06数字基带传输系统.ppt

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1、通 信 原 理,桂林工学院通信教研室,基带传输的常用码型,1,数字基带信号的功率谱密度,2,数字基带信号的传输与码间串扰,3,部分响应系统,4,5,眼图,第6章 数字基带传输系统,频带传输：为了适应信道传输而将基带信号进行调制，即将基带信号的频谱搬移到某一高频处，变为频带信号进行传输，这种传输频带信号的方式称为频带传输方式。,基带传输：将数字基带信号直接送入信道传输，就称之为基带传输。,6.1 基带传输的常用码型,数字基带信号都是用携带信息的电脉冲来表示的。表示单个数字信息或码元的电脉冲形状称为波形，如矩形波、三角波、升余弦波等。表示数字信息序列或码元序列的电脉冲格式称为码型,如单极性归零码、

2、双极性非归零码等。在有线信道中传输的基带信号又称为线路传输码型，即传输码。一、线路码及码型设计的原则：（1）能从其相应的基带信号中获取定时信息。（2）相应的基带信号无直流成分，并只有很小的低频成分。,6.1 基带传输的常用码型,（3）不受信息源统计特性的影响，即能够适应信息源的变化。（4）尽可能地提高传输码型的传输效率。（5）具有内在的检错能力，等等。,6.1 基带传输的常用码型,二、数字基带信号的常见码型：1单极性非归零（NRZ）码缺点：有丰富的低频乃至直流分量;在信号随信道特性变化时，难以保持最佳门限；在输入为连“1”或连“0”码时，难以提取位同步信息；单极性码传输时需要信道一端接地，不能

3、用两根芯线均不接地的电缆传输。,6.1 基带传输的常用码型,2双极性非归零（NRZ）码,6.1 基带传输的常用码型,特点:双极性NRZ码可以在无接地的在传输线路上传输；而且当“1”和“0”等概率出现时，码流中无直流分量。但当“1”和“0”出现概率不等时，仍含有直流分量；双极性NRZ码中仍不能直接提取同步信息。,3单极性归零（RZ）码,6.1 基带传输的常用码型,特点：存在判决门限不易保持最佳，以及在输入连“1”或连“0”时，难以提取位同步信息的缺点，而且它所占用的信道带宽比单极性非归零码要宽。占空比：是脉冲宽度与码元宽度Tb之比/Tb。单极性RZ码的占空比为50。,双极性RZ码的优点：发送端不

4、必按固定频率发送信号，而接收端也不必提取同步信息。因为双极性RZ码在传输线上分别用正脉冲和负脉冲表示，且相邻脉冲间必有零电平区域存在，因此，在接收端,6.1 基带传输的常用码型,4双极性归零（RZ）码,根据接收波形归于零电平便可知道1比特信息已接收完毕，从而为下一比特信息的接收做了准备，所以在发送端不必按固定频率发送信号,相当于正负脉冲前沿起启动信号的作用，后沿起终止信号的作用，故能够经常保持正确的比特同步，即接收端不必提取同步信息。这种收发之间无需特别定时，且各符号独立构成起止方式的同步方式称为自同步方式。双极性RZ码中，当“1”和“0”不是等概率出现时，码流中仍有直流分量。,6.1 基带传

5、输的常用码型,5差分码 差分码利用前后码元电平的相对极性来传送信息，是一种相对码。差分码分为“0”差分码和“1”差分码两种码型。“0”差分码是利用相邻前后码元电平极性改变来表示“0”，不变表示“1”。“1”差分码则与“0”差分码的规定相反。（要有参考电平）对于差分码，即使接收端收到的码元极性与发送端完全相反，也能正确地进行判决。,6.1 基带传输的常用码型,差分码,NRZ(M)：传号差分，1相邻码元电平极性改变；0相邻码元电平极性不改变（以0为参考电平）,NRZ(S)：空号差分，1相邻码元电平极性不改变；0相邻码元电平极性改变（以1为参考电平）,交替极性码又称为双极方式码、平衡对称码、信号交替

6、反转码等。AMI码是单极性方式的变形，即将单极性方式中的“0”码仍与零电平对应，而“1”码交替地变换为传输码的1、1、1、1、.。,6.1 基带传输的常用码型,6交替极性（AMI）码,AMI码实际上是用三种电平来表示二进制信号的，故又称为伪三元码。AMI码经过全波整流变为单极性RZ码后即可提取同步信息。并具有一定的检错能力，如果接收端收到的码元极性与发送端完全相反，仍能够正确判决。码流中无直流成分，且只有很小的低频成分，所以AMI码特别适合在有交流耦合的信道中传输。但当码流中出现长连“0”时，难以提取同步信息。,6.1 基带传输的常用码型,HDB3码的全称为三阶高密度双极性码。编码原理是：（1

