CH10-数字信号的基带传输系统.

2020年1月11日星期六－兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系－通信原理程琳兰州大学信息科学与工程学院M.P:13993113069Email:[e-mail]@gmail.comAddress：DepartmentofElectronics&InformationScience,SchoolofInformationScience&Engineering,LanzhouUniversity,TianshuiSouthernRoad222#，GansuProvince，P.R.ChinaPrinciplesofCommunications2020年1月11日星期六－兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系－2第十章数字信号的基带传输系统主要内容提要：》数字基带信号波形及其功率谱密度》通过加性白高斯噪声信道传输的数字基带信号的接收》数字PAM信号通过限带基带信道的传输》加性白高斯噪声干扰下数字PAM信号通过理想限带信道的最佳基带传输》眼图》信道均衡》部分响应系统2020年1月11日星期六－兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系－3本章基本要求本章要求掌握数字基带信号波形及其功率谱密度分析，包括数字脉冲幅度调制（PAM）、常用数字PAM信号波形及码型、数字PAM信号的功率谱密度计算、常用线路码型；要求掌握通过加性白高斯噪声信道传输的数字基带信号的接收、数字PAM信号通过限带基带信道的传输、加性白高斯噪声干扰下数字PAM信号通过理想限带信道的最佳基带传输；要求理解眼图的基本概念、基本参数及其含义，并了解其实际应用；要求了解信道均衡的基本原理、部分响应系统的基本原理等相关内容。2020年1月11日星期六－兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系－4§1.引言数字传输系统传输的对象是二元数字信息，设计该系统时的基本考虑是选择一组有限的离散波形（信号形式）来表示数字信息。数字信号的传输方式有两种基带传输：不经过调制而直接传送的方式，即发送端不使用调制器，接收端也不使用解调器。→某些有线信道可以直接传送数字基带信号频带传输：使用调制解调器。即发送端使用调制器，接收端使用解调器。→数字信号的调制传输（或载波传输）2020年1月11日星期六－兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系－5§1.引言数字基带信号：特点是未经调制的信号所占频带是从直流或低频开始，其带宽是有限的；信号波形的功率谱密度为低通型的数字信号数字频带信号：经过调制，将数字基带信号的频谱搬移到高频端的方式信号波形的功率谱密度为带通型的数字信号2020年1月11日星期六－兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系－6基带传输系统的一般模型信道信号形成器(也叫发送滤波器)：用来产生适合于信道传输的基带信号;接收滤波器：用来接收信号，并尽可能排除信道噪声和其它干扰；抽样判决电路：它是在噪声背景下用来判定与再生基带信号的。2020年1月11日星期六－兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系－7基带系统的各点波形示意图输入的基带信号码型变换后的波形波形变换后适合在信道中传输的波形信道输出的信号波形发生失真并叠加了噪声接收滤波器输出波形位定时脉冲恢复的信息，发生了误码•误码显然，接收端能否正确恢复信息，在于能否有效地抑制噪声和减小码间串扰，这两点也正是本章讨论的重点。2020年1月11日星期六－兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系－8频带传输系统的一般模型这里m(t)为NRZ或BNRZ码，来自数字信源，也可来自PCM、△M、加密器、或信源编码器；调制器和解调器可完成载波调制和解调；发送滤波器、接收滤器的作用同数字基带系统。m(t)调制器发滤波器e0(t)信道噪声收滤波器解调m(t)2020年1月11日星期六－兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系－9§1.引言相比于频带传输，基带传输的优点是：1、设备简单;2、易做成一机多速率;3、适应性强。研究基带传输的目的在频带传输制式里同样存在基带传输的问题(如码间干扰等)，可以说基带传输是频带传输的基础。随着数字通信技术的发展，基带传输这种方式也有迅速发展的趋势。目前,它不仅用于低速数据传输,而且还用于高速数据传输。理论上也可证明，任何一个采用线性调制的频带传输系统，总是可以由一个等效的基带传输系统所替代。2020年1月11日星期六－兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系－10§2.数字基带信号波形及其功率谱密度1、数字基带信号码型和线路码型的设计原则2、数字基带信号的常用码型及其功率谱分析3、常用线路码型及其功率谱分析2020年1月11日星期六－兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系－11§2.数字基带信号波形及其功率谱密度一、数字基带信号码型的设计原则：1、码型中低频、高频分量要尽量少；2、码型编译码过程应对任何信源具有透明性，即与信源的统计特性无关；3、便于从基带信号中提取位定时信息；4、具有内在的检错能力，便于监测信号传输质量；5、误码增殖越少越好；6、编译码设备尽量简单。2020年1月11日星期六－兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系－12§2.数字基带信号波形及其功率谱密度二、线路传输码型的设计原则：1、线路码的功率谱密度特性应该匹配于基带信道的频率特性；2、减少线路码频谱中的高频分量；3、便于从接收端的线路码中提取符号同步信号；4、减少误码扩散；5、便于误码监测；6、尽量提高线路码型的编码效率。线路传输码型是针对不同传输媒介的不同传输特性而提出的，属于信道特性匹配码型，但从实质上看它仍然属于基带码型。2020年1月11日星期六－兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系－13§2.