[工学]第六章 数字基带传输系统.ppt

通信原理 第6章 数字基带传输 1 n 如何实现数字传输？ 数字基带传输：数字基带信号不经载波调制而直接在信道上 传输； 数字频带传输：数字基带信号经过载波调制后在信道中传输 n 什么是数字基带信号？ 未经调制、频谱包含丰富的低频分量，甚至直流分量， 来自数据终端的原始数据信号（计算机输出的二进制序列， 电传机输出，PCM，M序列等数字信号） 基本概念 n 什么是数字信号？ 2 研究意义 n 为什么要研究数字基带传输？ n利用对称电缆构成的近程数据通信广泛采用了这种传输方式 n近程数据通信系统中广泛采用，并有迅速发展的趋势； n基带传输中包含了频带传输的许多基本问题，如码间串扰； n任何一个线性调制的频带传输系统可等效为基带传输系统来 研究。 3 基带系统的任务：将原始基带信号变换成有效的信道 基带信号，完成无失真传输。 基带信号传输：波形传输 基带传输系统框图 再生基带信号 基带传输系统框图 通过码型变换和波形变换将原始 基带信号变换成适合于信道传输 的基带信号，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。 主要作用是滤除带外噪声 ，对信道特性均衡，使输 出的基带波形有利于抽样 判决。 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。 从接收信号中提取抽样 的位定时脉冲，位定时 的准确与否将直接影响 判决效果 4 再生信号波形 判 决 t 再 生 t 接收基带 t 判决门限 抗干扰性好 0 1 0 1 0 1 0 1 5 要解决的主要问题 n如何设计总传输特性H (f )，使得接收端 恢复出的序列an与发送端序列an之间 的差错尽可能少？ n如何设计总传输特性H (f )，使得在物理 上可实现时，频带利用率尽可能高？ n当总传输特性H (f )达不到设计要求时， 可以采取什么办法进行补偿？ 6 学习目的和要求 n目的：通过剖析数字基带传输系统，掌握数字 通信系统分析和设计的基本方法和思路。 n要求： 掌握数字基带传输的基本理论，包括数字基 带信号的波形、频谱和码型； 掌握数字基带信号无失真传输的基本准则； 掌握基带传输误码性能分析方法； 熟悉部分响应和时域均衡的基本原理; 了解眼图的概念。 n研究方法：理论分析和实际应用相结合。 7 第6章 数字基带传输 n6.1 数字基带信号及其频谱特性 n6.2 数字基带传输常用的码型 n6.3 数字基带信号传输与码间串扰 n6.4 无码间串扰的基带传输特性 n6.5 基带传输系统的抗噪声性能 n6.6 眼图 n6.7 部分响应 n6.8 时域均衡 主要内容 8 6.1 数字基带信号及其频谱特性 6.1.1 基带信号波形 6.1.2 基带信号表达式 6.1.3 基带信号频谱 9 6.1.1 数字基带信号 10 （1）单极性波形（NRZ） 编码规则： 1：高电平表示，整个码元期间电平保持不变。 0：低电平表示，整个码元期间电平保持不变。 6.1.1 数字基带信号 t 1 1 0 1 0 1 11 特点： p 有直流分量和丰富的低频分量， p 出现长“0“或长”1“时，电平固定不变，不能提取位定时 信息； p 每个“1“和”0“相互独立，无错误检测能力 p 单极性码传输时需要信道一端接地，不能用两根芯线均不接 地的电缆传输； p 接收单极性码，判别电平为E/2，由于信道衰减，不存在最 佳判决电平。 6.1.1 数字基带信号 f P(f ) 单极性非归零码 12 （2）双极性波形： 编码规则： 1：正电平表示，整个码元期间电平保持不变。 0：负电平表示，整个码元期间电平保持不变。 6.1.1 数字基带信号 1 1 0 1 0 1 t 13 特点： p当“1”和“0”等概率出现时无直流分量， 1、0符号 不等概出现时，仍有直流成份。 p可在不需要接地的电缆中传输 p判决电平为0，最佳判决门限 p出现长“0”或长“1”时，不能提取定时信息 6.1.1 数字基带信号 f P(f ) 0 14 (3)单极性归零(RZ)波形： 编码规则：1：正电平表示，电平持续时间0)为零，因而无定时分量 6.1.3 基带信号的频谱特性 34 n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 当 f = mfs 时：若m = 0，G(0) = Ts Sa(0)/2 0，故功率谱Ps(f)中有直流分 量。 