北邮通信原理课件-第五章1

1、第五章 数字信号的基带传输1516学时如何表达离散符号？如何在基带频带上传输这样的信号？1为什么采用数字通信系统数字电路信号处理技术(算法)纠错编码技术能否采用数字通信系统？实际的信号，多数是模拟信号数字信号近似表达模拟信号抽样、量化精度问题25.1 引言符号：消息的表达，二进制，多进制信号波形：一个物理信号，可以用函数描述， 有幅度，有相角数字调制器：把符号映射成物理信号的系统数字信号：数字调制器的输出，本身就是一个模拟信号， 因其携带数字符号信息得名。数字调制器的载波：一般是周期性的脉冲。数字基带信号、基带信道、数字基带传输系统：功率谱密度在零频附近的数字信号通带在零频附近的信道信号和信道

2、均为基带的传输系统。35.1 引言数字通信系统中，信号的变化4 数字基带信号传输系统框图abcefg脉冲形成器发送滤波器信道接收滤波器抽样判决器码元再生同步提取定时脉冲噪声5各点波形65.1.2 几个定义信息量的单位:（比特，奈特，etc）若离散信源是由两种符号组成的集合，并且满足如下两个条件：符号等概出现各符号之间统计独立 则定义此信源输出的每个符号包含的信息量为1个比特(bit)，称此比特为信息量的单位。上述条件满足时，符号包含的信息量为最大值，不独立或者不等概时所包含的信息量小于 1bit。7信息速率： （比特/秒） 数字系统单位时间传输的信息量。单位bit/s如果二进制信源的输出符号独

3、立&等概，则信息速率等于单位时间传输的二进制符号数量。8码元传输速率：（波特）是一个数字传输系统平均每一秒钟所传输的符号个数。码元间隔 Ts表示每隔Ts 时间发送了一个符号。 也称符号速率单位为波特(baud)，含义为每秒符号数9信息速率与码元传输速率的关系：M进制数字通信系统：表示K个二进制符号映射成一个M进制符号为二进制符号速率，为M进制符号速率，令：则：信源满足独立等概条件，则信息速率也为 ：单位为bit/sbaud10误比特率&误符号率：误比特率：二进制系统，发端发送符号 ， 收端接收到的符号 ，两者不等的概率：误符率： M进制系统，发端发送符号 ， 收端接收到的符号 ，两者不等的概率

4、：误符率也称误码率11频带利用率：如果一个数字通信系统的信息传输速率是Rb ，该系统所占用的带宽是B，则其频带利用率是Rb/B （bit/s/Hz）。或者按波特率来衡量：如果一个数字通信系统的符号输速率是 Rs，该系统所占用的带宽是B，则其频带利用率是 Rs/B （Baud/Hz）。 125.2 数字基带信号波形及其功率谱密度脉冲幅度调制信号，PAM数字序列调制脉冲载波的幅度脉冲位置调制信号，PPM数字序列调制脉冲载波的脉冲位置脉冲宽度调制信号，PDM数字序列调制脉冲载波的脉冲宽度数字脉冲调制载波为周期性脉冲135.2.1 PAM（二进制或者M进制）PAM可以看成是信号 驱动一个冲激响应为 的

5、线性系统所得。 145.2.2 常用的PAM信号波形（码型）I155.2.2 常用的PAM信号波形（码型）II单极性归零信号功率谱密度包含时钟分量及其奇次谐波单极性不归零信号功率谱密度16单极性RZ（半占空）有直流分量及时钟的奇次谐波分量175.2.2 常用的PAM信号波形 III18双极性不归零信号功率谱密度双极性归零信号功率谱密度5.2.2 常用的PAM信号波形 IV19双极性NRZ主瓣占总能量的91%205.2.2 常用的PAM信号波形 V21差分波形：单极性不归零信号5.2.2 常用的PAM信号波形 VI差分编码等概、独立：差分码与绝对码有相同的功率谱密度225.2.2 常用的PAM信

