简明通信原理第四章数字基带传输.ppt

第四章数据信号基带传输 结束放映 学习目录 学习要求 内容简介 内容简介 基带传输是数据通信中的基本传输方式 数据终端只要经过简单的电平和码型变换后就可以在信道中直接传输 主要应用在局域网等短距离的数据传输中 本章主要介绍基带信号的特性 基带传输系统的组成 无码间干扰传输系统的设计 以及部分响应 时域均衡 数据扰码等提高系统传输性能的技术 返回 结束 学习目标 1 数字基带信号的常用码型及其频谱特性 2 数字基带信号的传输过程 3 码间串扰和奈奎斯特第一准则 4 数字基带系统的抗噪声性能 5 眼图和均衡的原理 方法及应用 返回 结束 4 1数字基带信号 基带传输中设计或选择信号码型时的要求 不含直流分量 且高频分量和低频分量要少便于定时同步信息的提取编码方案对信源透明码型具有一定抗噪声性能码型具有较高的编码效率码型没有或者只有很小的误码增值码型变换设备要简单可靠 4 1 1基本码型 编码规则 高电平表示1码 零电平表示0码 波形如下 1 单极性不归零 NRZ 码 特点及应用 发送能量大 收端信噪比较高带宽窄但直流和低频成分大不能直接提取同步信息判决电平不易稳定一般用于设备内部和极短距离通信中 编码规则 高电平表示1码 零电平表示0码 电平的持续时间 比码元周期Tb小 其波形如下 2 单极性归零 RZ 码 特点及应用 具有单极性码的大多特点 但带宽增大含直流分量 可以直接提取同步信息一般用于设备内部和短距离通信中 占空比 Tb 典型的取值是 Tb 50 编码规则 用高电平表示 1 低电平表示 0 3 双极性不归零码 特点及应用 发送能量大 有利于提高收端信噪比无直流 但低频成份大不能直接提取同步信息判决电平容易稳定 编码规则 用高电平表示 1 低电平表示 0 电平的持续时间 比码元周期Tb小 其波形如下 4 双极性归零码 特点及应用 具有双极性码和不归零码的优点比较容易提取同步信息 占空比 Tb 典型的取值是 Tb 50 编码规则 差分码是用相邻两个电平变化与否表示 1 和 0 所以又称为相对码 记作bn 5 差分码 特点及应用 即使传输过程中所有电平都发生了反转 接收端仍能正确判决是数据传输系统中的一种常用码型 4 1 2线路码型 不含直流分量 且高频分量和低频分量要少含有同步信息 信号能量大功率谱的主瓣窄具有一定的检错能力编译码简单码型变换设备要简单可靠 选择线路码型时 应遵循的原则 编码规则 1 交替用高低电平表示 0 用零电平表示 1 极性交替码 AMI码 又称为传号交替反转码 特点及应用 不包含直流分量 低频分量也很少比较容易提取同步信息 2 三阶高密度双极性码 HDB3 编码规则 1 用高低电平表示 0 用低高电平表示 3 双相码 曼彻斯特码 特点及应用 不含直流分量 定时信息丰富具有编码冗余极性反转时会引起译码错误 4 CMI码 传号反转码 编码规则 1 用 11 和 00 交替表示 0 用 01 表示 特点 不含直流分量定时信息丰富有宏观检错能力 编码规则 n个二进制码元 比特 用m个二进制码元 比特 编码 5 nB mB码 特点及应用 具有差分码的特点比较容易提取同步信息 4 2基带信号的频谱 1 数字基带信号的一般表达式 数字信号的波形如下图所示 假设 1 用g1 t 表示 0 用g2 t 表示 假设在一个码元周期Tb内 1 出现的概率为P 0 出现的概率为1 P 其中 an是第n个脉冲的相对幅度 其取值与所用码型有关 对于双极性信号 对于单极性信号有 2 信号对应的功率谱 fb 1 Tb 数值上等于码元速率RBG1 f 和G2 f 分别为g1 t 和g2 t 的傅氏变换式中的第一项表示连续谱 