《通信原理-第6章.ppt
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1、课程名称课程名称课件课件第第1 1章章 通信系统概述通信系统概述第第2 2章章 信号分析信号分析第第3 3章章 信道与噪声信道与噪声第第4 4章章 模拟调制模拟调制第第5 5章章 模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输第第6 6章章 数字基带传输数字基带传输通信原理通信原理课件课件第第7 7章章 数字调制数字调制第第8 8章章 差错控制编码差错控制编码第第9 9章章 同步原理同步原理 6.1 数字基带传输系统组成数字基带传输系统组成6.2 数字基带传输码型及功率谱特性数字基带传输码型及功率谱特性6.3 无码间干扰的数字基带传输系统无码间干扰的数字基带传输系统6.4 数字基带传输系统性能及处理数字
2、基带传输系统性能及处理2023/6/72数字基带传输码型及功率谱特性数字基带传输码型及功率谱特性6.26.2.2 数字基带信号的频谱特性数字基带信号的频谱特性6.2.1 数字基带信号的基本码型数字基带信号的基本码型6.2.4 数字基带传输码型数字基带传输码型6.2.3 数据传输对信号线路码型的要求数据传输对信号线路码型的要求2023/6/73无码间干扰的数字基带传输系统无码间干扰的数字基带传输系统6.36.3.2 基带传输波形的形成基带传输波形的形成-Nyquist第一准则第一准则6.3.1 基带传输模型构成基带传输模型构成6.3.3 部分响应形成系统与编码部分响应形成系统与编码2023/6/
3、74数字基带传输系统性能及处理数字基带传输系统性能及处理6.46.4.2 均衡均衡6.4.1 眼图眼图6.4.3 数据序列的扰乱与解扰数据序列的扰乱与解扰2023/6/75数字基带传输系统组成数字基带传输系统组成6.1数字基带信号数字基带信号:频谱集中在零频或某个低频附:频谱集中在零频或某个低频附近的数字信号,如计算机输出的二进制序列,近的数字信号,如计算机输出的二进制序列,模拟话音的模拟话音的A/D信号。信号。2023/6/76数字基带传输系统组成6.1数字基带传输系统组成介绍如下:数字基带传输系统组成介绍如下:1信道信号形成器信道信号形成器:(直流、低频、高频、位定时)码型变换码型变换:改
4、变数字基带信号的码型,使其适于信道传输发送滤波发送滤波:形成适于信道传输的波形,使其具有较高的频带利用率及较强的抗码间干扰能力。2信道信道:通常为低通型传输特性的有线信道。通常是不理想的,所以信号通过它会产生失真。信道中还会引入零均值的高斯白噪声(AWGN)。3接收滤波器接收滤波器:一、滤除带外噪声;二、对失真的信号进行校正,以便得到有利于取样判决器判决的波形。2023/6/77数字基带传输系统组成6.14取样判决和码元再生取样判决和码元再生 在规定的时刻(由位定时信号控制)对接收滤波器输出的信号进行取样,然后根据预先确定的判决规则对取样值进行判决。码元再生将判决器判决出的“1”码及“0”码变
5、换成所需的数字基带信号形式。5位定时提取位定时提取 从接收滤波器输出的信号中提取用于控制取样时刻的同频同相位定时信号。同频,即位定时的周期等于码元周期(码元宽度),这样收发两端的码元一一对应不会搞错。同相,就是位定时信号的脉冲应对准接收信号的最佳取样判决时刻,使取样器取到的样值最有利于正确的判决。2023/6/78数字基带传输系统组成6.12023/6/79数字基带信号的基本码型数字基带信号的基本码型6.2.1 在数据通信中,用在数据通信中,用“1”和和“0”两种代码(状态)来表两种代码(状态)来表示要传送的信息。实际传输时,用物理的电脉冲来表示代码,示要传送的信息。实际传输时,用物理的电脉冲
6、来表示代码,将电脉冲的形状称为数据信号波形,而把电脉冲序列的结构将电脉冲的形状称为数据信号波形,而把电脉冲序列的结构形式称为数据信号的码型。数据信号的波形和码型共同决定形式称为数据信号的码型。数据信号的波形和码型共同决定着它的频谱结构。合理地设计数据信号的波形和码型,使之着它的频谱结构。合理地设计数据信号的波形和码型,使之适应信道特性的要求,这是数据通信系统中十分重要的问题。适应信道特性的要求,这是数据通信系统中十分重要的问题。在数据通信中常用的基本码型有单极性不归零码、单极性归在数据通信中常用的基本码型有单极性不归零码、单极性归零码、双极性不归零码、双极性归零码、传号交替反转码、零码、双极性
