第五章 基带传输(1).ppt

1、第五章 数字基带传输系统,通信原理,通信原理,主要内容,通信原理,基带传输和频带传输,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”,通信原理,研究基带传输的意义,基带传输是基础，任何频带传输都包括基带传输部分，而且对信号的处理均在基带部分完成。 任意线性调制均可等效成基带系统 实际的基带传输有一定的应用面，而且还在增加，例如以太网 主要用于近距离有线通信 基带传输是数字通信的主要内容之一。

2、,基带信号,频带信号,通信原理,数字基带传输系统模型,信道信号形成器：把原始基带信号变换成适合于信道传输的基带信号，主是通过码型变换和波形变换来实现，其目的是与信道匹配，便于传输，减小码间干扰，利于同步提取和抽样判决。 接收滤波器：滤除带外噪声，对信道特性均衡，使输出的信号有利于抽样判决。,通信原理,数字基带传输系统模型,a,c,e,f,g,d,码型变换 波形变换,*,g,1 0 1 1 1 1 0,通信原理,主要内容,通信原理,5.2 基带信号及其频谱特性,通信原理,数字基带信号,数字基带信号是指消息代码的电波形，它是用不同的电平或脉冲来表示相应的消息代码。,消息,代码的电波,基带信号就是这

3、些代码的电波形式,二进制或多 进制代码,通信原理,传输用的基带信号主要要求,（1）无平均直流成份，且低频、高频分量要小。 直流和低频容易被耦合等电路隔离 高频容易被线路的电容效应引起的回路损耗掉 （2）便于提取同步信息（定时脉冲） （3）不受信源统计性质影响。 （4）具有内在的检错能力。 （5）不会引起误码传递。 （6）码型变换设备简单可靠。,最常见的基带信号波形（由矩形脉冲组成）,通信原理,最常见的基带信号波形,单极性不归零脉冲 双极性不归零脉冲 单极性归零脉冲 双极性归零脉冲 差分码（相对码） 多电平波形,通信原理,单极性不归零脉冲,优点：简单,缺点：有直流、,最佳判决电平不确定,不能直接

4、提取同步（分析完频谱才能理解这一点）,通信原理,最常见的基带信号波形,单极性不归零脉冲 双极性不归零脉冲 单极性归零脉冲 双极性归零脉冲 差分码（相对码） 多电平波形,通信原理,双极性不归零脉冲,优点：无直流、,最佳判决电平确定(=0),缺点：不能直接提取同步（分析完频谱才能理解这一点）,通信原理,最常见的基带信号波形,单极性不归零脉冲 双极性不归零脉冲 单极性归零脉冲 双极性归零脉冲 差分码（相对码） 多电平波形,通信原理,单极性归零脉冲,缺点：有直流、,最佳判决电平不确定,优点：能直接提取同步（分析完频谱才能理解这一点）,通信原理,最常见的基带信号波形,单极性不归零脉冲 双极性不归零脉冲

5、单极性归零脉冲 双极性归零脉冲 差分码（相对码） 多电平波形,通信原理,双极性归零脉冲,优点：无直流、,最佳判决电平确定(=0),缺点：不能直接提取同步（分析完频谱才能理解这一点）、但是整流后就变成同步（CLK）,通信原理,最常见的基带信号波形,单极性不归零脉冲 双极性不归零脉冲 单极性归零脉冲 双极性归零脉冲 差分码（相对码） 多电平波形,通信原理,差分码,它与前四种基带信号不同，它的波形不直接与数码对应，而是用脉冲电平不变与跳变来表示“1”或“0”。,若用电平跳变表示“1”，则称传号差分码（常用）,设初始状态为高电平,通信原理,波形对比,单极性,双极性,单极性归零,双极性归零,差分码,0

