通信原理第六章课件.ppt

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1、2023/1/22,1,第六章 数字基带传输系统,数字基带传输概述数字基带信号及其频谱特性常用数字基带信号 数字基带信号的表示数字基带信号的功率谱 基带传输的常用码型AMI码 HDB3码 PST码 双相码 密勒码基带脉冲传输与码间干扰无码间干扰的基带传输特性基带传输系统的抗噪性能,2023/1/22,2,6.1 数字基带传输概述,数字基带信号消息代码的电波形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，或者是来自模拟信号经数字化处理后的数字信号，这些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数字基带传输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，

2、可直接传输数字基带信号数字频带传输大多数信道，如各种无线信道和光信道，都是带通型的，数字基带信号必须经过载波调制才能在信道中传输,2023/1/22,3,6.1 数字基带传输概述,数字基带传输系统的研究意义数字基带传输中包含频带传输的许多基本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近程数据通信系统广泛采用了数字基带传输方式数字基带传输系统的基本组成由信道信号形成器、信道、接收滤波器、抽样判决器以及同步设备组成,2023/1/22,4,6.1 数字基带传输概述,数字基带传输系统框图,2023/1/22,5,6.1 数字基带传输概述,信道信号形成器 把原始基带信号变换成适合

3、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，减小码间串扰，利于同步提取和抽样判决信道 允许基带信号通过的媒质，通常为有线信道，如市话电缆、架空明线等,2023/1/22,6,6.1 数字基带传输概述,接收滤波器 滤除带外噪声，对信道特性均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决 抽样判决器 在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻（由位定时脉冲控制）对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号,2023/1/22,7,6.2 数字基带信号及其频谱特性,数字基带信号消息代码的电波形，即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

4、的类型矩形脉冲、三角波、高斯脉冲、升余弦脉冲最常用的是矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成和变换,2023/1/22,8,6.2.1 数字基带信号,单极性不归零波形,双极性不归零波形,单极性归零波形,差分波形,多电平波形,双极性归零波形,常见的基带信号波形,2023/1/22,9,6.2.2 数字基带信号频谱特性,数字基带信号的数学表示式若二进制基带信号中各码元波形相同而取值不同，则可用下式表示 式中an是第n个信息符号,对应电平值（0、1或-1、1）Ts为码元间隔，g(t)为某种标准脉冲波形,2023/1/22,10,6.2.2 数字基带信号频谱特性,数字基带信号的数学表示式若令g1(t)表示“0

5、”，g2(t)表示“1”，则二进制基带信号第n个码元为二进制随机序列表达式,2023/1/22,11,6.2.2 数字基带信号频谱特性,数字基带信号一般用二进制随机序列表示在实际中g1(t)、g2(t)可以是任意脉冲图示为二进制随机脉冲序列波形（样本函数），其中选g1(t)是方波，g2(t)是三角波,2023/1/22,12,6.2.2 数字基带信号频谱特性,数字基带信号一般用二进制随机序列表示设二进制随机脉冲序列中任一码元时间Ts内，g1(t)和g2(t)出现的概率分别为P和1-P，且认为它们的出现是统计独立的，则数字基带信号可表示为,2023/1/22,13,数字基带信号的频域分析 为了使

6、频域分析的物理概念清楚，推导过程简化，把随机序列s(t)分解成稳态波v(t)和交变波u(t)稳态波将每个码元内出现g1(t)、g2(t)的概率加权平均交变波,6.2.2 数字基带信号频谱特性,2023/1/22,14,6.2.2 数字基带信号频谱特性,二进制随机序列时域分解的一个实现,2023/1/22,15,稳态波的功率谱密度功率谱是冲击强度取决|Cm|2的离散线谱根据离散谱可以确定随机序列是否包含直流分量（m=0）和定时分量(m=1),6.2.2 数字基带信号频谱特性,2023/1/22,16,交变波的功率谱密度功率谱是连续谱与g1(t),g2(t)的频谱及其概率p有关,6.2.2 数字基

7、带信号频谱特性,2023/1/22,17,6.2.2 数字基带信号频谱特性,数字基带信号的功率谱密度数字基带信号的单边功率谱密度,2023/1/22,18,6.2.2 数字基带信号频谱特性,数字基带信号的功率谱密度连续谱Pu(f)由于代表数字信息的g1(t)及g2(t)不能完全相同，故G1(f)G2(f)，因而连续谱Pu(f)总是存在的离散谱Pv(f)离散谱Pv(f)是否存在，取决g1(t)和g2(t)的波形及其出现的概率P,2023/1/22,19,单极性基带信号的频谱特性若设g1(t)=0，g2(t)=g（t），则随机脉冲序列的双边功率谱密度为,6.2.2 数字基带信号频谱特性,等概P=1

