现代通信原理与技术第05章数字基带传输系统

第五章数字基带传输系统目录5.1引言5.2数字基带信号及其频谱特性5.3基带传输的常用码性5.4基带脉冲传输与码间干扰5.5无码间干扰的基带传输特性5.6眼图5.7部分响应系统5.8时域均衡功率谱密度为低通型的数字信号为数字基带信号；若通信信道的传递函数为低通型的，则称此信道为基带信道；如同轴电缆、双绞线有线信道。数字基带信号通过基带信号传输称此传输系统为数字基带传输系统。实际工程中有此系统，数字基带系统中的许多概念，结论可应用于数字已调系统。包括了正弦载波的数字调制器及解调器的数字通信系统称为频带传输系统。5.1引言无线通信和光通信（均属带通型）中一般需要用调制解调器，当终端机（用户）离收发信机较远时，则终端机与发射机之间、与接收机之间的传输系统应严格按照基带传输系统的有关原则来设计。5.1引言一、数字基带系统：其基本结构如图所示：其中：信道信号形成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和尽可能排除信道噪声和其他干扰；抽样判决器则是在噪声背景下用来判定和再生基带信号；5.1引言二、研究数字基带系统的重要意义1.基带传输系统的许多问题也是频带传输系统必须考虑的；2.基带传输系统的迅速发展使其不仅可以用于低速数据传输，而且也可广泛应用于高速数据传输；3.理论上可以证明，任何一个采用线性调制的频带传输系统，总可以由一个等效的基带传输系统代替；5.2数字基带信号及其频谱特性一、数字基带信号：数字基带信号是指消息代码的电波形，它是用不同的电平或脉冲来表示相应的消息代码。本章介绍几种常用码型，码型是以矩形脉冲为基础的。1、单极性不归零码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受这种波形。此码型不宜传输，原因有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。2、双极性非归零码（BNRZ）τ=Ts,有正负电平。不能直接提取位同步信号；3、单极性归零码（RZ）τTs；可用来提取位同步信号，NRZ码的其他缺点存在。4、双极性归零码（BRZ）τTs，NRZ码的缺点都不存在，整流后可提取位同步信号。5、差分码（相对码）反映相邻代码的码元变化。若以相邻码元变化表示传号1，不变表示空号0，称为传号差分码。反之称为空号差分码。差分编码与译码电路：关系：11nnnnnnbbabab绝对码：差分码（相对码）：5.2数字基带信号及其频谱特性6、多进制码5.2数字基带信号及其频谱特性若令代表二进制符号的“0”，代表二进制符号的“1”，码元间隔为，则数字基带信号可表示为：其中：为第n个信息符号所对应的电平值(0、1或±1等)；一般情况下，数字基带信号可用随机序列表示，即：二、数字基带信号的频谱特性：研究基带信号的频谱结构可以了解信号需要占据的频带宽度，所包含的频谱分量，有无直流分量，有无定时分量等。由于数字基带信号是随机的脉冲序列，因此没有确定的频谱函数，只能用功率谱来描述它的频谱特性。设二进制随机脉冲序列s(t)为：nntsts)()(5.2数字基带信号及其频谱特性其中：u(t)是s(t)的交变波分量，是随机信号；v(t)是s(t)的稳态波分量，是以为周期的周期信号；-Ts/2g2(t)tg1(t)Ts/2-Ts/2Ts/2V(t)tt若ts(t)1001011u(t)t则（连续谱）（离散谱）（连续谱）（直流分量）（谐波分量）随机脉冲序列的功率谱密度可能包括两个部分：连续谱分量和离散谱分量；其中连续谱分量总是存在的，而离散谱分量在某些特殊情况下不存在或某些离散谱分量不存在。则s(t)的功率谱密度为：5.2数字基带信号及其频谱特性例如：当及是双极性脉冲时，且波形出现的概率为：则不含离散谱分量。