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文档简介
5.0
引言
5.1
数字基带信号
5.2
基带传输的常用码型
5.3
数字基带信号传输与码间串扰
5.4
无码间串扰的基带传输特性
5.5
基带传输系统的抗噪声性能
5.6
眼图第5章数字基带传输系统本章内容简介概述数字基带信号-未经调制的数字信号,它所占据的频谱是从零频或很低频率开始的。数字基带传输系统-不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统,常用于传输距离不太远的情况下。数字带通传输系统-包括调制和解调过程的传输系统研究数字基带传输系统的原因:近程数据通信系统中广泛采用基带传输方式也有迅速发展的趋势基带传输中包含带通传输的许多基本问题任何一个采用线性调制的带通传输系统,可以等效为一个基带传输系统来研究。
5.0
引言第5章数字基带传输系统5.0
引言数字基带传输系统数字基带传输系统至信道自终端数据输入扰乱器接口电路(串并/码型/多电平)变换电路网孔均衡线路放大发送滤波输出电路发时钟系统(a)发送方自信道数据输出至终端增益控制输入电路(电平/码型/并串)逆变换电路时域均衡解扰器接收滤波接口电路收时钟(定时提取)系统抽样判决(b)接收方产生数字基带脉冲信道信号形成信道信号接收处理基带脉冲恢复数据变换数据恢复第5章数字基带传输系统5.0
引言基带信号形成器信道接收滤波器抽样判决器基带脉冲输入基带脉冲输出干扰图5-1基带传输系统基本结构噪声n(t)接收器发送器调制器发送带通接收带通接收低通抽样判决解调器信道图5-2频带传输系统基本结构基带脉冲输入基带脉冲输出第5章数字基带传输系统新概念码型:数字信息的电脉冲存在形式。码型编码:数字信息的电脉冲表示过程。码型译码:由码型还原为原来数字信息的过程。线路传输码型:在有线信道中传输的数字基带信号。传输数字基带信号可能遇到的问题:信号包含直流分量或低频分量,对于一些具有电容耦合电路的设备或传输频带低端受限的信道,信号可能传不过去。自然编码后可能出现连“0”或连“1”,对应的数字信号的电平会长时间维持不变,难以确定各个码元的位置(定时信息)。对接收端而言,难以判断接收到的数字信号中是否包含有错码。第5章数字基带传输系统5.1
数字基带信号5.1.1码型及码型变换编码原则码型中应不含直流分量,低频分量尽量少。码型中高频分量尽量少。码型中应包含定时信息。码型具有一定的检错能力。编码方案应能适用于信源变化。低误码增殖。高编码效率。编译码设备应尽量简单。第5章数字基带传输系统5.1
数字基带信号5.1.1码型及码型变换第5章数字基带传输系统5.1
数字基带信号5.1.2数字基带信号表示数字(0、1、2、…..)的基本频带信号。■
低频成分丰富;■
最高频率比最低频率高得多。二进制数据序列
10110100111010(a)单极性非归零码
(b)单极性归零码
(c)双极性非归零码
(d)双极性归零码(e)单极性三角形码Ts
Ts
τ
EEEEE-E-E-E-3E3E-EE(f)双极性四电平码tttttt图5-3几种数字基带电信号波形第5章数字基带传输系统5.1
数字基带信号5.1.2数字基带信号5.1
数字基带信号5.1.2数字基带信号二进制数字基带信号的一般表示其中,an表示第n个码元所对应的电平值(0、1或-1、+1等);g(t)表示脉冲的波形;Ts为码元持续时间。第5章数字基带传输系统5.2
基带传输的常用码型(线路传输码)线路传输码应具有的主要特性:►能够从其相应的基带信号中提取出定时信息;►相应的基带信号中应该不含直流分量,低频成分尽量少;►不受信源发送符号统计特性的影响,即能够适应信源的变化;►具有内在的检错能力;►编码方法应该尽量简单,并考虑尽量提高传输码型的传输效率。◆常用线路传输码:AMI、HDB3、Manchester等。信号序列的功率谱密度中存在与码速fs
对应的离散谱。
防止线路设备中隔直电容对信号的影响。抑制信源符号中的长连“0”对信号定时提取的影响。第5章数字基带传输系统5.2
基带传输的常用码型(线路传输码)单极性与双极性非归零码(NRZ码)0101101Ps
(f)含直流分量Ts
不含fs分量(Ts
=1╱
fs是码元间隔)
t0fs2fs
f
(a)单极性NRZ码波形与功率谱密度Ps(f)图形
0101101不含直流分量Ps(f)Ts
