通信原理第6章1-课件

第6章数字基带传输系统基带传输系统的抗噪声性能、眼图无码间串扰的基带传输特性数字基带信号传输与码间串扰数字基带信号常用码型数字基带信号及其频谱特性部分响应系统和时域均衡1通信原理第6章基本概念一个数字通信系统的模型第6章数字基带传输系统图1-5数字通信系统模型从消息传输角度看，系统包括了两个重要的变换1、消息与数字基带信号之间的变换；2、数字基带信号与信道信号之间的变换。在数字通信中并非所有通信系统都要经过这两个变换过程不经过调制和解调过程而让数字基带信号直接进行传输，我们称之为数字信号的基带传输2通信原理第6章6.1数字基带信号及其频谱特性所谓数字基带信号，就是消息代码的电波形。数字基带信号的类型很多，本节以由矩形脉冲构成的基带信号为例，研究这些基带信号的时域波形、频谱波形以及功率谱密度波形。6.1.1数字基带信号单极性不归零信号单极性归零信号双极性不归零信号双极性归零信号3通信原理第6章6.1数字基带信号及其频谱特性一、单极性不归零信号6.1.1数字基带信号1、时域波形2、编码基带信号的0电位对应于二进制符号0;正电位对应于二进制符号13、特点不足：单极性不归零信号在一个码元时间内，不是有电压(或电流),就是无电压(或电流),电脉冲之间没有间隔，不易区分识别；会积累直流分量。4通信原理第6章6.1数字基带信号及其频谱特性二、单极性归零信号6.1.1数字基带信号1、时域波形2、编码发"1"码时对应于正电位，但持续时间短于一个码元的时间宽度，即发出一个窄脉冲，当发"0"码时，仍然完全不发送电流3、特点不足：根据脉冲宽度与传输频带宽度成反比的关系，因而归零码在信道上占用的频带就较宽；会积累直流分量。5通信原理第6章6.1数字基带信号及其频谱特性三、双极性不归零信号6.1.1数字基带信号1、时域波形2、编码基带信号的负电位对应于二进制符号0;正电位对应于二进制符号13、特点想一想6通信原理第6章6.1数字基带信号及其频谱特性四、双极性归零信号6.1.1数字基带信号1、时域波形2、编码负的窄脉冲对应于二进制符号0;正的窄脉冲对应于二进制符号1，此时对应每一符号都有零电位的间隙产生，即相邻脉冲之间有零电位的间隔。小结:不归零信号在传输中难以确定一位的结束和另一位的开始，需要用某种方法使发送器和接收器之间进行定时或同步;归零码的脉冲较窄，根据脉冲宽度与传输频带宽度成反比的关系，因而归零码在信道上占用的频带就较宽。单极性信号会积累直流分量，双极性信号的直流分量会大大减少，这对数据传输是很有利的。7通信原理第6章6.1数字基带信号及其频谱特性五、差分信号6.1.1数字基带信号1、时域波形2、在差分码中，“1”、“0”分别用电平跳变或不变来表示。若用电平跳变来表示“1”，称为传号差分码（在电报通信中，常把“1”称为传号，把“0”称为空号），如图所示。若用电平跳变来表示“0”，称为空号差分码。差分码也称相对码，而相应地称前面的码为绝对码。3、特点优点：即使接收端收到的码元极性与发送端完全相反，也能正确地进行判决。8通信原理第6章6.1数字基带信号及其频谱特性五、多电平信号6.1.1数字基带信号1、时域波形2、在多电平码中，不同码元分别用不同电平来表示。相邻电平的间隔相同，在编码时最好反相的码元波形上也为反相。3、特点优点：大大提高频带利用率。不足：抗噪声性能降低。9通信原理第6章6.1数字基带信号及其频谱特性一、时域表示6.1.2数字基带信号的频率特性用g1(t)表示二进制符号1,g0(t)表示二进制符号0,码元宽度为Ts

