第五章 数字基带传输系统_讲义(Part1)

第５章数字基带传输系统南京航空航天大学电子信息工程学院通信原理教研组2011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组2引言1数字基带信号及其频谱特性2基带传输的常用码型3基带脉冲传输和码间干扰4无码间干扰的基带传输特性5本章内容和重点67眼图与时域均衡89部分响应系统基带传输系统的抗噪声性能2011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组35.1引言每个码元只能取有限个离散的值：二进制数信息an取0或1M进制数信息an取0，1，2……M-11、数字信号来源：计算机输出的二进制数据模拟信号→A/D→PCM码组上述信号所占据的频谱是从直流或低频开始的，故称数字基带信号。数字信息可表示为数字符号序列a0a1a2……，记作{an}，其中an→基本单元（码元），2011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组41）基带传输——数字基带信号不加调制在某些具有低通特性的有线信道中传输，特别是传输距离不太远的情况下；2）频带传输——数字基带信号对载波进行调制后再进入带通型信道中传输。2、数字信号的传输2011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组5研究数字基带传输系统的目的1）在利用对称电缆构成的近程数据通信系统中，广泛采用了这种传输方式；2）数字基带传输中包含频带传输的许多基本问题，也就是说基带传输系统的许多问题也是频带传输系统必须考虑的问题；3）任何一个采用线性调制的频带传输系统可等效为基带传输系统来研究；2011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组6数字基带信息传输系统的构成信道信号形成器数字基带信号GT(ω)信道接收滤波器抽样判决器同步提取C(ω)GR(ω)n(t)信道信号形成器:把原始基带信号变换成适合于信道传输的基带信号，这种变换主要是通过码型变换和波形变换来实现的，其目的是与信道匹配，便于传输，减小码间干扰，利于同步提取和抽样判决。信道:允许基带信号通过的媒质，通常为电缆、架空明线等有线信道。接收滤波器:滤除带外噪声,对失真波形进行均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决。抽样判决:在规定时刻（由定时脉冲控制）对接收滤波器输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号。同步提取:数字信号传输，存在有时间上的同步问题，由接收端同步提取电路提取定时脉冲来完成。2011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组7基带系统各点波形示意图ttttt10101100000(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)0{}nat0t10111001{}'na()st()yt()rt信道信号形成2011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组85.2数字基带信号及其频谱特性数字基带信号(简称基带信号)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。数字基带信号的类型有很多，常见的有矩形脉冲、三角波、高斯脉冲和升余弦脉冲等。下面就以矩形脉冲为例介绍几种最常见的基带信号波形。2011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组9基带信号的码波形9单极性（不归零）码9双极性（不归零）码9单极性归零码10100110＋E(a)＋E－E110011＋E0101011(b)(c)＋E－E1010011(d)＋E－E1100011＋E－E＋3E－3E0100111001110001(e)(f)09双极性归零码9差分码9多元码2011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组10单极性不归零码（NRZ)0t01000011000001010昀简单，但只适用极短距离传输，应用很少。(1)有直流分量；(2)判决电平不能稳定在昀佳的电平，抗噪声性能不好；(3)不能直接提取定时信号；(4)要求一端接地，不能用两根芯线均不接地的电缆传输线；高电平和零电平分别表示二进制信息“1”和“0”特点：2011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组11双极性不归零码特点:01000011000001010（1）“1”、0”等概时无直流分量为零;（3）不能提取同步信息;（4）“1”、0”不等概时仍有直流分量。正电平和负电平分别表示“1”和“0”（2）接收端判决电平为0，稳定不变，不受信道特性变化的影响，抗干扰能力也较强；2011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组12单极性归零码（RZ）特点：（（11））具有一般单极性不归零码缺点，但可直接提取位同步信息。（2）是其它波形提取位定时信号时需要采用的一种过渡波形。信码“1”→高电平只保持一段时间τ(τT)，其余时间为零电平；信码“0”→用零电平表示占空比=τ/T，常取τ=T/2，占空比=1/2称半占空0t010001100001010τT2011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组13双极性归零码特点：具有双极性不归零码的优点，且可方便的提取位同步信息.t001000011000001010有三种电平，称伪三元码与双极性非归零码相似，只是脉冲的宽度小于码元间隔，可方便的变换为单极性归零码提取同步信号，应用比较广泛。T2011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组14差分码特点：利用前后码元电平相对极性变化来传送信息,是一种相对码；参考电平为“1”编码规则：“1”变“0”不变或“0”变“1”不变000100001100000101t优点:码元极性相反时亦可正确输出。用电平的跳变或不变来表示“1”和“0”，也称为相对码，可以解决起始相位的不确定问题。2011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组15多元码以上几种都是二电平码，即用两种电平来表示“0”和“1”，多电平码的每个码元可以代表n=log2L个二进制符号，其中L为电平数。