通信原理 第七章 数字信号的基带传输系统1.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,严谨 严格 求实 求是,第七章 数字信号的基带传输系统,通信原理,第,7,章,数字信号的基带传输系统,本章的结构和重点,7.1,引言,(,基带系统的用途,),7.2,数字基带传输的常用码型,7.3,数字基带信号的频谱分析,7.4,码间串扰概念和无码间传输条件,7.5,部分响应系统,7.6,基带系统的抗噪声性能,7.7,眼图,7.8,均衡,7.1,引言,一、基本概念,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”,实际的例子有：,USB,通信、,RS232,串口通信、局域网通信等等,主要用于近距离有线通信,二、基本结构。,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，主要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，使输出的有利于抽样判决。,7.2,数字基带传输的常用码型,7.2.1,数字基带码型设计的原则,(1),对信源具有“透明性”,编码方案与信源的统计特性无关,(2),接收端必须能正确解码,(3),没有直流，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,7.2.1,数字基带码型设计的原则（续）,(4),易于从基带信号中提取同步信息,这里的“同步”可以理解为数字电路中时钟,(CLK),(5),最好有一定的误码检测功能,检测出来错误后，能纠正就纠正，不能纠正可以请求重发,(6),编码设备尽可能简单,7.2.2,常用码型,1,、单极性不归零码,t,优点：简单,缺点：有直流、,最佳判决电平不确定,不能直接提取同步（分析完频谱才能理解这一点）,7.2.2,常用码型,(,续,),2,、单极性归零码,t,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）,7.2.2,常用码型,(,续,),3,、双极性不归零码,t,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）,7.2.2,常用码型,(,续,),4,、双极性归零码,t,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）、但是整流后可以同步（,CLK,）,7.2.2,常用码型,(,续,),5,、差分码（“电平跳变”表示,1,；“不跳变”表示,0,）,t,设初始状态为高电平,差分码在数字调制（第八章）中广泛应用,7.2.2,常用码型,(,续,),6,、数字双相码（又称,Manchester,码）,属于“,1B2B”,码，即,1,个,bit,用,2bit,来传输（频带展宽一倍，但可消除直流，同时含丰富的定时信息）；,1,用“,+-”,表示；,0,用“,-+”,表示,t,7.2.2,常用码型,(,续,),7,、,CMI,码（,Code Mark Inverse,）,也属于“,1B2B”,码。,1,用“,+”“-”,交替表示；,0,用“,-+”,表示。,t,7.2.2,常用码型,8,密勒码,密勒（,Miller,）码又称延迟调制码，它是数字双相码的一种变形。,1.,连续出现,1,时交替使用“,01”,和“,10”,；,2.,连续出现,0,时交替使用“,00”,和“,11”,；,3.,二进制码不连续时，按照边界不跳变原则。,密勒码数字流中出现的最大脉冲宽度是两个码元时隙，最小宽度是一个码元时隙，利用这一特点可以进行误码检测。,7.2.2,常用码型,9.PST,码（成对选择三进码）,用两位二进制数去表示二位三进制数的编码。,1B/1T,编码过程：,1.,将二进制代码每两位分为一组；,2.,按表的对应关系，每个码组转换成“,+,模式”或“,-,模式”；,3.,连续出现,10,和,01,时，两种模式交替变换。,二进制代码,+,模式,-,模式,00,-+,-+,01,0+,0-,10,+0,-0,11,+-,+-,7.2.2,常用码型,(,续,),10,、,AMI,码（,Alternative Mark Inverse,）,1,用“,+”“-”,交替表示；,0,用“,0,电平”表示。