8、/2时，上式简化为,2023/1/22,20,单极性基带信号的频谱特性若表示“1”码的波形g2(t)=g（t）为不归零矩形脉冲，即此时的随机序列功率谱为单极性不归零信号中无定时分量，若想获取定时分量，要进行波形变换,6.2.2 数字基带信号频谱特性,2023/1/22,21,6.2.2 数字基带信号频谱特性,单极性基带信号的频谱特性若表示“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，其频谱函数为此时的随机序列功率谱为当f=mfs,G(mfs)的取值情况 m为奇数时，G(mfs)0，此时有离散谱（有定时分量）m为偶数时，G(mfs)=0，无离散谱,2023/1/

9、22,22,6.2.2 数字基带信号频谱特性,数字基带信号的带宽取决于连续谱，由单个码元的频谱函数G(f)决定时间波形的占空比越小，频带越宽,二进制基带信号的功率谱密度,2023/1/22,23,6.2.2 数字基带信号频谱特性,双极性基带信号的频谱特性若设g1(t)=-g2(t)=g（t），则0、1等概的双极性信号没有离散谱，即无直流分量和定时分量若g（t）为高为1，脉宽等于码元周期的矩形脉冲,等概P=1/2时,2023/1/22,24,6.2.2 数字基带信号频谱特性,研究随机脉冲序列的功率谱是十分有意义的可以根据它的连续谱来确定序列的带宽脉冲波形的占空比越小，序列的频带越宽根据它的离散谱

10、是否明确能否从脉冲序列中直接提取定时分量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在研究位同步、载波同步等问题时是十分重要的,2023/1/22,25,6.3 基带传输常用的码型,数字基带信号是消息代码的电信号形式在实际的基带传输系统中，并不是所有代码的电波形都能在信道中传输如含有丰富直流、低频成分的基带信号就不适宜在信道中传输，因其有可能造成信号严重畸变对传输用的基带信号主要有两个方面的要求代码：原始消息代码必须编成适合于传输用的码型所选码型的电波形：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，后者属于基带脉冲的选择，二者既独立又有联系,2023/1/22,26,6.3 基

11、带传输常用的码型,传输码结构应具有的主要特性基带信号无直流分量，只有很小的低频分量 便于从基带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不受信息源统计特性的影响，即能适应于信息源的变化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,2023/1/22,27,6.3 基带传输常用的码型,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”交替地变换为传输码的“+1”和“-1”，而“0”保持不变AMI码是CCITT建议采用的传输码性之一,例如：消息代码 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0

12、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+1,2023/1/22,28,6.3 基带传输常用的码型,AMI码具有如下的优点由于+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AMI码的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,2023/1/22,29,6.3 基带传输常用的码型,HDB3码全称是3阶高密度双

13、极性码一种改进型的AMI码，其目的是为了保持AMI码的优点而克服其缺点，使连“0”个数不超过3个HDB3码是目前应用最为广泛的码型,2023/1/22,30,6.3 基带传输常用的码型,AMI码和HDB3码的功率谱,2023/1/22,31,6.3 基带传输常用的码型,HDB3码编码规则当信码的连“0”个数不超过3时，仍按AMI码的规则编码，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

14、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,2023/1/22,32,6.3 基带传输常用的码型,HDB3码译码虽然HDB3码的编码规则比较复杂，但译码却比较简单 从编码原理可以看出，每一个破坏符号V总是与前一非0符号同极性（包括B）译码时，从收到的符号序列中找到破坏点V，可断定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,2023/1/22,33,6.3 基带传输常用的码型,PST码成对选择三进码PST编码过程将二进制代码

15、两两分组把每一码组编码成两个三进制数字(+、-、0)在一个码组中仅发单个脉冲时，应两个模式交替变换PST码的特点能提供足够的定时分量，且无直流成分，编码过程较简单但这种码在识别时需要提供“分组”信息，即需要建立帧同步,2023/1/22,34,6.3 基带传输常用的码型,数字双相码又称曼彻斯特（Manchester）码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”两位码表示数字双相码特点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由于双相码在每个码元周期的中心点都存在电平跳变，因而富含位定时信息因码的正、负