不含f
s分量0fs
2fs
f
t(b)双极性NRZ码波形与功率谱密度Ps(f)图形
图5-7不归零(NRZ)矩形脉冲码的波形与功率谱密度
直流和过大低频成分、不含时钟,不适合作为线路传输码!第5章数字基带传输系统5.2
基带传输的常用码型(线路传输码)单极性与双极性归零码(RZ码)图5-8归零(RZ)矩形脉冲码的波形与功率谱密度
0101101Ps
(f)含有直流分量Ts
含f
s分量(离散谱)
τ
t0f
s
2fs
f
(a)单极性RZ码波形与功率谱密度Ps(f)图形
0101101Ps
(f)不含有直流分量Ts
含fs分量(离散谱)
τ
0fs
2fs
f
t(b)双极性RZ码波形与功率谱密度Ps(f)图形
直流和过大的低频成分,不适合作为线路传输码!第5章数字基带传输系统5.2
基带传输的常用码型(线路传输码)传输中使用的线路编码通常都是双极性的归零码。
1.双极性传号交替反转码(AMI码)单极性101101
NRZ Ps(f)
AMI码的功率谱密度
Ts
τ双极性
AMIt
t(RZ)
0
fs
2fs
f
图5-9AMI(RZ)码(τ=0.5Tc)的波形与功率谱密度图形
1.不再含直流分量和丰富的低频分量;2.虽然它本身不含码元时钟fc
的频率成份,但只要在接受端将AMI信号简单整流就变为单极性归零码信号,就产生了时钟成份;3.注意到AMI码中不会相继出现极性相同的两个或多个脉冲,这点表明了AMI码具有一定的内在的检测误码能力。4.AMI码第一零点带宽是fs(与NRZ相同),效率较高;编解码简单易于实现。第5章数字基带传输系统5.2
基带传输的常用码型(线路传输码)2.双极性三阶高密度码(HDB3码)●
以传号交替翻转码(AMI)为基础,当遇到4个连零时,用“0001”来取代“0000”,该“0001”称为取代节,其中“1”的极性与前边一个信号的极性相同,违背极性交替翻转原则,故此码被称为“V”码。●
在前一个V码后,若经奇数个(包括0个)传号后出现“0000”,用取代节“000V”来取代“0000”;若经过偶数个传号后出现“0000”时,取代节用“B00V”形式,其中B作为传号附加脉冲,其极性符合交替翻转原则,V与B极性相同,违背极性交替原则。●
可以证明,当两个V码之间的传号数目为奇数时,输出编码序列中加入的V码的极性也是交替翻转的,不会破坏“无直流分量”的基本要求;但当两V码间的传号数目为偶数时,将会导致某一极性的V码增加,会使编码信号序列中产生直流分量,解决办法是:HDB3码是一种连“0”抑制编码。具体编码规则如下:第5章数字基带传输系统5.2
基带传输的常用码型(线路传输码)2.双极性三阶高密度码(HDB3码)●
从接收HDB3序列中找出V码,将该V码连同它前边的三位(或者是“000”,或者是“B00”)全部用“0”代换;HDB3的解码非常简单,可分为以下两步:HDB3编解码举例●
现在做完代换的序列中的正或负脉冲都代表原始信源数据中的“1”,只要我们对其进行简单的整流处理,就得到信源输出的单极性归零(RZ)码。
第5章数字基带传输系统5.2
基带传输的常用码型(线路传输码)2.双极性三阶高密度码(HDB3码)
二进制码0101000001010010000100100000011100100001AMI编码0+0–00000+0–00+0000–00+000000-+-00+0000-HDB3编码0+0-000–0+0–00+000+–00+–00–00+–+00–+00+-
000V000VB00VB00V
替代节归零0+0–00000+0–00+0000–00+000000+-+00-0000+
(≠AMI码)整流(±1=1)(二进制码)0101000001010010000100100000011100100001发送方编码接收方解码图5-10HDB3编码与解码举例
第5章数字基带传输系统5.2
基带传输的常用码型(线路传输码)3.双相码(Manchester码)数据代码11001010111双相码相当代码
10100101100110011010
10NRZ波形双极性t双相码波形双极性t双相码相当于用2位NRZ码传输一位原数据代码。双相码特别利于收端时钟恢复,这一点是以牺牲频带为代价的。第5章数字基带传输系统4差分双相码 为了解决双相码因极性反转而引起的译码错误,可以采用差分码的概念。双相码是利用每个码元持续时间中间的电平跳变进行同步和信码表示(由负到正的跳变表示二进制“0”,由正到负的跳变表示二进制“1”)。而在差分双相码编码中,每个码元中间的电平跳变用于同步,而每个码元的开始处是否存在额外的跳变用来确定信码。无跳变则表示二进制“1”,有跳变则表示二进制“0”。5.2
