第五章 数字基带传输系统1.ppt

1、我能 我一定能行！,第五章 数字基带传输系统 5.1 引言 5.2 数字基带信号及其频谱特性 5.3 基带传输的常用码型 5.4 基带脉冲传输与码间串扰 5.5 无码间串扰的基带传输特性 5.6 部分响应系统 5.7 基带传输系统的抗噪声性能 5.8 眼图 5.9 时域均衡,5.1 引言,数字基带信号：来自数据终端的原始数据信号。,计算机输出的二进制序列 电传机输出的代码 PCM码组，M序列,直接利用基带信号通过传输信道进行传输的方式称为基带传输。 直接传送基带信号的系统称为基带传输系统。,研究基带传输系统的意义,在利用对称电缆构成的近程数据通信系统广泛采用了这种传输方式； 基带传输系统的许多

2、问题也是频带传输系统必须考虑的问题； 任何一个采用线性调制的频带传输系统可等效为基带传输系统来研究。,数字基带传输系统框图,信道：允许基带信号通过的媒质，通常为有线信道，如市话电缆、架空明线等。其传输特性通常不满足无失真传输条件，甚至是随机变化的。另外信道还会进入噪声。,信道信号形成器：把原始基带信号变换成适合于信道传输的基带信号，这种变换主要是通过码型变换和波形变换来实现的，其目的是与信道匹配，便于传输，减小码间串扰，利于同步提取和抽样判决。,抽样判决器：在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻（由位定时脉冲控制）对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号。而用来抽样的位定时脉

3、冲则依靠同步提取电路从接收信号中提取，位定时的准确与否将直接影响判决效果。,接收滤波器：滤除带外噪声，对信道特性均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决。,(a)基带信号； (b)码型变换后； (c)进行波形的变换，适合在信道中传输的波形； (d)信道输出信号，波形发生失真并叠加了噪声； (e)接收滤波器输出波形, 与(d)相比，失真和噪声减弱； (f)位定时同步脉冲； (g)恢复的信息。,5.2 数字基带信号及其频谱特性,5.2.1 数字基带信号及常用码型 数字基带信号是指消息代码的电波形，它是用不同的电平或脉冲来表示相应的消息代码。数字基带信号(以下简称为基带信号)的类型有很多，常见的有矩形脉

4、冲、三角波、高斯脉冲和升余弦脉冲等。最常用的是矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成和变换。,传输码（线路码）型的设计原则,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。,图 5 3 几种常见的基带信号波形,1、单极性不归零码,特点：在整个码元持续时间内用一个固定电平表示信息。 用高电平E表示“1” 用零电平表示“0” 缺点： 单极性码传输时需要信道一端接地，不能用两根芯线均不接地的电缆传输； 接收单极性码，判决电平E/2，信道衰减，不存在最佳判决电平； 含有直流分量 不能直接提取同步

5、信号,2、双极性不归零码,特点：在整个码元持续时间内用一个固定电平表示信息。 用高电平E表示“1” 用低电平E表示“0” 优点： 无直流成分； 可在不需要接地的电缆中传输； 最佳判决电平为0，可保持不变；,缺点： 不能直接提取同步信号； 0、1码不等概出现时，还有直流成分。,3、单极性归零码,特点：用宽度小于码元持续时间的固定电平表示“1”，脉冲在码元周期内回到零电平。用零电平表示“0”,占空比：/Ts 缺点：同单极性码 优点：可直接提取位同步信息，是其它信号提取同步信号需要的一种过渡码型。,4、双极性归零码,特点：用宽度小于码元持续时间的正脉冲表示“1” 用宽度小于码元持续时间的负脉冲表示“

6、0”,优点： 具有双极性码的一般优点。 可以通过简单的变换电路变换为单极性归零码，从而可以提取同步信号。,5、差分码,特点： 相邻码元电平变化表示“1” 相邻码元电平不变表示“0”,优点：接收端收到的码元极性与发送端的完全相反，也能正确地进行判决。在相位调制系统中可以解决载波相位模糊问题。,由于差分波形是以相邻脉冲电平的相对变化来表示代码，因此称它为相对码，而相应地称前面的单极性或双极性波形为绝对码。,6、多元码（多电平码）,多个二进制符号对应一个脉冲码元波形 与二元码传输相比，在码元速率相同的情况下，它们的传输带宽是相同的，但多元码的信息传输速率是二元码的log2M倍。,基带信号时域脉冲选择

