考研西北工业大学《825通信原理》强化精讲数字基带传输系统(一).ppt

考试点专业课强化精讲课程 第6讲,数字基带传输系统（一）,1,第6章 数字基带传输系统,数字基带传输系统考试大纲：数字基带信号与频谱特性；AMI码、HDB3码、双相码；无码间干扰的基带传输特性；无码间干扰时基带系统的抗噪性能；部分响应；时域均衡。 数字基带信号: 未经调制的数字信号，它所占据的频谱是从零频或很低频率开始的。 数字基带传输系统:不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统，常用于传输距离不太远的情况下。,2,基带传输系统模型：,信道信号形成器: 用于把发端的信号转换为适合在信道中传输的基带信号。 匹配。 信道：允许基带信号通过的媒质。信号的通道。 接收滤波器：通过信号，尽可能地排除噪声和干扰。均衡。 抽样判决：在噪声背景下判定与再生基带信号。 抽样：用位同步信号cp对接收信号进行逐个抽样。 判决：消除噪声积累，再生基带信号。Ud门限电平。,3,问题：在实际基带传输系统中，并非所有的原始数字基带信号都能在信道中传输，例如： 含有丰富直流和低频成分的基带信号就不适宜在信道中传输，因为它有可能造成信号严重畸变； 如果代码出现长时间的连“0”符号，不利于准确提取同步信息； 易于形成码间干扰； 抗噪声性能差，Ud不易设定。,4,6.1 数字基带信号及其频谱特性,6.1.1 数字基带信号 -消息代码的电波形,例：消息代码 电波形,注：电波形不一定是方波，如：三角波、。所以数字基带信号的类型举不胜举。以矩形脉冲组成的基带信号为例，介绍几种最基本的基带信号波形。,Ts码元长度、码元间隔；,5,1. 基带信号波形,（1）单极性非归零波形(NRZ),特点： 有直流分量和低频分量。在有些信道中不易传输。 波形之间无间隔，易产生码间干扰。 不能直接提取同步信息。 抗噪性能差：判决门限不能稳定在最佳电平。 需信道一端接地。 易于用TTL、CMOS电路产生。,单极性：基带信号的“0，正”电平分别与二进制符号“0，1”一一对应。 非归零：Ts,设：消息代码由二进制符号0、1组成，则,6,（2）双极性非归零波形(NRZ),特点： 可能无直流分量。易于传输。 波形之间无间隔。 不能直接提取同步信息。 抗噪性能好：判决门限为0，易设置且稳定。 无需一端接地。,双极性：基带信号的“负，正”电位分别与二进制符号“0，1”一一对应。,7,（3）单极性归零（RZ）波形,特点： 有直流分量。 波形之间有间隔，码间干扰小。 可直接提取同步信息,但信号能量减小。 抗噪性能差。 需一端接地。,归零：Ts有电脉冲宽度比码元宽度窄，每个脉冲都回到零电位。,8,（4）双极性归零（RZ）波形,特点： 可能无直流分量。 波形之间有间隔。 可直接提取同步信息（接收端很容易识别出每个码元的起止时刻）,但信号能量减小。 抗噪性能好。 无需一端接地。,9,（5）差分波形(相对码波形) -利用相邻码元的电平变化传递信息。,规则： 遇“1”相邻码元电平变化； 遇“0”相邻码元电平不变化。 （反之亦可）,特点：波形在形式上与单极性或双极性波形相同，但代表的信息符号与码元本身电位或极性无关，而仅与相邻码元的电位变化有关。 应用：收发端码元极性完全相反，也能正确判断。解决“倒”问题。,10,（6）多电平波形,如：四电平波形(2B1Q) 00+3E 01+E 10-E 11-3E,以上都是一个二进制符号对应一个脉冲。实际上还存在多于一个的二进制符号对应一个脉冲的情形，称这种波形为多值波形或者多电平波形。,好处：？ 代价：？,11,2. 基带信号表达式 问题： 随机脉冲序列的时域表示。 组成基带信号的单个码元波形并非一定是矩形。根据实际需要，可以有多种多样，比如升余弦脉冲、高斯脉冲等信息符号并不是与唯一的基带波形相对应。 表达式：,12,式中：an-第n个码元（符号）的电平值，它是一个随机量。二进制时：,（1）若表示各码元的波形相同而电平取值不同，则数字基带信号可表示为：,13,（2）实际上基带信号通常都是一个随机的脉冲序列。,式中，sn(t)可以有N种不同的脉冲波形。二进制时：,14,目的：针对信号的谱特性，设计或选择信道，以利于信号方便通过。或反之。 对象：二进制随机脉冲序列。 其中：g1(t)表示“0”码; g2(t)表示“1”码。,6.1.2 基带信号的频谱特性,表达式：,15,下面确定s(t)的功率谱密度Ps()： 求解思路：,其中: sT(t)为s(t)的截短函数；T为观察窗口(时间)。取T=(2N+1)Ts ，N为一个足够大的数。,注：截短信号ST(t)看成是由一个稳态波VT(t)和一个交变波uT(t)构成。