16、电平各半，故无直流分量编码过程简单，但带宽比原信码大1倍,2023/1/22,35,6.3 基带传输常用的码型,密勒码(Miller)又称延迟调制码它是双相码的一种变形编码规则如下“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,双相码,密勒码,2023/1/22,36,6.3 基带传输常用的码型,CMI码是传号反转码的简称，与数字双相码类似，它也是一种双极性二电平码编码规则如下“1”码交替用“11”和“00”两位码表示；“0”码固定地用“

17、01”表示CMI码有较多的电平跃变，因此含有丰富的定时信息不会出现3个以上的连码，这个规律可用来宏观检错,双相码,密勒码,CMI码,2023/1/22,37,6.4 基带脉冲传输与码间串扰,基带信号传输的数学模型本节定量分析基带脉冲传输过程，分析模型如图示,2023/1/22,38,6.4.1 基带信号传输的数学模型,基带传输系统的总传输特性,(基带传输系统),2023/1/22,39,接收滤波器输出信号对第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,6.4.2 码间串扰与噪声,码间串扰值,2023/1/22,40,6.4.2 码间串扰

18、与噪声,基带信号传输的过程,2023/1/22,41,6.4.2 码间串扰与噪声,码间串扰和随机噪声由于码间串扰值和噪声的存在，抽样判决时有可能发生错判,造成误码只有当码间串扰值和噪声足够小时，才能基本保证判决的正确，否则有可能发生错判,造成误码为了使通信系统误码率尽可能的小，必须最大限度的减小码间串扰和随机噪声的影响这也正是研究基带脉冲传输的基本出发点,2023/1/22,42,若想消除码间串扰，应有这就需要对h(t)的波形提出要求实际中的h(t)波形有很长的“拖尾”，但只要让它在后续相应的码元抽样判决时刻上正好为0，就能消除码间串扰,6.5 无码间串扰的传输特性,2023/1/22,43,

19、6.5 无码间串扰的传输特性,无码间串扰条件基带系统无码间串扰的时域条件（假设信道和接收滤波器所造成的延迟t0=0）该式说明基带系统冲激响应除在h(0)取值不为零，其他抽样时刻上的抽样值均为零,2023/1/22,44,无码间串扰条件基带传输系统应满足的频域条件 频域条件又称为奈奎斯特第一准则，它提供了检验一个给定的系统特性H()是否产生码间串扰的一种方法满足奈奎斯特第一准则的H（）很多,6.5 无码间串扰的传输特性,2023/1/22,45,6.5 无码间串扰的传输特性,理想低通系统频率响应冲激响应当发送间隔为码元周期时，利用这些零点实现无码间串扰传输,2023/1/22,46,理想低通系统

20、无码间干扰的基带传输系统最高的码元速率 系统的频率宽度最高频带利用率（波特/赫）,6.5 无码间串扰的传输特性,2023/1/22,47,6.5 无码间串扰的传输特性,无码间串扰条件的基带系统输入序列若以1/Ts波特的速率进行传输时，所需的最小传输带宽为12Ts，这是在抽样时刻无码间串扰条件下，基带系统所能达到的极限情况理想低通基带系统所能提供的最高频带利用率=2波特赫通常，我们把12Ts称为奈奎斯特带宽，记为W1，则该系统无码间串扰的最高传输速率为2W1波特，称为奈奎斯特速率,2023/1/22,48,6.5 无码间串扰的传输特性,等效低通特性实际上，只要在区间（-/Ts,/Ts）上，能叠加

21、出理想滤波特性来，则H（）就能消除码间干扰,2023/1/22,49,6.5 无码间串扰的传输特性,实际低通滤波器H（）平移与叠加过程,等效理想低通特性,2023/1/22,50,6.5 无码间串扰的传输特性,具有滚降特性的低通滤波器定义滚降系数w1是无滚降时的截止频率，W2为滚降部分的截止频率,2023/1/22,51,6.5 无码间串扰的传输特性,具有滚降系数为 的余弦滚降特性表达式,2023/1/22,52,6.5 无码间串扰的传输特性,余弦滚降系统=0,理想低通滤波器，B=W1，频带利用率2B/HZ=1,B=2W1,频带利用率1B/HZ,B,时域波形衰减加快,2023/1/22,53,