,t,优点：无直流、,且可以发现简单错误,，能量集中在,1/2,码速处,通过整流电路可将接收信码恢复成单极性归零码，,利用传号是否符合极性交替原则，可以检测误码。,不同传号率时,AMI,码的功率谱,缺点：如果出现长“,0”,则提取同步（,CLK,）困难,7.2.2,常用码型,(,续,),11,、,HDB3,码（对,AMI,的改进,解决了连“,0”,问题）,编码步骤：,首先将数据变成,AMI,码,如果有,4,个连,0,，则每,4,个连,0,分成,1,小组，称为一个“破坏节”,将破坏节的第,4,个,0,用“,+1”,或“,-1”,替换掉，称之为,V,比特。,V,取“,+1”,或“,-1”,的法则是：,第一个破坏节的,V,要保证与前一个非,0,比特,同号,以后，相邻的破坏节中的,V,要,反号,HDB3,编码规则（续）,如果一个破坏节中的,V,与前一个非,0,比特同号，则不用再对这个破坏节进行任何动作,如果一个破坏节中的,V,与前一个非,0,比特反号，则将这个破坏节中的第,1,个,0,替换成“,+1”,或“,-1”,，称之为,B,比特，,B,取“,+1”,或“,-1”,的法则是与本破坏节的那个,V,比特同号,后面的码元从此开始交替。,例,7.1HDB3,编码举例,0,1,0,0,0,0,1,1,0,0,0,0,0,1,0,1,0,第,1,个破坏节,第,2,个破坏节,+,-,+,-,+,+,V,-,V,-,B,+,-,检测方法：,信息码按,+,、,-,交替的规律变化；,破坏码按,+,、,-,交替的规律变化；,V,码总和前一信码的符号相同。,例,7.2HDB3,解码举例,0,+1,0,0,0,+1,-1,+1,-1,0,0,-1,0,+1,0,-1,0,连续非,0,同号表明后面那个是,V,0,连续非,0,同号表明后面那个是,V,由于中间只有,2,个,0,，所以前面那个是,B,0,0,再把所有,1,的符号去掉就恢复了原始信息了,7.2.2,常用码型及其波形,(,续,),5B6B,码（光纤通信常用码型）,每,5,个,bit,用,6,个,bit,来表示（牺牲有效性，换取可靠性）,6bit,码选取方法：,为了符合“尽量无直流”的原则，尽量使,6bit,中“,1”,与“,0”,的个数相等,对于那些,0/1,个数不相等的码，设置,2,种模式（即每个,5bit,组有,2,个,6bit,组与之对应，其中,1,个,6bit,组“,1”,多，另,1,个,6bit,组“,0”,多）,在传输时，使,2,种模式交替进行编码输出,5B6B,码举例,如果输入,00000,00000,00000,则输出,110010,110010,110010,如果输入,00001,00001,00001,00001,则输出,110011,100001,110011,100001,如果输入,00001,00010,00001,00010,则输出,110011,100010,110011,100010,7.3,数字基带信号的功率分析,一、二进制数字基带信号的功率谱密度,任何一个数字基带脉冲序列的一般表示式可写为,代表任一码元波形,“,1”,“,0”,7.3,数字基带信号的功率分析,一、二进制数字基带信号的功率谱密度,分析思路：,将二进制随机序列分解成,2,部分,经过理论推导，二进制数字基带信号功率谱通用表达式为,若用单边功率谱密度表示，则,二、用功率谱密度通用表达式推出最简单的,4,种码型功率谱图,1,、单极性不归零码,付立叶变换,付立叶变换,单极性不归零码的功率谱密度,单极性不归零码的功率谱密度,2,、单极性归零码的功率谱密度,付立叶变换,付立叶变换,2,、单极性归零码的功率谱密度,2,、单极性归零码的功率谱密度图,3,、双极性不归零码的功率谱密度,付立叶变换,付立叶变换,3,、双极性不归零码的功率谱密度,3,、双极性不归零码的功率谱密度,4,、双极性归零码的功率谱密度,付立叶变换,付立叶变换,4,、双极性归零码的功率谱密度,7.4,码间串扰概念和无码间传输条件,一、数字基带信号传输系统模型,从前面分析可知，虽然常用码型的功率主要集中在基带，但是在高频区也有功率,为了防止这些高频功率产生对其他线路的干扰，所以在发送时会经过“发送滤波器”,发送滤波器实际上就是一个低通滤波器,接收滤波器的作用是滤除带外噪声，对失真波形进行补偿，提高信噪比。