7、）先把消息代码变换成AMI码；（2）然后去检查AMI码的连“0”串情况，当没有4个以上连“0”串时，这时的AMI码就是HDB3码；当出现4个以上连“0”串时，则将每4个连“0”小段的第4个“0”变换成V，V的极性与其V前一非“0”符号（1或1）极性相同。（V为破坏符号）,6.1 基带传输的常用码型,7三阶高密度双极性（HDB3）码,（3）检查相邻V符号之间非0符号的个数，当有奇数个非“0”符号时，不变，而当有偶数个非“0”符号时，将该小段的第一个“0”变换成B，B符号的极性与前一非“0”符号的极性相反，并让后面的非“0”符号按照B前一个V符号的极性开始极性交替变换。特点：HDB3码除保持了AM

8、I码的优点外，还增加了使连“0”串减少到至多3个的优点，而不管信息源的统计特性如何。这对于同步信息的恢复十分有利。,6.1 基带传输的常用码型,6.1 基带传输的常用码型,8曼彻斯特（Manchester）码曼彻斯特码又称为分相码或双相码。是对每个二进制代码分别利用两个具有2个不同相位的二进制新码去取代的码型。如“1”码用正、负脉冲表示，“0”码用负、正脉冲表示。优点：无直流分量，最长连“0”、连“1”数为2，定时信息丰富，编译码电路简单。但其码元速率比输入的信码速率要高一倍。,6.1 基带传输的常用码型,双相码（曼彻斯特码）,1正负脉冲表示（10）0负正脉冲表示（01）,9传号反转（CMI）

9、码传号反转码的编码规则：“1”码交替用“11”和“00”表示；“0”码用“01”表示。优点：无直流分量，且有频繁出现的波形跳变，便于提取同步信息，具有误码监测能力。但CMI码存在因极性反转而引起的译码错误问题。,6.1 基带传输的常用码型,6.1 基带传输的常用码型,10密勒（Miller）码,1码元周期中点出现电平跳变表示0单个0：在码元周期中点不出现跳变且与相邻码元边界 处也不出现跃变 连0：在前一个0结束时刻出现跳变,6.1B 基带信号的频谱特性,随机脉冲序列表征,6.2 数字基带信号的频谱特性,代表数字信息的数字基带信号应是一个随机信号，通常用功率谱密度来描述随机信号的统计特性。因为功

10、率谱密度与基带传输系统的带宽选择和位同步信号提取密切相关。功率信号功率谱密度设T=(2N+1)Ts，有,6.2 数字基带信号的频谱特性,稳态波和交变波,6.2 数字基带信号的频谱特性,6.2 数字基带信号的频谱特性,6.2 数字基带信号的频谱特性,总结：（1）随机脉冲序列功率谱包括连续谱和离散谱；（2）单极性信号中有无离散谱取决于矩形脉冲的占 空比，归零信号中有定时分量。不归零信号中无定时分量。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。（3）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)，通常以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。,

11、6.2 数字基带信号的频谱特性,一、数字基带信号传输系统模型：,图 数字基带传输系统方框图,6.3 数字基带信号的传输与码间串扰,发送滤波器又叫信道信号形成网络，它限制发送信号频带，同时将其转换为适合信道传输的基带波形；接收滤波器的作用是滤除混在接收信号中的带外噪声和由信道引入的噪声，对失真波形进行尽可能的补偿（均衡）；抽样判决器是一个识别电路，它把接收滤波器输出的信号波形放大、限幅、整形后再加以识别，进一步提高信噪比；同步提取电路：从接收信号中提取用来抽样的位定时脉冲。,6.3 数字基带信号的传输与码间串扰,二、基带传输中的码间串扰：,1.定义：由于系统传输总特性不理想,导致前后码元的波形畸

12、变、展宽，并使前面波形出现很长的拖尾，蔓延到当前的码元的抽样时刻上，从而对当前码元的判决造成干扰，这种现象称为码间串扰。码间串扰的程度与抽样时刻、码元速率、基带码型和传输系统的频率特性等因素有关，码间串扰严重时将引起误码。,6.3 数字基带信号的传输与码间串扰,2现象：脉冲会被展宽，甚至重迭（串扰）到邻近时隙中去成为干扰。一般情况下，原始数字基带信号都是矩形脉冲，它们在频域内是无限延伸的。若直接将矩形脉冲的基带信号送入信道传输，由于实际信道的频带有限，并产生衰耗和相移，传输系统接收端所得到的信号必定与发送端不同，波形产生失真。下图（a)是一个表示“1”码的半占空比脉冲（虚线所示脉冲为下一码元应