6、1 1 0 1 0 0 1 1,A,-A,A,A,A,通信原理,最常见的基带信号波形,单极性不归零脉冲 双极性不归零脉冲 单极性归零脉冲 双极性归零脉冲 差分码（相对码） 多电平波形,通信原理,多电平脉冲,上述各种信号都是一个二进制符号对应一个脉冲。实际上还存在多于一个二进制符号对应一个脉冲的情形。这种波形统称为多电平波形或多值波形。例如，若令两个二进制符号00对应+3E，01对应+E，10对应-E，11对应+3E，则所得波形为4电平波形，在高数据速率传输系统中，采用这种信号形式是适宜的。,通信原理,传输用的基带信号主要要求,（1）无平均直流成份。 （2）便于提取同步信息（定时脉冲） （3）不

7、受信源统计性质影响。 （4）具有内在的检错能力。 （5）不会引起误码传递。 （6）码型变换设备简单可靠。 四种基本码型中，只有双极性归零码能满足前两条要求，但它仍受信源统计影响。实际上它已经是三电平码。,通信原理,常用基带信号波形,AMI码 HDB3码 数字双相码 密勒码 CMI码 5B6B码,通信原理,AMI码(Alternative Mark Inversion),AMI码的全称是传号交替反转码。是一种将消息代码0（空号)和1(传号)按如下规则进行编码的码：代码中“0”仍为0，而代码中的“1”交替地变换为+1、-1、+1、-1.。 消息代码：100 1 1000 1 1 1 l AMI 码

8、:+100 -1 +l000 1 +1 1 +1,通信原理,AMI码,这种基带信号无直流成分，且只有很小的低频成分，因而它特别适宜在不允许这些成分通过的信道中传输。AMI码编译码电路简单及便于观察误码情况，是一种基本的线路码，应用广泛。,出现长的连“0”时，提取位定时信号困难,优点,缺点,通信原理,1B1T码,由于AMl码的传号“1”交替反转，故由它决定的基带信号将出现正负脉冲交替，而空号“0” 始终为零电平。 它实际已把一个二进制符号序列变成了三个电平的脉冲序列，但它仍然传输的是二进制数码，因此，称它为准三进制数码。 我们把一个二进制数码变换成一个三进制数码所构成的码称为1B1T码。,通信原

9、理,常用基带信号波形,AMI码 HDB3码 数字双相码 密勒码 CMI码 5B6B码,通信原理,HDB3码,HDB3码是AMI码的改进型，其编码规则为： （1）当信码的连“0”个数不超过3时，仍按AMI码的规则编写，即传号极性交替； （2）当连“0”个数超过3时，则将第4个“0”改为非“0”脉冲，记为+V或-V，称之为破坏脉冲。相邻V码的极性必须交替出现，以确保编好的码中无直流； （3）为了便于识别， V码的极性应与其前一个非“0”脉冲的极性相同，否则，将四连“0”的第一个“0”更改为与该破坏脉冲相同极性的脉冲，并记为+B或-B； （4）破坏脉冲之后的传号码极性也要交替。 例如：,通信原理,H

10、DB3码,【例】1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 AMI码 + 0 0 0 - + - 0 0 + - HDB3码 + 0 0 0 - + - 0 0 + -,【例】2 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 AMI码 + 0 0 0 0 - 0 + - 0 0 0 0 0 + HDB3码 + 0 0 0 +V - 0 + - 0 0 0 V 0 +,通信原理,HDB3码,【例】3 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 AMI码 + 0 0 0 0 - + - + 0 0 0 0 0 - 0 + HDB3码 + 0 0 0 +V

11、- + - + -B0 0 -V 0 - 0 + +10 0 0 +1 -1+1-1+1-10 0 -1 0 -1 0+1,译码,只要从收到的脉冲序列中找到破坏脉冲。就可断定V脉冲前面的3个脉冲一定是0符号，从而恢复4个连0码，再将所有1变成1后便得到原消息代码。,0,通信原理,0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1,（a）,AMI,（b）,HDB3,HDB3码波形,通信原理,HDB3码,HDB3码的特点很明显的，它除了保持AMI码的优点外，由于连0数不会大于3所以对于定时信号的恢复十分有利。 HDB3码是CCITT推荐使用的传输码之一。,特 点,通信原理,AM

