第五章基带数字信号的表示和传输.ppt

1,第五章基带数字信号的表示和传输,基本要点：了解数字基带信号的基本概念和几种常用电波形；掌握AMI、HDB3的编码原理及特点；掌握无码间串扰的时、频域条件及奈奎斯特准则；,2,5.1概述,我们在第一章介绍过通信系统的分类按传输信号是模拟信号还是数字信号分分为模拟通信系统和数字通信系统按传输信号是基带信号还是频带信号分分为基带通信系统和频带(调制)通信系统如果传输的是数字信号,同时也是基带信号,则称这种系统为“数字基带通信系统”实际的例子有：USB通信、RS232串口通信、局域网通信等等主要用于近距离有线通信,3,几个新概念：,码元：数字序列中的基本单元基带信号(BasebandSignal)：信源（信息源，也称发终端）发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号，其特点是频率较低，信号频谱从零频附近开始，具有低通形式。码型：数字基带信号可以以不同形式的电脉冲出现，电脉冲的存在形式称为码型；码型编码：把数字信号的电脉冲的表示过程称为码型编码或码型变换；,4,5.2字符的编码方法,接收端必须能正确解码没有直流，且低频、高频分量要小易于从基带信号中提取同步信息这里的“同步”可以理解为数字电路中时钟(CLK)最好有一定的误码检测功能检测出来错误后，能纠正就纠正，不能纠正可以请求重发编码设备尽可能简单,5,1、单极性不归零码,优点：简单,缺点：有直流、,最佳判决电平不确定,5.3基带数字信号的波形,6,2、单极性归零码,特点：有直流、,最佳判决电平不确定,7,3、双极性不归零码,特点：无直流、,最佳判决电平确定(=0),8,4、双极性归零码,特点：无直流、,最佳判决电平确定(=0),9,5、差分码（1表示“电平跳变”；0表示“不跳变”）,设初始状态为高电平,10,1.AMI码（AlTcernaTciveMarkInverse）1用“+1”“-1”交替表示；0用“0电平”表示。,优点：无直流、,且可以发现简单错误,缺点：如果出现长“0”则提取同步（CLK）困难,5.4基带数字信号的传输码型,11,2.HDB3码（对AMI的改进,解决了连“0”问题）编码规则：首先将数据变成AMI码如果有4个或4个以上连0，则每4个连0分成1小组，称为一个“破坏节”将破坏节的第4个0用“+V”或“-V”替换掉，V取“+”或“-”的法则是：要保证与前一个非0比特同号相邻“V”的符号也要保证极性交替：当相邻“V”间有奇数个非0码元时能够保证；当相邻“V”间有偶数个非0码元时，需要将破坏节中的第一个“0”变成“+B”或“-B”，B的符号与前一个非0极性相反，然后让其后面的非0码元开始符号交替变化；,12,HDB3译码规则：,发现相连的两个同符号的“1”时，把后面的“1”及其前面的3个符号都译为“0”；然后，将“+1”和“-1”都译为“1”，其它为“0”,13,3.数字双相码（又称ManchesTcer码）属于“1B2B”码，即1个biTc用2biTc来传输（效率虽然降低，但可发现错误，同时可以消除直流）；1用“+-”表示；0用“-+”表示,14,4.CMI码（CodeMarkInverse）也属于“1B2B”码。1用“+”“-”交替表示；0用“-+”表示。,15,例5.1HDB3编码举例,0,1,0,0,0,0,1,1,0,0,0,0,0,1,0,1,0,第1个破坏节,第2个破坏节,+,-,+,-,+,+V,-V,-B,+,-,16,例5.2HDB3译码举例,0,+1,0,0,0,+1,-1,+1,-1,0,0,-1,0,+1,0,-1,0,连续非0同号表明后面那个是V,0,连续非0同号表明后面那个是V,由于中间只有2个0，所以前面那个是B,0,0,再把所有1的符号去掉就恢复了原始信息了,17,5.5基带数字信号的频率特性,研究基带信号频谱结构的意义：可以了解信号需要的带宽可以了解信号所包含的频谱分量可以了解信号有无直流分量可以了解信号有无定时分量,18,二进制随机信号序列的功率谱密度设信号中“0”和“1”的波形分别为g1(t)和g2(t)，码元宽带为Tc。,19,假设随机信号序列是一个平稳随机过程，其中“0”和“1”的出现概率分别为P和(1P)，而且它们的出现是统计独立的则有：式中，其功率谱密度：式中，Tc为截取的一段信号的持续时间，设它等于：式中，N是一个足够大的整数。这样，及若求出了截短信号sc(t)的频谱密度Sc(f)，利用上式就能计算出信号的功率谱密度Ps(f)。