数字基带信号波形及其功率谱密度三、数字基带信号常用码型：二进制信号在逻辑上用数字“0”和“1”表示。这些数字在实际电路中是用各种电压波形来表示出来的。现以矩形电压脉冲表示为例，主要有以下几种基本的波形表示方法，图形参见后例：单极性非归零波形NRZ双极性非归零波形BNRZ单极性归零波形RZ双极性归零波形BRZ差分波形（反映相邻代码的码元变化）多电平（多进制）波形2020年1月11日星期六－兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系－140+V0+V数字基带信号常用码型0101100010+V单极性波形0+V单极性归零波形空号差分波形传号差分波形双极性波形-V+V-V+V0双极性归零波形2020年1月11日星期六－兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系－15数字基带信号常用码型单极性非归零码NRZ（NonReturnZero）脉冲宽度τ等于码元宽度Ts.电传机等数字终端机都是发送或者接收这种波形。此码型不宜传输，主要原因：1）有直流，一般信道难于传输零频附近的频率分量；2）收端判决门限与信号功率有关，不方便；3）不能直接用来提取位同步信号，因NRZ中不含有位同步信号频率成分；4）要求传输线有一根接地。双极性非归零码（BNRZ）脉冲宽度τ=Ts,有正负电平。不能直接提取位同步信号单极性归零码（RZ）脉冲宽度τTs可用来提取位同步信号，NRZ所拥有的其他缺点存在。双极性归零码（BRZ）NRZ码的缺点都不存在，整流后可提取位同步信号。2020年1月11日星期六－兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系－16数字基带信号常用码型差分码（或相对码）包括传号差分码、空号差分码反映相邻代码的码元变化编码电路na绝对码bn-1an+Tbn100101001110anbnnb相对码1(mod2)nnnbabbn-1an+Tbnanbn1(mod2)nnnabb1•译码电路1101002020年1月11日星期六－兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系－17数字基带信号常用码型多电平（多进制）波形组成基带信号的单个码元并非一定要是矩形的，也可以是其他形状，如三角形、高斯型、升余弦、半余弦脉冲等。+V+3V-V-3V00100111102B1Q码即2个二进制码元用1个四元码表示……111000……2020年1月11日星期六－兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系－18§2.数字基带信号波形及其功率谱密度四、数字基带信号的频谱分析：数字基带信号的时域表达式为其中，an是第n个消息符号所对应的电平值，它是一个随机量。而MPAM信号波形的形状由gT(t)决定。s(t)是周期平稳随机过程S(t)的样本函数，则s(t)也是周期平稳的（可以证明，从略）。-()()nTsnstagtnT2020年1月11日星期六－兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系－19数字基带信号的频谱分析先对自相关函数在它的周期内求时间平均，然后再计算该平均自相关函数的傅氏变换221()(,)1()()ssTTsssagsmsRRttdtTRmRmTT222()-2()()1()()1()|()|ssjfssjfmTjfmTagsmsaTsPfRedRmeRmTedTPfGfT2020年1月11日星期六－兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系－20数字基带信号的频谱分析假设中各符号之间不相关，且等概出现()exp(2)()ssmmsmfTjfmTT利用傅里叶级数展开222222();()0;()()0;ananaaaannmamEaEammmRmEaamm22()exp(2)aaasmPfmjfmT{}na22()()aaamssmmPffTT2020年1月11日星期六－兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系－21数字基带信号的频谱分析21()()|()|saTspfpfGfT连续谱分量其形状取决于GT(f)22222|()||()|()aaTTmssssmmmGfGfTTTT离散线谱分量，各线谱间隔为1/Ts当{an}的均值ma=0时，离散线谱消失22()()aaamssmmPffTT将代入功率谱密度计算式中•Note：公式推导的前提是假设随机序列{an}的各符号之间互不相关！2020年1月11日星期六－兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系－22数字基带信号功率谱密度的计算双极性不归零码：假设0、1等概率出现，分别用+A、-A幅度的矩形不归零脉冲表示。101,21,2nAPaAP()0anmEa22()|()|asTspfGfT()TgtsTbAt0222()0anEaA22|()|sjfTabsssATsincfTeT222()bssAATsincfT2020年1月11日星期六－兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系－23数字基带信号功率谱密度的计算单极性归零码：假设0、1等概率出现，分别用、幅度为0、+A的半占空矩形脉冲表示。101,210,2nAPaP()2anAmEa22222()|()||()|()aasTTmssssmmmpfGfGfTTTT()Tgt/2sTbAt02222()4anaAEam2()sin()22sfTjbssTATfTGfce2020年1月11日星期六－兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系－2422222()|()||()|()aasTTmssssmmmpfGfGfTTTT222|()|()sin()22bssTATfTGfc222222(/2)16sin()()162bssbmsAATsincfTAAmmcfT22;4aA2020年1月11日星期六－兰州大学信息科学与工程学院电子与信息科学系－25•双极性非归零码的PSD•单极性非归零码的PSD•单极性归零码的PSD2020年1月11日星期六－兰州大学信息科