7、不归零码、双极性归零码、传号交替反转码、差分码和多电平码等。差分码和多电平码等。2023/6/710数字基带信号的基本码型数字基带信号的基本码型6.2.11单极性不归零(单极性不归零(Non-Return to Zero,NRZ)码)码 它在一个码元周期它在一个码元周期T内电平维持不变(脉冲宽度内电平维持不变(脉冲宽度=T),),用物理的高电平代表逻辑的用物理的高电平代表逻辑的“1”码,物理的低电平(一般为码,物理的低电平(一般为0电平)代表逻辑的电平)代表逻辑的“0”码,其占空比为码,其占空比为/T=100,也可以用,也可以用窄脉冲来表示,有脉冲表示逻辑的窄脉冲来表示,有脉冲表示逻辑的“1”
8、码,无脉冲表示逻辑码,无脉冲表示逻辑的的“0”码。其波形如图(码。其波形如图(a)所示。由于在一个码元周期内,)所示。由于在一个码元周期内,物理的高电平一直维持,所以称为单极性不归零码。物理的高电平一直维持,所以称为单极性不归零码。单极性单极性NRZ码具有如下特点:码具有如下特点:(1)发送能量大,有利于提高接收端信噪比;)发送能量大,有利于提高接收端信噪比;(2)在信道上占用频带较窄;)在信道上占用频带较窄;2023/6/711数字基带信号的基本码型数字基带信号的基本码型 常用数据序列形式=T0 T,取=T/2=T0 T,取=T/20 T,取=T/2=T=T 常用数据序列形式6.2.1202
9、3/6/712数字基带信号的基本码型数字基带信号的基本码型6.2.1 (3)有直流分量,将导致信号的失真与畸变;且由于直)有直流分量,将导致信号的失真与畸变;且由于直流分量的存在,所以无法使用在交流耦合的线路和设备中;流分量的存在,所以无法使用在交流耦合的线路和设备中;(4)不能直接提取位同步定时信息;)不能直接提取位同步定时信息;(5)抗噪性能差。接收单极性)抗噪性能差。接收单极性NRZ码的判决电平应取码的判决电平应取“1”码电平的一半。由于信道衰减或特性随各种因素变化时,码电平的一半。由于信道衰减或特性随各种因素变化时,接收波形的振幅和宽度容易变化,因而判决门限不能稳定在接收波形的振幅和宽
10、度容易变化,因而判决门限不能稳定在最佳电平,使抗噪性能变坏;最佳电平,使抗噪性能变坏;(6)传输时需一端要接地。)传输时需一端要接地。2023/6/713数字基带信号的基本码型数字基带信号的基本码型6.2.12单极性归零(单极性归零(Polar Return to Zero,PRZ)码)码 它与它与NRZ信号的区别是信号的区别是“1”码在一个码元周期码在一个码元周期T内,物理的高电平持续时间为内,物理的高电平持续时间为(0 T),其余),其余时间返回物理低电平,所以称为归零波形。用物理的时间返回物理低电平,所以称为归零波形。用物理的高电平表示逻辑的高电平表示逻辑的“1”码,物理的低电平(一般为
11、码,物理的低电平(一般为0电平)表示逻辑的电平)表示逻辑的“0”码,若占空比码,若占空比/T=50%,则,则称其为半占空码。其波形如图(称其为半占空码。其波形如图(b)所示。单极性归)所示。单极性归零波形可以直接提取位定时信息,是其它波形提取位零波形可以直接提取位定时信息,是其它波形提取位定时信号时需要采用的一种过渡波形。定时信号时需要采用的一种过渡波形。2023/6/714数字基带信号的基本码型数字基带信号的基本码型6.2.13双极性不归零(双极性不归零(Bip Polar Non-Return to Zero,BPNRZ)码码 在双极性不归零波形中,脉冲的正、负电平分别对应于二在双极性不归
12、零波形中,脉冲的正、负电平分别对应于二进制代码进制代码“1”、或、或“0”。其波形如图(。其波形如图(c)所示。用物理的)所示。用物理的正电平表示正电平表示“1”,用物理的负电平表示,用物理的负电平表示“0”,正负电平绝对,正负电平绝对值相等,在整个码元周期值相等,在整个码元周期T内脉冲内脉冲 保持不变(脉冲宽度保持不变(脉冲宽度=T)。)。由于它是幅度相等极性相反的双极性波形,故当由于它是幅度相等极性相反的双极性波形,故当“0”和和“1”符号等概率出现时无直流分量。这样,在接收端恢复信号的判符号等概率出现时无直流分量。这样,在接收端恢复信号的判决门限电平为决门限电平为“0”,因而不受信道特性