13、出现的位置）；(图b）为“1”码脉冲经信道传输后出现在接收端的波形。,6.3 数字基带信号的传输与码间串扰,6.3 数字基带信号的传输与码间串扰,传输信道的衰耗使接收端脉冲幅度变小。传输信道的延迟特性（相移）使接收端脉冲波峰延后。传输线路的带宽有限使脉冲波形宽度加大，形成波形拖尾。其中尤以信道频带有限而产生的基带信号的频率失真是导致基带传输系统产生码间串扰的主要原因。,在不考虑噪声影响时，码间串扰与误码的关系如下图。图中a1、a2和a3分别为前三个“1”码在t=3Tb+t0时刻（t为接收端对第四个码元的抽样判决时刻，t0是第一码元的抽样判决时刻）产生的码间串扰值；a4为第四个码（“0”码）在t

14、=3Tbt0时刻的值。若这组码元采用双极性码（正电平表示“1”、负电平表示“0”），且判决门限为零电平，则当a1+a2a3+a40时，判决为“1”。因此，当a1+a2a3+a40时将引起错判而产生误码。,6.3 数字基带信号的传输与码间串扰,图 码间串扰对误码的影响,6.3 数字基带信号的传输与码间串扰,三、无码间串扰的基带传输特性 发送滤波器、信道以及接收滤波器看成一个总的传输网络。1.理想基带传输系统 理想基带传输系统是典型基带传输系统的数学分析模型，它具有理想的低通滤波特性（即传输特性）如果认为理想低通网络是线性时不变系统，且不考虑信号间的相对时延关系，单位冲激脉冲(t)通过此理想低通滤

15、波后的输出响应波形为h(t)。,6.3 数字基带信号的传输与码间串扰,6.3 数字基带信号的传输与码间串扰,由图可见，在t=0时，响应函数h(t)有最大输出值；随着时间的推移，输出响应的幅度逐渐衰减，波形形成很长的拖尾。输出响应在时间轴上具有很多零点，每个零点间隔都是Ts。输入数据若以RB=1/Ts波特速率传输，在抽样时刻上不存在码间串扰；若系统用高于1/Ts波特速率传输时，将存在码间串扰。因此，如果信号经传输后整个波形发生了变化，但只要其特定的样值波形保持不变，那么用再次抽样（即再生判决）的方法，仍然可以准确无误地恢复原始信码，这就是奈奎斯特第一准则（又称为第一无失真条件）。,6.3 数字基

16、带信号的传输与码间串扰,各码元的间隔TS称为奈奎斯特间隔，B=fc=称为奈奎斯特带宽（也是系统频率），波形称为奈奎斯特脉冲，码元传输速率 RB=1/Ts称为奈奎斯特速率，奈奎斯特速率也是系统无码间串扰时的系统最高传输速率。频带利用率：这是在无码间串扰条件下，基带系统所能达到的极限情况。即最大的频带利用率。,6.3 数字基带信号的传输与码间串扰,用公式表示：当基带传输特性满足下式时没有码间干扰。,该条件称为奈奎斯特第一准则。,6.3 数字基带信号的传输与码间串扰,第一准则的物理解释,是H()移位2i/Ts再相加而成的，只要检查在区间（-/Ts，/Ts）上能否叠加出一根水平直线即可判断有无码间干扰

17、。,6.3 数字基带信号的传输与码间串扰,2理想低通滤波器的缺点：工程不易实现，滤波器截止特性不会做得很陡。接收时对判断要求很严。冲激响应衰减慢，拖尾长。,6.3 数字基带信号的传输与码间串扰,四、升余弦滚降传输特性对应的传输函数及冲激响应表达式为：,6.3 数字基带信号的传输与码间串扰,a)传输特性,b)冲激响应,传输带宽：,滚降系数描述滚降程度：,频带利用率：,6.3 数字基带信号的传输与码间串扰,（1）当滚降系数0时，系统为理想低通特性，1时为升余弦滚降特性。（2）对于0的升余弦特性，其冲激响应h(t)的值，除在抽样点t=0时不为零外，其余各抽样点上的值均为零，且在tTb后，各样值点之间