6、号波形 VII多电平信号：双极性,等概率,不归零235.2.3 数字PAM信号功率谱密度 I平稳过程？相关函数功率谱密度循环平稳过程？相关函数功率谱密度时间平均24广义平稳随机序列为广义平稳随机序列：预备知识：符号之间不相关25PAM信号为循环平稳随机过程周期函数，周期为：均值的特点？26周期函数，周期为：故：s(t)为循环平稳随机过程自相关函数的特点？PAM信号为循环平稳随机过程27PAM信号的时间平均自相关函数28PAM信号的功率谱密度其中：的功率谱密度29符号之间不相关时平稳随机序列的功率谱密度由定义：为实序列且符号之间不相关：30符号之间不相关时平稳随机序列的功率谱密度随机过程S(t)

7、的功率谱密度：连续谱线谱若MPAM信号均值为零，则：31例题 求单极性不归零二元码的功率密度谱。 325.2.4 常用线路码型60KHz同轴电缆：单极性不归零码：335.2.4 常用线路码型概述：基带传输时，采用的一些基带数字信号，主要用于基带设备连接（如交换机连接传输设备、网卡连接hub等）、磁记录、以及其它用途。设计原则符合信道的特性高频分量少便于提取符号同步信号减少误码扩散便于误码检测：内在的检错能力尽量高的编码效率345.2.4 常用线路码型常用线路码型(1)AMI码(2)HDB3码(3)CMI码(4)Manchester码(5)延迟调制码35极性交替转换码(AMI码)-1编码规则：将

8、二进制消息代码“1”（传号）交替地变换为传输码的“十1”和“一1”，而“0”（空号）保持不变；消息序列： 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1AMI码： +1 0 0 -1 +1 0 0 0 0 0 0 0 -1 +1 0 0 -1 +1传号交替反转半占空脉冲36AMI主瓣占81%的能量，92%的能量在2Rb内不含直流成分高低频分量少能量集中在频率为1/2码速处37极性交替转换码(AMI码)-2AMI码对应的基带信号是正负极性交替的半占空脉冲序列，而0电位保持不变。AMI码的优点：（1）由于+1与-1交替，AMI码的功率谱中不含直流成分，高、低频分量少，能量集

9、中在频率为1/2码速处。（2）位定时频率分量虽然为0，但只要将基带信号经全波整流变为单极性归零波形，便可提取位定时信号。（3）传号极性交替规律使得AMI码有一定的检错能力。AMI码的缺点：当原信码出现连“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。解决方法： HDB3码。 38仅画出主瓣39 HDB3码：欧洲、中国PCM一、二、三次群的接口标准。在AMI基础上克服了长连0问题。40三阶高密度(HDB3)码-1 编码规则：最多有三个连续“0”（1）按AMI码的规则编码，即传号极性交替；（2）当连“0”个数超过3时，则将第4个“0”改为V符号，与前面一个非“0”符号极性相同，记为V或

10、-V，称为破坏符号。（3）相邻V 符号的极性必须交替出现，以确保编好的码中无直流；当相邻V符号之间有奇数个非“0”符号时，此项要求得到满足。当相邻V符号之间有偶数个非零符号时，将四连“0”的第一个“0”更改为B符号，其极性与前一非“0”符合相反，第四个“0”更改为V符号，其极性与B符号相同。该B符号后面的非“0”符号从V符号开始再保持极性交替，其后面的第一个非“0”符号与该B符号极性相反。（4）原来的传号与B符号合起来要保持极性的交替；V符合保持极性交替。41 三阶高密度(HDB3)码-2编码举例：序列： 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1AMI码： +1