。10通信原理第6章6.1数字基带信号及其频谱特性二、功率普密度计算6.1.2数字基带信号的频率特性b(t)截短函数为：则功率普密度为：而：11通信原理第6章6.1数字基带信号及其频谱特性二、功率普密度计算6.1.2数字基带信号的频率特性1、稳态分量wT(t)的功率谱密度bT(t)的稳态分量为12通信原理第6章6.1数字基带信号及其频谱特性二、功率普密度计算6.1.2数字基带信号的频率特性2、交变分量jT(t)的功率谱密度bT(t)的交变分量为13通信原理第6章6.1数字基带信号及其频谱特性二、功率普密度计算6.1.2数字基带信号的频率特性3、b(t)的功率谱密度14通信原理第6章6.1数字基带信号及其频谱特性二、功率普密度计算6.1.2数字基带信号的频率特性对于单极性不归零码当P=1/2时15通信原理第6章6.1数字基带信号及其频谱特性二、功率普密度计算6.1.2数字基带信号的频率特性对于双极性不归零码当P=1/2时16通信原理第6章6.2基带信号的常用码型6.2.1数字基带信号的码型设计原则数字基带信号是数字信号的电脉冲表示，不同形式的数字基带信号具有不同的频谱结构，合理地设计数字基带信号以使数字信息变换为适合于信道传输特性的频谱结构，是基带传输首先要考虑的问题。通常又把数字信息的电脉冲表示过程称为码型变换，在有线信道中传输的数字基带信号又称为线路传输码型。数字基带信号的频谱中含有丰富的低频分量乃至直流分量。当传输距离很近时，高频分量衰减也不大。但是数字设备之间长距离有线传输时，高频分量衰减随距离的增加而增大，同时信道中通常还存在隔直流电容或耦合变压器，因而传输频带的高频和低频部分均受限。17通信原理第6章6.2基带信号的常用码型6.2.1数字基带信号的码型设计原则在设计数字基带信号码型时应考虑以下原则:线路传输码的频谱中无直流分量和只有很小的低频分量;线路传输码的编译码过程应与信源的统计特性无关;便于从基带信号中提取定时信息;基带传输信号具有内在的检错能力;尽可能提高传输码型的传输效率。18通信原理第6章6.2基带信号的常用码型6.2.2线路传输码举例19一、AMI码---传号交替反转码2、AMI码的特点:▲由AMI码确定的基带信号中正负脉冲交替，而0电位保持不变;所以由AMI码确定的基带信号无直流分量，且只有很小的低频分量;▲不易提取定时信号，由于它可能出现长的连0串。3、解码规则从收到的符号序列中将所有的-1变换成+1后，就可以得到原消息代码1、编码规则:消息代码中的0→传输码中的0消息代码中的1→传输码中的+1、-1交替例如:消息代码:

10

10

1000

10

1

1

1

AMI码:+10-10+1000-10+1-1+119通信原理第6章6.2基带信号的常用码型6.2.2线路传输码举例20二、HDB3码---三阶高密度双极性码1、编码规则:例如:消息代码:100001000011000011

AMI码:

+10000-10000+1-10000+1-1

HDB3码：+1000+-1000-+1-1+00+-1+1①先将消息代码变换成AMI码，若AMI码中连0的个数小于4,此时的AMI码就是HDB3码;②若AMI码中连0的个数大于等于4,则将每4个连0小段的第4个0变换成与前一个非0符号(+1或-1)同极性的符号,用V表示(+1V+,-1V-);③为了不破坏极性交替反转，当相邻符号之间有偶数个非0符号时，再将该小段的第1个0变换成＋或-（B称为调节脉冲）,符号的极性与前一非符号的相反，并让后面的非零符号从符号开始再交替变化。20通信原理第6章6.2基带信号的常用码型6.2.2线路传输码举例21二、HDB3码---三阶高密度双极性码2、HDB3码的特点:①由HDB3码确定的基带信号无直流分量，且只有很小的低频分量;②HDB3中连0串的数目至多为3个，易于提取定时信号。③编码规则复杂，但译码较简单。3、解码规则①从收到的符号序列中找到破坏极性交替的点，可以断定符号及其前面的3个符号必是连0符号，从而恢复4个连码;②再将所有的-1变换成+1后，就可以得到原消息代码。21通信原理第6章6.2基带信号的常用码型6.2.2线路传输码举例22三、PST码---成对选择三进码1、编码规则:①先将二进制的消息代码划分为两个码元一组的码组序列;②再把每一码组编码成两个三进制数字(+-0)。③为防止PST码的直流漂移，当在一个码组中仅发送单个脉冲时，+-模式应交替变换。下表给出了其中一种使用最广的格式。二进制代码+模式-模式00-+-+010+0-10+0-011+-+-代码:1000110110110011+模式:+0-++-0-+0+--++--模式-0-++-0+-0+--++-例如:举例：22通信原理第6章6.2基带信号的常用码型6.2.2线路传输码举例232、PST码的特点:①由PST码确定的基带信号无直流分量;②因两位三进制数字共有9种状态，所以可灵活地选择其中的4种状态；③编码简单;④PST码在识别中需建立帧同步。3、解码规则编码的逆过程三、PST码---成对选择三进码23通信原理第6章6.2基带信号的常用码型6.2.2线路传输码举例四、Manchester码---双相码1、编码规则:消息代码中的0传输码中的01(0相位的一个周期的方波)消息代码中的1传输码中的10(π相位的一个周期的方波)例如:举例：代码:01100101双相码:01101001011001102、PST码的特点:①由Manchester码确定的基带信号无直流分量;②Manchester码能提供足够的定时分量；③编码简单;3、解码规则编码的逆过程曼彻斯特编码用在以太网24通信原理第6章6.2基带信号的常用码型6.2.2线路传输码举例25五、差分Manchester码---也是一种双相码1、编码规则:这种编码的码元中间的电平转换边只作为定时信号，而不表示数据。数据的表示在于每一位开始处是否有电平转换：有电平转换表示0，无电平转换表示1。差分曼彻斯特编码用在令牌环网中例如:举例：2、差分Manchester码的特点:Manchester码+差分码3、解码规则编码的逆过程代码:01100101差分双相码:010101100101101025通信原理第6章6.2基带信号的常用码型6.2.2线路传输码举例26五、Miller码又称延迟调制码，可看成是双相码的变形①消息代码中的1用10或01表示;且与相邻码元的边界处也不跳变。②消息代码中的0分两种情况:▲单个“0”：在码元持续时间内不出现电平跳变，且与相邻码元的边界处也不跳变;▲连“0”串：在两个"0"码的边界处出现电平跳变，即"00"与"11"交替。例如:举例：代码:01100101Miller码：00011000111000011、编码规则:26通信原理第6章6.2基带信号的常用码型6.2.2线路传输码举例27五、Miller码又称延迟调制码，可看成是双相码的变形①由Miller码确定的基带信号无直流分量;②Miller码中出现最大宽度为2TS的波形，这一性质可用于误码检测例如:2、Miller码特点:3、解码规则编码的逆过程27通信原理第6章6.2基带信号的常用码型6.2.2线路传输码举例28五、CMI码---传号反转码CMI码型中有较多的电平跃变，因此含有丰富的定时信息例如:2、CMI码特点:3、解码规则编码的逆过程1、编码规则:①消息代码中的1用11或00交替表示;②消息代码中的0用01表示。28通信原理第6章6.3数字基带信号传输与码间串扰6.3.1基带脉冲传输29基带信号传输系统的典型模型例如:波形形成的功能是产生适合于信道传输的基带信号波形。传输信道是广义的，它可以是传输介质，也可以是带调制解调器的调制信道。接收滤波器的作用是:使噪声尽量地得到抑制，而使信号通过。抽样判决器将收到的波形恢复成脉冲序列，最后经码型译码，得到发送端所要传输的原始信息码元。29通信原理第6章6.3数字基带信号传输与码间串扰6.3.2码间干扰30码间干扰的概念例如:波形形成的传递函数为G

