第八章数字基带传输系统.ppt
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1、1,第八章 数字基带传输系统,8.1 引言 8.2 数字基带信号8.3 数字基带信号的功率谱 8.4 无码间串扰传输系统及Nyquist准则 8.5 部分响应系统 8.6 基带系统的最佳化 8.7 基带系统的抗噪声性能 8.8 均衡器原理 8.9 眼图,2,8.1引言,数字基带传输系统:不使用载波调制解调装置而直 接传送基带信号的系统。,图8.1 数字基带传输系统模型,3,8.2 数字基带信号,8.2.1 数字基带信号的要求 8.2.2 数字基带信号的波形 8.2.3 常用的基带传输码型,4,8.2.1 数字基带信号的要求,1.数字基带信号应不含有直流分量,且低频及高频分量也应尽量的少。2.数
2、字基带信号中应含有足够大的定时信息分量。3.基带传输的信号码型应对任何信源具有透明性,即与信源的统计特性无关。,此外,选择的基带传输信号码型还应有利于提高系统的传输效率;具有较强的抗噪声和码间串扰的能力及自检能力。,5,8.2.2 数字基带信号的波形,1.单极性波形(NRZ)2.双极性波形3.单极性归零波形(RZ)4.双极性归零波形 5.差分波形(相对码波形)6.多电平脉冲波形(多进制波形),实际系统常用的数字波形是矩形脉冲,这是由于矩形脉冲易于产生和处理。下面以矩形脉冲为例,介绍常用的几种数字基带信号波形,这些波形如图所示。,6,几种常用的基带信号波形,8.2.2 数字基带信号的波形,7,这
3、种波形用正(或负)电平和零电平分别表示二进制码元的“1”码和“0”码,也就是用脉冲的有无来表示码元的“1”和“0”。,1.单极性波形(NRZ),波形特点:脉冲极性单一,有直流分量,脉冲之间无空隙,即 脉冲宽度等于码元宽度。故这种脉冲又称为不归零 码(NRZ-Non Return to Zero)。,NRZ波形一般用于近距离的电传机之间的信号传输。,8.2.2 数字基带信号的波形,8,2.双极性波形,正电平和负电平分别表示二进制码元的“1”码和“0”码。,8.2.2 数字基带信号的波形,脉冲之间无空隙,无直流分量(“1”码和“0”码出现的概率相等),具有较强的抗干扰能力。,波形特点:,双极性波形
4、在基带传输系统中应用广泛。,9,3.单极性归零波形(RZ),脉冲宽度小于码元宽度,每个脉冲在小于码元宽度的时间内回到零电平,故这种波形又称为归零波形(RZ-Return to Zero)。码元间隔明显,有利于定时信息的提取。有直流分量,且由于脉冲变窄,码元能量减小,因而在匹配接收时,输出信噪比较不归零波形的低。,8.2.2 数字基带信号的波形,波形特点:,10,4.双极性归零波形,正电平和负电平分别表示二进制码元的“1”码和“0”码。每个脉冲在小于码元宽度的时间内都要回到零电平。兼有双极性波形和归零波形的特点。,8.2.2 数字基带信号的波形,波形特点:,11,5.差分波形(相对码波形),绝对
5、码波形:信息码元与脉冲电平之间的对应关系固定不 变(绝对的)。此时,信息码也称为绝对码。差分波形:信息码元“1”和“0”反映在相邻信号码元的相对 电平变化上。,8.2.2 数字基带信号的波形,差分波形中,码元“1”和“0”分别用电平的跳变和不变来表示,即用相邻信号码元的相对电平来表示码元“1”和“0”,故差分波形也称为相对码波形。,12,差分波形也可以看成是差分码序列对应的绝对码波形。,差分码 bn与绝对码 an之间关系:,8.2.2 数字基带信号的波形,由上看出,当绝对码出现“1”码时,差分码电平变化一次;当出现“0”码时,差分码与前一码元相同。可见,前后码元取值的变化代表了原信码中的“1”
