第三章(3.2 数字信号的基带传输).ppt

1、3.1 概述 3.2 数字信号的基带传输 3.3 数字信号的频带传输 3.4 数字复用技术 3.5 数字信号的最佳接收 3.6 同步技术,3.1 概 述,随着数字通信技术的发展，数字通信的业务种类越来越多，不仅有电话、数据，还有电视、多媒体等等。 数字通信的业务量也越来越大，对数字传输系统的要求也越来越高。 为了扩大传输容量、提高传输效率和确保数字传输系统的高可靠性，就需要研究： 发送端：数字基带传输、数字频带传输、 数字复用等。 接收端：同步和数字信号的最佳接收等。,1.基带传输 基带传输：是编码处理后的数字信号（此信号叫基带数字信号）直接在信道中传输，基带传输的信道是电缆信道。 应用：短距

2、离通信 长距离上用中继方式直接传送。,3.1 概 述,2.频带传输 频带传输：将基带信号的频带搬到适合的频带上再进行传输。 应用：远距离，如光纤、微波、卫星等无线信道。,3.1 概 述,3.数字复用 数字复用：在数字传输系统中，通常需要把若干个中低速数字信号合并成一个高速数字信号，再通过高速信道传输。 数字复用方式：频分复用（FDM），时分复用(TDM)，码分复用（CDM），波分复用（DWDM）等，时分复用(TDM)是目前各种数字传输系统的公共技术。 ,3.1 概 述,4.同步 在数字通信过程中，信号的传输都是在规定的时隙内进行的。为了保证数字传输系统有序、可靠地工作，收、发双方必须有一个统一

3、的定时系统来确保收、发双方时间的一致性， 即保持同步。,3.1 概 述,3.2 数字信号的基带传输,3.2.1 数字信号波形与频谱 数字信号传输主要关心的问题有：数字信号的频谱特性、 信道的传输特性和经信道传输后的数字信号波形。 数字信号波形的种类很多，比较典型的是二进制矩形脉冲信号，由二进制矩形脉冲信号可以构成多种形式的数字信号序列(或数字序列)。如下图所示：,单极性NRZ,单极性RZ,双极性NRZ,双极性RZ,单个矩形脉冲波形可表示为：,（3.2-1）,单个矩形脉冲的频谱可表示为,（3.2-2）,式中，A为脉冲信号幅度；为脉冲宽度。 信号带宽：B=1/(Hz） 脉冲宽度()越窄，信号带宽就

4、越宽。即码元速率越高， 信号带宽就越宽。,1、单脉冲的频谱,图 3 - 1 单个矩形脉冲信号的波形和频谱 (a) 波形； (b) 频谱,在数字传输系统中，数字信号序列是由许多单个矩形脉冲信号组成的随机脉冲序列(数字信号序列)。假设序列中任一码元间隔Ts内，g1(t)和g2(t)出现的概率分别为P和1P，且认为它们的出现是统计独立的， 则随机脉冲序列可表示为,（3.2-3）,（3.2-4）,式中，g(t)为某种标准脉冲波形，例如矩形脉冲。 对于二进制脉冲序列， 可令g1(t)代表“0”，g2(t)代表“1”。,2、数字信号序列的频谱,由于s(t)是一个非确知信号，不能用傅里叶变换方法确定其频谱，

5、因此，只能用统计的方法来研究其功率谱特性。 随机脉冲序列的双边功率谱密度可表示为,（3.2-5）,式中，G1(f), G2(f)分别为g1(t)，g2(t)的频谱；fs=1/Ts，Ts为码元宽度。由式(3.2-5)可知，随机脉冲序列的功率谱密度可能有连续谱G(f)和离散谱G(mfs)。,当功率谱密度中存在频率等于fs的离散谱时，可以直接用滤波法提取位定时信号(位同步信号)。,（3.2-5）,(1) 对单极性全占空比(=Ts)的不归零矩形脉冲序列，如图3-2(a)所示，由式(3.2-7)和式(3.2-2)可得到其功率谱密度为,（3.2-8）,如图3-2(b)所示。显然，单极性不归零信号没有离散谱

6、，无定时分量，不能直接提取，其带宽为B=fs。,3、不同的数字序列的频谱,图 3 - 2 单极性全占空不归零信号的波形与功率谱密度 (a) 波形； (b) 功率谱密度,(2) 对于半占空比(=Ts/2)的归零矩形脉冲序列，其波形如图3-3(a)所示。 其功率谱密度为,（3.2-9）,如图3-3(b)所示。显然，单极性半占空归零信号中存在离散谱， 有定时分量，可直接提取。其带宽为B=1/=2fs，fs为定时信号的频率。,图 3 - 3 单极性半占空归零信号的波形与功率谱密度,单极性信号的功率谱密度分别如下图中的实线和虚线所示,双极性信号的功率谱密度曲线如下图中的实线和虚线所示,从以上两例可以看出

