计算机通信-第5章数字基带传输系统

第5章数字基带传输系统《现代通信原理（第三版）》宋祖顺宋晓勤宋平电子工业出版社数字基带传输系统1数字基带信号2码间串扰3数字基带系统的理想传输特性4无码间串扰时噪声对传输特性的影响5第5章数字基带传输系统6眼图部分响应技术7几个问题何谓“数字基带系统”？1.数字基带（baseband）信号：没有经过调制的原始数字信号，如各种文字、数字和图像的二进制代码、语声的PCM及编码等，其频谱是从零频或很低频率开始，我们称为数字基带信号.2.数字数字基带系统：不经调制而直接传输数字基带信号的系统。M为什么要研究数字基带系统？1.模拟基带系统通信容量小，抗干扰能力差，不便于多媒体通信和实现通信自动化，目前使用越来越少。2.数字基带传输方式在对称电缆构成的近程数据通信系统中广泛采用；数字基带传输方式它既可用于低速数据传输，也可用于高速数据传输。3.任何一个采用线性调制的数字传输系统，都可以等效为一个基带传输系统来研究（理论意义）。5.1数字基带传输系统信道信号发生器抽样判决器信道同步提取接收滤波器()TGf()Cf()RGf()nt数字基带传输系统模型()t框图说明：信道信号形成器：把输入的数字信号变换成适合于信道传输的信号1.实现方法：进行码型、波形变换2.目的：适合于信道传输信道：为电缆、架空明线、电话线等等接收滤波器：滤除带外噪声，对信道特性进行均衡，提高信噪比，减小码间串扰取样判决器：在有噪声和干扰条件下，正确恢复原来的信码同步：提取码元频率信息，为判决电路提供判决时钟数字基带系统工作原理及工作过程如下图单极性不归零信号进行了码型、波形变换，适合信道传输进行码型变换后的波形信道输出波形接收滤波器输出波形位定时同步脉冲恢复出的信号5.2数字基带信号数字基带信号：数字消息序列的一种电信号表示形式；它是用不同的电位或脉冲来表示数字消息；它的功率谱集中在零频。5.2.2数字基带信号的码型单极性不归零码(单极性全占空电位信号)双极性不归零码(双极性全占空电位信号)单极性归零码双极性归零码差分码又称相对码（用相邻码元的电平的跳变和不变表示消息代码，而与码元本身的电位或极性无关）1kkkbab单极性不归零码（NRZ)0t01000011000001010最简单，但只适用极短距离传输，应用很少。(1)有直流分量；(2)判决电平不能稳定在最佳的电平，抗噪声性能不好；(3)不能直接提取定时信号；(4)要求一端接地。这样不能用两根芯线均不接地的电缆传输线；用高电平和零电平分别表示二进制信息“1”和“0”。特点：双极性不归零码特点:01000011000001010（1）“1”、0”等概时无直流分量为零;（3）不能提取同步信息;（4）“1”、0”不等概时仍有直流分量。用正电平和负电平分别表示“1”和“0”（2）接收端判决电平为0，稳定不变，不受信道特性变化的影响，抗干扰能力也较强；单极性归零码（RZ）特点：具有一般单极性不归零码缺点，但可直接提取位同步信息。是其它波形提取位定时信号时需要采用的一种过渡波形。信码“1”高电平只保持一段时间(T)，其余时间为零电平；信码“0”用零电平表示占空比=/T，常取=T/2，占空比=1/2称半占空0t010001100001010T双极性归零码特点：具有双极性不归零码的优点，且可方便的提取位同步信息.t001000011000001010有三种电平，称伪三元码与双极性非归零码相似，只是脉冲的宽度小于码元间隔。可方便的变换为单极性归零码提取同步信号，应用比较广泛。T差分码特点：利用前后码元电平相对极性变化来传送信息,是一种相对码；参考电平为“1”编码规则：“1”变“0”不变或“0”变“1”不变000100001100000101t优点:码元极性相反时亦可正确输出。用电平的跳变或不变来表示“1”和“0”，也称为相对码。可以解决起始相位的不确定问题。传输码传输码的要求：频谱中无直流有利于定时信息提取----不能出现长连零AMI码（AlternativeMarkInversion）就是前述的交替极性码编码规则：将消息码的“1”码（传号）交替地变为“+1”和“-1”，而“0”码（空号）保持电压为零不变。HDB3码编码思想：1.连零不能多，否则要添加破坏脉冲。2.添加的破坏脉冲应便于识别，以便译码时剔除。3.保证无直流，破坏脉冲正、负交替。几种常用的传输码型3HDB码HDB3码编码规则：1.没有四个或四个以上连零，按AMI码编码。2.当出现长连零，在第四、八、十二…个连零处要添加破坏脉冲V。3.破坏脉冲V应正、负交替加入。4.破坏脉冲V与它前一个紧靠的“1”码异极性，则需在四连零的第一个零位加附加脉冲B，B应与该破坏脉冲V同极性。5.在加破坏脉冲后“1”码的极性要连同附加脉冲一起考虑交替。HDB3编码举例：(a)输入二进制码元序列01000011000001010(e)HDB3码0+1000+1-1+1-100-10+10-10(d)引入补码B0+1000+V–1+1-B00-V0+10-100+1000+V-1+1000-V0-10+10(＋1表示正脉冲，-1表示负脉冲）(b)AMI码0+10000–1+100000-10+10注意：任意两相邻V脉冲之间信息码和B脉冲的个数之和应为奇数。(c)信码和加上的破坏脉冲V极性关系不能满足，需引入B信息码极性从B开始继续交替01000011000001010t01.无直流且低频少；2.可提出位同步信息；HDB3码0+1000+V-1+1-B00-V0+10-10HDB3码特点（1）-11-11-11-11-11-11-11-11（2）000-VB00V-B00-VB00VHDB3码特例：任意两个相邻的V脉冲之间信息码和B脉冲的个数之和应为奇数。