码发“1”码0( )s tA22201( )2nxnfxe 22211( )2nxAnfxe2(0)ln2(1)ndAPVAP(0)(1)1/2PP当11112 22 2222dennAAVPerferfc1022denAVPerfc比较比较:【例例5-3】 31116.21 102 222220.2enAPerfcerfc11651102 22nAerfc8.53nA解解:5.7 眼图眼图(估计系统性能的实验手段估计系统性能的实验手段)u 观察方法：观察方法：把示波器跨接在抽样判决器输入端，调整示波把示波器跨接在抽样判决器输入端，调整示波器的器的水平扫描周期水平扫描周期=接收码

19、元的周期接收码元的周期。u 眼图示例：眼图示例：（a）为）为无码间串扰无码间串扰ISI的情况，其眼图是线迹细而清晰的大的情况，其眼图是线迹细而清晰的大“眼睛眼睛”；（b）为有码间串扰）为有码间串扰ISI的情况，其眼图线迹的情况，其眼图线迹杂乱杂乱,“眼睛眼睛”张开度张开度小小,且且眼眼睛不端正。睛不端正。 眼图模型眼图模型u 眼睛张开最大的时刻为眼睛张开最大的时刻为最佳抽样时刻最佳抽样时刻。u 眼眶的眼眶的斜率斜率反映对定时误差的灵敏度。斜率越大，越易受反映对定时误差的灵敏度。斜率越大，越易受定时误差定时误差的影响。的影响。u 阴影区的垂直高度表示在抽样时刻上信号幅度的畸变程度，也称阴影区的垂

20、直高度表示在抽样时刻上信号幅度的畸变程度，也称抽抽样失真样失真。u 图中央的横轴位置对应于图中央的横轴位置对应于判决门限电平判决门限电平。u 抽样时刻上，上下两阴影区的间隔距离之半为抽样时刻上，上下两阴影区的间隔距离之半为噪声容限噪声容限，若噪声的，若噪声的瞬时值超过它就可能发生错判。瞬时值超过它就可能发生错判。眼图模型眼图模型 1195.8 时域均衡时域均衡 u一一.概述概述n1.均衡器的用途均衡器的用途 减小码间串扰。减小码间串扰。n2.均衡器的种类：均衡器的种类：l频域均衡器频域均衡器:使系统总传输特性满足奈奎斯特准则；使系统总传输特性满足奈奎斯特准则；l时域均衡器时域均衡器:横向滤波器

21、。横向滤波器。 120由于由于 有误差，所以有误差，所以 有有ISI。插入均衡器。插入均衡器 ，使得，使得 满足奈奎斯特第一准则，则满足奈奎斯特第一准则，则 在抽样时刻上无在抽样时刻上无ISI。 减小码间串扰的措施减小码间串扰的措施均衡均衡u 均衡目的均衡目的：消除或减小码间串扰（消除或减小码间串扰（ISI）。 u 均衡原理均衡原理：l频域均衡频域均衡从频域上补偿系统的频率特性，使包括均衡器从频域上补偿系统的频率特性，使包括均衡器在内的基带系统的总特性满足奈奎斯特第一准则。在内的基带系统的总特性满足奈奎斯特第一准则。l时域均衡时域均衡直接校正失真的响应波形，使包括均衡器在内直接校正失真的响应波

22、形，使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应满足无的整个系统的冲激响应满足无ISI的时域条件。的时域条件。( )x t( )T( )( )( )HTH( )y t( )H1.时域均衡概念时域均衡概念1222.时域均衡实现时域均衡实现123可用矩阵形式表示为： YXC11011Nkik iiNNkNkkkNk NyC xCxC xC xC xC x2.时域均衡实现时域均衡实现迫零法迫零法1241CX Y0000= 100NNNNCyCCYyCy 0112101110111012110NNNNNNNNNNNNNNxxxxxxxxxxXxxxxxxxxxxxxxxx【例例5-4】 1255.9部分响应系

