《现代通信原理与技术》课件第5章.pptx
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1、第 5 章 数字基带传输系统第 5 章 数字基带传输系统5.1 数字基带传输概述数字基带传输概述5.2 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性5.3 基带传输的常用码型基带传输的常用码型5.4 基带脉冲传输与码间串扰基带脉冲传输与码间串扰5.5 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性5.6 无码间串扰基带系统的抗噪声无码间串扰基带系统的抗噪声5.7 眼图眼图5.8 均衡技术均衡技术5.9 部分响应系统部分响应系统思考题思考题第 5 章 数字基带传输系统5.1 数字基带传输概述数字基带传输概述基带传输系统的基本结构如图5-1所示。它主要由信道信号形成器、信道、接收滤波 器和抽
2、样判决器组成。为了保证系统可靠有序地工作,还应有同步系统。图5-1中各部分 的作用简述如下。第 5 章 数字基带传输系统图 5-1 数字基带传输系统第 5 章 数字基带传输系统信道信号形成器信道信号形成器 基带传输系统的输入是由终端设备或编码器产生的脉冲序列,它往 往不适合直接送到信道中传输。信道信号形成器的作用就是把原始基带信号变换成适合于 信道传输的基带信号,这种变换主要是通过码型变换和波形变换来实现的,其目的是与信道匹配,便于传输,减小码间串扰,利于同步提取和抽样判决。第 5 章 数字基带传输系统信道信道 它是允许基带信号通过的媒质,通常为有线信道,如各种电缆信道的传输特性 通常不满足无
3、失真传输条件,甚至是随机变化的。另外信道还会进入噪声。接收滤波器接收滤波器 它的主要作用是滤除带外噪声,对信道特性均衡,使输出的基带波形有 利于抽样判决。第 5 章 数字基带传输系统抽样判决器抽样判决器 它是在传输特性不理想及噪声背景下,在规定时刻(由位定时脉冲控制)对接收滤波器的输出波形进行抽样判决,以恢复或再生基带信号。用来抽样的位定时脉冲 则依靠同步提取电路从接收信号中提取,位定时的准确与否将直接影响判决效果,这一点 将在第11章中详细讨论。第 5 章 数字基带传输系统图 5-1所示基带系统的各点波形如图5-2所示。其中,(a)是输入的基带信号,这是 最常见的单极性非归零信号;(b)是进
4、行码型变换后的波形;(c)对(a)而言进行了码型及 波形的变换,是一种适合在信道中传输的波形;(d)是信道输出信号,显然由于信道频率 特性不理想,波形发生失真并叠加了噪声;(e)为接收滤波器输出波形,与(d)相比,失真 和噪声减弱;(f)是位定时同步脉冲;(g)为恢复的信息,其中第6个码元发生误码,误码 的原因之一是信道加性噪声,之二是传输总特性(包括收、发滤波器和信道的特性)不理想 引起的波形延迟、展宽、拖尾等畸变,使码元之间相互串扰。第 5 章 数字基带传输系统此时,实际抽样判决值不仅有 本码元的值,还有其他码元在该码元抽样时刻的串扰值及噪声。显然,接收端能否正确恢 复信息在于能否有效地抑
5、制噪声和减小码间串扰,这两点也正是本章讨论的重点。第 5 章 数字基带传输系统图 5-2 基带系统各点波形示意图第 5 章 数字基带传输系统5.2 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性5.2.1 数字基带信号数字基带信号 数字基带信号是消息代码的电波形(或电脉冲)表示。数字基带信号的类型有很多,常 见的有矩形脉冲、三角波、高斯脉冲和升余弦脉冲等。下面以矩形脉冲为例介绍几种最常 见的基带信号波形。第 5 章 数字基带传输系统1.单极性不归零波形单极性不归零波形 单极性不归零波形如图5-3(a)所示,这是一种最简单、最常用的基带信号形式。这种 信号脉冲的零电平和正电平分别对应着二进制代
6、码0和1,或者说,它在一个码元时间内用 脉冲的有或无来对应表示0或1码。其特点是极性单一,有直流分量,脉冲之间无间隔。第 5 章 数字基带传输系统图 5-3 几种常见的基带信号波形第 5 章 数字基带传输系统2.双极性不归零波形双极性不归零波形 在双极性不归零波形中。脉冲的正、负电平分别对应于二进制代码1、0,如图 5-3(b)所示,由于它是幅度相等极性相反的双极性波形,故当0、1符号等可能出现时无直流分 量。这样,恢复信号的判决电平为 0,因而不受信道特性变化的影响,抗干扰能力也较强。第 5 章 数字基带传输系统3.单极性归零波形单极性归零波形 单极性归零波形与单极性不归零波形的区别是有电脉