12、I码和HDB3码的功率谱,通信原理,常用基带信号波形,AMI码 HDB3码 数字双相码 密勒码 CMI码 5B6B码,通信原理,数字双相码,又称分相码或曼彻斯特码，它用一个周期的正负方波来代表“1”，而用它的反相表示“0，即用“10”表示“1”，用“01”表示“0”,由于每个码元间隔的中心部分都存在电平跳变，因此，比较容易提取位定时信号，无直流分量及直流漂移，编码容易。广泛用于局域网中作传输码,特 点,构 成,通信原理,常用基带信号波形,AMI码 HDB3码 数字双相码 密勒码 CMI码 5B6B码,通信原理,密勒码（延迟调制码）,“1”码用码元周期中点电平跳变表示，即01或10；而“0”码则

13、有两种情况，当出现单“0”时，在码元周期内不跳变;而遇连0时则在前一个0结束时出现电平跳变。它是数字双相码经一级触发器后得到的波形,可以检测传输误码。信号能量主要集中在二分之一码速的频率范围内，直流分量小，故频带窄，仅为数字双相码的一半。,特 点,构 成,-A,0,A,0 1 1 0 1 0 0 1 1,通信原理,常用基带信号波形,AMI码 HDB3码 数字双相码 密勒码 CMI码 5B6B码,通信原理,CMI码,与数字双相码类似，是一种二电平非归零码。通常是“11”和“00”交替地表示“1”码，而“01”表示“0”码,无直流分量，且频繁出现电平跳变，便于提取位定时信号。具有检错能力。该码已被

14、CCITT推荐为PCM四次群的接口码型。在光缆传输系统中有时也用作线路传输码型,特 点,构 成,-A,0,A,0 1 1 0 1 0 0 1 1,“10”和连续的“11” “00”都是不可能出现的，如果出现必定是错码，,通信原理,常用基带信号波形,AMI码 HDB3码 数字双相码 密勒码 CMI码 5B6B码,通信原理,5B6B码,是光纤数字传输系统中应用的一种线路传输码。 这是一类分组码，属于有限二进码中的一种，有限二进码是一种序列排列受到限制的二进码，它把原信息码流的n位二进制码作为一组，变换为m位二进制码作为新的码组。,通信原理,5B6B码,由于mn新码组可能有2m 种组合，故多出(2m

15、- 2n)种组合。 从中选择一部分有利码组作为可用码组，其余为禁用码组，以获得好的特性。光纤数字传输系统中应用的有限二进码通常是取m=n+1，5B6B码有26- 25=32个多余码组不用，在64个码组中选用32个码组，选含有3个“1”和3个“0”的平衡码组20个，其余码组在非平衡码组中选。 非平衡码组中有15个码组含4个“1”和2个“0”，有15个码组含4个“0”和2个“1”，剩下的码组“1”、“0”数相差悬殊一般不与考虑。,通信原理,5.2 基带信号及其频谱特性,通信原理,基带信号的功率谱密度,为什么要对波形序列进行频谱分析？ 由于实际传输的信息不是单一波形，而是由单一波形组成的波形序列，因

16、此仅了解单一波形的频谱是不够的，有必要了解整个序列的频谱特性。 了解频谱特性的目的 通过频谱特性可知道信号的功率（能量）集中处，以便选择合适的措施。 了解频谱中是否包含fs和它的倍频成分，以便提取位定时信号。,通信原理,波形序列的功率谱密度,二进制的波形序列,二进制的波形序列由g1(t)和g2(t)组成 g1(t)表示“0”码 g2(t)表示“1”码,通信原理,波形序列的功率谱密度,二进制的波形序列,-TS/2,TS/2,g1(t)和g2(t)出现的概率分别为P和1P，且统计独立,出现概率为P 出现概率为1-P,怎么求？,通信原理,方法：,定义式 利用自相关函数,-TS/2,TS/2,通信原理