推导过程板书结论：—双边谱—mssssssmffmfGpmfpGffGfGppffp)()()1()()()()1()(212221—单边谱—122122212221)()()1()(2)()0()1()0()()()1(2)(msssssssmffmfGpmfpGftGppGffGfGppffp讨论⑴各符号意义在数值上等于码速率。P为1出现的概率，⑵各项的物理意义：为交变项中的各种连续谱，一定存在；根据连续谱可以确定随机序列的带宽；是由稳态项中的直流分量，零频离散谱，不一定存在；,1ssTf的傅氏变换是)(),()(),(2121tgtgfGfG221)()()1(2fGfGppfs)()0()1()0(2212tGppGfs是稳态项中的频率，为mfs的离散谱；根据离散谱可以确定随机序列中是否包含直流分量（m=0）和定时分量（m=1）(用于提取同步信号)；⑶离散谱不存在的条件：⑷离散谱存在的条件：且G1(mfs)和G2(mfs)至少一个不为零；e.g见讲义12212)()()1()(2mssssmffmfGpmfpGf0)()1()(21tgptpg0)()1()(21tgptpg5.3基带传输的常用码型一、常用线路码型的要求：对传输用的基带信号主要有两个方面的要求：1、对代码的要求，原始消息代码必须编成适合于传输用的码型；2、对所选码型的电波形要求，电波形应适合于基带系统的传输；5.3基带传输的常用码型基带传输常用码型的主要特征：1.能从其相应的基带信号中获取定时信号；2.相应的基带信号无直流分量且只有很小的低频成分；3.不受信源统计特性的影响，能适应信源的变化；4.尽可能的提高传输码型的传输效率；5.具有内在的检错、纠错能力；二、基带传输的常用码型：基带传输的常用码型包括：AMI码、HDB3码、PST码、Manchester码、Miller码、CMI码、nBmB码、4B/3T码等等。5.3基带传输的常用码型1.AMI码（传号交替反转码）：编码规则：将二进制消息代码“1”（传号）交替地变换为传输码的“+1”和“-1”，而“0”（空号）保持不变。优点：由于+1与-1交替，AMI码的功率谱中不含直流成分，高、低频分量少，能量集中在频率为1/2码速处。不足：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。AMI码半占空的双极性归零码，其功率谱中无离散的时钟分量，在收端，只要将双极性归零码的信号波形经非线性变换（全波整流）变成单极性归零码，即可从中提取定时信息。CCITT建议AMI码为PCM系统北美序列24路时分制数字复接一次群1.544Mbit/s的线路码型。e.g2.HDB3码（三阶高密度双极性码）编码规则：（1）、当信码的连“0”个数不超过3时，仍按AMI码的规则编，即传号极性交替；（2）、当连“0”个数超过3时，则将第四个“0”改为非“0”脉冲，记为+V或-V，称之为破坏脉冲。相邻V码的极性必须交替出现，以确保编好的码中无直流；（3）、为了便于识别，V码的极性应与其前一个非“0”脉冲的极性相同，同时要满足（2），否则，将四连“0”用“B00V”取代，+B或-B称为补偿点,B符号的极性与前一非0符号的极性相反，V的极性与B相同；（4）、出现B—V符号对后，令后面的非0符号重新开始变号，方法是与前一个B的符号相反，以保证相邻的同极性符号最多只能有两个。例100000110000100000HDB31000V0-11–B00–V1000V0波形HDB3码保留了AMI码的优点，克服了AMI连0多的缺点。一，二，三次群的接口码型；HDB3码是半占空的双极性归零码。5.3基带传输的常用码型3.PST码（成对选择三进码）：PST码编码规则如下：先将二进制代码两两分组，然后再把每一码组编码成两个三进制数字（+、-、0）。