7、冲宽度小于码元宽度,每个有电 脉冲在小于码元长度内总要回到零电平(见图 5-3(c),所以称为归零波形。单极性归零 波形可以直接提取定时信息,是其他波形提取位定时信号时需要采用的一种过渡波形。4.双极性归零波形双极性归零波形 双极性归零波形是双极性波形的归零形式,如图 5-3(d)所示。它兼有双极性和不归 零波形的特点。第 5 章 数字基带传输系统5.差分波形差分波形 这种波形不是用码元本身的电平表示消息代码,而是用相邻码元的电平的跳变和不变 来表示消息代码,如图 5-3(e)所示。图中,以电平跳变表示1,以电平不变表示0,当然 上述规定也可以反过来。由于差分波形是以相邻脉冲电平的相对变化来表
8、示代码的,因此 称它为相对码波形,相应地称前面的单极性或双极性波形为绝对码波形。用差分波形传送 代码可以消除设备初始状态的影响,特别是在相位调制系统中用于解决载波相位模糊 问题。第 5 章 数字基带传输系统6.多电平波形多电平波形 上述各种信号都是一个脉冲对应一个二进制符号。实际上还存在一个脉冲对应多个二进 制符号的情形。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,如图5-3(f)所 示。由于这种波形的一个脉冲可以代表多个二进制 符 号,故 适 用 在 高 数 据 速 率 传 输 系 统中。第
9、5 章 数字基带传输系统前面已经指出,消息代码的电波形并非一定是矩形的,还可是其他形式。但无论采用 什么形式的波形,数字基带信号都可用数学式表示出来。若数字基带信号中各码元波形相 同而取值不同,则可表示为第 5 章 数字基带传输系统式中,an 是第n 个信息符号所对应的电平值,由信码和编码规律决定;Ts 为码元间隔;g(t)为某种标准脉冲波形,对于二进制代码序列,若令g1(t)代表“0”,g2(t)代表“1”,则由于an 是一个随机量。因此,通常在实际中遇到的基带信号s(t)都是一个随机的脉冲 序列。第 5 章 数字基带传输系统一般情况下,数字基带信号可表示为第 5 章 数字基带传输系统5.2
10、.2 基带信号的频谱特性基带信号的频谱特性设二进制的随机脉冲序列如图5-4(a)所示,其中,假设g1(t)表示“0”码,g2(t)表示“1”码。g1(t)和g2(t)在实际中可以是任意的脉冲,但为了便于在图上区分,这里把g1(t)画成宽度为Ts 的方波,把g2(t)画成宽度为Ts 的三角波。第 5 章 数字基带传输系统图 5-4 随机脉冲序列示意波形第 5 章 数字基带传输系统第 5 章 数字基带传输系统第 5 章 数字基带传输系统第 5 章 数字基带传输系统下面我们根据式(5.2 5)和式(5.2 8),分别求出稳态波v(t)和交变波u(t)的功率 谱,然后根据式(5.2 6)的关系,将两者
11、的功率谱合并起来就可得到随机基带脉冲序列 s(t)的功率谱。1.v(t)的功率谱密度的功率谱密度 Pv(f)第 5 章 数字基带传输系统第 5 章 数字基带传输系统2.u(t)的功率谱密度的功率谱密度 Pu(f)u(t)是功率型的随机脉冲序列,它的功率谱密度可采用截短函数和求统计平均的方法 来求,参照第2章中的功率谱密度的原始定义式(2.2 15),有第 5 章 数字基带传输系统第 5 章 数字基带传输系统第 5 章 数字基带传输系统第 5 章 数字基带传输系统3.s(t)=u(t)+v(t)的功率谱密度的功率谱密度 Ps(f)第 5 章 数字基带传输系统【例【例 5-1】对于单极性波形:若设
12、g1(t)=0,g2(t)=g(t),则随机脉冲序列的双边 功率谱密度为第 5 章 数字基带传输系统(1)若表示“1”码的波形g2(t)=g(t)为不归零矩形脉冲,即第 5 章 数字基带传输系统图 5-5-二进制基带信号的功率谱密度第 5 章 数字基带传输系统(2)若表示“1”码的波形g2(t)=g(t)为半占空归零矩形脉冲,即脉冲宽度=Ts/2 时,其频谱函数为第 5 章 数字基带传输系统【例【例 5-2】对于双极性波形:若设g1(t)=-g2(t)=g(t),则第 5 章 数字基带传输系统从以上两例可以看出:(1)随机序列的带宽主要依赖单个码元波形的频谱函数G1(f)或G2(f),两者之中