由其可以确定信号的带宽第二项是离散谱 由其可以判断信号有无直流分量以及是否包含同步信息连续谱总是存在 离散谱可能不存在 部分码型的功率谱结构如下图所示 4 3无码间串扰的基带传输特性 内容提要 4 3 1二进制传输基带传输系统 码型变换器是将数据信号转换成更适合于信道传输的码型发送滤波器进行信号波形转换接收滤波器完成抑制带外噪声 均衡信号波形等功能 使其输出波形更有利于抽样判决同步系统作用是通过特定方法提取同步信息 并产生同步控制信号抽样判决器是在位同步脉冲的控制下对信号波形抽样 并按照特定码型的判决规则恢复原始数据信号 系统各部分波形如下图所示 4 3 2多进制传输基带传输系统 多进制基带传输系统结构二进制系统相比较 区别是在于收发两端加二进制和M进制的转换设备和二进制相比 多进制数据传输系统具有以下特点 在码元速率相同的条件下 多进制系统可以实现更高的信息速率在信息速率相同的条件下 有利于提高传输可靠性多进制系统需要维持多个判决电平 在相同信号功率输入时 抗噪声干扰的能力较弱 所以此时其系统误码率比二进制大多进制系统设备更复杂 4 4无码间串扰的基带传输 内容提要 4 4 1码间串扰及其数学分析 4 4 2无码间串扰的条件 Nyquist准则 码间串扰的定义码间串扰的数学表达消除码间串扰的时域条件 无码间串扰传输的频域条件理想低通传输特性滚降传输特性 4 4 1码间干扰及其数学分析 码间干扰 由于系统的传输特性不理想 致使码元波形畸变 引起前后码元相互干扰的现象 码间干扰的原因 传输函数不理想解决方法 基带数据信号的选择传输网络的匹配 保证在抽样判决时刻干扰为零 从传输理论知道 一定的波形可以用冲激函数激励有一定传输函数h t 的网络来实现 当输入信号为冲激函数时 输出信号y t 就是h t 3 3 1码间干扰及其数学分析 基带传输系统的简化模型 其中 H GS GC GR 只需要对H 作合理设计 在抽样判决器前就可以得到理想的波形 假设信道噪声为加性噪声记作n t 经过系统传输后输出为nR t 则 如果对第k 1个码元抽样 抽样时刻为t0 kTb 则所得的样值是 改写上式 得 第一项对应第k 1个码元的样值第三项nR t0 kTb 是抽样时刻噪声的样值第二项是其它码元在第k个码元抽样时刻的样值 即码间干扰 通过设计h t 的波形 即设计系统的传输特性H 可以实现无码间干扰的传输 典型波形如下图所示 经过上面分析 可以得出当h t 满足下式时就可以消除码间干扰 令k n k 因为函数与自变量符号无关 所以把k 记作k 并设传输时延t0 0得到式 4 4 2无码间干扰的传输特性 1 无码间干扰传输的频域条件 传输特性H 和单位冲激响应h t 是一对傅氏变换对 当t kTb时 对上式按照 b 2 Tb的长度用分段积分的形式表示为 用Hn 表示第n个区间内的H 则 令 n b 则 n b d d 所以 基带传输系统的等效传输特性 若Heq 满足理想传输特性 即 此时系统的冲激响应满足无码间干扰的时域条件 可实现无码间干扰的传输 BN Tb rad s Tb 2 HZ 1 2Tb HZ fb 2 Hz 奈奎斯特带宽 奈氏第一准则 奈奎斯特第一准则 当系统的传输特性在奈氏带宽内是理想低通特性时 若发送端以其截至频率两倍的速率传输信号 接收端仍以间隔Tb在码元峰值处抽样就可以消除码间干扰 此时可以得到最大的频带利用率2Baud Hz 例如三角传输特性 4 4 2无码间干扰的传输特性 1 理想低通传输特性 当系统的传输特性在奈氏带宽内就是理想低通特性 此时系统的单位冲激响应为 传输速率为RB 1 Tb fbBaud 信道带宽为B fb 2Hz 所以频带利用率r RB B 