若m为奇数， 此时有离散谱，因而有定时分量（m=1时） 若m为偶数， 此时无离散谱，功率谱Ps(f)变成 6.1.3 基带信号的频谱特性 = Ts/2 35 NRZ： = Ts/2 RZ： 6.1.3 基带信号的频谱特性 36 n【例6-2】 求双极性NRZ和RZ矩形脉冲序列的功率谱。 【解】对于双极性波形：若设g1(t) = - g2(t) = g(t) ，则由 式 可得 当P = 1/2时，上式变为 6.1.3 基带信号的频谱特性 37 n讨论： n若g(t)是高度为1的NRZ矩形脉冲，那么上式可写成 n若g(t)是高度为1的半占空RZ矩形脉冲，则有 6.1.3 基带信号的频谱特性 38 双极性非归零 = Ts/2 双极性归零 6.1.3 基带信号的频谱特性 39 n从以上两例可以看出： n二进制基带信号的带宽主要依赖单个码元波形的频谱函数G1(f)和G2(f) 。 时间波形的占空比越小，占用频带越宽。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。 n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NRZ 信号中无定时分量，若想获取定时分量，要进行波形变换；单极性RZ信号 中含有定时分量，可直接提取它。“0”、“1”等概的双极性信号无离散谱， 即有直流分量和定时分量。 n通常,根据连续谱可确定信号的带宽，据离散谱可确定随机序列是否有直 流分量和定位分量。这也是我们分析频谱的目的. 6.1.3 基带信号的频谱特性 40 数字基带信号频谱分析的意义 n随机脉冲序列频谱的特点 n随机脉冲序列的功率谱密度可能包括两部分：连续谱Pu (f)和 离散谱Pv (f) n功率谱形状取决于单个脉冲的频谱函数 n时域波形的占空比愈小，频带愈宽。通常用谱零点带宽BS作 为矩形信号的近似带宽 n利用是否存在离散谱，可否提取离散分量，及采用何种方法 提取。在研究位同步、载波同步等问题时十分重要。 n能够具体计算各种基带信号的功率谱 n分析中未对g1(t)及g2(t)波形加限制，不仅适用于基带波形频谱 分析，而且适用于数字调制波形频谱分析。 41 第6章 数字基带传输 n6.1 数字基带信号及其频谱特性 n6.2 数字基带传输常用的码型 n6.3 数字基带信号传输与码间串扰 n6.4 无码间串扰的基带传输特性 n6.5 基带传输系统的抗噪声性能 n6.6 眼图 n6.7 部分响应 n6.8 时域均衡 主要内容 42 6.2 数字基带的常用码型 n对传输用的基带信号主要有两个方面的要求： （l）对传输码型的要求：原始消息码必须编成适合于 信道传输用的码型； （2）对基带脉冲的要求：所选码型对应的波形应适合 于基带系统的传输； n问题：什么样的码型是适合信道传输的? 43 6.2.1 数字基带信号的编码规则 不含直流，且低频分量尽量少； 应含有丰富的定时信息，以便于从接收码流中提取定 时信号； 功率谱主瓣宽度窄，以节省传输频带； 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，即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。 编译码简单，以降低通信延时和成本。 44 6.2.2 常用的传输码型 AMI码（传号交替反转码） HDB3码（三阶高密度双极性码） 双相码（Manchester码） 差分双相码 密勒码（Miller码） CMI码（编码传号反转码） 块编码 45 6.2.2 常用的传输码型 （1）AMI码：传号交替反转码 编码规则：将消息码的“1”(传号)交替地变换为 “+1”和“ -1”，而“0”(空号)保持不变。 例：消息代码 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 AMI 码 +1 0 0 1 +1 0 0 0 1 +1 AMI 波形 代码 波形 f P(f ) 46 6.2.2 常用的传输码型 n AMI码的优点： n 没有直流成分，且高、低频分量少，能量集中在1/2码速处，频带 较窄； n 编译码电路简单，并有一定的检错能力（传号交替反转规则）； n 如果它是AMI-RZ波形，接收后只要全波整流，就可变为单极性 RZ波形，从中可以提取位定时分量。 