(w)gT(t)传输信道的传递函数为C(w)c(t)接收滤波器的传递函数为R(w)r(t)这里:30通信原理第6章6.3数字基带信号传输与码间串扰31例如:在采样时刻(t=kTS):码间干扰第k个接收波形在抽样时刻kTS的取值加性干扰抽样判决规则为:只有当码间干扰和随机干扰很小时，才能基本保证上述判决的正确;因此，基带传输系统若要获得足够小的误码率，必须最大限度地减小码间干扰和随机噪声的影响。6.3.2码间干扰码间干扰的概念31通信原理第6章6.4无码间串扰的基带传输特性32而:问题归结为:什么样的H(w)能够形成最小码间干扰的输出波形?---奈奎斯特第一准则6.4.1产生码间干扰的因素32通信原理第6章6.4无码间串扰的基带传输特性336.4.2奈奎斯特第一准则无码间干扰的条件而:在积分区间上角频率间隔2π/TS分割一、奈奎斯特第一准则推导33通信原理第6章6.4无码间串扰的基带传输特性346.4.2奈奎斯特第一准则求和与积分的次序可以互换,同时把w1记作w对照对照34通信原理第6章6.4无码间串扰的基带传输特性356.4.2奈奎斯特第一准则二、奈奎斯特第一准则的理解35通信原理第6章6.4无码间串扰的基带传输特性366.4.2奈奎斯特第一准则三、满足奈奎斯特第一准则的基带传输系统的设计①理想低通特性频带宽为B=1/2TS码元速率为B=1/TS，频带利用率为2波特/赫设系统频带为B赫，则该系统无码间干扰时最高的传输速率为2B波特，我们把这个传输速率称为奈奎斯特速率。尾巴衰减慢，对定时精度要求高36通信原理第6章6.4无码间串扰的基带传输特性376.4.2奈奎斯特第一准则三、满足奈奎斯特第一准则的基带传输系统的设计①升余弦滚降特性基带信号的带宽通常定义在区间（-2π/TS,2π/TS）上，所以考察H(w)在此区间上的特性才有实际价值。即：m取-1，0，+137通信原理第6章6.4无码间串扰的基带传输特性386.4.2奈奎斯特第一准则三、满足奈奎斯特第一准则的基带传输系统的设计②升余弦滚降特性其中α=w2/w1为滚降系数w1是无滚降时的截止频率w2为滚降部分的截止频率系统带宽B为(1+α)/2TS频带利用率：η=2/(1+α)38通信原理第6章6.4无码间串扰的基带传输特性396.4.2奈奎斯特第一准则三、满足奈奎斯特第一准则的基带传输系统的设计它的"尾巴"衰减比较快，这对于减小码间干扰及对定时都有利。但由于升余弦特性的频谱宽度变宽，因而，频带利用率减小。②升余弦滚降特性39通信原理第6章6.5基带传输系统的抗噪声性能6.5.1无码间干扰的基带传输系统叠加噪声40基带传输系统在无码间干扰又无噪声的情况下，通过抽样判决电路就能够没有差错地恢复出原始的基带信号。但是当存在加性噪声时，即使无码间干扰，判决电路也不能够保证无差错地恢复出原始的基带信号。判决门限为0电平时抽样判决规则为:抽样值大于0电平时，判为"1";抽样值小于0电平时，判为"0"。无噪声时能够恢复出原基带信号有噪声时就可能出现判决错误40通信原理第6章6.5基带传输系统的抗噪声性能6.5.2双极性不归零码误码率推导41第一种情况是，发送的是"1"码，却被判为"0"码:图中蓝色阴影部分41通信原理第6章6.5基带传输系统的抗噪声性能6.5.2双极性不归零码误码率推导42第2种情况是，发送的是“0"码，却被判为“1"码:图中红色阴影部分42通信原理第6章6.5基带传输系统的抗噪声性能6.5.2双极性不归零码误码率推导43若用P(1)表示发送“1”的概率，P(0)表示发送“0”的概率，则基带系统总的误码率为:最佳判决门限电平:令:P(0)=P(1)=1/2,则43通信原理第6章6.5基带传输系统的抗噪声性能6.5.3单极性不归零码误码率推导44第一种情况是，发送的是"1"码，却被判为"0"码:图中蓝色阴影部分44通信原理第6章6.5基带传输系统的抗噪声性能6.5.3单极性不归零码误码率推导45第2种情况是，发送的是“0"码，却被判为“1"码:图中红色阴影部分45通信原理第6章6.5基带传输系统的抗噪声性能6.5.3单极性不归零码误码率推导46若用P(1)表示发送“1”的概率，P(0)表示发送“0”的概率，则基带系统总的误码率为:最佳判决门限电平:令:P(0)=P(1)=1/2,则46通信原理第6章6.6眼图47在实际信道中，传输特性总是偏离理想情况。特别是信道特性不完全确定时，得不到定量分析方法。