2Baud Hz 奈奎斯特第一准则 2 实用传输特性 滚降特性 图中 N Tb 是奈氏带宽只要H1 正负频域部分分别关于 N 0 和 N 0 对称就可以产生滚降 r N为滚降系数 0 1 0时 就是理想低通特性 升余弦特性 系统特性 冲激响应 频带利用率 例 为传输码元速率RB 103Baud的数字基带信号 问系统采用下图所示的三种特性中的哪一种最好 简要说明理由 例 某基带传输系统特性如下图所示 假设码元速率变化时传输特性不变 且码元经理想抽样后输入 若采用以下码元速率传输 a RB 1000Baud b RB 1500Baud c RB 2000Baud d RB 3000Baud 试分析哪些码元不会产生码间干扰 哪些码元速率根本不能用 哪些码元速率产生码间干扰 但还可以用 4 5基带系统的抗噪声性能 信道传输特性理想 无码间干扰信道噪声为加性高斯白噪声 其期望为0 单边功率谱密度为n0 输出噪声nR t 平均功率为 2 N Bn0 B为接收滤波器带宽输出噪声的一维概率密度函数为 分析环境 研究噪声对基带信号传输的影响 基带系统抗噪声性能的评估标准 误码率Pe P 1 P 0 1 P 0 P 1 0 4 5 1双极性基带系统的误码率 在一个码元周期内 到达接收端抽样判决器的信号为 发 1 时 收端接收到的信号A nR t 的一维概率密度函数为 发 0 时 收端接收到的信号 A nR t 的一维概率密度函数为 信道误码率公式 接收端信号的概率密度曲线 Vb为判决电平 使系统误码率最小的判决电平为最佳判决电平 为 当 1 和 0 等概出现时Vb 0 此时系统的总误码率为 4 5 2采用单极性码型传输时的误码率为 补误差函数erf c 误差函数erf c erfc c 1 erf c 对双极性基带系统和单极性基带系统进行比较 1 比值越大 Pe越小 2 当一定时 双极性基带系统的误码率比单极性的低 说明双极性系统的抗噪声性能更好 3 等概率传送二进制信息时 双极性的最佳判决门限为0 与信号幅度无关 因而不受信道特性变化的影响 而单极性的最佳门限为A 2 易受信道特性变化的影响 4 6眼图 眼图 一种常用的估计码间干扰大小的实验方法 眼图的形成 在数据传输系统收端接收滤波器之后跨接一个示波器 然后调节示波器的水平扫描周期 当其为码元周期的整数倍时 示波器上就会出现类似眼睛的图形 信号波形无失真 理想眼图的模型 信号波形有失真 4 7改善数据传输系统性能的几个措施 主要内容 4 7 1部分响应 提高频带利用率 提高有效性 4 7 2时域均衡 减小系统中的码间干扰 提高可靠性 部分响应技术的原理第I类部分响应波形形成及系统组成 时域均衡器组成时域均衡原理 4 7 3数据加扰 避免出现长连 0 或 1 方便提取定时 数据加扰原理m序列 4 7 1部分响应 基本思想 利用码间 串扰 来达到压缩传输频带的目的 也即允许一定的可控的码间干扰存在 把系统的频带利用率提高到2Baud HZ 收端再通过一定的方法来消除码间干扰 实现部分响应的传输系统称为部分响应系统 所用的码元波形称为部分响应波形 1 部分响应波形 部分响应波形频带利用率高 且摆尾衰减速度快 由多个抽样函数Sa t 加权移相叠加得到 其一般表达式为 其中k1 k2 kN是N个抽样函数的加权系数 一般取 1 0 2 部分响应波形的谱函数为 2 部分响应系统分类 3 第I类部分响应系统 第I类部分响应波形 数据传输 除第一个样值c0以外 其它样值中前一个码元对后一个码元都有码间干扰 这种码间干扰可以按照下式消除 发端数据ak 0101100101收端样值ck 0111210111判决结果ak 0101100101 