数据信号的传输-2分析解析

数据通信原理方莉北京邮电大学信通院Tel：13501330293，Email：[e-mail]2课程简介第一章概述第二章数据信号传输第三章差错控制第四章数据交换第五章通信协议第六章数据通信网目录3第二章数据信号传输第一节数据信号及特性描述第二节数据信号的基带传输第三节数据信号的频带传输第四节数据信号的数字传输4第二节数据信号的基带传输什么是基带传输？基带是指未经调制变换的信号所占的频带，基带信号的频谱一般从零开始，一直到一定的频率，是低通型信号；不搬移基带信号频谱的传输方式。为什么要研究数据信号的基带传输？频带系统也存在基带传输问题，基带系统中的许多概念、理论可直接应用于频带系统；理论上，频带传输系统总有一个基带传输系统与之对应—等效基带系统；实际中存在基带传输(设备内部、外设)，不只用于低速率传输，还有高速传输，并有迅速发展的趋势；5第二节数据信号的基带传输主要内容基带传输系统的构成模型几种形成网络数据传输系统中的时域均衡6第二节数据信号的基带传输掌握基带传输系统构成模型中各部分的作用、形成网络的概念几种形成网络的特点，，符号间干扰情况和特点；时域均衡的思路(),()Hfht7第二节数据信号的基带传输2.1数据基带信号分析2.2基带传输系统组成2.3理想低通网络2.4滚降低通网络2.5部分响应系统2.6数据序列的扰乱和解扰2.7基带传输的时域均衡82.1数据基带信号分析基带数据信号：DTE输出的数据信号代码序列称为基带数据信号。其特征为信号的能量主要集中于从0开始至某一频率的低通型频带。基带：这种基带数据信号所占的低通型频带。基带传输：不搬移基带信号频谱的传输方式。数据通信系统的基本构成9第二节数据信号的基带传输2.1数据基带信号分析2.2基带传输系统组成2.3理想低通网络2.4滚降低通网络2.5部分响应系统2.6数据序列的扰乱和解扰2.7基带传输的时域均衡10码型变换器是将数据信号转换成更适合于信道传输的码型；同步系统作用是通过特定方法提取同步信息，并产生同步控制信号；抽样判决器是在位同步脉冲的控制下对信号波形抽样，并按照特定码型的判决规则恢复原始数据信号（可能产生差错）。码型变换器发送滤波器接收滤波器抽样判决器信道DTEDTE噪声abcdef基带波形形成网络H(f)同步系统CP2.2基带传输系统组成二进制传输基带传输系统112.2基带传输系统组成发送滤波器：限制信号频带并起波形形成作用。发送滤波器和加宽电路合起来作为图中发送滤波器。码型变换器发送滤波器接收滤波器抽样判决器信道DTEDTE噪声abcdef基带波形形成网络H(f)同步系统CP122.2基带传输系统组成信道：信号的传输媒介，如双绞线、电缆或无线信道等；接收滤波器(包含均衡器)：用来滤除带外噪声和干扰，并起波形形成作用；均衡器用来均衡信道特性的不理想。码型变换器发送滤波器接收滤波器抽样判决器信道DTEDTE噪声abcdef基带波形形成网络H(f)同步系统CP132.2基带传输系统组成码型变换器发送滤波器接收滤波器抽样判决器信道DTEDTE噪声abcdef基带波形形成网络H(f)同步系统CP142.2基带传输系统组成基带传输系统的构成模型发送滤波器和加宽电路合起来作为图中发送滤波器；因此图中{ak}是数据终端输出的数据序列，可以用冲激脉冲序列来表示：码型变换器发送滤波器接收滤波器抽样判决器信道DTEDTE噪声abcdef基带波形形成网络H(f)同步系统CP{ak}kkstatkT15多进制基带传输系统结构与二进制系统相比较，区别在于收发两端加二进制和M进制的转换设备；和二进制相比较，多进制数据传输系统具有以下特点：在码元速率相同的条件下，多进制系统可以实现更高的信息速率；多进制系统需要维持多个判决电平，在相同信号功率输入时，抵抗噪声干扰的能力较弱，所以此时其系统误码率比二进制大多进制系统设备更复杂。