【第9章】数字基带传输系统

第九章数字基带传输系统来自数据终端的原始数据信号（数字信号）往往包含丰富的低频分量，甚至直流分量，因而称之为数字基带信号。在某些具有低通特性的有线信道中，特别是传输距离不太远的情况下，数字基带信号可以直接传输，称之为数字基带传输。9.1引言数字信号传输的分类与区别：•数字基带传输：只对数字基带信号进行波形变换或形成后直接传输，不进行任何调制/解调的传输方式。数字基带传输是靠基带信号波形电平的变化表征被传数字信息的。•数字频带传输：用数字基带信号调制载波的某个参量进行传输，并在接收端进行相应解调的传输方式。数字频带传输是靠载波参量变化表征被传数字信息的。•两种传输的主要区别：是否使用调制/解调器•数字基带传输波形•数字频带传输波形Tb•数字基带传输系统组成•问题：为什么需要“波形形成”和“抽样判决”？（1）波形变换的必要性实际基带传输信道的低频频率响应不理想，有时往往不能传输直流信号分量，例如大量使用中的电话电缆信道。数字基带接收系统组成基带信号（2）抽样判决的必要性常规数字频带接收系统基带信号频带信号抽样判决的必要性本章学习的主要知识点•基带传输系统及其组成•数字基带码、传输码（时域规律）•数字基带信号功率谱分析（频域规律）•码间干扰、无码间干扰传输条件•无码间干扰条件下基带系统抗噪声性能•眼图（实验手段）•第九章作业：9-3；9-5；9-7；9-99.2数字基带信号的码型9.2.1码型设计的原则多数基带传输信道低频端的频率特性不理想，因而基带码的功率谱密度中低频分量应尽量少。基带码型应更有利于接收端位时钟的同步提取。最好具有一定的检错能力。尽量降低译码过程引起的误码扩散（增殖），提高传输性能。要有较高的传输效率（带宽占用小）。基带传输的码型应基本上不受信号源统计特性的影响（透明性）。9.2.2二元码（binarycodes）1、单极性与双极性二元码2、不归零与归零二元码●不归零(NRZ:nonreturn-to-zero)码：任意码元间隔内的编码电平保持不变，仅在码元转换时刻可能发生变化。•NRZ码的应用：在各类数字电路内部，数字逻辑信号通常为NRZ码型信号，如单极性TTL电平数字逻辑信号；PC机RS-232串行口上的数字信号码型为双极性NRZ码型。•NRZ码的问题：NRZ码因其低频分量丰富，不适于直接作为远程基带系统的传输码型；没有位时钟的离散谱。●归零(RZ:return-to-zero)码：任意高电平的码元间隔内，编码的高电平维持时间τ小于码元间隔Ts（书中下标用C），仅在码元转换时刻可能发生变化。•对于一个RZ码，当时，NRZ和RZ码的FFT谱对照如下：/0.5sT3、二元差分码（binarydifferentialcode）•定义：用编码电平的“跳变与否”代表原码的“1”或“0”。•传号(1)差分码：仅在原码1到来时刻，编码电平转换。•空号(0)差分码：仅在原码0到来时刻，编码电平转换。1nnndad1nnndad•设：原码序列为，差分码序列为•“传号差分码”的编码规则为：•“空号差分码”的编码规则为：•结论：二进制差分码属于“1B1B码”。nand1nnndad1nnndad收发双方码时钟必须同步——位同步编码器位于发送端译码器位于接收端4、双相码/反相码/曼彻斯特码（ManchesterCode）•在每个原码的半个码元时刻，编码电平都有一次“跳变”。•1949年，英国曼彻斯特大学博士G.E.Thomas在其论文中首次提出Manchester码，故而得名。NRZdatastreamClockpulseManchestercode(Thomas)Manchestercode(IEEE802.4)用一个半占空对称方波来表示“1”，而用其反相波形表示“0”设：原码序列为，该码的码时钟(占空比50%)序列为，Manchester码序列为，其编码规则为（forIEEE802.4rule）或（forThomasrule）•Manchester码属于“1B2B码”。•优点：若Manchester码是双极性码，则该码序列没有直流分量，直流分量很弱。而且包含丰富的定时信息，编码的方法简单。•缺点：功率谱分布主要集中在(0，2fs)之间，频带宽度加倍了，且接收端极性反转时会引起译码错误。码元速率：fs•应用：双极性码适用于数据终端设备在中速短距离信道中传输（以太网采用）。nancnmnnnmacnnnmac9.2.3三元码（TernaryCode）•三元码有三个电平，是适于在数字基带系统中传输的“线路码”或“传输码”，其编码规则和码型特点为：（1）应尽量有利于接收端的位同步时钟提取（2）无直流分量，低频分量也应尽量少（3）编码传输效率高1、传号交替反转码(AMI:alternatemarkinversion)•AMI属于“1B1T码”•AMI码是三元码其编码规则是将二进制消息代码“1”(传号)交替地变换为传输码的“+1”和“-1”，而“0”(空号)保持不变。•消息代码100110000000110011…•AMI码：+100–1+10000000-1+100-1+1…AMI码对应的基带信号是正负极性交替的脉冲序列，而0电位持不变的规律。AMI码的优点是，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。位定时频率分量虽然为0，但只要将基带信号经全波整流变为单极性归零波形，便可提取位定时信号。•与单极性NRZ码比较，AMI码没有直流分量，且低频分量也较弱，编码效率也不低。•注意到：AMI码与Manchester码都有较少的低频谱分量，但是AMI码的主瓣宽度比Manchester码主瓣宽度窄，而且都没有时钟的离散谱。