实例分析 该系统中必须知道初始值a0 并存在错误传播 发端数据ak 0101100101收端样值ck 0111210111判决结果ak 010101 12 12 解决错误传播的有效方法是采用预编码和相关编码 收端只需对ck作模2运算即可得到ak 即ak ck 模2 预编码 bk ak bk 1 模2加 相关编码ck bk bk 1 算术加 ck电平数增加 抗噪声性能变差 实例分析 ak 0101100101bk ak bk 1 00110111001ck bk bk 1 00121122101ak ck 模2 0101100101c k bk bk 1 00121112101a k ck 模2 0101110101 第I类部分响应系统 第IV类部分响应系统 预编码 bk ak bk 2 相关编码ck bk bk 2 4 7 2时域均衡 实际通信时 总的传输特性总会偏离理想特性 不可避免地会导致符号间的干扰 此时需要插入一种滤波器来补偿系统的传输特性 使其趋于理想 该滤波器就是均衡器 均衡器可分为 1 频域均衡器 利用幅度均衡器和相位均衡器来补偿传输系统的幅频和相频特性的不理想 即纠正H W 来保证形成波形理想 即保证形成波形本身不失真 2 时域均衡器 利用接收波形本身来进行补偿 消除取样点的符号间干扰 提高判决的可靠性 时域均衡器又称为横向滤波器 时域均衡器 组成 由多级抽头延时线 可变增益电路与求和器组成的线性系统 4 7 2时域均衡 时域均衡器原理 于是 在第k 1个码元的抽样时刻kTb t0就有 简记为 第K个码元抽样时刻的样值是由2N 1个信号样值和增益因子相乘叠加组成 希望 除K 0以外的所有yk都为零方法 通过调整各增益加权系数CK使k 0以外的yk都为零 即 迫零调整 加权系数CK的确定根据消除符号间干扰的要求 例1 设计一个三抽头迫零均衡器的抽头加权系数 输入为 x 2 0 x1 0 2 x0 1 0 x1 0 3 x2 0 1 当 n 2时 xn 0 例2 有一三抽头的时域均衡器 x t 在各取样点的值依次为x 2 1 8 x 1 1 3 x0 1 x1 1 4 x2 1 16 求均衡器的抽头加权系数 3 6 2时域均衡 实例分析 均衡效果度量 峰值畸变 初始畸变值 均方畸变 计算峰值畸变时所需要的yn值的计算根据消除符号间干扰的要求 例 有一三抽头的时域均衡器 x t 在各取样点的值依次为x 2 1 8 x 1 1 3 x0 1 x1 1 4 x2 1 16 xk 0 k 2和k 2 求 1 均衡器的抽头加权系数 2 初始畸变和峰值畸变 3 均方畸变 4 7 3数据加扰系统 数据加扰的目的 尽量使数据信号中的0 1等概出现破坏数据信号中出现的长连0和长连1 数据加扰的思路 使数据信号随机化 若数据信号为随机信号 则可在很大程度上解决以上两个问题 4 7 3数据加扰系统 数据加扰与解扰的定义 数据加扰 把数据信号随机化的过程 数据解扰 在收端通过给随机化的信号 去随机化 恢复原数据信号的过程 数据加扰与解扰的方法 用一随机序列与输入数据序列进行模2加 此方法能把任何数据序列变为随机序列 接收端解扰时必须要产生一个与发端一致的并在时间上同步的随机序列 3 6 3数据加扰系统 由于随机序列的不可再现性 通常用 伪随机序列 进行加扰 伪随机序列常用线性反馈移位寄存器来产生 m序列是最常用的一种伪随机序列 3 6 3数据加扰系统 数据加扰系统 m序列产生器 3 6 3数据加扰系统 根据上图m序列产生器的来看具体m序列的生成 线性反馈逻辑为 输出为 R4 假设该移位寄存器的初始状态为0001 即第4级为 1 前3级均为 0 m序列通常由带线性反馈的移位寄