第五章-数字信号的基带传输3-4(天大教材)要点.ppt

第五章数字信号的基带传输任课教师：张艳,5.1数字基带信号传输系统常用码型5.2数字基带信号的功率谱密度5.3数字基带信号的传输与码间串扰5.4部分响应系统5.5无码间串扰基带传输系统的噪声性能分析5.6发送和接收滤波器传输函数的最佳分配5.7眼图5.8均衡5.9扰码与解扰,5.3数字基带信号的传输与码间串扰,5.3.1数字基带传输系统5.3.2码间串扰5.3.3无码间串扰的基带传输特性5.3.4具有滚降幅度特性的低通滤波器,5.3.1数字基带传输系统,一.数字基带传输系统模型,5.3.2码间串扰,数字基带信号通过基带传输系统时，由于系统（主要是信道）传输特性不理想，会使信号波形发生畸变，或者由于信道中加性噪声的影响，也会造成信号波形的随机畸变，这些信号畸变会在接收端造成判决上的困难，有时会出现误码，这种现象称为码间串扰。,码间串扰,5.3.3无码间串扰的基带传输特性,一.奈奎斯特第一准则（奈奎斯特定理）,当基带传输系统具有理想低通滤波器的特性时，以其截止频率两倍的速率传输数字信号，便能消除码间串扰。通常称为奈奎斯特第一准则（奈奎斯特定理）,二.具有理想低通特性的基带传输系统的特征参量,1.奈奎斯特带宽BN,2.奈奎斯特速率RB,3.奈奎斯特间隔TS,4.频带利用率,它是平均单位频带内的传码率,5.3.4具有滚降幅度特性的低通滤波器,1.滚降的低通滤波器特性:无码间串扰的波形的幅度谱必须满足的条件：即数字基带信号通过具有滚降特性的实际滤波器，其传输函数为实函数，且对于Wc处奇对称，则无论其输出频谱为任何形状，都可以获得具有所需零点分布的脉冲信号，接收端仍按Ts间隔抽样判决而码间无串扰。,2.图解分析,升余弦滚降信号传输函数：,实际中，广泛应用是以为中心，具有奇对称升余弦滚降特性的网络传递函数,时间响应,3.滚降因子,滚降因子为带宽扩展量W1与奈奎斯特带宽Wc之比，即,B=(+1)BN,称为滚降因子：滚降后传递函数幅度特性超出的部分频带与之比称为滚降系数，通常大于0小于等于1，所以滚降后传递函数占有频带小于,例,已知二元码的数据传输速率为56kb/s且采用基带信道传输,若按照以下几种滚降系数设计实际升余弦信道,求其相应的信道宽度为0.25,0.5,0.75,1.0,奈奎斯特第二准则,又称转换点无失真或称为无抖动准则在传输二元码时,接收端以一定的电平对接收波形进行限幅,由此产生的矩形脉冲的脉宽正好等于码元的间隔.判断限幅是否等于限幅电平时刻叫转换点所以转换点无失真条件：接收波形s(t)在其它转换点处串扰为0,奈奎斯特第三准则脉冲波形面积保持不变如果在一个码元间隔内接收波形正比于发送矩形脉冲的幅度，而其他码元间隔内发送脉冲在此码元间隔内的面积为零，则接收端能无失真地恢复原始信码。,例:,设随机二进制序列中的0和1分别由g1(t)和-g1(t)组成,它们出现的概率密度分别为P和1-P(1)求其功率谱密度及功率(2)若g1(t)为a所示波形,Ts为码元宽度,问该序列是否存在离散分量?(3)若g1(t)改为如b所示波形,问该序列是否存在离散分量,例2,设基带传输总特性H(w)如图abcd所示,若要求以2/TsB的速率进行数据传输,试检验各种H(w)是否满足消除抽样点上码间串扰的条件.,w,例三,有一实际信道带宽为120KHz,信道特性的滚降因子a=0.5,用其传输最高频率为4KHz的话音信号,若采用PAM方式,最多能传几路?若改为在此信道中采用PCM方式传送量化级为16的语音信号,在同样传输速率时,又能传送几路信号?,例4,为了传送码元速率RB=103B的数字基带信号,试问系统采用图中所给出的哪一种传输较好?,5.4部分响应系统,概述理想低通滤波器给出了无码间串扰传输的最小带宽极限，对二进制码能达到2b/s/Hz的频谱效率，但是矩形频率特性很难实现。采用因子升余弦滚降，要降低频谱利用效率，有没有可能达到二进制2b/s/Hz的效率，又可采用滚降特性呢？这就是部分响应技术，这技术是（A.Lender）62年提出的。人为的控制码间串扰来达到压缩传输频带的目的。,5.4部分响应系统,一.什么是部分响应系统有控制地在某些码元的抽样时刻引入码间串扰，而在其余码元的抽样时刻无码间串扰，就能提高频带利用率，同时又可以加快“拖尾”的衰减速度，降低对定时精度的要求，通常把这种波形称为部分响应波形。即在抽样时刻它利用了前后二个码元波形各自一部分合成而得到的，故而得名“部分响应”。利用这种波形进行传送的基带传输系统称为部分响应系统。,二.图解说明,合成波形的数字表达式,码间串扰示意图,三.部分相应的相关编码,1.预编码,2.相关编码,3.接收端模2判决,ak11101001,bk-101011000,bk10110001,+,Ck11121001,ckmod211101001,四.