n通常用在PCM一、二和三次群接口码型（北美系列） n AMI码的不足： n 当原信码出现长连“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。 如何解决连“0”码问题？ 47 6.2.2 常用的传输码型 (2) HDB3码：3阶高密度双极性码 n HDB3码的编码规则： （1）当信码中连“0”数目小于等于3时，仍按AMI码处理； （ 2）每 4 个连 “0” 小段的第4 位是破坏点 V （3）+V、-V 交替出现 （4）V 的极性与连 “0” 串前的非 0 符号的极性相同 （5）当相邻 V 符号之间有偶数个非 0 符号时，必须将后面 连 “0” 小段 的第一位换成B，B符号的极性与相邻前一非 0 符 号的极性相反，V的极性同B ，V后面的非0符号极性从V开始调整。 48 例6.3 AMI 波形 代码波形 HDB3 波形 特点： 1）每一个破坏点V 的极性总是与前一个非 0 符号的极 性相同。B 也视为非 0 符号。 2）只要找到破坏点V ，就可判断其前面必为3 个连 0 符号 。 3）利于提取定时时钟。 49 6.2.2 常用的传输码型 n HDB3码的译码规则： HDB3码中，V码与相邻的前一个传号码同极性，很容 易识别。译码时，一经发现两个传号的极性一致，则后一 个传号与其前三位码全部变“0”。 HDB3码 RZ码 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 +1 0 0 -1 0 0 0 V- +1 -1 B+ 0 0 V+ 0 -1 0 0 0 V-0 0 0 00 0 0 00 0 0 0 0000 50 6.2.2 常用的传输码型 n HDB3码的功率谱密度： f P(f ) AMI HDB3 nHDB3码的特点： n无直流分量，高、低频分量少，传输频带窄。 n有不中断业务的误码检测能力。 n频谱中不含时钟分量，但在收端进行全波整流 使之变成RZ码，可提取时钟。 n克服了AMI码的不足，抑制了长连“0”。 CCITT推荐HDB3码为 PCM一、二、三次群的传 输码型之一，E1采用该码 型作为基带传输码型。 51 6.2.2 常用的传输码型 n(3) 双相码：曼彻斯特（Manchester）码 n 编码规则： 二进进制码码数字双相 码码 101 010 （00和11为禁用码组） 52 6.2.2 常用的传输码型 优点：无直流；位定时信息丰富(因每个码元的中心点都存 在电平跳变)；可宏观检错(利用连零个数不超过2这一特点) ；以双极性NRZ波形传输。 缺点: 是占用带宽加倍，使频带利用率降低。 应用：数据终端设备近距离传输,局域网中的传输码型。 53 6.2.2 常用的传输码型 (4) 差分双相码 双相码是利用每个码元持续时间中间的电平跳变进 行同步和信码表示（由负到正的跳变表示二进制“0”， 由正到负的跳变表示二进制“1”）。 在差分双相码编码中，每个码元中间的电平跳变用于 同步，而每个码元的开始处是否存在额外的跳变用来确定 信码。 有跳变则表示二进制“1”，无跳变则表示二进制 “0”。 54 (5)密勒码（Miller）：又称延迟调制码 n 编码规则： n “1”码用码元中心点出现跃变来表示，即用“10”或 “01” 表示，与相邻码元的边界不跃变。 n“0”码有两种情况： 单个“0”时，在码元持续时间内不出现电平跃变 ，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 ，即“00”与“11”交替。 6.2.2 常用的传输码型 55 11010010 双相码 密勒码 密勒码 6.2.2 常用的传输码型 56 (6)CMI码：传号反转码 二进进制码码CMI 001 100和11交替出 现现 n 编码规则 特点 编译码简单，便于设计和调试；含有较丰富的位定时信 息；无直流，含有丰富的定时信息。此外，由于10为禁 用码组，不会出现3个以上的连码，这个规律可用来宏 观检错。 与NRZ相比，速率提高了一倍，所占频带宽。 PCM四次群的接口码型, 速率低于8.448Mb/s的光缆传输系统中。 6.2.