2.2基带传输系统组成162.2基带传输系统组成研究基带传输系统的基本出发点：误码率足够小，必须最大限度的减少符号间干扰和随机噪声的影响。不考虑噪声，只考虑信道的传输特性对系统的影响和改进措施；信道传输特性理想时，考虑噪声对系统性能的影响；172.2基带传输系统组成形成滤波器（形成网络）：从发送滤波器到接收滤波器(均衡器）。码型变换器发送滤波器接收滤波器抽样判决器信道DTEDTE噪声abcdef基带波形形成网络H(f)同步系统CP182.2基带传输系统组成对于形成网络的要求：（1）在有效的频带范围内，频带利用率要高；（2）可靠性高，误码率要低，即要求e点的波形无码间干扰；（3）物理上可实现；码型变换器发送滤波器接收滤波器抽样判决器信道DTEDTE噪声abcdef基带波形形成网络H(f)同步系统CP19第二节数据信号的基带传输2.1数据基带信号分析2.2基带传输系统组成2.3理想低通网络2.4滚降低通网络2.5部分响应系统2.6数据序列的扰乱和解扰2.7基带传输的时域均衡202.3理想低通网络描述网络特性传输函数H(f)冲激响应函数h(t)H(f)和h(t)是傅氏变换的关系；212.3理想低通网络理想低通形成网络特性假定基带数据传输系统构成模型中，形成网络特性是理想低通传输特性。其传输函数为：222.3理想低通网络理想低通形成网络传输函数为：fH(f)10fN-fN232.3理想低通网络冲激响应：这样的网络对单位冲激脉冲δ(t)的响应为网络传递函数的傅立叶反变换：242.3理想低通网络冲激响应h(t)波形的特点：①每隔1/2fN出现一个零点；②波形“尾巴”以1/t的速度衰减，衰减很慢。252.3理想低通网络无码间干扰条件262.3理想低通网络例如：数据序列（单极性码）101101经过理想低通波形形成网络后的波形结论：抽样脉冲周期T＝1/2fN时，抽样最准确，无码间干扰。272.3理想低通网络奈奎斯特第一准则如果系统等效网络具有理想低通特性，且截止频率为fN时，则该系统中允许的最高码元（符号）速率为2fN，这时系统输出波形在峰值点上不产生前后符号间干扰。282.3理想低通网络奈奎斯特第一准则理解要点：①把fN称为奈奎斯特频带，2fN波特称为奈奎斯特速率，T＝1/2fN称为奈奎斯特间隔。②这个定理表明，在频带fN内，2fN波特是极限速率，所以系统的最高频带利用率为2Bd/Hz。292.3理想低通网络奈奎斯特第一准则理解要点：③在比特速率相同下，采用多电平传输的符号速率要下降，从而使码元间隔增大，最后导致奈氏带宽下降。302.3理想低通网络例：一个理想基带传输系统，若奈氏带宽不变，采用8电平传输时的传信速率与4电平传输时的传信速率的关系是什么？解：312.3理想低通网络理想低通网络的特点：满足奈氏第一准则（无符号间干扰）。频带利用率达到了2Bd/Hz的极限。波形“尾巴”衰减较慢，对定时脉冲的精度要求较高。物理上不可实现。32知识回顾理想低通形成网络特点：332.3理想低通网络理想低通在实际应用中存在两个问题理想矩形特性的物理实现极为困难；理想的冲激响应h(t)的“尾巴”很长，衰减很慢，当存在定时偏差时，可能出现严重的码间串扰；理想低通陡峭的截止带使得其时域冲击响应旁瓣时间长，衰减慢342.3理想低通网络由于理想低通在实际应用中的问题，1)物理不可实现2)对定时要求高需要设计一个传输系统，既可以物理实现，又能满足奈氏第一准则：速率为2fN的序列通过该系统后能在所有按间隔T=1/2fN的取样点处不产生码间干扰。