6、和“0”。,13,译码方程为,由上式看出,译码时只要检查前后码元电平是否有变化就可以判决发送的是“1”码还是“0”码。,8.2.2 数字基带信号的波形,14,图8.3 编译码电路和波形的变化关系,8.2.2 数字基带信号的波形,15,例代表四种状态的四电平脉冲波形,每种电平可用两位二进制码元来表示。,8.2.2 数字基带信号的波形,6.多电平脉冲波形(多进制波形):这种波形的取值不是 两值而是多值的。,这种波形一般在高速数据传输系统中用来压缩码元速率,提高系统的频带利用率。但在相同信号功率条件下,多进制传输系统的抗干扰性能不如二进制系统。,16,8.2.3 常用的基带传输码型,1.传号交替反转
7、码-AMI码2.HDB3码3.曼彻斯特Manchester码4.CMI码5.4 B/3T码,为满足基带传输系统的特性要求,必须选择合适的传输码型。,基带传输系统中常用的线路传输型码主要有:,17,AMI(Alternate Mark Inversion)码又称为平衡对称码。,1.传号交替反转码-AMI码,编码规则:,把码元序列中的“1”码变为极性交替变化的传输码+1、-1、+1、-1、,而码元序列中的“0”码保持不变。,例:码元序列:1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 AMI 码:+1 0 0-1+1 0-1 0+1-1+1-1 0 0,8.2.3 常用的基带传输码型,18
8、,(1)无直流分量、且其低频和高频分量也较少;信号能量 主要集中在fT/2处,其中fT为码元速率。(2)AMI码为伪三电平码,也称为1B/1T码型;AMI码编码 过程中,将一个二进制符号变成了一个三进制符号,即 这种码脉冲有三种电平。,(3)编译码电路简单、便于观察误码情况。,但是AMI码有一个重要缺陷,就是当码元序列中出现长连“0”时,会造成提取定时信号的困难,因而实际系统中常采用AMI码的改进型-HDB3码。,AMI码特点:,8.2.3 常用的基带传输码型,19,NRZ、AMI码及功率谱,8.2.3 常用的基带传输码型,20,(1)把码元序列进行AMI编码,再检查AMI码中连0的个数,如果
9、没有 四个以上(包括四个)连0串,则这时的AMI码就是HDB3 码。(2)当有四个以上连0串时,则将每4个连0小段的第4个0变成与其前 一个非0码(+1或-1)相同的码。这个码破坏了“极性交替反转”的 规则,称其为破坏码,用符号V表示(即+1记为+V,-1记为-V)。(3)为使附加V码后的序列中仍不含直流分量,必须保证相邻的 V码极 性交替。当相邻的V码之间有奇数个非0码时,这时能得到保证;但 当相邻的V码之间有偶数个非0码时,则得不到保证。这时再将该连 0小段中的第1个0变成+B或-B,B的极性与其前一个非0码相反,并 让后面的非零码从V码后开始再极性交替变化。,2.HDB3码:三阶高密度双
10、极性码,它是为了克服传输 波形中出现长连“0”码情况而设计的AMI码 的改进型。,HDB3码的编码规则:,8.2.3 常用的基带传输码型,21,上例中,第1个V码和第2个V码之间,有2个非0码(偶数),故将第2个4连0小段中的第1个0变成-B;第2个V码和第3个V码之间,有1个非0码(奇数),不需变化。最后可看出,码中,V码与其前一个非0码(+1或-1)极性相同,起破坏作用;相邻的V码极性交替;除V码外,包括B码在内的所有非0码极性交替。码的波形如图8.6所示。,例如:码元序列:1 0000 1 0 1 0 0 0 0 1 000 0 1 1 AMI 码:+1 0000-1 0+1 0 0 0
11、 0 1 000 0+11 HDB3 码:+1 000+V-1 0+1-B00-V+1 000+V-1+1,8.2.3 常用的基带传输码型,22,虽然码的编码规则比较复杂,但译码却比较简单。从编码过程中可以看出,每一个V码总是与其前一个非0码(包括B码在内)同极性,因此从收到的码序列中可以很容易地找到破坏点V码,于是可断定V码及其前3个码都为0码,再将所有的-1变为+1后,便可恢复原始信息代码。,8.2.3 常用的基带传输码型,23,HDB3码的特点:,(1)它既保留AMI码无直流分量,便于直接传输的优点,又克服了长连0串(连0的个数最多3个)的出现。(2)它仍属于1B/1T码型。其功率谱如图