13、应 取较大带宽的一个作为序列带宽。时间波形的占空比越小,频带越宽。通常以谱的第一个零 点作为矩形脉冲的近似带宽,它等于脉宽的倒数,即Bs=1/。由图5-5可知,不归零脉 冲的=Ts,则Bs=fs;半占空归零脉冲的=Ts/2,则Bs=1/=2fs。其中fs=1/Ts,是位定时信号的频率,在数值上与码速率RB 相等。第 5 章 数字基带传输系统(2)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,可直接提取。单极性不归零信号中无定时分量,若想获取定时分量,要进行 波形变换。0、1等概率的双极性信号没有离散谱,也就是说无直流分量和定时分量。综上分析,研究随机脉冲序
14、列的功率谱是十分有意义的,一方面我们可以根据它的连 续谱来确定序列的带宽,另一方面根据它的离散谱是否存在这一特点,使我们明确能否从 脉冲序列中直接提取定时分量,以及采用怎样的方法可以从基带脉冲序列中获得所需的离 散分量。第 5 章 数字基带传输系统应当指出的是,在 以 上 的 分 析 方 法 中,没 有 限 定 g1(t)和 g2(t)的 波 形,因 此 式(5.2 25)不仅适用于计算数字基带信号的功率谱,也可以用来计算数字调制信号的功率 谱。事实上由式(5.2 25)很容易得到二进制幅度键控(ASK)、相位键控(PSK)和移频键控(FSK)的功率谱。第 5 章 数字基带传输系统5.3 基带
15、传输的常用码型基带传输的常用码型对传输用的基带信号主要有两个方面的要求:(1)对码型的要求:原始消息代码必须编成适合于传输用的码型;(2)对所选码型的电波形要求:电波形应适合于基带系统的传输。第 5 章 数字基带传输系统传输码(或称线路码)的结构将取决于实际信道特性和系统工作的条件。通常,传输码 的结构应具有下列主要特性:(1)相应的基带信号无直流分量,且低频分量少;(2)便于从信号中提取定时信息;(3)信号中高频分量尽量少,以节省传输频带并减少码间串扰;(4)不受信息源统计特性的影响,即能适应于信息源的变化;(5)具有内在的检错能力,传输码型应具有一定的规律性,以便利用这一规律进行宏 观监测
16、;(6)编译码设备要尽可能简单,等等。第 5 章 数字基带传输系统1.AMI码码 AMI码是传号交替反转码。其编码规则是将二进制消息代码“1”(传号)交替地变换为 传输码的“+1”和“-1”,而“0”(空号)保持不变。例如:第 5 章 数字基带传输系统AMI码对应的基带信号是正负极性交替的脉 冲序列,而0电位保持不变的规律。AMI码的优 点是,由于+1与-1 交替,AMI码的功率谱(见 图5-6)中不含直流成分,高、低频分量少,能量 集中在频率为1/2码速处。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。此外,AMI码 的编译码电路简单,便于利用
17、传号极性交替规律 观察误码情况。鉴于这些优点,AMI码是ITU 建 议采用的传输码性之一。AMI码的不足是,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。解决连“0”码问题的有效方法之一是采用 HDB3 码。第 5 章 数字基带传输系统图 5-6 AMI码和 HDB3 码的功率谱第 5 章 数字基带传输系统2.HDB3 码码 HDB3 码的全称是三阶高密度双极性码,它是 AMI码的一种改进型,其目的是为了保 持 AMI码的优点而克服其缺点,使连“0”个数不超过3个。其编码规则如下:(1)当信码的连“0”个数不超过3时,仍按 AMI码的规则进行编制,即传号极性交替;
18、(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;第 5 章 数字基带传输系统(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:第 5 章 数字基带传输系统HDB3 码除保持了 AMI码的优点外,同时还将连“0”码限制在3个以内,故有利于位 定时信号的提取。HDB3 码是应用最为广泛的码型,A 律 PCM 四次群以下的接口码型均 为 HDB3
19、码。PST 码能提供足够的定时分量,且无直流成分,编码过程也较简单。但这种码在识别 时需要提供“分组”信息,即需要建立帧同步。在上述两种码型(AMI码、HDB3码)中,每位二进制信码都被变换成1位三电平取值(+1、0、-1)的码,因而有时把这类码称为1B/1T 码第 5 章 数字基带传输系统3.数字双相码数字双相码 数字双相码又称曼彻斯特(Manchester)码。它用一个周期的正负对称方波表示“0”,而用其反相波形表示“1”。编码规则之一是:“0”码用“01”两位码表示,“1”码用“10”两位码 表示,例如:第 5 章 数字基带传输系统双相码只有极性相反的两个电平,而不像前面的三种码具有三个