部分响应系统原理框图（第一类部分响应）,5.5无码间串扰基带传输系统的噪声性能分析,发送幅度为0时,发送幅度为A时,接收信号幅度的概率密度函数,单极性系统,最佳判决门限为0,最佳判决门限为,双极性系统,5.6发送和接收滤波器传输函数的最佳分配,设信道为理想信道时，基带系统总传递函数：,则发送与接收滤波器的最佳分配设计为：,5.7眼图,一.眼图分析法:评价基带传输系统性能的一种定性而方便的方法是用示波器观察接收端的基带信号波形，用来分析码间串扰和噪声对系统性能的影响。因传输二进制脉冲时，在示波器屏幕上可以观察到类似人眼的图案，称之为“眼图”。这种用以分析基带传输系统性能的方法，称为眼图分析法。,二.观察波形的具体方法,用一个示波器跨接到接收滤波器的输出端抽样判决器之前，使示波器的水平扫描周期(X轴），与接收码元的周期(Ts=1/2fm)同步。使示波器的幅度(y轴）:由示波器的探头输入信号。利用示波器的余辉和人眼的视觉惰性，在式波器上就可观察到类似人眼的波形“眼图”三.功能:通过对眼图的观察能直观的了解到码间串扰和噪声的影响，从而估计系统性能优劣的程度。还可根据眼图来调整滤波器的特性，用以减少码间串扰。,三.眼图的形成分析,示波器的工作原理,1.无码间串扰,眼图,2.有码间串扰和噪声影响时,四.眼图中的各项性能指标,5.8均衡,可在基带传输系统插入一种可调滤波器将能减少码间串扰的影响，甚至使实际系统的性能十分接近最佳系统性能。这种起补偿作用的可调滤波器称为均衡器。.均衡的分类频域均衡，利用可调滤波器的频率特性去补偿基带系统的频率特性使包括均衡器在内的整个系统的总传输函数满足无失真传输条件。时域均衡则是利用均衡器产生的响应波形去补偿已畸形的波形，使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应满足无码间串扰的条件。,二.时域均衡,时域均衡的基本思想:它是利用波形补偿的方法将失真的波形直接加以校正，而且通过观察眼图波形可直接进行调节。,三.横向滤波器,目前时域均衡的最常用方法是在基带传输系统中加入一个横向滤波器，该时域均衡器是由延时线、带抽头的可变增益放大器和相加器组成。,2N+1个抽头,横向滤波器的抽头数是有限制的，因此不可能完全消除码间串扰，只能减小到一定程度。,在前面分析一个数字传输系统时，常常认为信元的二进制数序列就有1、0等概，前后独立的纯随机特性，这不仅有利于分析，使分析简化，而对于一些电路，如定时、解调、均衡等都希望0、1等概，统计独立。以位同步为例子:位同步的信息包含在0，1，变化的时候，如出现长连0（或长连1），就不利于位同步提取，为何使信息序列尽可能等概，这就是要求我们对信息序列进行“随机化”的理，这常称为“扰码”，“扰码”能使数字信息随机化，也就是具有透明性。（对大家都公平）,5.9扰码与解扰,将二进制数字信息先作“随机化”处理，变为伪随机序列，也能限制连0（或连1）的长度。这种“随机化”称为“扰码”。在接收端消除“扰乱”的过程称为“解扰”。完成“扰码”和“解扰”的电路相应的称为扰码器和解扰器。扰码器实际上就是一个m序列伪随机的发生器。,一、m序列的产生和性质,m序列是一种伪随机序列，它是最长线性反馈特征寄存的序列的简称，m序列是由常线性反馈的转移寄存而产生的序列，并且具有最长同期。,四级m序列发生器,首先设定各级寄存器的状态，在时钟触发下，每次移位后各级寄存器状态发生变化，我们观察任何一级寄存器的输出，我们会发现，在时钟的控制下，会产生一个序列。,a0,而且这个序列是具有同期性质的我们称为m序列。在相同级数下，采用不同线性反馈的逻辑所得到的周期不同，m序列发生器是一种最长同期的。,首先设定各级寄存器的状态，在时钟触发下，每次移位后各级寄存器状态发生变化，我们观察任何一级寄存器的输出，我们会发现，在时钟的控制下，会产生一个序列。,四级m序列发生器,而且这个序列是具有同期性质的我们称为m序列。在相同级数下，采用不同线性反馈的逻辑所得到的周期不同，m序列发生器是一种最长同期的。对于4级来说，其反馈逻辑为它产生15位级周期，第16位后开始重复，这就是周期性。4级移位寄存器共有即16种状态，除了全0状态外，其余15种状态都可出现，全0状态是要被禁止的。,四级m序列发生器,如果改变反馈逻辑，就不能得到最长周期的m序列。如4级，反馈逻辑为，那么它只能形成100010周期为6，所以线性反馈移位寄存器是和它的反馈逻辑有关。,一般情况下，n级线性反馈寄存器，它的线性反馈逻辑可表示为表示反馈线的连接状态,一般情况：n级,上式可改写为定义一个多项式称之为线性反馈移位寄存器的特征多项式。特征多项式与输出序列的关系产生m序列的n级移位寄存器，其特征多项式必须是n次本原多项式。,n次本原多项式,是n次本原多项式，需满足以下条件：,。,例如4级,根据本原多项式的定义是本原多项式。,通常，一个本原多项式系数都表示为八进制形式，表列出了本原多项式的系数。例如，对于4级,本原多项式的系数,（1）由n级移位寄存器产生的m序列周期为。（2）除全0状态外，其它状态都在m序列一个周期内出现，而且只出现一次，m序列中“1”和“0”概率大致相同，“1”的只比“0”的多一个。（3）m序列的自相