基带传输的常用码型(线路传输码)第5章数字基带传输系统5密勒码:又称延迟调制码编码规则:“1”码用码元中心点出现跃变来表示,即用“10”或“01”表示。“0”码有两种情况: 单个“0”时,在码元持续时间内不出现电平跃变,且与相邻码元的边界处也不跃变, 连“0”时,在两个“0”码的边界处出现电平跃变,即"00”与“11”交替。5.2
基带传输的常用码型(线路传输码)第5章数字基带传输系统例:图(a)是双相码的波形;图(b)为密勒码的波形;若两个“1”码中间有一个“0”码时,密勒码流中出现最大宽度为2Ts的波形,即两个码元周期。这一性质可用来进行宏观检错。用双相码的下降沿去触发双稳电路,即可输出密勒码。
5.2
基带传输的常用码型(线路传输码)第5章数字基带传输系统6CMI码:CMI码是传号反转码的简称。编码规则:“1”码交替用“11”和“00”两位码表示;“0”码固定地用“01”表示。波形图举例:如下图(c)CMI码易于实现,含有丰富的定时信息。此外,由于10为禁用码组,不会出现3个以上的连码,这个规律可用来宏观检错。
5.2
基带传输的常用码型(线路传输码)第5章数字基带传输系统5.3
基带脉冲传输与码间串扰码间串扰是由于传输系统(发送、接收电路与传输媒体)的非理想特性,在通信接收端产生的一种干扰。非理想特性往往因为系统的频带宽度不够宽,不能满足传输所发送基带脉冲的频带要求,这样和发送脉冲相比,使得产生接收到传输脉冲波形的时间展宽。我们希望使用尽量窄的系统频带,以提高系统的频带利用率。我们也希望使用尽量窄的基带脉冲以提高传输速率,但这需要更大带宽。某接收码元脉冲的展宽就会引起在邻近码元脉冲判决时刻产生干扰。如何设计无码间串扰的基带系统?怎样提高基带系统的频带利用率?第5章数字基带传输系统5.3
基带脉冲传输与码间串扰GT(ω)C(ω)GR(ω)判决电路{an}{a´n}n(t)发送滤波器接收滤波器传输信道接收时钟图5-12基带系统模型H(ω)基带脉冲{an}接收时钟发送时钟接收滤波器输出判决输出{a´n}判决门限第5章数字基带传输系统输入信号码型变换后传输的波形信道输出接收滤波输出位定时脉冲恢复的信息错误码元第5章数字基带传输系统码间串扰两种误码原因:码间串扰信道加性噪声码间串扰原因:系统传输总特性不理想,导致前后码元的波形畸变并使前面波形出现很长的拖尾,从而对当前码元的判决造成干扰。码间串扰严重时,会造成错误判决,如下图所示:第5章数字基带传输系统5.3
基带脉冲传输与码间串扰设输入基带脉冲序列{an}为一冲激序列,并用d(t)表示为:通过发送滤波器后,产生信号为s(t),表示为:这儿gT(t)是发送滤波器GT(ω)的冲激响应,可表示为:(5.3-1)(5.3-2)(5.3-3)GT(ω)C(ω)GR(ω)判决电路{an}{a´n}n(t)发送滤波器接收滤波器传输信道接收时钟H(ω)s(t)r(t)d(t)d´(t)第5章数字基带传输系统5.3
基带脉冲传输与码间串扰我们考察输入基带脉冲序列在经过发送滤波器GT(ω)
、传输媒介C(ω)
、接收滤波器GR(ω)后的总输出,设为r(t),则其中h(t)是H(ω)=GT(ω)•C(ω)•GR(ω)的冲激响应,可表示为:(5.3-4)(5.3-5)GT(ω)C(ω)GR(ω)判决电路{an}{a´n}n(t)发送滤波器接收滤波器传输信道接收时钟H(ω)s(t)r(t)d(t)d´(t)第5章数字基带传输系统5.3
基带脉冲传输与码间串扰我们考察判决电路对第k个脉冲响应时刻(t=kTs)的判决结果,以确定接收码元ak的取值。GT(ω)C(ω)GR(ω)判决电路{an}{a´n}n(t)发送滤波器接收滤波器传输信道接收时钟H(ω)s(t)r(t)d(t)d´(t)(5.3-6)to是考虑到接收定时的偏差。加性噪声对判决结果的影响。k以外的其他脉冲响应对判决结果的影响—码间串扰。第k个脉冲响应自身的判决结果。第5章数字基带传输系统5.4
无码间串扰的基带传输特性GT(ω)C(ω)GR(ω)判决电路{an}{a´n}发送滤波器接收滤波器传输信道接收时钟H(ω)r(t)系统无码间串扰,要求对于输入脉冲δ(t-kTs),在接收滤波器输出端的响应h(t-kTs)须满足:或(5.4-1)不一定要等于1,非零的常数即可。第5章数字基带传输系统5.4