在实际工作中，常用示波器来观察接收信号波形以判决系统的传输质量，其方法是把示波器的扫描周期调整到码元间隔T的整数倍。在这种情况下，示波器荧光屏上就能显示出一种由多个随机码元波形所共同形成的稳定图形，类似于人眼，因此称为眼图。47通信原理第6章6.6眼图48为了分析符号间干扰和噪声对传输质量的影响，将眼图模型化从图中得到以下的分析：1.对接收波形的最佳取样时刻应出现在眼的最张开处；2.眼孔随取样时刻变化而改变其闭合的程度，表示系统对定时误差的灵敏度，也就是眼图上边（或下边）的两条人字形斜线收得越拢，灵敏度越高，对系统的影响越大；3.中央的横轴位置对应于判决门限电平4.噪声边际或噪声容限是由取样时刻（不一定是最佳时刻）距离判决门限最近的迹线到判决门限的距离所决定；5.阴影区的垂直高度表示在抽样时刻信号的畸变程度；6.有些接收机的定时标准是从通过判决门限点的平均位置决定的，过零畸变对定时标准的提取影响很大。。48通信原理第6章6.7

部分响应系统6.7.1奈奎斯特第二准则49Sa(x)的频谱为理想矩形，我们把两个时间上相隔一个码间时间Ts的Sa(x)波形相加相加后的波形为:有控制地在某些码元的抽样时刻引入码间干扰，而在其余码元的抽样时刻无码间干扰，就能使频带利用率达到理论上的最大值，同时又可降低对定时精度的要求。通常把满足奈奎斯特第二准则的波形称为部分响应波形。利用部分响应波形进行传送的基带传输系统称为部分响应系统。6.7.2部分响应波形的实例49通信原理第6章6.7

部分响应系统50g(t)为w为奈奎斯特频率间隔，即w=

1/2Ts。g(t)的频谱函数G(w)为:6.7.2部分响应波形的实例50通信原理第6章6.7

部分响应系统51

，，从中可以看出:①g(t)的分母中有t2项，所以其"尾巴"幅度比Sa(x)波形衰减大、收敛也快;②g(t)带宽与Sa(x)波形相同，将其作为系统的基本传输波形，可以达到每赫兹2Baud的码元速率---奈奎斯特速率），③输入数据若以1/TS波特速率传送时，则在抽样时刻上仅是发送码元与其前后码元相互干扰，而与其他码元不发生干扰。由得：6.7.2部分响应波形的实例51通信原理第6章6.7

部分响应系统6.7.3部分响应系统的码间干扰52

，设输入的二进制码元序列为(ak)，设(ak)的取值为+1、-1,当发送码元a(k)时，接收波形g(t)在相应抽样时刻上的值Dk为则有其中ak-1表示ak

前一码元在第k个时刻上的抽样值。的可能取值有三种情况，即0、+2、-2。如果ak-1码元已经判定，则由接收端收到的Dk减去ak-1可能得到ak的值。该判决方法在理论上是可行的，但可能会造成错误的传播，即只要一个码元发送错误，则这种错误会相继影响后续的码元---误码扩散。利用部分响应波形作为传送波形，系统的频带利用率可以达到2波特/赫。其代价是:存在一定的码间干扰。52通信原理第6章6.7

部分响应系统6.7.4第一类部分响应编码的一般原理(相关编码)53例如:

，，预编码-相关编码-模2判决▲预编码规则为：(模2加)ak是发送的数据序列，ak和ck是2进制。▲相关编码规则为：

(算数加)▲收端由Dk判决ak，在二进制时采用模2处理所以也不会出现误码扩散问题。53通信原理第6章6.7

部分响应系统6.7.5部分响应波形的推广54例如:

，，这是N个间隔TS的Sa(t)波形的和，其中R1,R2…RN为N个冲激响应波形的加权系数，对应的频谱函数G(w}为:54通信原理第6章6.7

部分响应系统6.7.6部分响应相关编码的一般规则55例如:

，，根据Ri，N的取值不同，将部分响应编码分为5类，如P163表6-1预编码-相关编码-模L判决▲预编码规则为：(模L加)ak是发送的数据序列，ak和ck是L进制。▲相关编码规则为：

(算数加)▲收端由Dk判决ak，在L进制时采用模L处理所以也不会出现误码扩散问题。55通信原理第6章6.8时域均衡6.8.1均衡的基本概念及分类56例如:

，，一、均衡的基本概念在基带传输中，除了噪声，符号间干扰是影响传输质量的主要因素。尽管在设计系统形成滤波器时是按照奈氏第一准则的要求，但是，在实际通信时，总的传输特性将会偏离理想特性，这就会引起符号间干扰，要克服这种偏离采用均衡。二、均衡的分类均衡器又分为频域均衡器和时域均衡器。频域均衡的思路是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性，以达到所要求的理想形成波形，从而消除符号间干扰，是以保持形成波形的不失真为出发点的；时域均衡的思路是根据大多数高、中速数据传输设备的判决可靠性，都是建立在消除取样点的符号间干扰的基础上，并不要求传输波形的所有细节都与奈氏准则所要求的理想波形一致，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。56通信原理第6章6.8时域均衡6.8.2时域均衡的基本原理57例如:

，，目前时域均衡的常用方法是在基带信号接收滤波器R(w)之后插入一个横向滤波器，它由一条带抽头的延时线构成。抽头间隔等于码元周期，每个抽头的延时信号经加权后送入一个相加电路后输出。如图所示。每个抽头的加权系数是可调的。57通信原理第6章6.8时域均衡6.8.2时域均衡的基本原理58例如:

，，

横向滤波器插入在基带系统的接收滤波器和判决器之间。输入来自接收滤波器的输出，输出为均衡结果，送至判决器进行判决，如图所示。

横向滤波器输入、输出波形58通信原理第6章6.8时域均衡6.8.2时域均衡的基本原理59例如:

，，

不考虑噪声影响。重新写出横向滤波器的冲激响应为其对应的频谱特性为横向滤波器的输出为59通信原理第6章6.8时域均衡6.8.2时域均衡的基本原理60例如:

，，时域均衡的目标：调整各增益加权系数Ck使得除n=0外y(t)在奈氏各取样点上的值均为零，这就消除了码间干扰。对于有限级横向滤波器：（１）只有横截滤波器→∞时，才能完全消除符号间干扰。（２）响应波形一般总是随着的增加迅速衰减。当横截滤波器的抽头数2+1足够大时，码间干扰有可能足够小而不影响判决的可靠性。（３）用时域均衡来消除一定范围内的符号间干扰，关键是如何选择各抽头的增益加权系数{}。（４）实际时域均衡器的实现还涉及有关失真准则和调节（自动）原理，如最小峰值失真准则、最小均方误差失真准则；预置式自动均衡和自适应均衡等调节原理。既然采用有限抽头数的横向滤波器时，不可能完全消除码间干扰，那么，此时如何衡量均衡的效果呢？通常采用两种准则:60通信原理第6章6.8时域均衡61例如:

，，我们希望除k=0外，所有的yk

都等于零。即根据式（8.106）及式(8.107)，可以列出求解

ci

的矩阵方程为61通信原理第6章6.8时域均衡62例如:

，，

实际系统中在给定x(t)

各样点值xk-i的情况下，调节ci

使k=0

以外的有限个yk

值等于零是可能的。例:已知三抽头横向滤波器，即(2N+1)=3，如图所示。设输入信号的样点值为x-2=0.05,x-1=-0.2,x0=1,x1=-0.3,x2=0.1,其它xn=0。要求y-1=0,y0=1,y+1=0

。试用“迫零”调整法求解抽头增益的值，即求解c-1

，c0

，c1

的值。

三抽头横向滤波器62通信原理第6章6.8时域均衡63例如:

，，求解逆阵得即抽头增益为

可见，输出波形中，