因为两位三进制数字共有9种状态，故可灵活地选择其中的四种状态。如下表所示；为防止直流漂移，当在一个码组中仅发送单个脉冲（01或10）时，两个模式应交替变换。PST码的编码过程较简单，能够提供足够的定时分量，且没有直流分量；但在识别时需提供分组信息，即需建立帧同步。5.3基带传输的常用码型4.Manchester码（绝对双相码（曼彻斯特）：编码规则之一：“0”码用“01”两位码表示，“1”码用“10”两位码表示。二进制代码+模式-模式00-+-+010+0-10+0-011+-+-5.3基带传输的常用码型Manchester码只使用两个电平，编码过程简单，能够提供足够的定时分量，且没有直流漂移；但它的带宽要宽些。推广：差分双相码先将输入的NRZ波形变换成差分波形，再进行绝对双相码编码即可得到本地局域网中常用的差分双相码。5.Miller码（延迟调制码、密勒码）：编码规则：“1”码用码元间隔中心点出现跃变来表示，即用“10”或“01”表示。“0”码有两种情况：单个“0”时，在码元间隔内不出现电平跃变，且与相邻码元的边界处也不跃变，连“0”时，在两个“0”码的边界处出现电平跃变，即“00”与“11”交替。5.3基带传输的常用码型比较Manchester码与Miller码可以发现，Manchester码的下降沿正好对应于Miller码的跃变沿，因此可以用Manchester码的下降沿去触发双稳电路来得到Miller码。Miller码主要用于气象卫星和磁记录，以及低速基带数传机中。6.CMI码（传号反转码）：CMI码编码规则如下：“1”交替用“11”和“00”表示；“0”用“01”表示。CMI码含有丰富的定时信息，主要用于PCM四次群的接口码型以及光缆传输系统中的线路传输码型。5.3基带传输的常用码型6、nBmB码：把原信息码流的n位二进制码作为一组，编成m位二进制码的新码组。7、4B/3T码型：5.4基带脉冲传输与码间干扰一、数学模型设发送基带信号为：则发送滤波器产生信号为：发送滤波器至接收滤波器的传输特性为：nsTnTnTtgatgtdts)()(*)()(发滤波器信道收滤波器抽样判决{an}GT(ω)c(ω)GR(ω)y(t)n(t)cp(t){a’n}s(t)5.4基带脉冲传输与码间干扰在时刻，抽样判决器输入抽样值为：)()()()(*)()(tnnTthatnthtdtyRnsnR5.4基带脉冲传输与码间干扰抽样判决器对y(t)进行抽样判决，以确定所传输的数字信息序列。若对第k个码元ak进行判决，应在t=kTs+t0时刻上（t0是信道和接收滤波器所造成的延迟）对y(t)抽样，得：)(])[()()(0000tkTntTnkhathatkTysRknsnks5.4基带脉冲传输与码间干扰式中，第一项akh(t0)是第k个码元波形的抽样值，它是确定ak的依据。第二项是除第k个码元以外的其他码元波形在第k个抽样时刻上的总和，它对当前码元ak的判决起着干扰的作用，称为码间串扰值。第三项是输出噪声在抽样瞬间的值，它是一种随机干扰，也影响第k个码元的正确判决。knsntTnkha])[(0)(0tkTnsR5.4基带脉冲传输与码间干扰推论：为使基带脉冲传输获得足够小的误码率，必须最大限度的减小码间干扰和随机噪声的影响。二、码间串扰与噪声001001t/τsd(t)m(t)r(t)δTs(t)r(kTs)δTs(t)m’(t)无码间串扰有码间串扰5.5无码间干扰的基带传输特性一、时域条件当时，码间串扰值相互抵消，但无法实现。这就需要对h(t)的波形提出要求，若相邻码元的前一个码元的波形到达后一个码元抽样判决时刻时已经衰减到0，就满足要求。但这样的波形不易实现，因实际的h(t)波形有很长的“拖尾”，也正是由于每个码元“拖尾”造成相邻码元的串扰。但只要在t0+Ts，t0+2Ts等后面码元抽样判决时刻上正