第五章通信原理

《通信原理课件》第五章：模拟调制系统5.1引言5.2数字基带信号的码型和波形5.3数字基带信号的功率谱密度5.4数字基带信号的传输与码间串扰5.5码间串扰基带传输系统的抗噪声性能分析5.6最佳基带传输系统5.7眼图5.8改善数字基带系统性能的措施《通信原理课件》《通信原理课件》《通信原理课件》图5-1数字基带传输系统《通信原理课件》《通信原理课件》《通信原理课件》抽样判决器首先对接收滤波器输出的信号y(t)在规定的时刻进行抽样，获得抽样值序列y(kTS)，然后对抽样值进行判决，以确定各码元是“1”码还是“0”码。抽样值序列y(kTS)见图5-2（g）所示。码元再生电路的作用是对判决器的输出“0”、“1”进行原始码元再生，以获得图5-2（h）所示与输入波形相应的脉冲序列。同步提取电路的任务是从接收信号中提取定时脉冲cp，供接收系统同步使用。对比图5-2（a）、（h）中的与{dk}可以看出，传输过程中第4个码元发生了误码。产生该误码的原因之一是信道加性噪声，之二是传输总特性（包括收、发滤波器和信道的特性）不理想引起的波形畸变，使码元之间相互串扰，从而产生码间干扰。}{'kd}{'kd《通信原理课件》图5-2数字基带传输系统各点波形《通信原理课件》《通信原理课件》《通信原理课件》1单极性不归零（NRZ）码设消息代码由二进制符号“0”、“1”组成，则单极性不归零码如图5-3（a）所示。这里，基带信号的零电位及正电位分别与二进制符号的“0”及“1”一一对应。可见，它是一种最简单的常用码型。2、双极性不归零（NRZ）码图5-3（b）所示的代码是双极性不归零（NRZ）码，其特点是数字消息用两个极性相反而幅度相等的脉冲表示。其与单极性码比较有以下优点：（1）从平均统计角度来看，消息“1”和“0”的数目各占一半，所以无直流分量。（2）接收双极性码时判决门限电平为零，稳定不变，因而不受信道特性变化的影响，抗噪声性能好。（3）可以在电缆等无接地的传输线上传输。《通信原理课件》3、单极性归零（RZ）码单极性归零码是在传送“1”码时发送一个宽度小于码元持续时间的归零脉冲，而在传送“0”码时不发送脉冲，如图5-3（c）所示。设码元间隔为Ts，归零码宽度为，则称为占空比。4、双极性归零（RZ）码双极性归零码的构成与单极性归零码一样，如图5-3（d）所示。这种码型除了具有双极性不归零码的一般特点以外，还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。因此双极性归零码得到广泛的应用。5、差分码这种码型的特点是把二进制脉冲序列中的“1”或“0”反映在相邻信号码元相对极性变化上，是一种相对码。sT/《通信原理课件》6、多值波形（多电平波形）前述各种信号都是一个二进制符号对应一个脉冲。实际上还存在多个二进制符号对应一个脉冲的情形。这种波形统称为多值波形或多电平波形。例如若令两个二进制符号00对应+3E，01对应+E，10对应-E，11对应-3E，则所得波形为4值波形，如图5-3（f）所示。由于这种波形的一个脉冲可以代表多个二进制符号，故在高速数据传输中，常采用这种信号形式。《通信原理课件》图5-3几种基本的数字基带信号码型《通信原理课件》二、传输码型并不是所有的基带信号码型都适合在信道中传输，往往是根据实际需要进行选择。下面我们介绍几种常用的适合在信道中传输的传输码型。1、AMI码AMI码的全称是传号交替反转码。这是一种将消息中的代码“0”（空号）和“1”（传号）按如下规则进行编码的码：代码“0”仍为0；代码“1”交替变换为+1、-1、+1、-1、┅。例如：消息代码100011101AMI码+1000-1+1-10+1《通信原理课件》AMI码的优点是：不含直流成分，低频分量小；编译码电路简单，便于利用传号极性交替规律观察误码情况。鉴于这些优点，AMI码是ITU建议采用的传输码型之一。AMI码的不足是，当原信码出现连“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。