22、6.6 部分响应系统,两种无码间串扰系统的比较理想低通和余弦滚降 理想低通的频带利用率虽达到基带系统的理论极限值2波特/赫，但难以实现，且它的h(t)的尾巴振荡幅度大、收敛慢，从而对定时要求十分严格余弦滤波特性虽然克服了上述缺点，但所需频带加宽，频带利用率下降，因此不能适合于高速传输,2023/1/22,54,6.6 部分响应系统,寻求一种传输系统允许存在一定的，受控制的码间串扰，但在接收端可加以消除能使频带利用率提高到理论上的最大值，又可使形成的“尾巴”衰减大、收敛快的传输波形，从而降低对定时抽样精度的要求部分响应系统有码间干扰，频带利用率与理想低通系统相同其传输波形称为部分响应波形,202

23、3/1/22,55,6.6 部分响应系统,改进思路观察的sinxx波形，发现相距一个码元间隔的两个sinxx波形的“拖尾”刚好正负相反利用这样的波形组合可以构成“拖尾”衰减很快的脉冲波形,2023/1/22,56,6.6.1 改进思路,合成波的表达式简化后为时域波形,2023/1/22,57,合成波的频谱函数g(t)频谱限制在（-/Ts,/Ts）传输带宽 B=12Ts频带利用率=2波特赫,6.6.1 改进思路,2023/1/22,58,6.6.1 改进思路,g(t)的波形特点 g(t)波形的拖尾幅度衰减快只在抽样时刻上有发送码元的样值将受到前一码元样值的串扰，而与其他码元不产生串扰由于存在前一

24、码元留下的有规律的串扰，可能会造成误码的传播（或扩散）但这一有规律的串扰，可以通过预编码以及模 2判决来消除,2023/1/22,59,6.6.2 实用的部分响应系统系统,第类部分响应系统预编码相关编码模2判决,原理框图,2023/1/22,60,部分响应波形的一般形式可以是N个sinx/x波形之和 式中R1,R2,RN为加权系数，其取值为正、负整数及零当取R1=1，R2=1，其余系数Ri=0时，即为前面所述的部分响应波形第类部分响应波形,6.6.3 部分响应系统的一般表示,2023/1/22,61,部分响应波形的频谱函数为可见,G()仅在(-/Ts,/Ts)范围内存在。Ri(i=1,2,N)

25、不同，将有不同类别的部分响应信号，常见的部分响应波形有五类,6.6.3 部分响应系统的一般表示,2023/1/22,62,部分响应系统消除码间串扰方式预编码：（模相加）相关编码:(算数相加)模L判决：,6.6.3 部分响应系统的一般表示,2023/1/22,63,6.7 基带传输系统的抗噪性能,码间串扰和信道噪声是影响接收端正确判决而造成误码的两个因素上节讨论了不考虑噪声影响时，能够消除码间串扰的基带传输特性本节来讨论在无码间串扰的条件下，噪声对基带信号传输的影响，即计算噪声引起的误码率,2023/1/22,64,6.7 基带传输系统的抗噪性能,基带传输系统的抗噪性能分析模型信道噪声只对接收端

26、产生影响,2023/1/22,65,6.7 基带传输系统的抗噪性能,无噪声影响时的信号波形信号为双极性A电平；判决门限选择0电平,2023/1/22,66,6.7 基带传输系统的抗噪性能,有噪声影响时的信号波形信号为双极性A电平；判决门限选择0电平,2023/1/22,67,误码率Pe信道加性噪声引起这种误码的概率信道加性噪声n(t)通常被假设为均值为0、双边功率谱密度n0/2的高斯白噪声接收滤波器是一个线性网络，其输出噪声nR(t)是均值为0的窄带平稳高斯噪声,6.7 基带传输系统的抗噪性能,2023/1/22,68,6.7 基带传输系统的抗噪性能,输出噪声的统计特性输出噪声的功率谱密度输出

27、噪声的方差（噪声平均功率）输出噪声瞬时值 是高斯随机变量,2023/1/22,69,6.7 基带传输系统的抗噪性能,双极性基带信号抽样时刻信号+噪声发“1”时，x(t)一维概率密度为发“0”时，x(t)一维概率密度为,判决电平,2023/1/22,70,6.7 基带传输系统的抗噪性能,在二进制基带信号传输过程中，噪声会引起两种误码概率发“1”错判为“0”的概率P(0/1)发“0”错判为“1”的概率P(1/0)基带传输系统总的误码率,2023/1/22,71,6.7 基带传输系统的抗噪性能,最佳门限电平双极性信号当P(1)=P(0)=1/2时，Vd*=0基带传输系统总误码率,2023/1/22,

