西南交大通信考研辅导班课件2

现代通信原理第5章数字基带传输系统本章知识要点5.1数字基带传输系统组成及各部分作用5.2数字基带信号的时域波形和频谱特性5.3基带传输的常用码型5.4基带脉冲传输和码间干扰5.5无码间干扰的基带传输特性5.6部分响应系统5.7无码间干扰数字基带传输系统抗噪声性能5.8眼图5.9时域均衡原理基带传输特性h(t)H()

5.1数字基带传输系统模型发送滤波器信道接收滤波器抽样判决器干扰n(t)线路编码窄脉冲生成器线路解码数字信源数字消息y(t)+nR(t)同步提取5.1数字基带传输系统模型(续)线路编码：将原始数字信息编制成适合于传输用的码型(又称线路码)；窄脉冲生成器：用位定时窄脉冲控制生成基本脉冲信号；发送滤波器(信道信号形成器或成形滤波器)：把基本脉冲信号变换成适合于信道传输的基带信号；接收滤波器：滤出带外噪声，对信道特性进行均衡处理，使输出的基带波形有利于抽样判决；抽样判决器：在位定时脉冲控制下对接收滤波器的输出波形进行抽样、判决，恢复或再生基带信号；同步提取：从接收滤波器的输出波形中提出位定时时钟。5.2数字基带信号的时域波形发送滤波器线路编码窄脉冲生成器数字信源基带信号时域脉冲选择(gT(t))：单位冲激脉冲，矩形窄脉冲，升余弦脉冲，高斯形脉冲等；基带信号波形选择：单/双极性码波形，单/双极性归零码波形，差分码波形，多元码(多电平码)波形等；

基带传输码型选择(an)：AMI,HDB3,PST,Manchester,Miller,CMI,nBmB,4B/3T等;基带信号时域脉冲选择(1)单位冲激脉冲010(1)t0Ts2Ts-Tst(1)0s2s-s(s)F.T.F.T.基带信号时域脉冲选择(2)矩形脉冲0t-/2/2A0t0Ts-TsF.T.F.T.基带信号时域脉冲选择(3)高斯形脉冲-3-2-1123t1F.T.0-3-2-1123tF.T.基带信号时域脉冲选择(4)升余弦脉冲-T0t1T0To-Tst1TsF.T.F.T.To常用数字基带信号波形(1)111010010001100+E0+E-E单极性不归零NRZ双极性不归零NRZ常用数字基带信号波形(2)0A单极性归零RZ110100100011010A-A双极性归零RZ常用数字基带信号波形(3)111010010001100A单极性不归零NRZ差分单极性不归零NRZ0A*图示中差分波形用电平跳变来表示“0”常用数字基带信号波形(4)111010010001100A0A单极性传号差分码NRZ(M)单极性空号差分码NRZ(S)传号差分：用电平跳变来表示“1”；空号差分：用电平跳变来表示“0”；常用数字基带信号波形(5)111001+A-A4电平波形+3A-3A10000110数字基带信号的频谱特性基带信号是由基本脉冲构成的随机脉冲序列由两个基本脉冲和构成的随机脉冲序列为一个二进制数字基带信号数字基带信号的频谱特性(续)稳态波v(t)的功率谱密度稳态波是周期信号稳态波的谱与功率谱密度数字基带信号的频谱特性(续)交变波u(t)的功率谱密度双边带功率谱密度单边带功率谱密度常用二元码的功率谱单极性NRZ/RZ二元码归一化功率谱fNRZRZ单极性二元码功率谱中有丰富的低频和直流分量单极性二元码常用二元码的功率谱(续)双极性NRZ/RZ二元码归一化功率谱fNRZRZ在二元码中符号0和符号1出现概率相同的情况下，双极性二元码功率谱中不包括直流分量。双极性二元码5.3基带传输的常用码型传输码（线路码）型的设计原则：将原始数字信息编制成适合于传输用的码型能从其相应的基带信号中获取定时信息相应的基带信号无直流成分和只有很小的低频成分；不受信息源统计特性的影响；尽可能提高传输码型的传输效率；具有内在的检错能力；误码扩散小；尽量减少基带信号中的高频分量；编译码设备简单等。数字基带系统的码型－－二元码单极性NRZ-L双极性NRZ-L单极性RZ双极性RZNRZ(M)NRZ(S)数字基带系统的码型－AMI码(1)AMI码(传号交替反转码)编码规则：将消息代码“0”仍变换为传输码0，而把消息代码“1”交替地变换为传输码+1,-1,+1,-1,…；编码特点：二进制数字信息序列经编码后变换为一个三进制符号序列(属于1B/1T码型)；编译码电路简单，便于观察误码情况；缺点：连0时难于提取位定时信号。10110000000111000000AMI码的功率谱AMI码功率谱(推导参见曹志刚,钱亚生:《现代通信原理》，清华大学出版社，p.208-210.)