解决连“0”码问题的有效方法之一是采用HDB3码。2、HDB3码HDB3码的全称是3阶高密度双极性码，它是AMI码的一种改进型，其目的是为了保持AMI码的优点而克服其缺点，使连“0”个数不超过3个。其编码规则如下：（1）当信码的连“0”个数不超过3时，仍按AMI码的规则编码，即传号极性交替；《通信原理课件》（2）当连“0”个数超过3时，出现4个或4个以上连“0串时，”则将每4个连“0”小段的第4个“0”变换为非“0”脉冲，用符号V表示，称之为破坏脉冲。而原来的二进制码元序列中所有的“1”码称为信码，用符号B表示。当信码序列中加入破坏脉冲以后，信码B与破坏脉冲V的正负极性必须满足如下两个条件：①B码和V码各自都应始终保持极性交替变化的规律，以确保编好的码中没有直流成分；②V码必须与前一个非零符号码（信码B）同极性，以便和正常的AMI码区分开来。如果这个条件得不到满足，那么应该将四连“0”码的第一个“0”码变换成与V码同极性的补信码，用符号B'表示，并做调整，使B码和B'码合起来保持条件①中信码（含B及B'）极性交替变换的规律。《通信原理课件》3、PST码PST码的全称是成对选择三进码。其编码规则是：先将二进制码元划分为2个码元为一组的码组序列，然后再把每一组编码成两个三进制码（+-0）。因为三进制数字共有9种状态，故可以灵活地选择其中的四种状态，表5.2-1列出了其中最为广泛适用的一种格式。为防止PST码的直流漂移，当在一个码组中仅发送单个脉冲时，两个模式应交替使用。4、双相码双相码又称Manchester码，即曼彻斯特码。它的特点是每个码元用两个连续极性相反的脉冲来表示。《通信原理课件》5、密勒（Miller）码密勒码又称延迟调制码，它是双相码的一种变形。编码规则如下：“1”码用“10”或“01”表示。“0”码分两种情形处理：对于单个“0”时，用“11”或“00”表示。要求在码元持续时间内不出现跃变，且与相邻码元的边界处也不跃变；对于连“0”时，用“00”与“11”交替。要求在两个“0”码的边界处出现跃变。6、CMI码CMI码是传号反转码的简称，其编码规则为：“1”码交替用“00”和“11”表示；“0”码用“01”表示。CMI码的优点是没有直流分量，且有频繁出现波形跳变，便于定时信息提取，具有误码监测能力。《通信原理课件》5.2.2基带波形的形成在选择了合适的码型之后，尚需考虑用什么形状的波形来表示所选择的码型。上面介绍的各种常用码型都是以矩形脉冲为基础的，我们知道矩形脉冲由于上升和下降是突变的，其低频分量和高频成分比较丰富，占用频带也比较宽。如果信道带宽有限，采用以矩形脉冲为基础的码型进行传输就不合适，而需要采用更适合于信道传输的波形，譬如采用变化比较平滑的以升余弦脉冲为基础的脉冲波形。这样就有一个如何由矩形脉冲形成所需要的传输波形的问题。本章后面几节将介绍的奈奎斯特准则的思想是将发送滤波器、信道、接收滤波器三者集中为一总的基带传输系统，进而对其基带传输系统的特性和接收响应的波形提出严格的要求，目的是消除在抽样判决时出现的码间干扰。《通信原理课件》5.3数字基带信号的功率谱密度研究数字基带信号的频谱分析是非常有用的，通过频谱分析可以使我们弄清楚信号传输中一些很重要的问题。这些问题是，信号中有没有直流成分、有没有可供提取同步信号用的离散分量以及根据它的连续谱可以确定基带信号的带宽。在通信中，除特殊情况（如测试信号）外，数字基带信号通常都是随机脉冲序列。因为，如果在数字通信系统中所传输的数字序列是确知的，则消息就不携带任何信息，通信也就失去了意义.对于随机脉冲序列，由于它是非确知信号，不能用付氏变换法确定其频谱，只能用统计的方法研究其功率谱。对于其功率谱的分析在数学运算上比较复杂，因此，这里我们只给出分析的思路和推导的结果并对结果进行分析。