11、0 0 0 0 -1 0 0 0 0 +1 -1 0 0 0 0 +1 -1V符号： +1 0 0 0 +V -1 0 0 0 -V +1 -1 0 0 0 -V +1 -1B符号： +1 0 0 0 +V -1 0 0 0 -V +1 -1 +B 0 0 +V -1 +1HDB3： +A 0 0 0 +V -A 0 0 0 -V +A -A +B 0 0 +V -A +AV符号应该保持极性交替反转，无直流分量传号、B符号一起，极性交替反转V符号极性交替反转?V符号与前一非零符号同极性B符号与前一非零符号反极性42三阶高密度(HDB3)码-3译码规则：找到破坏极性反转的比特 ；该比特以及该比特

12、前面的三个比特，译码为“0”幅度为A以及A的比特译码为1HDB3： +1 0 0 0 +V -1 0 0 0 -V +1 -1 +B 0 0 +V -1 +1信号 ： +A 0 0 0 +A -A 0 0 0 -A +A -A +A 0 0 +A -A +A译码 ： +1 0 0 0 +1 -1 0 0 0 -1 +1 -1 +1 0 0 +1 -1 +1结果 ： 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 143HDB344HDB3 P(0)=0.745HDB3 P(1)=0.746 CMI码：规则：特点：有时钟频率的线谱分量，主瓣带宽2Rb交替出现47CMI连续谱能

13、量的80%在Rb内，90%在1.5Rb内48CMI P(0)=0.749CMI P(1)=0.750数字双相码(Manchester) -1代 码： 1 1 0 0 1 0 1双相码： 10 10 01 01 10 01 10 0，1符号都有电平跳变无直流分量带宽大一倍51Manchester(分相码、双相码)主瓣占89%的能量52分相码 P(0)=0.753数字双相码(Manchester) -2双相码只有极性相反的两个电平，因为双相码在每个码元周期的中心点都存在电平跳变，所以富含位定时信息；这种码的正、负电平各半，所以无直流分量，编码过程简单；带宽比原信码大1倍。双相码适用于数据终端设备在

14、近距离上传输，本地数据网常采用该码作为传输码型，信息速率可高达10Mb/s； 545 延迟调制码=密勒码+差分码：密勒码：规则：“0”x0 前一比特“0” x=1 前一比特“1” x=0 “1”01然后进行差分编码。最后，映射成波形：1 +A 0 -A特点：功率谱密度非常集中。55延迟调制码能量的80%在0.65Rb内，90%在1.5Rb内56延迟调制码 P(0)=0.7575.3 数字基带信号的接收低通滤波器匹配滤波器解调方案58采用低通滤波器的接收机低通滤波器的等效单边带宽59判决量&判决规则分别对应发送s1(t)或s2(t)n：噪声的抽样n与s独立60错误是如何发生的？AA-TVy0的判

15、决区域的判决区域发送符号发送符号61错误的概率62概率密度表达式n的概率密度：发送s1时：y=A+n发送s2时：y=-A+n635.3.1 利用低通滤波的解调及其误码率的计算最佳门限：645.3.1 利用低通滤波的解调及其误码率的计算平均误比特率（误符号率）当令：655.3.1 利用低通滤波的解调及其误码率的计算单极性不归零码的平均误比特率：当665.3.2 利用匹配滤波器的最佳接收 I 问题描述Tb0As1(t)tTb0-As2(t)675.3.2 利用匹配滤波器的最佳接收 II 发端符号“1”时，判决量y的统计特性发送符号“S1”时：匹配滤波器输出：对y(t)在 时抽样，样值为：比特能量高斯随机变量685.3.2 利用匹配滤波器的最佳接收 III 发端符号“1”时，判决量y的统计特性695.3.2 利用匹配滤波器的最佳接收 IV 发端符号“1”时，判决量y的统计特性高斯变量705.3.2 利用匹配滤波器的最佳接收 V 发端符号“0”时，判决量y的统计特性发送符号“S2”时：匹配滤波器输出：对y(t)在 时抽样，样值为：715.3.2 利用匹配滤波器的最佳接收 VI