fAMI输入信元等概率取值0/1

编码码元基本脉冲在AMI三元码功率谱中不包括线谱分量数字基带系统的码型－HDB3码(2)HDB3码(三阶高密度双极性码)编码规则：消息代码“1”交替地变换为传输码+1,-1;连“0”个数小于或等于3时，消息代码“0”仍变换为传输码0;当消息代码中出现4个或4个以上连“0”时，将每4个连0串传输码段中第4个0用破坏符号“V”取代，V的极性与前一个非0符号同极性；为保持“极性交替反转”特性，当出现多个连0串时，若相邻两个V符号之间有偶数个非0符号，则将第2个连0串的第1个0替换为符号B,符号B的极性与之前的非零符号极性相反，从第2个连0串的V符号开始，非零符号极性开始交替变化；HDB3码HDB3编码前一破坏点为V+且相邻V符号间有偶数个非零符号"1"HDB3编码前一破坏点为V+且相邻V符号间有奇数个非零符号"1"101100000001110000001-1010000000-11000000-1AMI:1-101000V+000-11B-00V-001HDB3:101100000001010000001-1010000000-100000001AMI:1-101000V+000-100V-00001HDB3:HDB3码(续)编码特征：在没有4个或4个以上连0串时，按照AMI码的编码规则；在出现4个或4个以上连0串时，则采用特定的码组来取代每4个连0小段信息序列；编码特点：属于1B/1T码型；编码复杂；具有检错能力，在传输过程中出现单个误码时，编码序列的极性交替规律将受到破坏；可以将编码输出的连0串控制在3个以下，便于在出现连0串时提取位同步信息；误码扩散较大:单个误码有时会在接收端译码后产生多个误码。数字基带系统的码型－PST码(3)PST码(成对选择三进制码)编码规则：先将二进制信息代码划分成2个码元为一组的码组序列，然后再把每一码组编码成两个三进制数字(+,-,0)(参见教材表5-1)。编码特性：属于1B/1T码型；编码过程简单；能提供足够的位定时信息。在解码时需要提供码组间“分组”信息，需要建立帧同步。数字基带系统的码型－双相码(4)双相码(曼彻斯特码)编码规则：对每个二进制代码分别利用两个具有2个不同相位的二进制线路码元表征。“1”01,“0”10，2位线路码表示1位信息代码，编码特征：频带加倍，属于1B2B码；没有直流成分；含有丰富的位定时信息；合法的线路码元只有两种：01和10，能检测三个以上连“0”或连“1”错误，有一定的检错能力。数字双相码11101001定时单极性NRZ数字双相码数字基带系统的码型(5)Miller码(延迟调制码)编码规则：消息代码“1”用码元周期中心点出现跃变来表示；单个消息代码“0”在码元持续时间内不发生跃变，且与相邻码元边界处也不出现跃变，多个连续消息代码“0”时在两个0码边界处出现跃变；编码特征：用双相码的下降沿触发双稳电路可输出Miller码。(参见教材图5-5)CMI码(传号反转码)编码规则：消息代码“1”用线路码元11或00交替表示，消息代码“0”用线路码元01表示(参见图5－5)；编码特征：能检测10,1111,0000等出错码元，具有一定的检错能力。11101001定时传号反转码(CMI)数字双相码密勒码(Miler)数字基带系统的码型(6)nBmB码(分组码)编码规则：把原信息码流的n位二进制信息代码作为一组，变换为m位二进制线路码元作为新的码组。实例：1B2B码，5B6B码等。4B/3T码编码规则：把4个二进制信息代码变换成3个三进制线路码元符号。CCITT建议的接口码组北美系列欧洲系列基群随机化+AMI,1.544MbpsHDB3,2.048Mbps二次群随机化+AMI,6.312MbpsHDB3,8.448Mbps三次群随机化+AMI,32.064MbpsB3ZS,44.736MbpsHDB3,34.368Mbps四次群未定CMI,139.264MbpsSTM-1CMI,155.52Mbps5.4基带脉冲传输与码间干扰(1)基带传输特性h(t)H()