7、： 二进制基带信号的带宽主要依赖单个码元波形的频谱函数G1(f)和G2(f) 。时间波形的占空比越小，占用频带越宽。若以谱的第1个零点计算， NRZ( = Ts)基带信号的带宽为BS = 1/ = fs ； RZ( = Ts / 2)基带信号的带宽为BS = 1/ = 2fs 。 其中fs = 1/Ts ，是位定时信号的频率，它在数值上与码元速率RB相等。,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NRZ信号中没有定时分量，若想获取定时分量，要进行波形变换； 单极性RZ信号中含有定时分量，可以直接提取它。 “0”、“1”等概的双极性信号没有离散谱，也就是说没有直流分量和定时

8、分量。,【例3-1】 设在随机二进制脉冲序列中，“0”和“1”分别由g(t)和g(t)组成。g(t)的波形如图3-1（a）所示， 它是一个高度为1，宽度为的矩形波形，且“1”出现的概率为3/4，“0” 出现的概率为1/4。 （1） 试求其功率谱密度。 （2） 从该随机二进制脉冲序列中能否直接提取频率为的分量？ 若能， 试计算该分量的功率。,解 （1） 这是一个双极性数字基带信号， 其功率谱密度为,当P=1/4时，有,已知,有,将上式代入Ps(f)的表达式，得,将代入上式，得,（2） 从该随机二进制脉冲序列中能直接提取频率为的分量，这是因为该基带信号的离散谱分量为,当m=1，即f=fs时，有,所

9、以频率为,3.2.2 数字基带信号的传输码型 1. 传输信道对基带传输码型的要求 数字基带系统的目标是有效地传输数字基带信号。但并非 所有码型的数字基带信号都适合在信道中传输。 例：单极性NRZ数字基带信号。编码器输出的原始信码码流 为单极性NRZ数字基带信号，不适合信道传输， 解决方法：码型编码器，将其转换为适合信道传输的码型。,3.2 数字信号的基带传输,通常对传输码的要求有： 无直流分量， 且低频分量少； 便于从信号中提取定时同步信息； 高频分量少， 以节省传输频带并减少码间串扰； 尽量不受信源统计特性的影响， 对任何信源都透明，即允 许信源出现全“0”， 全“1”或任何组合; 具有一定

10、的误码检测能力。,2. 常用的传输码型 (1) 单极性不归零码(NRZ码)。通常，编码器直接输出的就是这种最原始的码型，如图 3-4(a)所示。单极性不归零码的主要特点是： 包括直流成分， 且信号能量大部分集中在低频； 不能直接从码流中提取定时时钟； 无误码检测能力。 显然， 单极性不归零码不适合在信道中传输。,3.2 数字信号的基带传输,(2) 单极性归零码(RZ码)。单极性归零码与单极性不归零码的主要区别在于占空比不同。NRZ码的占空比为100%， RZ码的占空比为50%，如图 3-4(b)所示。 RZ码的主要特点是能直接从码流中提取定时时钟，其他缺点与NRZ码的相同。 RZ码主要用于数字

11、设备的内部传输，也不适合在信道中传输。,图 3 - 4 常见传输码型波形,3. 双相码 双相码又称曼彻斯特(Manchester)码。 其编码规则为： 用“01”两位码表示“0”码，用“10”两位码表示“1”码，代表“0”码的波形与代表“1”码的波形正好相反， 如图34(c)所示。 双相码的主要特点是： 由于双相码的正、 负电平成对出现，故没有直流分量； 电平跳变频繁，含有位定时信息，有利于定时恢复； 易于实现误码监视； 所需带宽比原信码大1倍。,双相码可用于电缆上基带数据传输和无线信道传送低速数据。例如本地数据网常采用双相码作为传输码型， 其信息速率可达10 Mb/s。在数据终端设备上实现短

12、距离的传输。如由Xerox、DEC、Intel公司共同开发的Ethernet网中采用数字双相码作为线路传输码型。 在实际应用中，常采用差分双相码，即对编码器送来的信码先进行差分编码，然后进行双相码编码，如图 3 - 4(d)所示。,4. CMI码 CMI码是传号反转码的简称。 其编码规则为： 交替用“11”和“00”两位码表示“1”码；用“01”两位码表示“0”码， 如图 3-4(e)所示。 CMI码的主要特点是： 具有较频繁的电平转变， 含有丰富的定时信息； 由于“10”为禁用码组，故不会出现三个以上的连码， 因此具有一定的误码检测能力； 易于实现。CMI是ITU-T推荐的PCM高次群的接口

13、码型、光缆传输时也用。,5. AMI码 AMI是传号交替反转码的简称，其编码规则为：将“1”码交替地变换为“+1”和“-1”，而“0”(空号)码保持不变。 例如： 消息码： 1010001110001 AMI码： +10-1000+1-1+1000-1,AMI码的特点是： 由于+1和-1交替出现， 功率谱中没有直流分量，低、高频分量少，能量主要集中在1/2码速处。 如果传输中发生单个错误，则会破坏传号交替反转规则， 因此可用于误码监测。 当原信码出现连“0”码时，由于信号电平长时间不发生跳变，因此会造成定时信号提取困难。 解决问题：在实际应用中通常采用HDB3码来解决来连“0”码问题。,6.