无码间串扰的基带传输特性tttttTs2Ts3Ts4Ts5Ts-Ts0Ts2Ts3Ts4Ts5Ts-Ts0Ts2Ts3Ts4Ts5Ts-Ts0Ts2Ts3Ts4Ts5Ts-Ts0Ts2Ts3Ts4Ts5Ts-Ts0tTs2Ts3Ts4Ts5Ts-Ts0h5(t-2Ts)δ(t-2Ts)有码间串扰,码速再低些可消除。无码间串扰,码速再高些也没问题。有码间串扰,码速再高些或低些可能消除。H(ω)输入输出h1(t-2Ts)h2(t-2Ts)h4(t-2Ts)h3(t-2Ts)无码间串扰,码速不可再高,低若干倍也没问题。无码间串扰,码速可再高一倍。第5章数字基带传输系统5.4
无码间串扰的基带传输特性在一定的码速条件下,有的系统会由于特性不理想产生码间串扰,有的系统则无码间串扰。在特定的码速条件下,什么样的系统特性无码间串扰?在一定的系统特性条件下,采用多高的码元传输速率,可以作到无码间串扰?特定系统特性条件下,无码间串扰的最大速率是多少?特定系统的频带利用率是多少?采用最佳的系统特性和技术,系统的频带利用率最大可达到多少?第5章数字基带传输系统5.4
无码间串扰的基带传输特性1.理想低通基带传输特性H(f)0w-wf(Hz)1输入δ(t)输出h(t)h(t)t012w22w32w42w-12w-22w-32w-42w带宽B=wHz的理想低通,无码间串扰的最小码元间隔为1/2w秒,最大码元速率为2w波特。最大频带利用率2波特/Hz。带宽B=wHz第5章数字基带传输系统5.4
无码间串扰的基带传输特性1.理想低通基带传输特性h(t)t带宽B=1/2TsHz的理想低通,无码间串扰的最小码元间隔为Ts秒,最大码元速率为1/Ts波特。最大频带利用率2波特/Hz。0-4Ts-3Ts-2Ts-TsTs2Ts3Ts4Ts0ω输入δ(t)输出h(t)-πTsπTsTsH(ω)带宽B=1/2TsHz第5章数字基带传输系统5.4
无码间串扰的基带传输特性2.非理想低通基带传输特性或(5.4-2)根据无码间串扰的要求:寻求满足上式的系统特性H(ω)。可以证明,基带系统的传输特性只要满足下面的要求,系统都可以做到在抽样判决时刻不存在码间串扰。第5章数字基带传输系统5.4
无码间串扰的基带传输特性2.非理想低通基带传输特性基带系统的传输特性只要满足下面的要求,系统都可以做到在抽样判决时刻不存在码间串扰。或(5.4-3)只要是常数便可。等效“理想”低通特性。第5章数字基带传输系统Ts非理想低通基带传输特性H(ω)5.4
无码间串扰的基带传输特性2.非理想低通基带传输特性f012Ts1Ts32Ts-12Ts-1Ts-32Ts等效“理想”低通特性Heq(ω)非理想低通的“滚降特性”——下降部分关于f=1/2Ts对称互补。第5章数字基带传输系统2.非理想低通基带传输特性滚降特性H1(ω)滚降系数α=1f012Ts1Ts图5-13滚降特性低通传输特性5.4
无码间串扰的基带传输特性Ts等效“理想”低通特性Heq(ω)滚降系数α=0滚降特性H3(ω)滚降系数α=0.5滚降特性H2(ω)滚降系数α=0.75滚降特性H4(ω)滚降系数α=0.25“α”如何确定?第5章数字基带传输系统滚降特性H1(ω)滚降系数α=15.4
无码间串扰的基带传输特性f012Ts1Ts图5-14滚降特性低通传输特性Ts等效“理想”低通Heq(ω)滚降系数α=0滚降特性H3(ω)滚降系数α=0.5升余弦滚降特性2.非理想低通基带传输特性(5.4-4)第5章数字基带传输系统2.非理想低通基带传输特性5.4
无码间串扰的基带传输特性图5-15升余弦滚降特性低通的冲激响应t0Ts2Ts3Ts-3Ts-2Ts-Tsh(t)滚降系数(α=1)的升余弦滚降特性低通的冲激响应h1(t)理想低通(α=0)的冲激响应h0(t)(6.4-13)第5章数字基带传输系统5.4
无码间串扰的基带传输特性2.非理想低通基带传输特性■任意滚降系数α下,升余弦特性低通系统H(ω)与h(t)■任意滚降系数α下,基带传输系统的频带利用率η(5.4-6)(5.4-5)频带利用率η=无码间串扰最大码速/系统带宽
=2/(1+α)
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