20、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。又因为这种码的正、负电 平各半,所以无直流分量,编码过程也简单。但带宽比原信码大1倍。双相码适用于数据终端设备在近距离上传输,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。第 5 章 数字基带传输系统4.密勒码密勒码 密勒(Miller)码又称延迟调制码,它是双相码的一种变形。编码规则如下:“1”码用码元间隔中心点出现跃变来表示,即用“10”或“01”表示。“0”码有两种情况:单个“0”时,在码元间 隔内不出现电平跃变,且与相邻码元的边界处也 不跃变,连“0”时,在两个“0”码的边界处出现电 平跃变,即
21、“00”与“11”交替。第 5 章 数字基带传输系统为了便于理解,图5-7(a)和(b)示出了代码 序列为11010010时,双相码和密勒码的波形。由 图 5-7(b)可见,若两个“1”码中间有一个“0”码,则密勒码流中出现最大宽度为2Ts 的波形,即两 个码元周期。这一性质可用来进行宏观检错。比较图 5-7 中的(a)和(b)两个波形可以看 出,双相码的下降沿正好对应于密勒码的跃变沿。因此,用双相码的下降沿去触发双稳电路,即可输出密勒码。密勒码最初用于气象卫星和磁记录,现在也用于低速基带数传机中。第 5 章 数字基带传输系统图 5-7 双相码、密勒码、CMI码的波形第 5 章 数字基带传输系
22、统5.CMI码码 CMI码是传号反转码的简称,与数字双相码类似,它也是一种双极性二电平码。编码 规则是:“1”码交替用“11”和“00”两位码表示;“0”码固定地用“01”表示,其波形图如图 5-7(c)所示。CMI码有较多的电平跃变,因此含有丰富的定时信息。此外,由于10为禁用码组,不 会出现3个以上的连码,这个规律可用来宏观检错。第 5 章 数字基带传输系统由于 CMI码易于实现,且具有上述特点,因此是 CCITT 推荐的 PCM 高次群采用的 接口码型,在速率低于8.448Mb/s的光纤传输系统中有时也用作线路传输码型。在数字双相码、密勒码和 CMI码中,每个原二进制信码都用一组2位的二
23、进制码表 示,因此这类码又称为1B2B码。第 5 章 数字基带传输系统6.nBmB码码 nBmB码是把原信息码流的n 位二进制码作为一组,编成 m 位二进制码的新码组。由于mn,新码组可能有2m 种组合,故多出(2m-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。在光纤数字传输系统中,通常选择 m=n+1,有1B2B码、2B3B、3B4B码以及5B6B码等,其中,5B6B码型已实用化,用作 三次群和四次群以上的线路传输码型。第 5 章 数字基带传输系统7.4B/3T码型码型 在某些高速远程传输系统中,1B/1T 码的传输效率偏低。为此可以将输入二进制信码
24、分成若干位一组,然后用较少位数的三元码来表示,以降低编码后的码速率,从而提高频 带利用率。4B/3T 码型是1B/1T 码型的改进型,它把4个二进制码变换成3个三元码。显 然,在相同的 码 速 率 下,4B/3T 码 的 信 息 容 量 大 于 1B/1T,因 而 可 提 高 频 带 利 用 率。4B/3T 码适用于较高速率的数据传输系统,如高次群同轴电缆传输系统。第 5 章 数字基带传输系统5.4 基带脉冲传输与码间串扰基带脉冲传输与码间串扰在5.1节中定性介绍了基带传输系统的工作原理,初步了解码间串扰和噪声是引起误 码的因素。本节将定量分析,分析模型如图 5-8 所示。第 5 章 数字基带
25、传输系统图 5-8 基带传输系统模型第 5 章 数字基带传输系统图中,an为发送滤波器的输入符号序列,在二进制的情况下,an 取值为0、+1或-1、+1。为了分析方便,假设an对应的基带信号d(t)是间隔为 Ts,强度由an 决定的 单位冲激序列,即此信号激励发送滤波器时,发送滤波器的输出信号为第 5 章 数字基带传输系统第 5 章 数字基带传输系统第 5 章 数字基带传输系统由于码间串扰和随机噪声的存在,当y(kTs+t0)加到判决电路时,对ak 取值的判决 可能判对也可能判错。例如,在二进制数字通信时,ak 的可能取值为“0”或“1”,判决电路 的判决门限为V0,且判决规则为第 5 章 数
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