解决办法：适当放宽频带，将理想矩形截止边际修正为一个圆滑的滚降形状；35第二节数据信号的基带传输2.1数据基带信号分析2.2基带传输系统组成2.3理想低通网络2.4滚降低通网络2.5部分响应系统2.6数据序列的扰乱和解扰2.7基带传输的时域均衡362.4滚降低通网络滚降特性的低通网络为满足奈氏准则，要求形成滚降特性的条件是过理想低通特性的(fN,1/2)点处作奇对称的函数。10.5H1(f)fN-fN-fNH(f)fN+fa1fNH(f)0.5fN+fafN-fa-fN-fa-fN+faf-fN-fa-fN+fafN-fafffN372.4滚降低通网络滚降特性的低通网络(fN,0.5)382.4滚降低通网络从网络理论可知，滚降低通特性网络是物理可实现的;并可证明，只要按奇对称条件所构成滚降特性低通网络，其冲激响应的前导和后尾仍是每隔T=1/2fN的时间经过零点，从而满足按间隔T=1/2fN的采样间隔不产生码间干扰的要求。由于奇对称的滚降条件，滚降后的低通网络的截止频率比理想低通特性的截止频率有所展宽，具体展宽的数值与所实现的滚降特性有关。392.4滚降低通网络设为滚降因子；fa为由于滚降而使截止频率与fN相比所增加的频带，为满足奇对称的条件，0≤fa≤fN，则0≤≤1。带宽B=(1+)fN频带利用率=2/(1+)波特／赫兹aNff402.4滚降低通网络滚降的条件是奇对称，对具体的形状没有具体要求，因此有多种幅频特性可以满足这一要求；采用较多的是升余弦形状的幅频特性，如下图：1H(f)fN-fN2fN-2fNωα=1α=0.5α=00412.4滚降低通网络升余弦幅频特性网络的冲激响应为：2221/2sincos1(),14NttTThtttTTTTfth(t)T-T-2T2T0α=1α=0.5α=0422.4滚降低通网络从曲线可以看出：波形的“尾巴”以1/t3的速度衰减，越大，其冲激响应的前导和后尾衰减越快，因此越大允许采样定时相位有较大的偏移；越大，频带利用率就越小，因为=2/(1+);当=1，=1Bd/Hz;th(t)T-T-2T2T0α=1α=0.5α=0432.4滚降低通网络滚降低通特性结论：若滚降低通网络的幅度特性以C点（fN,1/2）呈奇对称滚降，则其输出响应波形在取样判决点无符号间干扰，即满足奈氏第一准则。442.4滚降低通网络滚降低通特性结论：满足无符号间干扰的条件;频带利用率不能达到2Bd/Hz的极限;波形“尾巴”衰减较快，对定时脉冲的精度要求不高;物理上可实现。452.4滚降低通网络滚降低通特性结论：(a)η与α成反比(b)1≤η2（2Bd/Hz是极限频带利用率）th(t)T-T-2T2T0α=1α=0.5α=0462.4滚降低通网络例1：一形成滤波器幅度特性如下图所示。①如果符合奈氏第一准则，其符号速率为多少？α为多少？②采用八电平传输时，传信速率为多少？③频带利用率η为多少？f01|H(f)|1/220004000C472.4滚降低通网络例1：一形成滤波器幅度特性如下图所示。①如果符合奈氏第一准则，其符号速率为多少？α为多少？解：①如果符合奈氏第一准则，应以（fN,0.5）呈奇对称滚降特性，由图可得：4000200020003000226000/1000/30001/3NBdsNNfHzNffBdff482.4滚降低通网络例1：一形成滤波器幅度特性如下图所示。②采用八电平传输时，传信速率为多少？③频带利用率η为多少？解：②传信速率:③频带利用率:60001.5/4000BdsNfBdHzBB22log2log86000318000/BdNRNMfbits492.4滚降低通网络例2：按奈氏第一准则设计一个基带传输系统。该系统采用4电平传输，滚降系数α＝0.2，传信速率为128kbit/s。试定性画出系统的传递函数幅度特性。解：2322log/log12810/log464000/264000/232000(1)25600(1)38400BdBdNBdNNRNMNRMBdfNHzfHzfHz