7、,高斯形脉冲,升余弦脉冲,5.2 数字基带信号的频谱特性,通过谱分析，可以了解信号需要占据的频带宽度，所包含的频谱分量，有无直流分量，有提取同步信息的离散分量等。这样，才能针对信号谱的特点来选择相匹配的信道，以及确定是否可从信号中提取同步信号。,数字基带信号是随机的脉冲序列，没有确定的频谱函数，所以只能用功率谱来描述它的频谱特性。由随机过程的相关函数去求随机过程的功率(或能量)谱密度比较复杂。一种比较简单的方法是以随机过程功率谱的原始定义为出发点，求出数字随机序列的功率谱公式。,随机脉冲序列的表达式,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

8、宽度为Ts的方波，把g2(t)画成宽度为Ts的三角波。,“0”码 g1(t),“1”码 g2(t),出现的概率为P,出现概率为(1-P),随机脉冲序列示意波形,随机序列可表示成,其中,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)。,稳态项,稳态波v(t)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。,稳态项表达式,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。,交变项,交变波u(t)是s(t)与稳态项v(t)之差， 即 u(t)=s(t)-v(t)

9、 在（-Ts/2，Ts/2）间隔内，如s(t)= g1(t)，则,在（-Ts/2，Ts/2）间隔内，如s(t)= g2(t)，则,在（-Ts/2，Ts/2）间隔内的表达式为,一般表达式为,数字基带信号的功率谱密度,1.稳态项v(t)的功率谱密度Pv(f),由于v(t)是以Ts为周期的周期信号，故可以展成傅里叶级数,由于在（-Ts/2，Ts/2）范围内（相当n=0） v(t)=Pg1(t)+(1-P)g2(t),所以,又由于v(t)= Pg1(t)+(1-P)g2(t)只存在（-Ts/2，Ts/2）范围内，所以上式的积分限可以改为从-到，因此,再根据周期信号功率谱密度与傅里叶系数Cm的关系式，有

10、,可见稳态波的功率谱Pv(f)是冲击强度|Cm|2的离散线谱，根据离散谱可以确定随机序列是否包含直流分量（m=0）和定时分量(m=1)。,u(t)是功率型的随机脉冲序列，它的功率谱密度可采用截短函数和求统计平均的方法来求，参照第2章中的功率谱密度的原始定义式，有,其中UT(f)是u(t)的截短函数uT(t)的频谱函数；E表示统计平均；截取时间T是（2N+1）个码元的长度，即 T=(2N+1)Ts,2.交变项u(t)的功率谱密度Pu(f),式中，N为一个足够大的数值，且当T时，意味着N。现在先求出频谱函数UT(f)。,式中,于是,an是随机幅度序列,其统计平均为,总结得,代入得,可见，交变波的的

11、功率谱Pu(f)是连续谱，它与g1(t)和g2(t)的频谱以及出现概率P有关。根据连续谱可以确定随机序列的带宽。,3 随机基带序列s(t)的功率谱密度Ps(f),上式是双边的功率谱密度表示式。如果写成单边的，则有,第一项：由交变项u(t）产生的连续频谱。 在实际中，由于g1(t) g2(t) 故 G1(f)G2(f)， 因而Pu()总是存在的；,第二项：由稳态项v(t）产生的直流成分的功率谱密度。 该项不一定存在。当PG1(0)+(1-P)G2(0)=0时，该项为零，直流成分不存在。,由于双极性码 g1(t)=g2(t) 故 G1(0)=G2(0) 在P=0.5时 PG1(0)+(1-P)G2

12、(0)=0 无直流成分。,第三项：由稳态项v(t）产生离散频谱。 该项对提取同步信号特别重要，但这一项也不一定存在。当PG1(mfs)+(1-P)G2(mfs)= 0时，该项为零，直流成分不存在。,由于双极性码 g1(t)=g2(t) 故 G1(mfs)=G2(mfs) 在P=0.5时 PG1(mfs)+(1-P)G2(mfs)=0 该项不存在。 故双极性码不能直接提取同步信息。,5.3 基带传输的常用码型,1. AMI码（传号交替反转码）,编码规则：用0电平表示代码“0” 用交替的正、负电平表示代码“1” ；,消息代码：1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 AMI码： +1

13、 0 0 1 +1 0 0 0 0 0 0 0 -1 +1,在电报中把“1”称为传号， “0”称为空号。,缺点： 连0时难于提取同步信号。,优点： （1）在“0”、 “1”不等概时也无直流成分，且低频分量较小； （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）只要进行全波整流变为单极性归零波形，便可提取位定时信号。,AMI码是CCITT建议采用的传输码性之一。,2.HDB3码（三阶高密度双极性码）,（1）当代码的连“0”个数不超过3时，仍按AMI码的规则编码，即传号极性交替； ,编码规则,（1）相邻B码和V码的极性必须交替出现，以确保编好的码中无直流；,破坏脉冲和信码必须满足