一个简单的方法：任意两个相邻的V脉冲之间的信息码个数为偶数时，加入一个B脉冲，为奇数则不加。全“1”和全“0”的HDB3码：HDB3码的译码方法：由相邻极性相同码找出V码，根据向前数第三个是否为零找出B码，去掉V、B后其余都是信码。HDB3码0+1000+1-1+1-100-10+10-10AMI码0+10000–1+100000-10+10VBV作业习题1，25.4码间串扰InterSymbolInterference,ISI定义：由于系统总传输特性（包括收、发滤波器和信道的特性）不理想，导致码元的波形畸变，使波形出现展宽、拖尾并蔓延影响到其它码元，从而对其它码元的取样判决造成干扰，我们常称为码间串扰。数字基带信号传输系统模型：()TGf()Cf()RGf()Hf(())kBkbtktT(())kBkbhtkTht2()()()()()()()()()()TRjftkBkkBRkHfGfCfGfhtHfedfbtkTytbhtkTnt根据频谱分析知识，冲激脉冲序列加到线性网络则输出：()nt()Rnt0000000000))()()()()()()()()BBkBBRBkmBBkBBRBkkmmkBBRBkkmmmTtymTtbhmTtkTnmTtbhmTtmTbhmTtkTnmTtbhtbhmTtkTnmTt第个码元取样判决时刻为(，此时基带传输系统的输出为：(下面我们将分别对码间串扰和噪声进行研究。5.5数字基带系统的理想传输特性5.5.1理想低通滤波器的传输特性带宽为的理想低通滤波器的系统函数2BfW1()20fWHfW其它22122121()()2()()10()00BBWjftjftWjftTBBTBhtHfedfedfWTedfSatThtmhmTm因此是取样函数。12BTW()Hf2BWf2BWf0f1222BBBfRWT0000)()()0)(0)()(0)[()]()0[()][()]0[(BmkBBkkmBmkBBmkBkkkmkmBBBkymTtbhtbhmTtkTtymTbhbhmTkTbhbhmkTkmmkhmkTSamkTTbhm如果基带传输系统正好为理想低通滤波器，将上式带入码间串扰表示式：(令，则(因为：所以：所以：所以：)]0)(0)BkkmBmmkTymTbhb所以：(由此可见，理想低通基带系统是无码间串扰的。1222222()/BBBBBBBffRBWTTRWfRWrBWHzSHz秒B(波特)－奈奎斯特带宽奈奎斯特间隔=奈奎斯特速率最高B频带利用率思考：理想低通为什么能实现无码间串扰？这是因为带宽为理想低通滤波器的冲激响应除t=0外，具有周期为的零点，当传输速率为时正好巧妙地利用了这些零点，实现了无码间串扰传输，见下页图。补充：若时有无码间串扰？1()22BBfTBT1()BBfT53224BBBBfffR；；53224BBBfff答案：时无串扰；时有串扰，不可消除；时有串扰，可消除。H(f)(a)-wwof12w=TB5.2.2等效理想低通1221212212210()00()()()()BBBBBBBjftTBTjfnTTBBTjfnTBnhnTnhtTedfhnTTedfhnTHfedf理想低通无码间串扰是因为理想低通则对一般基带传输特性1()11~(21)(21)(2)~2BBBBHfTifiiTfT把积分区间分为无穷多段，每段宽为则：频率的区间变为：式中如即为下图所示：5.5.3实用的无码间串扰传输特性（等效理想低通滤波器）三角形升余弦梯形余弦滚降原理：只要它们的传递函数“切段”相加，能构成为矩形，则它们也是无码间串扰的滤波器升余弦特性的传输函数可表示为相应的h(t)为11cos02()10SSSSTfTfTHffT22sin/cos//14/SSSStTtThttTtT升余弦特性的传输函数余弦滚降–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“滚降”。–一种常用的滚降特性是余弦滚降特性，如下图所示：只要H()在滚降段中心频率处（与奈奎斯特带宽相对应）呈奇对称的振幅特性，就必然可以满足奈奎斯特第一准则，从而实现无码间串扰传输。=+fNfNfff0H1NfffNf00.5fNf01奇对称的余弦滚降特性余弦滚降特性按余弦特性滚降的传输函数可表示为相应的h(t)为式中，为滚降系数，用于描述滚降程度。它定义为(1),02(1)(1)()[1sin(2)]2222(1)0,2SSSSSSSSTfTTTHfffTTTfT222sin/cos//14/SSSStTtThttTtT/Nff余弦滚降特性的传输函数其中，fN－奈奎斯特带宽，f－超出奈奎斯特带宽的扩展量–几种滚降特性和冲激响应曲线滚降系数越大，h(t)的拖尾衰减越快滚降使带宽增大为余弦滚降系统的最高频带利用率为/Nff(1)NNBfff22B/Hz(1)(1)NBNfRBf余弦滚降特性的特点讨论RB=2W（码元速率等于两倍系统等效低通滤波器带宽）这是无码间串扰的最大系统传输速率。RB2W（码元速小于两倍系统等效低通滤波器带宽）若满足RB=2W/n，n为大于1的整数，则无码间串扰。其它情况则有码间串扰，但可消除。RB2W（码元速率大于两倍系统等效低通滤波器带宽）当码元速率大于基带传输系统等效带宽的两倍时，无法得到一个无码间串扰的系统，或者说无法设计一个无码间串扰的信号波形。简单例题带宽均为1kHz的理想低通滤波器和三角形滤波器：当传输速率如下表