23、统部分响应系统 u 部分响应系统解决的问题：部分响应系统解决的问题：n理想矩形传输特性：最高频带利用率（带宽最理想矩形传输特性：最高频带利用率（带宽最小），但不能物理实现，输出波形小），但不能物理实现，输出波形“尾巴尾巴”振振荡过大、过长；荡过大、过长；n滚降特性：可以实现，输出波形滚降特性：可以实现，输出波形“尾巴尾巴”减小，减小，但带宽增大，频带利用率降低了但带宽增大，频带利用率降低了n部分响应特性：部分响应特性：可以解决上述矛盾可以解决上述矛盾。126一一.第第I类部分响应系统原理类部分响应系统原理 127sinsin22( )22ssssssssTTttTTg tTTttTT2cos2

24、( )0ssssTTTGTsT( )g tt0/sT( )G一一.第第I类部分响应系统原理类部分响应系统原理 128抽样脉冲1a0a1a2asT由图可知：则在抽样时刻上会发生串扰，当前码元的样值将受到前一码元的相同幅度样值的串扰，但与其它码元间不发生串扰， 1kkkcaa1kkkaca一一.第第I类部分响应系统原理类部分响应系统原理 1291kkkaca产生的问题：误码扩散 二二.实用的第实用的第I类部分响应系统类部分响应系统1301kkkbab预编码：1kkkcbb相关编码： mod2kc收端解码：1kkbbka1mod2kkbb判决规则：2001kc判判二二.实用的第实用的第I类部分响应系

25、统类部分响应系统131原理图：组成框图：三三.部分响应的一般形式部分响应的一般形式 13212sinsinsin(1)( )(1)sssssNsssssttTtNTTTTg tRRRttTtNTTTT(1)1( )0sNjmTsmmssTR eTGT121(1)kkkNkNcR aR aR a11111Nkkik iiacR aR无预编码三三.部分响应的一般形式部分响应的一般形式 133121(1)modkkkNkNLaRbR bR b121(1)kkkNkNcRbR bR b modkkLca有预编码小结小结 u1.码型编码码型编码n最基本二元码的数字基带波形最基本二元码的数字基带波形:最基

26、本的数字最基本的数字基带波形分别是单极性基带波形分别是单极性NRZ、双极性、双极性NRZ、单、单极性极性RZ、双极性、双极性RZ和差分码。单极性波形有和差分码。单极性波形有直流，且接收端判决电平不固定，因而应用受直流，且接收端判决电平不固定，因而应用受限。双极性波形等概时无直流，且接收端判决限。双极性波形等概时无直流，且接收端判决电平固定为零，因而应用广泛。与电平固定为零，因而应用广泛。与NRZ相比，相比，RZ码波形的主要缺点是带宽大，主要优点是位码波形的主要缺点是带宽大，主要优点是位与位之间易于分清，尤其是单极性与位之间易于分清，尤其是单极性RZ码波形存码波形存在在fs离散分量，可用于位定时

27、。差分码的特点离散分量，可用于位定时。差分码的特点是，即使接收端收到的码元极性与发送端完全是，即使接收端收到的码元极性与发送端完全相反，也能正确进行判决。相反，也能正确进行判决。134小结小结 u1.码型编码码型编码n常用的常用的1B2B码码:常用的常用的1B2B码有码有Manchester码、码、Miller码、码、CMI码、码、DMI码，码，它们都是把它们都是把1位二进制码变换成位二进制码变换成2位二进制码。位二进制码。它们都有无直流、同步信息丰富等优点，但它它们都有无直流、同步信息丰富等优点，但它们的缺点是码元传输速率增加一倍，因此所需们的缺点是码元传输速率增加一倍，因此所需信道带宽也要

28、增大。信道带宽也要增大。135小结小结 u1.码型编码码型编码n常用的常用的1B/1T码码:常用的常用的1B/1T码有码有AMI码、码、HDB3码，它们都是把码，它们都是把1位二进制信码变换成位二进制信码变换成1位三电平取值的码。这三种码型都有无直流的位三电平取值的码。这三种码型都有无直流的特点，而且同步信息丰富，但特点，而且同步信息丰富，但AMI的缺点是连的缺点是连“0”码过多时提取定时信息困难，码过多时提取定时信息困难，HDB3码的码的缺点是编码比较复杂。缺点是编码比较复杂。 n多进制码多进制码:多进制码是用一个码元去代表一组多进制码是用一个码元去代表一组二进制码，在码元速率相同，即其传输