这里的所谓稳态波，即是随机信号ST(t)的平均分量。 稳态分量（周期）离散谱； 交变分量（非周期）连续谱,16,1. 求平均分量vT(t)和交变分量uT(t) 平均分量： 先观察序列中的一个码元： 平均分量： pg1(t)+(1-p)g2(t) 一个序列的平均分量：,交变分量：,可见：稳态波及交变波都有相应地确定表达式。可分别找到它们的频谱特性。,17,2. 求平均分量的功率谱密度 PV()离散谱,3. 求交变分量的功率谱密度 Pu() 连续谱,4.数字基带信号功率谱Ps(),（6.1-26）,18,5. 讨论：,（1）当g1(t)、g2(t) 、p及Ts 给定后，随机脉冲序列功率谱就确定了。 （2）随机脉冲序列功率谱包括两部分：连续谱和离散谱。 意义：连续谱确定带宽；离散谱有无所需频率成分。例：单极性RZ脉冲串。,（3）连续谱始终存在g1(t) g2(t)；离散谱不一定存在，例：双极性、等概； （4）上述公式并未约束g1(t) 、 g2(t)波形。有、无某个波形；、升余弦；可以不是基带波形，而是数字调制波形。-上述分析方法同样可确定调制波形的功率谱密度。,19,例6.1 求单极性NRZ信号的功率谱，假定p=1/2。 解 对于单极性NRZ信号，有,这里， g(t)为高度为1、宽度为Tb的全占空矩形脉冲。,则,20,代入式（6.1-26）并考虑到p=1/2 ，得单极性NRZ信号功率谱密度为,21,讨论： （1）单极性NRZ信号的功率谱只有连续谱和直流分量。 （2）由离散谱仅含直流分量可知，单极性NRZ信号的功率谱不含可用于提取同步信息的 fb 分量。 （3）由连续分量可方便求出单极性NRZ信号的功率谱的带宽近似为（Sa函数第一零点）：,（4）p1/2时，上述结论依然成立。 Why？,22,例6.2 求双极性NRZ信号的功率谱，假定p=1/2。 解 对于双极性NRZ信号，有,则,代入式（6.1-26）并考虑到p=1/2 ，得双极性NRZ信号的功率谱密度为,23,讨论： （1）双极性NRZ信号的功率谱只有连续谱，不含任何离散分量。特别是不含可用于提取同步信息的 fb 分量。 （2）双极性NRZ信号的功率谱的带宽同于单极性NRZ信号，为 ：,（3）p1/2时，双极性NRZ信号的功率谱将含有直流分量，其特点与单极性NRZ信号的功率谱相似。Why？,24,例6.3 求单极性RZ信号的功率谱，假定p=1/2。 解 对于单极性RZ信号，有,这里， g(t)为高度为1、宽度为 的矩形脉冲，占空比为：,则,（一般Tb/为整数）,25,代入式（6.1-26）并考虑到p=1/2 ，得单极性RZ信号功率谱密度为,26,讨论： （1）单极性RZ信号的功率谱不但有连续谱，而且在等处还存在离散谱。 （2）由离散谱可知，单极性RZ信号的功率谱含可用于提取同步信息的分量。 （3）由连续谱可求出单极性RZ信号的功率谱的带宽近似为：,（4）p1/2时，上述结论依然成立。 Why？,较之单极性NRZ信号变宽。,27,例6.4 求双极性RZ信号的功率谱，假定p=1/2。 解 对于双极性RZ信号，有,则,代入式（6.1-26）并考虑到p=1/2 ，得双极性RZ信号功率谱密度为,28,讨论： （1）双极性RZ信号的功率谱只有连续谱，不含任何离散分量。特别是不含可用于提取同步信息的 fb 分量。 （2）双极性NRZ信号的功率谱的带宽同于单极性RZ信号，为 ：,（3）p1/2时，双极性RZ信号的功率谱将含有离散分量，其特点与单极性RZ信号的功率谱相似。Why？,29,例：由功率谱密度曲线判断单极性/双极性？RZ/NRZ ？ ？ 假定p=1/2,30,6.2.1 传输码的码型选择原则 （1）不含直流，且低频分量尽量少； （2）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； （3）功率谱主瓣宽度窄，以节省传输频带； （4）不受信息源统计特性的影响，即能适应于信息源的变化； （5）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。 （6）编译码简单，以降低通信延时和成本。,6.2 基带传输的常用码型,31,例： 信码an： 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 AMI: +1 0 -1 0 0 +1 0 0 0 0 0 -1 0 +1,特点： （1）无直流分量和仅有小的低频分量； （2） 二电平三电平1B/1T码； （3）易于检错（极性交替否？）； （4）编、译码简单； （5）当出现长的连0串时，不利于定时信息的提取。,6.2.2 几种常用的传输码型,1. AMI码 全称：传号交替反转码。 