《通信原理课件》《通信原理课件》图5-4基带随机脉冲序列及其分解波形《通信原理课件》《通信原理课件》《通信原理课件》《通信原理课件》《通信原理课件》《通信原理课件》图5-5单极性不归零信号图5-6单极性不归零信号的功率谱《通信原理课件》《通信原理课件》《通信原理课件》图5-8单极性归零信号的功率谱图5-7单极性归零信号《通信原理课件》《通信原理课件》综上所述，通过对数字基带信号的二进制随机脉冲序列功率谱的分析，我们一方面可以根据它的连续谱来确定序列的带宽，从上述举例可以看出，当数字基带信号用矩形脉冲表示时，其带宽为连续谱的第一零点带宽；另一方面利用它的离散谱是否存在这一特点，可以明确能否从脉冲序列中直接提取定时分量和采取怎样的方法可以从基带脉冲序列中获得所需的离散分量。这一点，在本书第十章研究位同步、载波同步等问题时将是十分重要的。需要指出的是，以上的分析方法，由于g1(t)和g2(t)的波形没有加以限制，故即使它们不是基带信号波形，而是数字调制波形，也将是适用的。《通信原理课件》5.4数字基带信号的传输与码间串扰5.1节定性介绍了基带传输系统的工作原理，初步了解码间串扰和噪声是引起误码的因素。本节我们进一步分析数字基带信号通过基带传输系统时的传输性能。5.4.1码间串扰数字基带信号通过基带传输系统时，由于系统（主要是信道）传输特性不理想，或者由于信道中加性噪声的影响，使收端脉冲展宽，延伸到邻近码元中去，从而造成对邻近码元的干扰，我们将这种现象称为码间串扰。如图5-9所示。《通信原理课件》图5-9基带传输中的码间串扰《通信原理课件》5.4.2码间串扰的数学分析数字基带信号的传输模型如图5-10所示。图5-10基带传输系统模型《通信原理课件》《通信原理课件》《通信原理课件》《通信原理课件》《通信原理课件》《通信原理课件》图5-11消除码间串扰的原理《通信原理课件》《通信原理课件》《通信原理课件》《通信原理课件》《通信原理课件》图5-12Heq(ω)的物理含义《通信原理课件》《通信原理课件》图5-13理想低通系统《通信原理课件》《通信原理课件》《通信原理课件》5.4.5无码间串扰的滚降系统考虑到理想冲激响应h(t)的尾巴衰减慢的原因是系统的频率截止特性过于陡峭，这启发我们可以按图5-14所示的构造思想去设计H(ω)特性，只要图中Y(ω)的具有对BN呈奇对称的幅度特性，则H(ω)就能满足要求。这种设计也可看成是理想低通特性按奇对称条件进行“圆滑”的结果，上述的“圆滑”，通常被称为“滚降”。定义滚降系数为2NBB（5.4-19）其中BN是无滚降时的截止频率，B2为滚降部分的截止频率。显然，0≤α≤1《通信原理课件》图5-14滚降特性的构成《通信原理课件》《通信原理课件》图5-15余弦滚降系统《通信原理课件》《通信原理课件》《通信原理课件》余弦滚降特性的实现比理想低通容易得多，因此广泛应用于频带利用率不高，但允许定时系统和传输特性有较大偏差的场合。[例5.4.1]设某数字基带传输系统的传输特性H(ω)如图5-16所示。其中α为某个常数（0≤α≤1）。（1）试检验该系统能否实现无码间串扰传输？（2）试求该系统的最大码元传输速率为多少？这时的系统频带利用率为多大？《通信原理课件》图5-16《通信原理课件》《通信原理课件》《通信原理课件》图5-17抗噪声性能分析模型《通信原理课件》《通信原理课件》《通信原理课件》设判决电路的判决门限为Vd，x(kTs)＞Vd,判为“1”x(kTs)＜Vd，判为“0”码实际中噪声干扰会使接收端出现两种可能的错误：发“1”码时，在抽样时刻噪声呈现一个大的负值与信号抵消使收端判为“0码；发“0”码时，在抽样时刻噪声幅度超过判决门限使收端判为“1”码。下面我们来求这两种情况下码元判错的概率。1、发“0”错判为“1”的条件概率Pe0发“0”码时，x(t)=nR(t)，由于nR(t)是高斯过程，则x(t)的一维概率密度函数为《通信原理课件》《通信原理课件》图5-18x(t)的概率密度分布曲线《通信原理课件》《通信原理课件》《通信原理课件》《通信原理课件》《通信原理课件》《通信原理课件》5.6最佳基带传输系统在数字通信