14、的条件,（2）当连“0”个数超过3时，则将第4个“0”改为非“0”脉冲，记为+V或-V，称之为破坏脉冲。原来的1码称为信码，用B表示。,（2）为了便于识别，V码的极性应与其前一个B码的极性相同。,信息序列前一破坏点为V+且至第一个1之间有奇数数个1,1,-1,0,1,0,0,0,0,0,0,0,-1,0,0,0,0,0,0,0,1,AMI:,代码,信息序列前一破坏点为V+且相邻V符号间有偶数个1,1,-1,0,1,0,0,0,0,0,0,0,-1,1,0,0,0,0,0,0,-1,AMI:,代码,补偿码,HDB3码的解码,解码步骤： （1）先找出两个相邻且同极性的码，后一个为V码； （2）由该

15、V码向前数第三个码，如果它不是0码，则表明是补偿码B； （3）将V码与补偿码均去掉（改为0码），再进行全波整流，得到单极性码，即为原代码。,1,-1,0,1,0,0,0,0,0,0,0,-1,1,0,0,0,0,0,0,-1,AMI:,代码,5.4 基带脉冲传输与码间串扰,(a)基带信号； (b)码型变换后； (c)进行波形的变换，适合在信道中传输的波形； (d)信道输出信号，波形发生失真并叠加了噪声； (e)接收滤波器输出波形, 与(d)相比，失真和噪声减弱； (f)位定时同步脉冲； (g)恢复的信息。,什么是码间串扰？,经过实际信道传输，即使没有噪声，也会产生延迟和失真,Ts,Ts,Ts,

16、Ts,如果波形失真比较严重，可能出现前面几个码元同时串到后面，对后面某个码元的抽样判决产生不利影响，这就是码间串扰。当码间串扰严重时，会出现误码。,数字基带传输系统模型,H(),anh(t-nTs)表示第n个码元波形，an是第n个码元的相对幅度，它是随机的，它的数值既和所传递的码元有关，又和基带信号的码型有关。,an：发送滤波器的输入符号序列，在二进制的情况下, an取值为0、1或-1、+1。 为了分析方便，假设an对应的基带信号d(t)是间隔为Ts，强度由an决定的单位冲击序列,基带信号,GT()：发送滤波器的传输特性,C()：信道的传输特性,GR()：接收滤波器的传输特性,基带传输系统的总

17、传输特性为,总冲激响应,接收滤波器输出,nR(t)：加性噪声n(t)经过接收滤波器后输出的噪声。,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an。如要对第k个码元ak进行判决，应在t=kTs+t0时刻上（t0是信道和接收滤波器所造成的延迟）对y(t)抽样,由于分析的是第k项，因此将n=k项单列,第k个码元的抽样值，h(t0)通常是h(t)的最大值,第k个码元的抽样时噪声的瞬时值，是随机变量,由无穷多项组成，代表第k个码元以外的所有码元的抽样值的总和，即码间串扰,为了使误码率尽可能的小，必须最大限度的减小码间串扰和随机噪声的影响。,5.5 无码间串扰的基带传输特性,消除码间干扰

18、的方法,让前面码元的波形在后面码元的取样时刻之前衰减到0。这种方法表面上看来可行，但实际上这种波形无法传输。,选择传输特性的依据,带宽小； 尾 巴振荡幅度小，收敛快； 容易实现。,码元波形要尽快衰减到0，但实现不易，可只要让它在t0+Ts，t0+2Ts等后面码元抽样判决时刻上正好为0，就能消除码间串扰。,在不考虑噪声时，根据h(t)去设计H()特性。,设t0=0,则接收码为akh(0),串扰为,令k =k-n, k为任意整数，则,k与k一样为任意整数，故再用k代替k ，得,这就是无码间串扰的条件,什么样的系统满足无码间串扰的条件？,理想低通滤波器,在kTs时刻，对h(t)抽样，则有,码元的传输

19、速率,则最小传输带宽为,Nyquist速率,要求发送码元的时间间隔为Ts，故,Nyquist带宽,Nyquist速率为极限传输速率,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,即带宽为fs/2的理想滤波器在传输速率为fs时无码间串扰，即带宽为B的理想低通滤波器可以传输每秒2B个脉冲。,为了说明传输系统的带宽与码元传输速率的关系，定义频带利用率,物理意义：单位频带的码元的传输速率。频带利用率越高，则系统的有效性越好。,理想低通传输特性的基带系统有最大的频带利用率。但令人遗憾的是，理想低通系统在实际应用中存在两个问题：,当基带传输系统具有理想低通滤波器的特性时，以截止频率两倍的速率传输数字信号，就能消除码间串扰。,物理实现