NRZ码功率谱AMI码功率谱1/Tb2/Tb02、三阶高密度码(HDB3:highdensitybinary-3)•AMI编码的缺点：在原码序列连0时没有电平翻转，若原码序列出现较长的连0时，接收端将处于缺乏位同步提取信息状态，不利于位同步状态的保持。所以，必须将AMI码“改造”成HDB3码，其编码规则为：•若AMI码出现“4连0”，则在第4个0处插入一个与前一个非0符号同极性的“破坏符V”；编码应始终保证插入破坏符后，HDB3码序列需极性交替翻转（所有V也交替翻转）。•HDB3编码时会遇到两种情况：（1）两个破坏符V之间有奇数个非零符号（2）两个破坏符V之间有偶数个非零符号•两个V之间有奇数个非零符号时（V插入规律不变）•两个V之间有偶数个非零符号时（V插入规律改变）•HDB3码的译码规则（1）凡同极性的后一个码，均视为V符号（2）V符号前三位一律译码为0（3）去掉V符号后变为AMI码（4）AMI码进行绝对值运算后恢复为NRZ码（二元原码）9.3数字基带信号功率谱分析1、数字基带信号为随机序列信号数字基带信号(以下简称为基带信号)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。最常用的是矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成和变换。研究随机脉冲序列的功率谱的意义：（1）我们可以根据它的连续谱来确定序列的带宽，（2）我们明确能否从脉冲序列中直接提取定时分量，以及采用怎样的方法可以从基带脉冲序列中获得所需的离散分量。（2）计算有限时间长度序列的频谱、能量谱（3）截取信号每Hz频率上的平均功率分布（功率谱密度）（4）计算无限长时间内数字基带序列的功率谱密度()()NTnnNstst()TS2()TS2()()(21)TTssESPNT2()()lim(21)TsNsESPNT2、功率谱分析步骤：数字基带序列的随机性体现在其任意第n个码元为0n1n()a0,(0)()()a1,(1)1snsgtnTPpstgtnTPp（1）对无限时间序列做时间上的截取，形成截取信号(1)ssnTtnT()()nnstst数字基带序列表为3、功率谱分析中对数字基带序列的处理：•将截取信号分成两部分，分别求出相应的功率谱密度：•稳态分量是随机序列的均值：•平稳随机序列方差为交变分量的平均功率：()()TTvtEst222[()()]()TsTTTEstvtEut随机脉冲序列示意波形()Tst()Tvt()Tutttt01100010稳态分量交变分量()()TTuutPf()()TTvvtPf()()()((()))TTTTsTuTvvtPstPutPfff((()))vsuPfPPffN连续谱离散谱4、任意波形的数字基带信号序列功率谱•设：传输二进制数字基带码时，1采用任意波形g1(t)、0采用任意波形g0(t)表示，且各自傅里叶变换都存在，即•可以推导出，数字基带信号的功率谱密度为11()()gtGf00()()gtGf102012()()(1)()(1)())()(sssssmPffppfpGmfpGmffmfGfGf连续谱离散谱随机脉冲序列带宽取决于单个码元波形的频谱函数G0(f)或G1(f)，两者中应取较大带宽者作为序列的带宽，波形占空比越小（码元速率越高），频带越宽。g0(t)不等于g1(t)连续谱分量总是存在的随机脉冲序列的功率谱通常可能包括：连续谱G(f)和离散谱G(mfs)信号码元出现的概率和信号码元的宽度影响离散谱，在某些情况下可能没有离散谱分量。注：由于矩形脉冲的功率谱在第一零点以后有较大的拖尾（易于形成码间干扰），实际系统中多采用其他波形进行传输，如常用的升余弦波形。5、举例：假定被传数字基带序列中的0和1出现的概率相等（0,1等概），基带码为矩形码(方波)。（1）单极性NRZ码的功率谱密度：1()1gt0()0gt11sin()()()()()sssassTfgtGfTTSTfTf22NRZ0sin()1sin()()lim()4()4()sssmsTTfmPffmfTfm2sin()14()4()sssTTfTff单极性NRZ中没有定时分量，想要获得定时分量，需要进行波形变换。102012()()(1)()(1)())()(sssssmPffppfpGmfpGmffmfGfGf00()()0gtGf单极性RZ中有定时分量，可直接提取。P(f)0f不归零码归零码1/1/Ts单极性p=1/2（2）双极性NRZ码的功率谱密度：1()1gt0()1gt11sin()()()()()sssassTfgtGfTTSTfTf001()()()gtGfGf2NRZsin()()()sssTfPfTTf若以谱的第1个零点计算，NRZ(=Ts)基带信号的带宽为BS=1/=fs；RZ(=Ts/2)基带信号的带宽为BS=1/=2fs。其中fs=1/Ts，是位定时信号的频率，它在数值上与码元速率RB相等。P(f)0f不归零码归零码1/1/Ts双极性p=1/29.4基带脉冲传输与码间干扰•影响数字基带系统传输质量的两个主要因素：（1）信道噪声与畸变（2）码间干扰（ISI:Inter-SymbolInterference）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干（串）扰。•基带系统中码间干扰的根本原因：传输带宽受限说明1：•数学上的付氏变换谱及其对应的时域冲激响应Sa(x)•物理上的实际系统的冲激响应2πB-2πB•例如：理想低通信道的幅频特性（双边谱）为其时域冲激响应为•如果信道特性理想，无码间干扰的情形为HH()/HH()()htSatt•说明2：各个不同的时域响应波形是叠加的关系•如果信道特性不理想，产生码间干扰的波形为•说明：本章分析码间干扰问题及其无码间干扰条件，都是针对二进制基带传输系统的。因