13、变化的影响,抗干扰,因而不受信道特性变化的影响,抗干扰能力也较强。故双极性波形有利于在带通信道中传输。该波形能力也较强。故双极性波形有利于在带通信道中传输。该波形常在原常在原CCITT的的V系列接口标准或系列接口标准或RS-232C接口标准中使用。接口标准中使用。2023/6/715数字基带信号的基本码型数字基带信号的基本码型6.2.14双极性归零(双极性归零(Bip Polar Return to Zero,BPRZ)码)码 它与它与BPNRZ信号的区别是信号的区别是“1”或或“0”码在一个码元周期码在一个码元周期T内,高电平或低电内,高电平或低电平的持续时间为平的持续时间为(0 T),其余
14、时间返回),其余时间返回低电平。其波形如图(低电平。其波形如图(d)所示。)所示。2023/6/716数字基带信号的基本码型数字基带信号的基本码型6.2.15传号交替反转(传号交替反转(Alternative Mark Inverse,AMI)码)码AMI码又称为伪三电平码,因为其编码规则是将二进制消息代码又称为伪三电平码,因为其编码规则是将二进制消息代码码“1”(传号(传号Mark)交替地变换为传输码的)交替地变换为传输码的“+1”和和“-1”,而消息代码,而消息代码“0”(空号(空号Space)保持不变。其波形如)保持不变。其波形如图(图(e)所示。例如:)所示。例如:消息代码:消息代码:
15、1001 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1AMI码:码:+100-1+10 0 0 0 0 0 0 -1+1 0 0-1+1AMI码对应的数据基带信号是正负极性交替的脉冲序列,而码对应的数据基带信号是正负极性交替的脉冲序列,而0电平保持不变的规律。电平保持不变的规律。2023/6/717数字基带信号的基本码型数字基带信号的基本码型6.2.1 AMI码的优点是,由于码的优点是,由于“+1”与与“-1”交替,由于交替,由于AMI码是伪三电平码,正负归零脉冲在等概率时的个码是伪三电平码,正负归零脉冲在等概率时的个数相等,所以直流分量为零,高、低频分量少,且具数相等,所以直流分量
16、为零,高、低频分量少,且具有检错能力。能量集中在频率为有检错能力。能量集中在频率为1/2码速率处。位定码速率处。位定时频率分量虽然为时频率分量虽然为0,但只要将数据基带信号经过全,但只要将数据基带信号经过全波整流变为单极性归零波形,仍然可以提取位定时同波整流变为单极性归零波形,仍然可以提取位定时同步信号。此外,步信号。此外,AMI码的编译码电路简单,便于利用码的编译码电路简单,便于利用传号极性交替规律观察误码情况。鉴于这些优点,传号极性交替规律观察误码情况。鉴于这些优点,AMI码是原码是原CCITT建议采用的传输码型之一。建议采用的传输码型之一。2023/6/718数字基带信号的基本码型数字基
17、带信号的基本码型6.2.1 AMI码型实际上把二进制脉冲序列变为三电平的符号序列(故码型实际上把二进制脉冲序列变为三电平的符号序列(故叫伪三元序列或伪三电平码),其优点如下:叫伪三元序列或伪三电平码),其优点如下:(1)在)在“1”码和码和“0”码不等概率的情况下,也无直流成分,码不等概率的情况下,也无直流成分,且零频率附近低频分量小。因此,对具有变压器或其它交流耦合且零频率附近低频分量小。因此,对具有变压器或其它交流耦合的传输信道来说,不易受隔直特性的影响。的传输信道来说,不易受隔直特性的影响。(2)若接收端收到的码元极性与发送端的完全相反,也能正)若接收端收到的码元极性与发送端的完全相反,
18、也能正确判决。确判决。(3)便于观察误码情况。)便于观察误码情况。此外,此外,AMI码还有编译码电路简单等优点,是一种基本的线码还有编译码电路简单等优点,是一种基本的线路码或传输码,在北美系统和日本路码或传输码,在北美系统和日本24路系统中得到了广泛的使用。路系统中得到了广泛的使用。不过,不过,AMI码有一个重要缺点,即当它用来获取定时信息时,码有一个重要缺点,即当它用来获取定时信息时,由于它可能出现长的连由于它可能出现长的连0串,故会造成提取定时信号的困难。串,故会造成提取定时信号的困难。2023/6/719数字基带信号的基本码型数字基带信号的基本码型6.2.16差分码差分码 这是一种把要传
19、的这是一种把要传的“1”、“0”信号反信号反映在相邻码元的相对变化上的波形,所以也映在相邻码元的相对变化上的波形,所以也称相对码。比如,用相邻码元的电平变化代称相对码。比如,用相邻码元的电平变化代表信号表信号“1”,电平不变代表信号,电平不变代表信号“0”。其。其波形如图(波形如图(f)所示,即有)所示,即有“1”变变“0”不变不变的特点。当然上述规定也可以反过来。图中的特点。当然上述规定也可以反过来。图中已设定初始状态为低电平,也可设定初始状已设定初始状态为低电平,也可设定初始状态为高电平,所以差分码有两种波形,电平态为高电平,所以差分码有两种波形,电平恰好相反。恰好相反。2023/6/72
