数字基带传输系统ppt课件.ppt

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1、第六章 数字基带传输系统,本章大纲：,数字基带信号及其频谱特性AMI码、HDB3码、双相码的编码原理和主要优缺点无码间干扰的基带传输特性无码间干扰时的基带系统的抗噪声性能,引 言,若信道中传输的是数字信号，则称为数字通信系统。,来自数据终端的原始数据信号（如计算机输出的二进制序列，电传机输出的代码）,来自模拟信号经数字化处理后的序列。,这些信号包含丰富的低频分量，甚至直流分量，称为数字基带信号。,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。,而大多数信道，如各种无线信道和光信道， 则是带通型的， 数字基带信号必须经过载波调制，把频谱搬移到高的载频处才

2、能在信道中传输。,数字基带传输：,数字频带传输：,本章将讨论数字信号的基带传输。,基带传输系统的研究意义：,在利用对称电缆构成的近距离数据通信系统中广泛采用了这种传输方式；,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；,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。,6.1 数字基带信号及其频谱特性,6.1.1 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。,1. 单极性不归零波形,1一个码元内持续有脉冲电平,0一个码元内没有脉冲电平,有直流分量，要求传输线路具有直流传输能力，不适应有交流耦合的远距离传输，只适用于计算机内

3、部或极近距离传输。,特点：,电脉冲之间无间隔，极性单一，易于用TTL，CMOS电路产生；,可以直接提取定时信息，是其他波形提取位定时信号时需要采用的一种过渡波形。,2. 单极性归零波形,脉冲宽度小于码元宽度。,特点：,3. 双极性不归零波形,当0、1符号等可能出现时无直流分量。这样，恢复信号的判决电平为 0，因而不受信道特性变化的影响，抗干扰能力也较强。,脉冲的正、负电平分别对应于二进制代码1、0。,特点：,4. 双极性归零波形,双极性波形的归零形式：相邻脉冲之间必定留有零电位的间隔。,除了具有双极性不归零波形的特点外，还有利于同步脉冲的提取。,特点：,5. 差分波形,用相邻码元电平的跳变和不

4、变来表示消息代码，称为相对码。,以电平跳变表示1，以电平不变表示0,用差分波形传送代码可以消除设备初始状态的影响，特别是在相位调制系统中用于解决载波相位模糊问题。,6. 多电平波形,多于一个二进制符号对应一个脉冲。,在高数据速率传输系统中，采用这种信号形式是适宜的。,6.1.2 基带信号的频谱特性,了解信号中有无直流分量， 有无定时分量，确定是否可从信号中提取位定时信号。,了解信号需要占据的频带宽度，针对信号谱的特点来选择相匹配的信道；,数字基带信号是随机的脉冲序列，没有确定的频谱函数， 所以只能用功率谱来描述它的频谱特性。,一种比较简单的方法是以随机过程功率谱的原始定义为出发点，求出数字随机

5、序列的功率谱。,一、随机序列的分解,g1(t)代表“1”；g2(t)代表“0”。,随机序列s(t)可表示成：,其中：,v(t)是一个以Ts为周期的周期函数。,稳态波：随机序列s(t)的统计平均分量，取决于每个码元内出现g1(t)、 g2(t)的概率加权平均。,可以把s(t)分解成稳态波v(t)和交变波u(t)：,交变波：s(t)与v(t)之差， 即u(t) = s(t)-v(t),其中第n个码元为：un(t)=sn(t)-vn(t),显然，u(t)是随机脉冲序列。,以概率P出现,以概率1-P出现,v(t)的功率谱密度Pv(f),v(t)是以Ts为周期的周期信号，其功率谱密度为一个离散谱。,可求