发送滤波器信道接收滤波器抽样判决器干扰n(t)线路编码窄脉冲生成器线路解码数字信源数字消息r(t)=y(t)+nR(t)同步提取随机干扰项码间干扰项期望信号项基带脉冲传输与码间干扰(2)接收滤波器输出信号

在抽样时刻上，抽样判决器对r(t)的抽样值为5.5无码间干扰的基带传输特性(1)基带传输特性的分析模型(忽略随机噪声n(t))若想消除码间干扰，则要求基带传输特性满足识别电路1.an为随机线路码元;2.忽略t0(t0=0);无码间干扰的基带传输特性(2)积分区间等间隔分隔;交换积分和求和顺序;无码间干扰的基带传输特性(3)对于周期为的频率函数重写h(kTs)无码间干扰的基带传输特性(4)奈奎斯特第一准则若基带传输系统的传递函数H()满足奈奎斯特第一准则奈奎斯特第一准则的物理解释H()00无码间干扰的理想低通型0H()t0无码间干扰的低通基带传输特性t输入序列若以波特(Baud)的速率进行传输，所需的最小传输带宽为

Hz，对应的频带利用率为。其中称为奈奎斯特带宽，无码间串扰的最高速率波特称为奈奎斯特速率。传输带宽频带利用率奈奎斯特带宽:码元传输速率一定时的最窄传输带宽奈奎斯特速率:信道频带一定时的最大传输速率奈奎斯特间隔:信道频带一定时的最小码元间隔升余弦谱及其波形(1)升余弦谱及其波形(2)=1=0.5=0H()th(t)=1=0.5=000升余弦谱及其波形(3)传输带宽频带利用率全升余弦系统判断下列数字基带传输特性是否会带来码间干扰?00A.rs=1/TsB.rs=2/Tsrs=1/Ts0A.rs=1/TsB.rs=1/(2Ts)0rs=1/TsH()H()H()H()例题设PCM码组由7位二进制码构成，传码率rs=50MBps，求：