20、0数字基带信号的基本码型数字基带信号的基本码型6.2.1 由图(由图(f)可见,这种差分码波形在形式上与单)可见,这种差分码波形在形式上与单极性或双极性码波形相同,但它代表的信息符号与码极性或双极性码波形相同,但它代表的信息符号与码元本身电平或极性无关,而仅与相邻码元的电平变化元本身电平或极性无关,而仅与相邻码元的电平变化有关。由于差分波形是以相邻脉冲电平的相对变化来有关。由于差分波形是以相邻脉冲电平的相对变化来表示代码,因此称它为相对码波形。而相应地称前面表示代码,因此称它为相对码波形。而相应地称前面讨论的单极性或双极性波形称为绝对码波形。用差分讨论的单极性或双极性波形称为绝对码波形。用差分
21、波形传送代码可以消除设备初始状态的影响,特别是波形传送代码可以消除设备初始状态的影响,特别是在相位调制在相位调制PSK系统中用于解决载波相位模糊问题。系统中用于解决载波相位模糊问题。2023/6/721数字基带信号的基本码型数字基带信号的基本码型6.2.17多电平码多电平码 上述各种信号都是一个二进制符号对上述各种信号都是一个二进制符号对应于一个脉冲码元。实际上还存在多个二应于一个脉冲码元。实际上还存在多个二进制符号对应一个脉冲码元的情形,这种进制符号对应一个脉冲码元的情形,这种波形统称为多电平码或多元码。图(波形统称为多电平码或多元码。图(g)给)给出了的四电平码波形或出了的四电平码波形或4
22、元码波形。由于这元码波形。由于这种波形的一个脉冲可以代表多个二进制符种波形的一个脉冲可以代表多个二进制符号,故在高速数据传输系统中,采用这种号,故在高速数据传输系统中,采用这种信号形式是适宜的。信号形式是适宜的。2023/6/722设一般情况下,数字基带信号 可用随机脉冲序列 表示,即其中式中 为随机脉冲周期,前后码元统计独立。数字基带信号的频谱特性数字基带信号的频谱特性6.2.22023/6/723数字基带信号的频谱特性数字基带信号的频谱特性6.2.2 、分别代表二进制码“0”和“1”,则经过推导可以得出随机脉冲的数字基带信号双边功率谱为 其中,、分别是 和 的频谱函数或傅立叶正变换,为狄拉
23、克函数或称为冲激函数,为 函数的傅立叶正变换,也称为 的频谱函数。2023/6/724随机脉冲的数据基带信号单边功率谱为 从随机脉冲的数字基带信号双边功率谱表达式可以看出,功率谱是由两部分构成,第一部分由于出现“0”和出现“1”的概率不可能为0或者为1。也就是说不可能全部出现“1”或全部出现“0”的序列,且 和 不可能完全相同,所以其对应的频谱 ,所以这部分不为0,故连续谱始终存在;而第二部分则可能得到零点,出现离散谱。所以整个随机数字信号序列功率谱可能包括两个部分;离散谱和连续谱。连续谱决定信号频带宽度,离散谱决定定时分量。数字基带信号的频谱特性数字基带信号的频谱特性6.2.22023/6/
24、725 例如,对于双极性信号,在等概率时,即“0”和“1”概率均为 ,波形频谱变为:这时双边功率谱密度中就没有离散谱,只有连续谱。根据数据基带信号功率谱密度的表达式,可以画出几种典型随机数据基带信号序列的功率谱密度。数字基带信号的频谱特性数字基带信号的频谱特性6.2.22023/6/726数字基带信号的频谱特性数字基带信号的频谱特性6.2.22023/6/727 双极性序列是不含有离散谱分量的,而单极性序列是含有离散谱分量,离散谱分量的存在与否决定了是否能从序列中直接提取单一频率的时钟频率分量,这一点对数据传输系统是至关重要的,如单极性归零序列中就含有的 离散谱分量,即可直接提取作为定时的时钟
25、信息。数字基带信号的频谱特性数字基带信号的频谱特性6.2.22023/6/728数据基带信号的功率谱密度具有以下特点:(1)功率谱一般包括两个部分;连续谱和离散谱;连续谱确定信号的带宽,离散谱确定信号的定时分量。(2)连续谱部分总是存在;在某些情况下可能没有离散谱分量,但可通过恰当的变换后可以获得定时分量。(3)信号主要能量集中于 的范围内。例6.2.1 已知某单极性不归零随机脉冲序列,“1”码为幅度为1的矩形脉冲,“0”码为0,且码元速率为,“1”码概率P=0.5,计算其功率谱。数字基带信号的频谱特性数字基带信号的频谱特性6.2.22023/6/729(1)当时 ,因此离散谱中存在有直流分量
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