6、得：,二、功率谱密度,其中，G1(f)和G2(f)分别是g1(t)和g2(t)的频谱。,根据离散谱可确定序列是否包含直流分量和离散分量。,u(t)的功率谱密度Pu(f),u(t)是功率型的随机脉冲序列，它的功率谱密度可采用截短函数和求统计平均的方法来求：,可见，交变波的功率谱Pu(f)是连续谱，它与g1(t)和g2(t)的频谱以及出现概率P有关。,其中：fs=1/Ts,根据连续谱可以确定随机序列的带宽。,随机序列s(t)的功率谱Ps(f),连续谱： G1(f)G2(f)，总是存在的。,离散谱：是否存在，取决于g1(t)和g2(t)的波形及其出现的概率P。,若二进制的两个符号等概率出现，即P=1

7、/2，则：,1、对于单极性二进制波形，若设g1(t)=0，g2(t)=g(t)， 则随机脉冲序列的双边功率谱密度为：,三、几种常见码型的功率谱,若表示“1”码的波形g2(t)=g(t)为不归零矩形脉冲，即 ：,其稳态波：,离散谱中有直流分量；但无位定时信号。,s(t)的功率谱密度为：,若表示“1”码的波形g2(t)=g(t)为半占空归零矩形脉冲，即脉冲宽度 =Ts/2时，其频谱函数为：,其稳态波分量：,离散谱中有直流分量；,m为奇数时，有离散分量，能据此恢复定时信号；,m为偶数时，无离散分量。,-3fs -2fs -fs 0 fs 2fs 3fs f,1/16,s(t)的功率谱密度为：,单极性

8、半占空归零信号的带宽为2fs,单极性不归零矩形脉冲信号的带宽为fs,2、对于双极性波形：g1(t) =g(t)， g2(t) =-g(t)，则序列的功率谱密度：,若两个符号等概率出现，即 P=1/2时：,其功率谱只含有交变波的分量，因此没有直流分量和位定时分量。,从以上两例可以看出：,随机序列的带宽主要依赖单个码元波形的频谱函数G1(f)或G2(f)，两者之中应取较大带宽的一个作为序列带宽。,时间波形的占空比越小，频带越宽。通常取谱的第一个零点作为矩形脉冲的近似带宽，它等于脉宽 的倒数，即Bs=1/ 。,单极性基带信号是否存在离散线谱取决于矩形脉冲的占空比。,单极性不归零信号中无定时分量，若想

9、获取定时分量，要进行波形变换。,0、1等概的双极性信号没有离散谱，也就是说无直流分量和定时分量。,单极性归零信号中有定时分量，可直接提取。,6.2 基带传输的常用码型,含有直流分量和较丰富低频分量的单极性基带波形不适宜在低频传输特性差的信道中传输；,当消息代码中包含长串的连续“1”或“0”符号时，非归零波形呈现出连续的固定电平，因而无法获取定时信息。,对传输用的基带信号主要有两个方面的要求：,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；,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。,前者属于传输码型的选择， 后者是基带脉冲的选择。 这是两个既独立又有联系的问题。,传输码(

10、或称线路码)的结构将取决于实际信道特性和系统工作的条件。通常，传输码的结构应具有下列主要特性：,相应的基带信号无直流分量，且低频分量少；,便于从信号中提取定时信息；,信号中高频分量尽量少，以节省传输频带并减少码间串扰；,具有内在的检错能力，传输码型应具有一定规律性，以便利用这一规律性进行宏观监测；,编译码设备要尽可能简单，等等。,不受信息源统计特性的影响，即能适应于信息源的变化；,几种常见的传输码型：,1. AMI码,AMI码是传号交替反转码。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。,例如：,消息代码 ： 1 0 0 1 1

11、0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 ,AMI码： +1 0 0 1 +1 0 0 0 0 0 0 0 -1 +1 0 0 -1 +1,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。,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。,优点：,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。,不足：,AMI码的编译码电路简单，便于利用传号极性交替规律观察误码情况。,2. HDB3码,为了保持AMI码的优点而克服其缺点，人们提出了许多种类的改进AMI码，HDB3码即为其中一种。全称3阶高密度双极