12、示。由图可见,HDB3码的频谱中既消除了直流和甚低频分量,又消除了方波中的高频分量,非常适合基带传输系统的特性要求。HDB3码是目前实际系统中应用最广泛的码型。,8.2.3 常用的基带传输码型,24,NRZ、AMI码及功率谱,8.2.3 常用的基带传输码型,25,曼彻斯特码又称数字双相码或分相码,如图所示。编码规则:用一个周期的方波来代表码元“1”,而用它的反相波形来代表码元“0”。特点:每个码元的中心部位都发生电平跳变,因此有利于定时同步信号的提取,而且定时分量的大小不受信源统计特性的影响。,曼彻斯特码和CMI码波形,3.曼彻斯特Manchester码,8.2.3 常用的基带传输码型,26,
13、4.CMI码,CMI码称为传号反转码。编码规则:“1”码(传号)交替地用正、负电平脉冲来表 示,而“0”码则用固定相位的一个周期方波表 示,如图所示。,8.2.3 常用的基带传输码型,特点:CMI码和曼彻斯特码相似,不含有直流分量,且易于 提取同步信号。CMI码的另一个特点是具有一定的误 码检测能力。,27,5.4 B/3T码,4B/3T码是1B/1T码的改进型,它把4个二进制码元变换为3个三进制码元。显然,在相同信息速率的条件下,4B/3T码的码元传输速率要比1B/1T码的低,因而提高了系统的传输效率。4B/3T码的变换过程中需要同步信号,变换电路比较复杂,故一般较少采用。,8.2.3 常用
14、的基带传输码型,28,分析数字基带脉冲序列功率谱的目的:,8.3 数字基带信号的功率谱,(1)了解数字基带脉冲序列频谱特征,(2)明确数字基带脉冲序列频谱中定时脉冲分量的大小,29,二进制数字基带脉冲序列波形如图所示,该随机序列可用下式表示,(8.3),二进制数字基带脉冲序列波形,8.3 数字基带信号的功率谱,30,先截取序列的有限项,然后用求极限的方法得到序列的功率谱密度函数。即有,随机序列 s(t)由两部分组成,一部分为序列的统计平均分量(稳态分量)m(t),另一部分为交变分量(变动部分)v(t)。,8.3 数字基带信号的功率谱,31,统计平均分量为,上式中,第n个码元为,交变分量为,第n
15、个码元为,8.3 数字基带信号的功率谱,32,以概率P出现,以概率1-P出现,上式可写为,故:,8.3 数字基带信号的功率谱,以概率P出现,以概率1-P出现,式中,33,稳态分量功率谱为,对交变分量,先考虑其有限项,对上式求傅里叶变换得,由上式得:,8.3 数字基带信号的功率谱,34,由于,由式(8.6),可得到交变分量的功率谱为,8.3 数字基带信号的功率谱,35,单边功率谱密度函数,8.3 数字基带信号的功率谱,连续谱,离散谱可直接提取作为时钟定时信号用;连续谱总是存在的。在有些情况下离散谱可能不存在。例当 g1(t)和 g2(t)等概率出现,且采用双极性脉冲时。,上式可写为,36,8.4
16、 无码间串扰传输系统,8.4.1 基带系统传输特性及码间串扰 8.4.2 无码间串扰系统特性 8.4.3 奈奎斯特第一准则 8.4.4 无码间串扰的滚降系统特性,37,数字基带传输系统模型,8.4.1基带系统传输特性及码间串扰,38,8.4.1基带系统传输特性及码间串扰,基带传输系统中,由于系统特性不理想,并受信道加性噪声的影响,会造成收端判决时发生误码。所以必须合理地设计基带传输系统。,相应地,基带传输系统冲激响应为,序列对应的输入信号波形表示为,基带传输系统总传输特性可写为,39,基带传输系统的输出(接收滤波器的输出)信号为,考虑信道加性噪声的影响后,系统总的输出波形为,送入取样判决电路后
17、得,8.4.1基带系统传输特性及码间串扰,式中,akh(0)为第k个码元在接收判决时刻的取值,是判决取值的依据。,码间串扰,40,8.4.1基带系统传输特性及码间串扰,ISI是接收信号中除第k个码元以外的其它码元产生的波形在t=tk 时刻上的总和,它对的正确判决产生干扰。ISI的大小取决于系统的传输特性。,nR(kT)是随机噪声在时刻上对第k个码元的干扰,它取决于信道加性噪声及接收滤波器的特性。,码间串扰(ISI-Intersymbol Interference),41,分析:1.由于码间串扰及随机噪声的存在,使得判决电路在对码元取值的判决时,有可能判错。2.为了获得足够小误码率,必须最大限度