,20,二进制数字基带信号功率谱通用表达式：,随机脉冲序列的功率谱密度可能包含离散谱Pv(f)和连续谱Pu(f)。,21,对于连续谱而言，由于代表数字信息的g1(t)及g2(t)不能完全相同，故G1(f)G2(f)，因而Pu(f)总是存在的。离散谱是否存在，取决g1(t)和g2(t)的波形及其出现的概率。,单边功率谱密度：,22,功率谱密度计算举例:,1.单极性二进制信号设一个单极性二进制信号g1(t)=0，g2(t)=g(t)，则其双边功率谱密度为,当P=1/2，且g(t)为矩形脉冲,故单极性二进制信号的功率谱密度为,23,24,单极性不归零码的功率谱密度图,25,2、单极性归零码的功率谱密度,26,27,28,单极性归零码的功率谱密度图,29,3.双极性不归零码设信号g1(t)=-g2(t)=g(t)，则由其构成的随机序列的双边功率谱密度为：当P=1/2时，上式可以改写为若g(t)为矩形脉冲，则将其频谱G(f)代入上式可得,30,5.6基带数字信号传输与码间串扰5.6.1基带数字信号传输系统模型设：GT(f)发送滤波器的传输函数，GR(f)接收滤波器的传输函数，C(f)信道的传输函数，H(f)=GT(f)C(f)GR(f),31,假定输入基带信号的基本脉冲为单位冲击(t)，这样发送滤波器的输入信号可以表示为,其中ak是第k个码元，对于二进制数字信号，ak的取值为0、1(单极性信号)或-1、+1(双极性信号)。,式中h(t)是H()的傅氏反变换，是系统的冲击响应，可表示为,32,例如要对第k个码元ak进行判决，应在t=kTs+t0时刻上（t0是信道和接收滤波器所造成的延迟）对y(t)抽样，,信号,码间串扰,随机干扰,码间串扰相邻码元间的互相重叠,33,在二进制数字通信时，ak的可能取值为“0”或“1”，判决电路的判决门限为V0，判决规则为:当y(kTs+t0)V0时，判ak为“1”当y(kTs+t0)V0时，判ak为“0”,为了使误码率尽可能的小，必须最大限度的减小码间串扰和随机噪声的影响。,34,码间干扰示意图,35,5.6.2码间串扰及奈奎斯特准则码间串扰产生的原因系统总传输特性H(f)不良。克服码间串扰的原理设：系统总传输函数H(f)具有理想矩形特性：式中，T为码元持续时间当系统输入为单位冲激函数(t)时，抽样前接收信号波形h(t)应该等于H(f)的逆傅里叶变换：,36,由图(b)可见，h(t)的零点间隔等于T，只有原点左右第一个零点之间的间隔等于2T。在理论上，可以用持续时间为T的码元进行传输而无码间串扰。如图(c)所示。这时，传输带宽：W=1/(2T)Hz传输速率:RB=(1/T)波特速率带宽比:RB/W2Baud/Hz奈奎斯特速率,37,如何理解W与RB的关系,采用理想低通的系统，若使码元之间不会产生串扰当码元速率RB一定时，最小的信道带宽为RB/2；当信道带宽W一定时，最大的码元速率为2W,38,理想低通传输特性的特点：,传输效率高。,系统传输特性物理实现极为困难。,波形衰减震荡幅度大，要求严格同步。,39,实用无码间串扰传输特性：要求传输函数是实函数，且在f=w处奇对称，称为奈奎斯特准则。,40,滚降系统的频带利用率,41,滚降频谱特点：,系统传输特性可实现。,波形衰减震荡幅度小，同步要求低。,牺牲一定的传输效率。,42,例5.3若在03000Hz频段的理想信道上传输12000bit/s的二进制信号和四进制信号，哪个有码间串扰，哪个没有码间串扰？,43,例5.4试判断下面传输函数中哪个有串扰,哪个没有串扰?,44,解(1),叠加后在中间那个区间内不是常数,因此不满足无码间串扰条件,会产生串扰,45,解(2),叠加后在中间那个区间内是常数,因此满足无码间串扰条件,不会产生串扰,通信原理2007年,第五章数字基带传输系统习题,51、设二进制符号序列为110010001110，试以矩形脉冲为例，分别画出相应的单极性码型，双极性码波形，单极性归零码波形，双极性归零码波形，二进制差分码波形。,通信原理2007年,第五章数字基带传输系统习题,【题52】为了传输码元速率的数字基带信号，试问系统采用如下图中哪种传输特性较好，并说明其理由。,第五章数字基带传输系统习题,通信原理2007年,第五章数字基带传输系统习题,解：,根据奈奎斯特准则可以证明，（a）、（b）、（c）三种传输函数均能满足无码间干扰的要求。下面我们从频带利用率、实现的难易程度分析对比三种传输函数的好坏。,（1）频带利用率,通信原理2007年,第五章数字基带传输系统习题,三种波形的传输速率均为，传输