12、性码。,其编码规则如下：,当信源码的连“0”个数不超过3时，仍按AMI码的规则编，即传号极性交替；,当连“0”个数超过3时，则将第4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；,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，否则，将四连“0”的第一个“0”更改为与该破坏脉冲相同极性的脉冲，并记为+B或-B；,破坏脉冲之后的传号码极性也要交替。,信源码： 1000 0 1000 0 1 1 000 0 l 1,例如：,HDB3码：,-1,000,-V,+1000,+V,-1 +1,0,-B,00,-V,+1 -1,

13、AMI码： -1000 0 +1000 0 -1 +1 000 0 -1 +1,虽然HDB3码的编码规则比较复杂，但译码却比较简单。 从上述原理看出，每一个破坏符号V总是与前一非0符号同极性(包括B符号在内)。,HDB3码：-1 000 -V +1 000 +V -1 +1 -B 00 -V +1 -1,这就是说，从收到的符号序列中可以容易地找到破坏点V，于是也断定V符号及其前面的3个符号必是连0符号，从而恢复4个连0码，再将所有-1变成+1后便得到原消息代码。,HDB3码保持了AMI码的优点外，同时还将连“0”码限制在3个以内，故有利于位定时信号的提取。HDB3码是应用最为广泛的码型。,3.

14、 双相码,双相码又称曼彻斯特（Manchester）码。 它用一个周期的正负对称方波表示“0”，而用其反相波形表示“1”。,编码规则之一是： “0”码用“01”两位码表示， “1”码用“10”两位码表示。,代码： 1 1 0 0 1 0 1双相码：10 10 01 01 10 01 10,例如：,双相码只有极性相反的两个电平，而不像前面的三种码具有三个电平。,这种码的正、负电平各半，所以无直流分量， 编码过程也简单。,优点：,双相码在每个码元周期的中心点都存在电平跳变，所以富含位定时信息。,带宽比原信码大1倍。,缺点：,4. 密勒码,密勒( Miller )码又称延迟调制码，它是双相码的一种变

15、形。,编码规则如下：,“1”码：用码元持续时间的中心点出现跃变来表示，即 用“10”或“01”表示。,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；,“0”码有两种情况：,连“0”时，在两个“0”码的边界处出现电平跃变， 即“00”与“11”交替。,(b)密勒码,1 1 0 1 0 0 1 0,1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1,1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0,(a)双相码,双相码的下降沿正好对应于密勒码的跃变沿。因此，用双相码的下降沿去触发双稳电路，即可输出密勒码。,作业：习题6-1，6-3，6-7,6.3

16、 基带信号传输与码间串扰,一、数字基带信号传输系统的组成,误码,除加性噪声外，产生误码的一个重要原因码间串扰。,由于系统特性的不理想，使得在其中传输的波形变形，产生“拖尾”而互相干扰。,二、数字基带信号传输的定量分析,d(t),设,r(t)=d(t)*h(t)+nR(t),系统总的传输特性：,系统输出r(t),对第k个码元ak进行判决时，应在t=kTs+t0时刻上对r(t)抽样（t0为传输时间延迟） ：,6.4 无码间串扰的基带传输特性,不考虑噪声的影响，则接收端信号由下式决定：,码间干扰的大小取决于an和系统输出波形在各抽样时刻上的取值。,一、消除码间串扰的基本思想,an是随机变化的，无法靠

17、它来消除码间干扰。,想法一：可以对an提出要求吗？,想法二：可以对h(t)的波形提出要求吗？,但这样的波形不易实现。,可以通过改变h(t)的波形，使其除了本时刻抽样点外，在其余各抽样点上的取值为0，就可消除码间干扰。,如何设计h(t)的波形？,经过论证，符合上述要求的H() 应满足：,该条件称为奈奎斯特第一准则。它为我们提供了检验一个给定的系统特性H() 是否会产生码间串扰的方法。,或,二、无码间串扰的条件,理想低通特性,三、无码间串扰的传输特性的设计,理想低通特性的系统：,输入数据若以1/Ts的波特率进行传送，接收端抽样时不存在码间干扰。,当输入数据以高于1/Ts的波特率进行传送，接收端抽样

