第三章-数字信号基带传输.

第三章数字基带调制与传输张文凯2019年12月19日2数字信号传输的基本方式基带传输－不经过调制直接对数字基带信号进行传输的传输方式称为数字信号的基带传输－数字基带信号：数字信息的电脉冲表示（即用不同幅度的脉冲所表示的码元的不同取值）调制传输－经过调制，利用载波传输调制后的频带信号的传输方式称为数字信号的调制传输2019年12月19日3基带传输的基本特点数字基带信号含有大量的低频分量以及直流分量。基带传输是调制传输的基础。设计传输系统时，一个调制传输系统往往可以等效成一个基带传输系统来考虑。2019年12月19日4§3.1数字基带信号的码型2019年12月19日5数字信息数字序列——数据流{an}码元：an基本单元每个码元只能取离散的有限个值0，1，…M–12019年12月19日63.1.1数字基带信号的码型设计原则码型－数字信号的电脉冲结构称为码型码型编码（码型变换）－数字信息的电脉冲表示过程称为码型编码或码型变换码型译码－由码型还原为数字信息的过程称为码型译码码型的选择：－与传输信道相匹配－信号的抗噪声能力强－便于从信号中提取位定时信息－尽量减少基带信号频谱中的高频分量－编译码设备应尽量简单2019年12月19日73.1.2二元码（1）单极性非归零码－用高电平和低电平（常为零电平）两种取值分别表示二进制码1和0，在整个码元期间电平保持不变。常记为NRZ。有直流分量，用于终端设备。二进制信码11101001000110NRZ单极性A0T2019年12月19日83.1.2二元码（2）双极性非归零码－用正电平和负电平分别表示1和0，在整个码元期间电平保持不变－无直流成分，可以在电缆等无接地的传输线上传输二进制信码11101001000110NRZ单极性A0TNRZ双极性+A0-A2019年12月19日93.1.2二元码（3）单极性归零码－发送1时，高电平在整个码元期间（T）只持续一段时间（τ），在码元的其余时间内则返回零电平，发送0时，用零电平表示。常记为RZ。－τ/T称为占空比－可以直接提取位定时信号，是其它码型提取位定时信号时需要采用的一种过渡码型二进制信码11101001000110NRZ(单极性)A0TNRZ(双极性)+A0-ARZ(单极性)A0τ2019年12月19日113.1.2二元码（4）双极性归零码－用正极性的归零码和负极性的归零码分别表示1和0－兼有双极性和归零的特点，虽然幅度取值存在三种电平，但是它用脉冲的正负极性表示两种信息，通常仍归入二元码二进制信码11101001000110NRZ(单极性)A0TNRZ(双极性)+A0-ARZ(单极性)A0RZ(双极性)τ+A0-A功率谱中含有丰富的低频乃至直流分量，不能适应有交流耦合的传输信道当信息中出现长1串或长0串时，会呈现连续的固定电平，无电平跃变，也就没有定时信息(非归零码)信息1和0分别独立地对应于某个传输电平，相邻信号之间取值独立，不具有检测错误的能力2019年12月19日13谱零点带宽2019年12月19日143.1.2二元码（5）差分码－1和0分别用电平的跳变或不变来表示。－若用电平跳变表示1，则对应传号差分码，记为NRZ（M）－若用电平跳变表示0，则对应空号差分码，记为NRZ（S）－用电平的相对变化来传输信息，可以用来解决相移键控信号解调时的相位模糊问题（先了解，以后讲）－差分码中电平只具有相对意义，又称为相对码二进制信码11101001000110A0T+A0-AA0τ+A0-AA0A02019年12月19日163.1.3三元码三元码－用信号幅度的三种取值表示二进制码－三元码被广泛地用作PCM的线路传输码型2019年12月19日173.1.3三元码（1）传号交替反转码——常记作AMI码——二进制码0用0电平表示，二进制码1交替地用＋1和－1的半占空归零码表示——AMI码中无直流分量，低频分量较小，能量集中在1/2码速处——利用传号交替反转规则可用作宏观检测18基带传输的常用码型AMI码的优点：没有直流成分，且高、低频分量少，编译码电路简单，且可利用传号极性交替这一规律观察误码情况；如果它是AMI-RZ波形，接收后只要全波整流，就可变为单极性RZ波形，从中可以提取位定时分量AMI码的缺点：当原信码出现长连“0”串时，信号的电平长时间不跳变，造成提取定时信号的困难。19基带传输的常用码型HDB3码：3阶高密度双极性码编码规则：–当连“0”数目小于等于3时，HDB3码与AMI码一样，+1与-1交替，称为B脉冲；–连“0”数目超过3时，将每4个连“0”化作一小节，用000V或B00V代替，称为取代节，其中V称为破坏脉冲，而B称为调节脉冲；–相邻取代节的V脉冲与前一个V脉冲极性必须交替。V的取值为+1或-1；–V码后面的传号码极性也要交替。20基带传输的常用码型HDB3码：3阶高密度双极性码.如下图：•1码元•0码元•不超过•三个0•连续•四个0•与前一串0间偶数个1码元•与前一串0间奇数个1码元•极性交替B脉冲•取代节B00V•无脉冲•取代节000V21基带传输的常用码型例：消息码：10000100001100000000l1AMI码：-10000+10000-1+100000000-1+1HDB码：-1000–V+1000+V-1+1-B00–V+B00+V-l+1其中的V脉冲和B脉冲与1脉冲波形相同，用V或B符号表示的目的是为了示意该非“0”码是由原信码的“0”变换而来的。