17、,s(t)的统计 平均量,思路：s(t)的分解,s(t)可以分解成稳态波和交变波,随机 波形 序列,稳态波v（t）,交变波u（t）,s(t)的 交变部分,通信原理,s(t)的分解,通信原理,v(t)稳态波,v(t)是一个以TS为周期的周期函数,s(t)的统计 平均量,通信原理,u(t)交变波,交变波u(t)是s(t)与v(t)之差，即有：,考虑第n个码元，即有：,通信原理,u(t)交变波,s(t)的 交变部分,通信原理,波形序列的功率谱密度,v(t)的功率谱密度Pv(f) u(t)的功率谱密度Pu(f) s(t)的功率谱密度Ps(f),通信原理,v(t)的功率谱密度Pv(f),v(t)是以TS

18、为周期的周期信号,其中,(-Ts/2,Ts/2)范围内,可得,通信原理,v(t)的功率谱密度Pv(f),所以,只存在于(-Ts/2,Ts/2)范围内,式中：,因为,通信原理,v(t)的功率谱密度Pv(f),根据周期信号功率谱密度与付氏系数Cm的关系式，有：,通信原理,波形序列的功率谱密度,v(t)的功率谱密度Pv(f) u(t)的功率谱密度Pu(f) s(t)的功率谱密度Ps(f),通信原理,u(t)的功率谱密度Pu(f),截短函数uT(t)的频谱函数,截短时间T是2n+1个码元长度,N足够大,T 表示N,通信原理,u(t)的功率谱密度Pu(f),变换到频域,通信原理,u(t)的功率谱密度Pu

19、(f),统计平均,当m=n时,通信原理,u(t)的功率谱密度Pu(f),当mn时,只有m=n时才不为0,通信原理,交变波u(t)的功率谱,是连续谱 与g1(t)，g2(t)的频谱及出现概率有关,通信原理,波形序列的功率谱密度,v(t)的功率谱密度Pv(f) u(t)的功率谱密度Pu(f) s(t)的功率谱密度Ps(f),通信原理,s(t)的功率谱密度Ps(f),波形序列s(t）的双边功率谱密度为：,单功率谱密度为：,通信原理,s(t)的功率谱密度Ps(f),随机脉冲序列的功率谱可能包括连续谱Pu(f)和离散谱Pv(f) 连续谱：G1(f)G2(f), Pu(f)始终存在 离散谱：是否存在取决于

20、g1(t)g2(t)的波形及其出现概率P 举例说明,通信原理,举例说明,【例1】对于单极性波形：若设g1(t)=0，g2(t)=g(t)，则随机脉冲序列的双边功率谱密度为:,等概时，即P1/2,通信原理,举例说明,若表示“1”码的波形g2(t)=g(t)为不归零矩形脉冲，即,频谱函数为,通信原理,举例说明,m0时,离散谱有直流分量,当,m0时,离散谱为0，无定时信号,通信原理,举例说明,单极性不归零信号的带宽为Bs=fs,通信原理,举例说明2：单极性归零码,若表示“1”码的波形g2(t)=g(t)为为半占空归零矩形脉冲，脉冲宽度Ts/2,频谱函数为,通信原理,举例说明,m0时,离散谱有直流分量

21、,当,m为奇数时,有离散谱，有定时信号,m为偶数时,无离散谱,通信原理,举例说明,带宽为Bs=2fs,通信原理,举例说明3:双极性不归零码,【例2】对于双极性波形：若设g1(t)=g2(t)=g(t)，则随机脉冲序列的双边功率谱密度为:,等概时，即P1/2,g(t)高为1 脉宽等于码元周期,通信原理,双极性不归零码的功率谱密度,通信原理,双极性归零码的功率谱密度,付立叶变换,付立叶变换,通信原理,双极性归零码的功率谱密度,单极性不归零码,单极性归零码,双极性归零码,双极性不归零码,通信原理,说明,随机序列的带宽取G1(f)和G2(f)之中较大带宽的一个作为序列带宽。时间波形占空比越小，频带越宽。假设矩形脉冲脉宽为，则BS=1/ 单极性基带信号是否存在离散线谱取决于矩形脉冲的占空比 单极性归零信号中有定时分量 单极性不归零信号中无定时分量 0、1 等概的双极性信号没有离散谱。,通信原理,结论,综