编码规则：传号(“1”)极性交替，空号(“0”)不变。,32,2. 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，其中广为接受的解决办法是采用高密度双极性码HDBn。 三阶高密度双极性码HDB3码就是高密度双极性码中最重要的一种。,33,HDB3码的编码规则： （1）先把消息代码变成AMI码。当无3个以上连“0”码时，则该AMI码就是HDB3码。 （2）当出现4个或4个以上连0码时，则将每4个连“0”小段的第4个“0”变换成“非0”码称为破坏符号V，而原来的二进制码元序列中所有的“1”码称为信码B表示。当信码序列中加入破坏符号以后，信码B与破坏符号V的正负必须满足如下两个条件： B码和V码各自都应始终保持极性交替变化的规律，以便确保编好的码中没有直流成分； V码必须与前一个码（信码B）同极性，以便和正常的AMI码区分开来。如果这个条件得不到满足，那么应该在四个连“0”码的第一个“0”码位置上加一个与V码同极性的补信码B ，并做调整。使B码和码合起来保持条件中信码（含B及B ）极性交替变换的规律。,34,例如： （a）代码： 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 （b）AMI码： 0 +1 0 0 0 0 -1+1 0 0 0 0 0 -1 0+1 （c）加V： 0 +1 0 0 0 V+-1+1 0 0 0 V- 0 -1 0+1 （d）加补信码 0 +1 0 0 0 V+-1+1 0 0 V- 0 -1 0+1 （e）调整 0 +1 0 0 0 V+-1+1 0 0 V- 0 +1 0 -1 （f）HDB3： 0 +1 0 0 0 +1 -1+1 -1 0 0 -1 0 +1 0 -1,例：一个极端的情况 an： 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 HDB3： B+ 0 0 V+ B- 0 0 V- B+ 0 0 V+ 0 +1 0 0 +1 -1 0 0 -1 +1 0 0 +1 0,35,HDB3码特点: 1）无直流分量、低频分量小； 2）连0串不会超过3个，对定时信号的恢复十分有利； 3）编码复杂，译码简单。,凡遇到 -1 0 0 0 -1 +1 0 0 0 +1 +1 0 0 +1 -1 0 0 -1 译成： 0 0 0 0,HDB3是CCITT推荐使用的码之一。,例： （f）HDB3： 0 +1 0 0 0 +1 -1+1 -1 0 0 -1 0 +1 0 -1 （a）代码： 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1,36,3. Manchester码 又称双相码、分相码。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”。 1B2B 编码规则： 1 1 0 (0相位的一个周期方波) 0 0 1 (相位的一个周期方波),例: an： 1 0 1 1 0 0 1 双相码：1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0,特点：1）无直流分量（双极性NRZ）； 2）连0串最多为2个；宏观检错 3）只使用两个电平； 4）编、解码简单； 5）占用带宽宽； 6）含足够的定时信息（码元中心点都 存在电平跳变）。,好处：二电平。代价：？,37,差分双相码： 为了解决双相码因极性反转而引起的译码错误，可以采用差分码的概念。 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”）。 而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”。,38,4. Miller码 又称延迟调制码。是双相码的一种变形。 1B2B,编码规则：,例：an： 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 Miller： 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1,特点： 1）同于Manchester码。连0最多占2个Ts；宏观检错 2）无直流分量，占用带宽宽。,39,例：an： 1 0 1 1 0 1 CMI： 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0,特点: 1) 无直流分量； 2) 连0串最多为3个（1.5个Ts）；宏观检错 3) 二电平。跃变多，含丰富的定时信