28、72,6.7 基带传输系统的抗噪性能,单极性基带信号电平取值+A（对应“1”码），0（对应“0”码）抽样时刻,2023/1/22,73,6.7 基带传输系统的抗噪性能,最佳门限电平单极性信号当P(1)=P(0)=1/2时，基带传输系统总误码率,2023/1/22,74,6.7 基带传输系统的抗噪性能,当单极性与双极性基带信号的A、n都相等时单极性基带系统的抗噪声性能不如双极性基带系统在等概条件下单极性的最佳判决门限电平为A/2，当信道特性发生变化时，信号幅度A将随着变化，故判决门限电平也随之改变，不能保持最佳状态，导致误码率增大双极性的最佳判决门限电平为0，与信号幅度无关，不随信道特性变化而变

29、，能保持最佳状态基带系统多采用双极性信号进行传输,2023/1/22,75,6.8 眼图,眼图利用实验手段估计系统性能时在示波器上观察到的一种图形，当传输二进制信号波形时,示波器显示的图形很像人的眼睛，故名“眼图”眼图的意义在码间干扰和噪声同时存在时，利用眼图能近似估算出系统性能观察眼图的方法 用一个示波器接在接收滤波器的输出端 调整示波器水平扫描周期,使其与接收码元的周期同步 观察示波器显示的图形,估计系统性能的优劣程度,2023/1/22,76,6.8 眼图,无码间串扰的双极性基带波形用示波器观察它，并将示波器扫描周期调整到码元周期Ts，由于示波器的余辉作用，扫描所得的每一个码元波形将重叠

30、在一起，形成如图所示的迹线细而清晰的大“眼睛”,2023/1/22,77,6.8 眼图,有码间串扰的双极性基带波形由于存在码间串扰,此波形已经失真，示波器的扫描迹线就不完全重合,于是形成的眼图线迹杂乱,“眼睛”张开得较小，且眼图不端正,2023/1/22,78,6.8 眼图,眼图可以定性反映码间串扰的大小和噪声的大小。眼图可以用来指示接收滤波器的调整，以减小码间串扰，改善系统性能眼图模型“眼睛”张开最大时刻是最佳抽样时刻中间水平横线表示最佳判决门限电平阴影区的垂直高度表示接收信号振幅失真范围“眼睛”斜边的斜率表示抽样时刻对定时误差的灵敏度在无噪声情况下，“眼睛”张开的程度，即在抽样时刻的上下两

31、阴影区间的距离之半，为噪声容限；若在抽样时刻的噪声值超过这个容限，就可能发生错误判决,2023/1/22,79,6.9 时域均衡,在信道特性确知条件下，可以精心设计接收和发送滤波器以达到消除码间串扰和尽量减小噪声影响的目的实际实现时，由于存在滤波器的设计误差和信道特性的变化，无法实现理想的传输特性，会引起传输波形的失真产生码间干扰，影响系统性能均衡器 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，这种起补偿作用的滤波器称为均衡器,2023/1/22,80,6.9 时域均衡,频域均衡利用可调滤波器的频率特性去补偿基带系统的频率，使包括均衡器在内的基带系统总

32、特性满足无失真传输条件频域均衡在信道特性不变，且在传输低速数据时是适用的时域均衡利用波形补偿的方法将畸变的波形加以校正,使包括均衡器在内的整个系统冲激响应满足无码间串扰条件时域均衡可以根据信道特性的变化进行调整，能够有效地减小码间串扰，故在高速数据传输中得以广泛应用,2023/1/22,81,6.9 时域均衡,时域均衡器原理在接收滤波器和抽样判决器之间插入一个称之为横向滤波器的可调滤波器设均衡器的频率特性为:T()理论上均衡后:H()=H（）T（），且使其满足下式即可消除码间串扰,2023/1/22,82,6.9 时域均衡,横向滤波器实现时域均衡 只要用无限长的横向滤波器，在理论上能做到消除码间干扰的影响用有限长的横向滤波器可减小码间干扰,2023/1/22,83,6.9 时域均衡,均衡效果的衡量 采用峰值失真准则和均方失真准则作为衡量标准通常以最小峰值失真为准则，或以最小按均方失真为准则来确定或调整均衡器的抽头系数，均可获得最佳的均衡效果使失真最小在输入序列给定时，可以按2N+1线性方程组调整或设计各抽头系数Ci，迫使y0前后各有N个取样点上的零值。这种调整叫做“迫零”调整，所设计的均衡器称为“迫零”均衡器。，此时D取最小值，均衡效果达到最佳,