18、判决时肯定有码间干扰。,当输入数据以低于1/Ts的波特率进行传送，接收端抽样判决时可能有码间干扰，也可能没有码间干扰。,上述讨论的具有理想低通特性的传输系统：,其频带宽度为：,则该系统的最高频带利用率为：,=2（波特/Hz）,无码间干扰时的最高传码率为：1/Ts（波特）,(Hz),定义频带利用率为单位频带内的码元传输速率。,这是在无码间干扰的条件下，基带传输系统所能达到的极限。,输入端若以 RB = 1/Ts 的波特率传送数据时，要求无码间干扰所需的最小传输带宽为1/(2Ts) = RB/2 (Hz)，称为奈奎斯特带宽，记做W。,当系统的传输特性为理想低通型时：,若系统带宽为W(Hz)，则该系

19、统能达到的无码间干扰时的最高传码率为2W(波特)，称为奈奎斯特速率。,理想冲激响应h(t)作为传输波形，其“拖尾”的衰减振荡幅度较大，在得不到严格定时的情况下，码间干扰就会很大。,理想低通型传输特性的缺点：,很难实现；,可以让理想低通特性的H()的边沿缓慢下降，称为滚降。,余弦滚降特性,一种常用的滚降特性是升余弦滚降特性。频谱为：,定义,滚降系数,当=0时，即为理想低通型特性；,fN-f fN fN+f f,Ts=10;=0.5,当=1时，为升余弦频谱特性：,(B/Hz),- (1+) fN -fN 0 fN (1+)fN f,该系统无码间干扰的最高传码率为2fN，带宽为(1+)fN,可以把该

20、系统等效为一个带宽为fN的理想低通滤波器。,余弦滚降系统的频带利用率：,取值为0，0.5，1时的升余弦滚降系统的频谱：,对应的时域波形：, =1的升余弦滚降系统的响应函数：,升余弦滚降系统的 h(t)满足在抽样点上无码间串扰的传输条件，且各抽样点之间又增加了一个零点，其“拖尾”衰减也较快，这有利于减小码间串扰和位定时误差的影响。,但这种系统的频谱宽度比理想低通滤波系统加宽了一倍， 因而频带利用率为1波特/Hz，是最高频带利用率的一半。,什么是码间串扰？它对接收端信号的恢复有何影响？要消除码间串扰，系统的传输特性应满足什么要求？采用升余弦滚降特性的系统传输特性有何优点与不足？试说明奈奎斯特带宽与

21、奈奎斯特速率的含义？,思 考：,作业：,6-11，6-12,6.5 基带传输系统的抗噪声性能,nR(t)：,二进制双极性基带系统,在噪声存在的情况下，抽样判决器输入为信号与噪声的混合波形：,对于双极性系统，抽样时刻的信号值为：+A（发送“1”）或 -A（发送“0”）。,发送“1”时，A+nR(kTs)的一维概率密度函数为：,发送“0”时，-A+nR(kTs)的一维概率密度函数为：,在kTs的抽样时刻，噪声电压V = nR(kTs)的概率密度：,f0(x),f1(x),-A,A,Vd,P(0/1) = P(xVd),P(1/0) = P(xVd),总误码率为：,Pe=P(1)P(0/1)+P(0