1）系统在无码间干扰下所需的最小传输带宽；

2）若采用全升余弦系统所需的传输带宽。解答：

1)在基带传输特性满足理想低通特性时，所需的传输带宽最小，且为

B=(1/2)*rs=25MHz2)若采用全升余弦系统，所需的传输带宽为

B=rs=50MHz第5章作业(1)思考题：5-1~5-7;习题：5-1,5-2,5-3;5.6部分响应系统无码间干扰的基带传输特性：奈奎斯特第一准则理想低通传输特性满足奈奎斯特第一准则：频带利用率高：达到了基带系统的理论极限2Baud/Hz；定时要求严格：采样函数第一个零点以后的尾巴振幅大、收敛慢，若定时稍有偏差，易引起严重的码间干扰；实现困难：理想低通的传输特性难以实现。Ts00F.T.升余弦滚降低通传输特性：频带利用率较低：2/(1+α)Baud/Hz，在全升余弦滚降低通传输特性时(α=1)下降为1Baud/Hz；定时要求降低：第一个零点以后的尾巴振幅减小，在定时出现偏差时不致引起严重的码间干扰；-2Ts-TsTs2Ts1H()h(t)Ts0.5Ts奇对称特性TsTsA.α=1B.α<1TsTsa0-2Ts-TsTs2Ts1-2Ts-TsTs2Ts3Tst-3Ts0ta1a-1升余弦滚降低通传输特性以占用更宽的频带资源，适度降低频带利用率为代价，减小了第一个零点后尾巴的振幅，从而降低了对位定时精度的要求。奈奎斯特第二准则：有控制地在某些码元的抽样时刻引入码间干扰，而在其余码元的抽样时刻无码间干扰，那么就能使频带利用提高到理论上的最大值2Baud/Hz，同时又可以降低对定时精度的要求。对应的波形称为部分响应波形，利用部分响应波形进行传送的基带传输系统称为部分响应系统。部分响应波形的一般表示形式为为N个冲击响应波形的加权系数(正/负整数或零)。部分响应系统的一般形式Ts相加TsTsTs理想低通滤波器第一类部分响应波形与频谱1t0g(t)第一类部分响应频谱0G()a0第一类部分响应波形码元干扰图示1t0a-1a-2a1a2a3a4抽样时刻前后码元符号间存在确定的相互干扰第一类部分响应波形的检测接收端在抽样时刻kTs上的采样值Ck满足01ta0a-1a-2a1a2a3a4a5C1=a1+a0第一类部分响应波形检测的差错传播第一类部分响应信号当前抽样值Ck不仅与当前信号ak有关，还与前一个信号ak-1有关。若接收端在第n时刻恢复出来的a’n出错时，即使没有传输差错，其后所有恢复的{a’n+j,j=1,2,…}

也将

全部错误，这一现象称为差错传播。解决差错传播的有效手段是采用预编码，设法去除部分响应信号各抽样值之间的相关性。第一类部分响应系统组成TsakCk发送滤波bk发Ckg(t)Ts＋信道接收滤波模2判决抽样脉冲收a’k预编码相关编码信息判决预编码相关编码bk-1bk-1“预编码－相关编码－模2判决”过程ak

11101001

bk-10101100

0

bk

10110001Ck11121001[Ck]mod211101001预编码相关编码“预编码－相关编码－模2判决”例(1)bk-10101100

0

1t0bk

1011000110tak

11101001“预编码－相关编码－模2判决”例(2)Ck111210011t01t0[Ck]mod2=ak={11101001}采用“预编码－相关编码－模2判决”，尽管部分响应波形在抽样时刻前后码元符号间存在确定的相互干扰，但并不影响ak的正确传输。五类部分响应系统类别R1R2R3R4R5电平数G()0100002I110003II121005III21-1005IV10-1003V-1020-15五类响应波形和频谱0类I类t1t00|G()||G()|五类波形和频谱(续1)II类III类|G()||G()|t五类波形和频谱(续2)IV类V类|G()||G()|一般的“预编码－相关编码－模L判决”过程预编码：模L相加相关编码：算术加模L处理5.7基带传输系统的抗噪声性能接收滤波器作用限制传输信道引入噪声；适应信道传输特性，与发送滤波器一道构成无码间干扰的基带传输特性；与发送滤波器相适应，再生出基带信号波形。接收滤波器发送滤波器信道抽样判决再生判决变量基带传输系统的抗噪声性能分析根据判决变量的概率分布特性，即可分析得出特定的判决规则下基带传输系统的抗噪声性能。无码间干扰时二元码传输差错率二元码信号波形(无码间干扰)：判决变量概率分布特性无码间干扰时二元码传输差错率(续)若判决门限为Vd-BAVd传输差错率0/1等概率发送时双极性二元码(A=B)的传输错误率平均信号功率

噪声方差(功率)

双极性二元码传输错误概率

0/1等概率发送时单极性二元码(B＝0)的传输错误率平均信号功率单双极性码传输错误率信干比相差噪声方差(功率)

单极性二元码传输错误概率单/双极性二元码抗噪声性能比较在单极性与双极性基带波形幅值A相等，噪声均方根相同时，单极性基带系统的抗噪声性能不如双极性基带系统，原因在于双极性信号的平均信号功率比单极性信号的平均信号功率大2