18、又增加了一个零，使“尾巴”随时间的延长而衰减加快。这对于减弱定时抖动和消除码间串扰显然十分有利。（3）升余弦滚降信号在前后抽样点处的码间串扰始终为零，因此它满足抽样值无失真传输条件。越小，波形拖尾的振荡起伏越大，但传输频带减小；,6.3 数字基带信号的传输与码间串扰,反之，越大，拖尾振荡起伏越小，频带增加。极限情况下，1时的滚降特性所占带宽比0时的带宽增加一倍，但频带利用率只有极限利用率的一半。（4）考虑到接收波形在再生判决中还要再进行抽样才能实现无失真传输，而实际抽样时刻不可能完全没有误差，抽样脉冲宽度不可能等于零，理想的瞬时抽样是不可能实现的，因此为了减小抽样定时脉冲误差带来的影响，值不能

19、取得太大，通常选择0.2。,6.3 数字基带信号的传输与码间串扰,判断下列系统是否有码间干扰?,0,P(),0,P(),RB=1/Ts?,RB=2/Ts?,RB=1/Ts?,0,P(),RB=1/Ts?,RB=1/(2Ts)?,RB=1/Ts?,6.4 部分响应系统和时域均衡,1、问题的提出：如何做到高的频谱利用率（2Baud/Hz)滚降特性波形拖尾衰减快，对定时精度要求低2、奈奎斯特第二准则部分响应波形 有控制地在某些码元的抽样时刻引入码间干扰，而在其它码元的抽样时刻无码间干扰，能够使频带利用率达到理论最大值，同时降低对定时精度要求。,一、部分响应系统,第一类部分响应波形与频谱,3、波形及表

20、达式,第一类部分响应波形与频谱,第一，g(t)的尾巴幅度随t按1/t2变化，即g(t)的尾巴幅度与t2成反比。第二，若用g(t)作为传送波形，且传送码元间隔为Ts，则在抽样时刻上仅发生发送码元与其前后码元相互干扰，而与其他码元不发生干扰。由于这时的干扰是确定的，故仍可按1/Ts传输速率传送码元。,部分响应波形,图 码间发生干扰示意图,6.4.1 部分响应系统,设输入二进制码元序列ak，并设ak在抽样点上取值为+1和-1。当发送ak时，接收波形g(t)在抽样时刻取值为ck，则,因此，ck将可能有-2,0及+2三种取值，如表6-1所列，因而成为一种伪三元序列。如果ak-1已经判定，则可从下式确定发

21、送码元。,4.差错传播,6.4.1 部分响应系统,表 6-1 ck的取值,上述判决方法虽然在原理上是可行的，但若有一个码元发生错误，则以后的码元都会发生错误检测，一直到再次出现传输错误时才能纠正过来，这种现象叫做差错传播。,4.差错传播,6.4.1 部分响应系统,4.差错传播 设输入二进制码元序列ak，并设ak在抽样点上取值为+1和-1。当发送ak时，接收波形g(t)在抽样时刻取值为ck，则,表 ck的取值,6.4.1部分响应系统,5.部分响应基带传输系统的相关编码和预编码 为了消除差错传播现象，通常将绝对码变换为相对码，而后再进行部分响应编码。也就是说，将ak先变为bk，其规则为,把bk送给

22、发送滤波器形成前述的部分响应波形g(t)。,6.4.1 部分响应系统,然后对ck进行模2处理，便可直接得到ak，即,上述整个过程不需要预先知道ak-1，故不存在错误传播现象。通常，把ak变成bk的过程叫做“预编码”，而把ck=bk+bk-1(或ck=a k+ak-1)关系称为相关编码。,6.4.1 部分响应系统,6.4.1 部分响应系统,一、均衡的一般概念,1.均衡概念：在接收端，对系统中的线性失真进行校正/补尝的过程称为均衡。2.线性失真包括以下两个方面：（1）振幅频率失真(衰减失真)（2）相位失真(群迟延失真),6.4.2 时域均衡原理,3.线性失真的影响对传输数字信号来说，这些失真的主要

23、危害是引起波形的畸变从而产生码间干扰。均衡方法：时域和频域1)频域均衡目的：实现无失真传输。内容：包括幅度均衡和相位均衡。特点：简单、实用。便于硬件电路实现应用：语音通信系统中的幅度均衡方法常用的有:有理函数均衡和升余弦波均衡。,6.4.2 时域均衡原理,4.均衡方法,2)时域均衡 目的：不是为了获得平坦的幅频特性和群迟延特 性，主要目的是消除/减小判决时刻的码间干扰。方法：时域均衡通常是利用具有可变增益的多抽头 横向滤波器来实现。特点：计算较复杂。应用：信息处理系统，一般需要DSP处理。,6.4.2 时域均衡原理,图 时域均衡基本波形,6.4.2 时域均衡原理,二、横向滤波器基本结构和减小码