2019年12月19日22三元码波形二进制信息1101000000010010000001AMI码HDB3码B+B-0B+000V+000B-00B+B-00V-00B+B+B-0B+0V+B-0V-B+0B-00B+0V+B-0V-B+B-2019年12月19日232019年12月19日24HDB3码的特点:特点1由HDB3码确定的基带信号无直流分量，且只有很小的低频分量；2HDB3中连0串的数目至多为3个，易于提取定时信号。3编码规则复杂，但译码较简单。4利用V脉冲的特点，可作宏观检错。解码规则1从收到的符号序列中找到破坏极性交替的点，可以断定符号及其前面的3个符号必是连0符号，从而恢复4个连码；若3连“0”前后非零脉冲同极性，则三个零后面译为一个零；如+1000+1就应该译成“10000”，若2连“0”前后非零脉冲极性相同，则两零前后都译为0;如-100-1，就应该译为“0000”。2再将所有的-1变换成+1后，就可以得到原消息代码。比较1：AMI码、HDB3与单极性NRZ码比较2：AMI码与HDB3码的同步性能AMI码遇长0码时提取位定时困难，无法提取HDB3码无长0码，保证了位定时提取条件AMI码、HDB3单极性NRZ码双极性归0码单极性非归0码无直流分量有直流分量提取位定时简单提取位定时复杂、困难传号极性交替，宏观检错（纠错）前后码元无关2019年12月19日26数字基带信号的功率谱前面介绍了典型的数字基带信号的时域波形，从信号传输的角度来看，还需要进一步了解数字基带信号的频域特性，它决定了信号在频域的分布情况，决定了信号的带宽，以便通信系统设计时能有效地、合理地利用传输信道。在实际通信中，被传送的信息是收信者事先未知的，因此数字基带信号一般是随机的脉冲序列，由于随机信号不能用确定的时间函数表示。也就没有确定的频谱函数，因此不能用确定信号的频谱计算方式。随机信号的频谱特性要用功率谱密度来描述。分析数字基带信号功率谱的目的：——根据功率谱的特点设计传输信道以及合理的传输方式。——是否含有定时信号，作为同步的基础。2019年12月19日27数字基带信号的功率谱怎样求随机序列的功率谱呢？理论上，先求出自相关函数——功率谱，计算过程较复杂。采用比较简单的方法，求出简单码型的功率谱。尽管公式的适用范围有限，但计算结果具有普遍的意义，可进行定性分析（具体功率谱表达式必须经过定量计算）。方法：从随机过程功率谱的原始定义出发，推出了二进制随机脉冲序列g(t)的功率谱P(f)。分析：二进制随机脉冲序列g(t)，1码——基本波形g1(t)，概率为P0码——基本波形g2(t)，概率为1-P码元宽度——Ts组成；Ts不是抽样周期（间隔）！2019年12月19日28对于任意随机信号g(t)，都可以分解成二部分稳态分量a(t)——周期性分量随机变化分量u(t)——动态分量g(t)=a(t)+u(t)u(t)=g(t)-a(t)分别求出这二个分量的功率谱，就可求出g(t)的功率谱。P(f)=Pa(f)+Pu(f)离散谱连续谱假设随机脉冲序列为()()nngtgt式中12(),P()(),PsnsgtnTgtgtnT以概率出现以概率1－出现12()()(1)()ssnatPgtnTPgtnT()ut分解为两部分，稳态分量＋随机变化的分量()()()gtatut()at用傅立叶级数展开()sjntnnatae2/ssT若1122()()()()gtGfgtGf则有112()(1)()snssTaPGnfPGnf求得稳态分量的功率谱222112()()(1)()()sanssssTnnPfafnfPGnfPGnffnf）＋（－()at是的统计平均分量，是周期性分量()at()gt12()()(1)()ssnatPgtnTPgtnT()gt是功率信号，将其截短成长度为的信号(21)sTNT()Tgt()()NTnnNgtgt扣除稳态分量后，剩余的交变分量为()()()()()NTTTTnnNutgtatorutut1121221212()()(1)()(1)()(),P()()()(1)()()(),PsssssnsssssgtnTPgtnTPgtnTPgtnTgtnTutgtnTPgtnTPgtnTPgtnTgtnT以概率以概率1－121,P()()(),,1PnnssnorPutagtnTgtnTaP以概率其中以概率－22222222(1),P,P1PP1PPP(1)(1)2(1)(1)0nmnmnaPmnaaEaaPPPPPPPP是随机幅度序列，具有以下特性：以概率当时，以概率（－）－（－），以概率2（1－）所以22222(1),PP1(1)(1)(1)0,(1),mnnmnmnPmnaaaEaaPPPPPPmnEaaPPmn以概率当时，，以概率（－P)这时，的频谱函数()Tut()TU1212()()()()()()sjtTTNjtnssnNNjnTnnNUutedtagtnTgtnTedtaeGG求出的能量谱的统计平均值为()Tut2()**12122212212()()()()()()(1)()()(21)(1)()()sNNjnmTTmnmNnNNTnNEUEaaeGGGGEUPPGGNPPGG当m=n时，有＝的功率谱为()Tut22122112()()lim(21)(1)()()lim(21)(1)()()sTuTTsTEUfPfTNPPGfGfNTPPGfGf的功率谱222111212()(1)()()()(1)()()sssssTTnPfPPGfGfPGnfPGnffnf()gt通常二进制信息1和0是等概的，p＝1/2221212211()()()()()()44sssnssPfGfGfGnfGnffnfTT2019年12月19日33小结：P(f)包含两个部分Pa(f)和Pu(f)Pa(f