29、带宽相二进制码，在码元速率相同，即其传输带宽相同的情况下，可提高信息传输速率同的情况下，可提高信息传输速率136小结小结 1372.基带信号功率谱基带信号功率谱sf。二进制基带信号功率谱包括连续谱和离散谱两部分：连续谱可用于决定带宽，离散谱用于查看是否存在直流和其他单频分量，尤其是位定时分量3.无码间干扰无码间干扰时域条件10()00skh kTk频域条件2issiHTT常数三类系统: 理想LPF系统 滚降系统 部分响应系统小结小结 1384.信道噪声的影响信道噪声的影响单极性情况: 双极性情况: 2(0)ln2(1)ndPVAP1022denAVPerfc2(0)ln2(1)ndAPVAP(

30、0)(1)1/2PP当112 222denAVPerfc(0)(1)1/2PP当明德明德 砺志砺志 博学博学 笃行笃行计算机科学与技术系：计算机科学与技术系：贾伟贾伟E-Mail：JWB几种典型的无码间干扰的几种典型的无码间干扰的基带传输特性基带传输特性无码间串扰的传输特性的设计无码间串扰的传输特性的设计u满足奈奎斯特第一准则并不是唯一的要满足奈奎斯特第一准则并不是唯一的要求。如何设计或选择满足此准则的求。如何设计或选择满足此准则的H( )是我们接下来要讨论的问题。是我们接下来要讨论的问题。u满足奈奎斯特第一准则的满足奈奎斯特第一准则的H( )有很多种有很多种.1频带最窄的频带最窄的H( )理

31、想低通特性理想低通特性u满足奈奎斯特第一准则的满足奈奎斯特第一准则的H( )有很多种，有很多种，容易想到的一种极限情况，就是容易想到的一种极限情况，就是H( )为为理想低通型，即理想低通型，即ssSTTTH, 0,)(频带最窄的频带最窄的H(f)/h(t)频带最窄的频带最窄的H( f )当数字基带传输系统码元速率当数字基带传输系统码元速率RB=1/Ts时，满足式中无码间干扰时，满足式中无码间干扰传输条件的频带最窄的传输条件的频带最窄的H(f)如图所示，其冲激响应如图所示，其冲激响应h(t)如图所示。如图所示。频带最窄的频带最窄的h(t)/(sin)(SSSTtSatTtTth由图可见，由图可见

32、，h(t)在在t = kTs (k0)时有周期性零点，当发送时有周期性零点，当发送序列的时间间隔为序列的时间间隔为Ts时，正好巧妙地利用了这些零点。只时，正好巧妙地利用了这些零点。只要接收端在要接收端在t = kTs时间点上抽样，就能实现无码间串扰。时间点上抽样，就能实现无码间串扰。奈奎斯特带宽奈奎斯特带宽带宽带宽 的的具有具有理想低通传输特性的信道：理想低通传输特性的信道：n 若输入数据以若输入数据以RB = 1/Ts波特的速率进行传输，则在抽样时刻上不存在码间波特的速率进行传输，则在抽样时刻上不存在码间串扰。串扰。n 若以高于若以高于1/Ts波特的码元速率传送时，将存在码间串扰。波特的码元

33、速率传送时，将存在码间串扰。通常将此带宽通常将此带宽B称为称为奈奎斯特带宽奈奎斯特带宽，将，将RB称为称为奈奎斯特速率奈奎斯特速率。 此基带系统所能提供的此基带系统所能提供的最高频带利用率最高频带利用率为为 但是，这种特性在物理上是无法实现的；并且但是，这种特性在物理上是无法实现的；并且h(t)的振荡的振荡衰减慢，使之对定时精度要求很高，故不能实用。衰减慢，使之对定时精度要求很高，故不能实用。B=1/ 2 (Hz)ST/2(B/Hz)BRB2具有滚降特性的具有滚降特性的H( ) 余弦滚降特性余弦滚降特性u为了解决理想低通特性存在的问题，可以使理想低通滤波器为了解决理想低通特性存在的问题，可以使理想低通滤波器特性的边沿缓慢下降，这称为特性的边沿缓慢