18、地减小码间串扰及随机噪声的影响,这需要合理地设计基带信号和基带传输系统。3.理论上说,只要合理地设计系统的传输特性,码间串扰是可以消除的;但对随机噪声来说,只能尽量减小其影响,不能完全消除。,8.4.1基带系统传输特性及码间串扰,42,数字基带传输系统模型,8.4.2无码间串扰系统特性,码间串扰ISI-Intersymbol Interference,43,8.4.2无码间串扰系统特性,(8.31),(8.32),由上式可看出,系统无码间串扰的条件应为,即系统的冲激响应应满足,1,0,44,(8.33),(8.34),(8.35),由于,故有,将上式用分段积分来表示,对上式作变量代换,令,则上
19、式变为,8.4.2无码间串扰系统特性,45,将式(8.32)代入上式,得无码间串扰时基带传输系统特性为,(8.37),8.4.2无码间串扰系统特性,46,(8.38),(8.39),或,令等效低通传输特性 为,0,上式表明:若H(w)频移相加后,能在区间-p/T,p/T 内得到某一常数,则这样的基带传输系统可以完全消除码间串扰(码元速率为1/T)。以上给出了一种检验H(w)是否会产生码间串扰的方法,但并没有给出构造H(w)的手段。,8.4.2无码间串扰系统特性,47,8.4.3 奈奎斯特第一准则,(8.40),理想低通传输系统,由式(8.39)看出,满足无码间串扰的基带传输系统的传输特性并不是
20、唯一的。容易想到的一种,就是 H(w)为理想低通传输系统,即,48,T,8.4.3 奈奎斯特第一准则,t,49,h(t)在t=0 的抽样值最大,而在kT时刻抽样值为零,这时输入数据如果最大以 1/T 波特速率传送时,则在抽样时刻上的码间串扰是不存在的。,最高频带利用率 2 波特/赫兹(二进制系统,2比特/秒/赫兹),8.4.3 奈奎斯特第一准则,由图看出,系统带宽为:,(赫兹),最大无ISI传输速率 R=1/T=2B 波特,50,理想低通传输系统的带宽称为奈奎斯特带宽;系统最大无码间串扰的传输速率称为奈奎斯特速率;h(t)称为奈奎斯特脉冲。,理想低通系统中,无码间串扰的最高码元传输速率是系统带
21、宽的2倍。该系统最大无码间串扰的传输速率为R=1/T=2B 波特,此时,系统最高频带利用率为 2 波特/赫兹,为极限频带利用率。,8.4.3 奈奎斯特第一准则,奈奎斯特第一准则,51,8.4.4 无码间串扰的滚降系统特性,达到了系统有效性能极限传输函数具有无限陡峭过渡带h(t)“尾巴”拖得很长,且衰减振荡幅度较大判决时对抽样定时要求严格,实际中采用的是具有滚降特性的无码间串扰系统,这种系统克服了理想低通传输特性的缺陷。,理想低通系统特点:,52,8.4.4 无码间串扰的滚降系统特性,(8.41),在-p/T,p/T 内把 H(w)分为三段,频移后在区间-p/T,p/T 内叠加,这时,令上式满足
22、以下条件,T,0,(8.42),滚降特性构成:,53,升余弦滚降特性及其冲激响应波形,54,(8.43),滚降系数:描述H(w)滚降程度的系数。,8.4.4 无码间串扰的滚降系统特性,其中,W 1为超出 p/T 的带宽部分。且。,55,8.4.4 无码间串扰的滚降系统特性,图8.11 升余弦滚降特性及对应冲激响应,56,图8.11为 时无码间串扰的升余弦滚降特性及对应的冲激响应。升余弦特性及冲激响应可表示为,(8.44),(8.45),8.4.4 无码间串扰的滚降系统特性,57,8.4.4 无码间串扰的滚降系统特性,滚降系数 时,58,8.4.4 无码间串扰的滚降系统特性,除在t=0时不为零外
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