14、HDB3码 HDB3码是三阶高密度双极性码的简称，它对AMI码进行了修改，目的是使连“0”码的个数不超过三个。 其编码规则是： 当原信码中连“0”个数不超过三个时，则仍按AMI码的规则编码； 当连“0”个数超过三个时，则将第四个“0”改为破坏脉冲+V与-V，相邻V码的极性必须交替出现； V码的极性应与前一个非“0”脉冲的极性相同，否则，将四个连“0”的第一个“0”更改为与该破坏脉冲相同的脉冲+B或-B； 破坏脉冲之后的传号码极性也要交替。 例如,HDB3码编码 例1 二进制码序列： 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0

15、AMI码： 0+1 0 0-1+1 0 0 0 0-1 0 0 0 0+1-1 0 0 0 0 0 0 0 0 0+1 0 HDB3码：0+1 0 0-1+1 0 0 0 +V-1 0 0 0-V+1-1+B 0 0+V -B 0 0-V 0+1 0,HDB3码编码 例2：代码： 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 AMI码： -1 0 0 0 0 +1 0 0 0 0 ll 0 0 0 0 -1 +1 以V码的极性应与前一个非“0”脉冲的极性相同的原则，得到： -1 0 0 0 -V +1 0 0 0+V -1l 0 0 0+V -1 +1 HDB3码：

16、-1 0 0 0 -V +1 0 0 0+V -1l -B 0 0-V1 -1 例3： 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 HDB3： 1 0 0 0 V 0 -1 1 B 0 0 V 1 0 0 0 V 0,例4： HDB3码解码 试求HDB3码所对应的原二进制信息代码。 HDB3: +1-1 0+1 0 0 0+1 0 0-1 0 0+1-1 0 0-1 0+1,判断V和B： +1-1 0+1 0 0 0+V 0 0-1 0 0+1-B 0 0-V 0+1,原信息码： 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1,*7.

17、 5B6B码 nBmB码是将原信码流的n位二进制码变成m位二进制码的新信码。由于mn，新信码有2m个可能的码组，从中选择2n个可用码组，剩下的(2m2n)码组为禁用码组。通常，选取m=n+1，例如5B6B码。 目前，在高速数字光纤传输系统中采用了5B6B码。它是将5位输入二进制码组变为 6 位二进制码组， 由于其码速增加了20%， 因此可用来解决误码监测， 改进定时提取。,5位(n=5)二进制输入码组共有25=32种可能的码组，而6位(m=6)二进制码组共26=64 种可能的码组。 因此，可在64种可能的码组中挑选适合于信道传输的32种码组。6位码组中包含三个“1”码和三个“0”码的平衡码组共

18、有20种。 在剩下的44种非平衡码组中，在包含四个“1”码、二个“0”的15种码组(正模式)中选取12种；同样，在包含四个“0”码、 二个“1”的15种码组(负模式)中选取12种。这样共构成了20+12+12=44种可用码组， 6444=20种禁用码字。为了使整个码流的“1”和“0”码保持平衡，5B6B码交替使用正、负模式。因此，实际有用的5B6B码为32种码组。,3.2 数字信号的基带传输,表 3-1 是5B6B码的编码规则。 表中所列的数字和是指将“1”码赋于+1值，“0”码赋于-1值时计算得到的。其编码规则是： 当信码在某一种模式时某码组数字和不为零，则后一码组应选用另一种模式；当信码在某一种模式时某码组数字和为零， 则保持模式不变。,3.2 数字信号的基带传输,8. 扰码和解扰 1) 扰码和解扰原理 所谓扰码， 就是将二进制数字信号在传输前先作“随机化”处理，改变数字信号的统计特性，使之变为伪随机序列。 在数字基带传输系统中，加解扰可以替代旨在限制连“0”码(或连“1”码)的各种复杂的码型变换， 减少连“0”码(或连“1”码)以保证定时恢复质量。,图 3 - 5 采用扰码和解扰的数字通信系统,2)m序列产生及特性 m序列是一种最常用的伪随机序列，它是最长线性反馈移位寄存器序列的简称。 m序列是由带线性反馈的移位寄存器产生的周期最长的一种序列。,图 3 - 6