因此，在码元速率一定时，多元码提高了信息速率。0123Ts5Ts4Ts3Ts2Ts1001001011t05Ts4Ts2TsTst1-13-301001110013Ts2011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组161.码表存储法码型变换的基本方法2011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组17并/串行变换移位寄存器已变换码流布线逻辑串/并行变换移位寄存器待变换码流……2.布线逻辑法2011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组18近年来出现的HDB3编码器采用了CMOS型大规模集成电路CD22103，该器件可同时实现HDB3编、译码，误码检测及AIS码检出等功能。主要特点有：　①编、译码规则符合CCITTG.703建议，工作速率为50kb/s~10Mb/s；　②有HDB3和AMI编、译码选择功能；　③接收部分具有误码检测和AIS信号检测功能；　④所有输入、输出接口都与TTL兼容；　⑤具有内部自环测试能力。3.单片HDB3编译码器　2011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组19CD22103引脚及内部框图12345678910111213141516VDD+HDB3-OUT-HDB3-OUT-HDB3-INLTE+HDB3-INCKRERRVSSAISRAISCRXNRZ-OUTHDB3/AMICTXNRZ-INCD22103编码译码AIS检出误码检出环回CRXCTXNRZ-INRAISHDB3/AMILTE-HDB3-IN+HDB3-IN+HDB3-OUT-HDB3-OUTCKRNRZ-OUTERRAIS&2011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组20实用HDB3编/译码电路－HDB3OUT＋HDB3OUT－HDB3IN＋HDB3INAISCKRCTXNRZ－INNRZ－OUTRAISCRXVSSVDD＋5VHDB3AMI至单/双变换自ATC、整形电路至AIS告警至时钟提取、中断检出电路LTEF3F1F2F4R1C12MCLKRAISCLKDR2(至收逻辑)2MCLKXDX2(自CRC编码)11112011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组21基带信号的时域表达式数字基带信号都可用数学式表示出来。设码元间隔为sT，则基带信号为()()nnsnstagtnT∞=−∞=−∑式中，na是第n个信息符号所对应的电平值（0、1或-1、1等），由信码和编码规律决定；sT为码元间隔。2011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组22对于二进制代码序列，若令数字基带信号中1()gt对应于二进制符号的“0”，2()gt对应于二进制符号的“１”。12()()()()()sssgtnTgtnTgtnT−⎧−=⎨−⎩“０”“１”由于na是一个随机量。因此，通常在实际中遇到的基带信号()st都是一个随机的脉冲序列。　　2011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组23设g(t)为构成信号的基本脉冲波形，Ts为码元间隔τ=Ts→NRZ码τTs→RZ码g(t)=0|t|≥τ/21|t|≤τ/2g(t)-τ/2τ/2-Ts/2Ts/2常用矩形函数：1/τftG(f)-2/τ-1/τ2/τ()()()gtGfSafτπτ↔=例5-1常见的数字基带信号2011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组245.2.2基带信号的频谱特性一、研究基带信号频谱特性意义可以获得以下结论：1.有无直流成份；2.有无可供提取的同步信号；3.信号带宽；4.信号频谱分布规律；2011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组25二.研究基带信号频谱特性方法数字基带信号是随机的脉冲序列，没有确定的频谱函数，只能用功率谱来描述它的频谱特性。方法1：由随机过程的相关函数求随机过程的功率(或能量)谱密度，计算比较复杂。方法2：以随机过程功率谱的原始定义为出发点，求出数字随机序列的功率谱公式。2011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组261、能量信号()()ωωεFf2=2、一般功率信号2)(1lim)(ωωϕTTfFT∞→=()ωωδπωϕ022)(nCnf−=∑∞∞−3、周期信号确知信号功率谱的求解？2()()lim(21)TsNsESPNTωω→∞⎡⎤⎣⎦=+()(),(21)NTnsnNststTNT=−==+∑s(t)的截短函数为：功率谱密度为：()()nnstst∞=−∞=∑时域表达式：随机信号功率谱的求解？2011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组27()()nnstst∞=−∞=∑以概率P出现以概率1-P出现随机脉冲序列时域表达式：12(),()(),snsgtnTstgtnT−⎧=⎨−⎩g1(t)－“0”码，出现概率为PTs－码元间隔g2(t)－“1”码，出现概率为1-Pfs－码元速率三、求解数字基带信号功率谱2011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组28稳态分量（统计平均值）交变分量（随机变化值）()()()TTTstvtut=+截短随机波：2011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组29g2(t＋4Ts)g1(t＋3Ts)g1(t＋2Ts)g2(t＋Ts)g(t)g1(t)g2(t－Ts)g2(t－2Ts)ttO－Ts2Ts2O－Ts2－TsTs2Tsv(t)tOu(t)(a)(b)(c)随机脉冲序列分解示意波形稳态波：交变波：2011-3-16copyright南航电子信息工程学院通信原理教研组30截短稳态波：12()[()(1)()]NTssnNvtPgtnTPgtnT=−=−+−−∑截短交变波：()()()()NTTTnnNutstvtut=−=−=∑稳态分量（统计平均值）交变分量（随机变化值）()()()TTTstvtut=+截短随机波：周期为Ts随机信