22、)P(1/0),与误码率有关的因素有：,发送概率P(1)、P(0)；,噪声功率n2 ；,信号峰值A；,判决门限Vd,在其它因素一定的条件下，可以找到一个使误码率最小的判决门限电平，称为最佳门限电平。,令,可求得最佳门限电平：,若P(1)=P(0)=1/2，则有：,Vd*=0,此条件下，基带传输系统总误码率为：,6.6 眼 图,实际通信系统中，由于滤波器部件设计误差或信道特性发生变化等因素，都可能使H()特性改变，从而使系统性能恶化。,实际应用中需要用简便的实验方法来定性测量系统的性能，其中一个有效的实验方法是观察接收信号的眼图。,眼图：利用示波器观察接收端的基带信号波形，从而估计和调整系统性能

23、。,具体做法：,将示波器接在抽样判决器的输入端，调整水平扫描周期，使其与接收码元周期同步。,即可从示波器的显示波形中观察到干扰和噪声等因素影响的情况。,传输特性较理想时的波形,眼图,传输特性不理想时的波形,眼图,当存在噪声时，眼图的线迹变成了比较模糊的带状的线， 噪声越大，线条越宽，越模糊，“眼睛”张开得越小。,通过眼图可以获得系统性能的以下信息：,最佳抽样时刻,斜率越大，对定时误差越敏感。,表示抽样时刻上信号受噪声干扰的畸变程度。,表示接收波形零点位置的变化范围。,6.7 时域均衡,理论和实践均证明，在基带系统中插入一种可调(或不可调)滤波器可以校正或补偿系统特性，减小码间串扰的影响，这种起

24、补偿作用的滤波器称为均衡器。,频域均衡器：校正系统的频率特性，使基带系统的总特性接近无失真传输条件，适用于低速传输系统；,时域均衡器：直接校正已失真的响应波形，使整个系统的冲激响应满足无码间串扰条件，适用于高速传输系统。,一、时域均衡的基本原理,当系统传输特性H()不满足奈奎斯特第一准则时，会形成有码间串扰的响应波形。,可在接收滤波器和抽样判决器之间插入一个横向滤波器，其冲激响应为：,理论上就可消除码间串扰。,其中Cn由H()决定。,横向滤波器的结构框图：,设有限长横向滤波器具有2N+1个抽头，其冲激响应：,x(t),y(t),在抽样时刻kTs：,简写为：,可通过调整各Ci的值，使输出波形只有

25、在yk才有值，而在其它抽样时刻点上均为0或者非常小。,例：设有一个三抽头的横向滤波器，其C-1=-1/4，C0=1，C+1=-1/2。均衡器输入x(t)在各抽样点上的取值分别为：x-1=1/4，x0=1，x+1=1/2，其余都为零。试求均衡器输出y(t)在各抽样点上的值。,利用有限长的横向滤波器可减小码间串扰，但无法完全消除。,峰值失真准则：,峰值失真D就是码间串扰最大值与有用信号样值之比。,对于完全消除码间干扰的均衡器而言，应有D=0；对于码间干扰不为零的场合，希望D有最小值。,二、均衡准则与实现,迫零调整法以最小峰值失真准则为依据实现均衡器的调整。,可以证明：峰值失真D的最小值发生在y0前

26、后的yk都为0的情况下。即满足：,具体要求：,均衡器输入序列给定时，按上式设计或调整各抽头系数，可迫使均衡器输出的各抽样值yk为0。,例 :设计3个抽头的迫零均衡器，以减小码间串扰。已知，x-2=0，x-1=0.1，x0=1, x1=-0.2，x2=0.1，求3个抽头的系数， 并计算均衡前后的峰值失真。,可见，3抽头均衡器可以使y0两侧各有一个零点，但在远离y0的一些抽样点上仍会有码间串扰。这就是说抽头有限时，总不能完全消除码间串扰，但适当增加抽头数可以将码间串扰减小到相当小的程度。,作业：6-18,6-25,6-10：, = 20,(1),(2),将H()平移，间隔为,=2RB i,=20i,看是否能在,= RB,=0,的范围内叠加出常数。,