24、间干扰原理,1.基本结构,横向滤波器的基本结构图,6.4.2 时域均衡原理,(1)Ts 表示一个满足无畸变条件的迟延线，且等于码元间隔,即在整个频率轴上的传递函数为一常数。(2)表示一个增益或衰减元件，从C-N 到CN 有(2N+1)个，每个这样的元件就叫做一个抽头，每个抽头的增益或衰减可以根据需要进行调节。(3)来自2N+1个抽头的信号相加之后输出为y(t)。(4)均衡器的输出在抽样时刻t=kTS上有,6.4.2 时域均衡原理,例题:设滤波器的一个输入码元x(t)的样值,x-1=1/4，x0=1,x1=1/2 其余为0,假设选择三个抽头的横向滤波器,其C-1=1/4，C0=1,C1=1/2,

25、这时可以计算样值经滤波器后的值:,6.4.2 时域均衡原理,6.4.2 时域均衡原理,三、均衡效果的评价,以上分析表明，可以利用横向滤波器实现时域均衡，而且从理论上讲，只要用无限长的横向滤波器就可以消除码间干扰，实际上使横向滤波器的抽头无限多是不现实的。因此，实际中我们采用有限个抽头的横向滤波器。这样码间干扰依然存在，这就产生一个问题，怎样衡量其效果？,最小峰值畸变D的定义：若输入入单脉冲，输出为yk，则,衡量标准,6.4.2 时域均衡原理,显然，若不存在码间干扰，则D=0。实际上，就是用D值的大小来衡量均衡效果的优劣。D值越小越好,6.4.2 时域均衡原理,均方畸变2的定义:物理意义:与峰值

26、畸变类似。2的数值越小，均衡的效果越好四、时域均衡器用途时域均衡的用途：（1）消除码间干扰；（2）消除回波干扰；（3）在电视中用来消除重影,2.最小均方畸变准则,6.4.2 时域均衡原理,例题：设有一个三抽头时域均衡器，如图所示，X(t)在各抽样点的值依次为X-2=1/8,X-1=1/3,X0=1,X+1=1/4,X+2=1/16，其它抽样点均为零，试求输入波形x(t)峰值的畸变值及时域均衡器输出波形y(t)的畸变值。,6.4.2 时域均衡原理,一、眼图分析法定义：用示波器观察二进制脉冲时，在示波器上可观察到的波形类似于人的眼睛，故称为眼图。,二、观察方法 将示波器的水平扫描周期调整为所接收脉

27、冲序列码元间隔TS的整数倍，从示波器的Y轴输入接收码元序列，在荧光屏上就可以看到由码元重叠而产生的类似人眼的图形。由于荧光屏的余辉作用，呈现的图形是若干个码元重叠后的图案。只要示波器扫描频率和信号同步，不存在码间干扰和噪声时，每次重叠上去的迹线都会和原来的重合，这时的迹线既细又清晰.,6.5 眼 图,如图c所示；若存在码间干扰，序列波形变坏，就会造成眼图迹线杂乱，眼皮厚重，甚至部分闭合,如图d所示。,6.5 眼 图,三、眼图的功能1能够观察码间串扰和噪声对系统的影响；2估价一个基带传输系统的优劣；3用眼图调整时域均衡器的特性。四、眼图中反映系统的各项指标 为了进一步说明眼图和系统性能之间的关系

28、，我们把眼图简化成一个模型，示于图中，（1）最佳抽样判决时刻对应于眼睛张开最大的时刻；（2）判决门限电平对应于眼图的横轴；,6.5 眼 图,（3）最大信号失真量即信号畸变范围用眼皮厚度（图中上下阴影的垂直厚度）表示；（4）噪声容限是用信号电平减去眼皮厚度，它体 现了系统的抗噪声能力，；（5）过零点畸变为压在横轴上的阴影长度，它会 影响系统的定时标准（有些接收机的定时标准 是由经过判决门限点的平均位置决定的）；（6）对定时误差的灵敏度由斜边的斜率反映，越大,灵敏度越高，对系统的影响越大。总之，掌握了眼图的各个指标后，在利用均衡器 对接收信号波形进行均衡处理时，只需观察眼图就可以判断均衡效果，确定信号传输的基本质量。,6.7 眼 图,Thank You!,桂林工学院通信教研室,