,二、码间串扰,由于基带通信大部分用于近距离有线传输，因此电缆的电容效应不容忽视,由于电缆分布电容放电缓慢这一特性，造成基带信号在传输时会产生“拖尾”现象,前面信号的拖尾有可能对后面信号的判决带来干扰，这种干扰称为码间串扰,1.,码间串扰的概念,码间干扰示意图,2,、码间串扰的数学分析,2.,基带信号：,1.,系统传递函数：,3.,系统冲激响应：,4.,基带信号的输出：,5.,接收滤波器的输出：,上式表明：,r(t),在任一时刻都包含了一个噪声和另一个由很多码元叠加产生的波形。,以第,k,个码元为例，设抽样时刻为（,kTs+t,0,），则：,抽样值,串扰值,噪声,无码间串扰的波形举例,对第,K,个码元，无码间串扰的条件为：,令,t,0,=0,，则消除码间串扰的条件为：,时域条件,四、无码间串扰的基带传输特性,经推导，可得,频域条件,：,上式的含义是将H(w)在w轴上移位2,i,/,Ts（,i=0,1,2,）,然后把各项移至在 区间内的内容叠加,该条件称为奈奎斯特第一准则。,无码间串扰的,H(w),的频谱图举例,例题,7.3,试判断下面传输函数中哪个有串扰,哪个没有串扰,?,例题,7.3,解,(1),叠加后在中间那个区间内不是常数,因此不满足无码间串扰条件,会产生串扰,例题,7.3,解,(2),叠加后在中间那个区间内是常数,因此满足无码间串扰条件,不会产生串扰,五、无码间串扰的理想传输函数,称为奈奎斯特带宽，换算成,f(Hz),为,可见无码间串扰时的理想传输函数的截止频率可以是码元速率的一半,无码间串扰的理想传输函数的演示,(t),理想低通系统,B,N,H(f),-B,N,T,s,在峰值点上取样,无码间串扰,系统带宽：,信道利用率：,采用理想低通的系统，若使码元之间不会产生串扰,当码元速率,R,B,一定时，最小的信道带宽为,R,B,/2,；,当信道带宽,B,N,(Hz),一定时，最大的码元速率为,2B,N,(B),且无码间串扰的传输速率为,2B,N,/k,，其中,k,为整数。,通常将此理想低通传输特性的带宽,B,N=,1/2Ts,称为奈奎斯特带宽,;,Ts,称为奈奎斯特间隔；该系统无码间串扰的最高传输速率,R,B,=2B,N,=1/Ts,称为奈奎斯特速率。,例,7.4,若在,03000Hz,频段的理想信道上传输,12000bit/s,的二进制信号和四进制信号，哪个有码间串扰，哪个没有码间串扰？,滚降系数：,-W,1,|H()|,W,1,W,1,+W,2,六、无码间串扰的滚降系统,按余弦滚降的传递函数,人们发明滚降系统的根本原因是理想低通系统是不可物理实现的,滚降系统的频谱图形,可见当码元速率为,Ts,时此类系统无码间串扰,可以看出这是一个随时间增大，“尾巴”加速衰减的抽样函数,滚降系统的信号演示,余弦滚降系统,(1+,),f,N,(1-,),f,N,(t),T,s,在峰值点上取样,无码间串扰,滚降系统的截止频率与,B,N,的关系,滚降系统的频带利用率,7.5,解（续）,f1,f2,f(Hz),H(f),7.5,部分响应技术,一、什么是部分响应系统,有控制地在某些码元的抽样时刻引入码间串扰,，,而在其余码元的抽样时刻无码间串扰，就能提高频带利用率，同时又可以加快“拖尾”的衰减速度，降低对定时精度的要求，通常把这种波形称为部分响应波形。即在抽样时刻它利用了前后二个码元波形各自一部分合成而得到的，故而得名“部分响应”。,利用这种波形进行传送的基带传输系统称为部分响应系统。,二、,第一类部分响应,二、,第一类部分响应,二、,第一类部分响应,t,抽样脉冲,T,s,T,s,T,s,T,s,T,s,a,-1,a,1,a,0,a,2,由图可知：,三、差错传播和预编码,采用第一类部分响应技术编码，合成波,信息序列,a,k,为双极性二元码，所以发送序列,c,k,有,0,和,2,三个电平。接收端对,c,k,抽样之后做减法,*误码增殖，也叫差错传播,三、差错传播和预编码,为避免因相关编码引起的差错传播现象，通常在发送端先给信息序列,加预编码。预编码规则是：,即,三、差错传播和预编码,现在，送入发送滤波器的输入码元序列,接收端对,c,k,作模,2,判决即可恢复出信息序列,例题,7.7,已知第一类部分响应系统的输入如下表第一行，请填满此表,a,k,0,1,0,1,1,0,b,k-1,0,b,k,c,k,a,k,一般，题目中会给出,b,k-1,，但若没给出，可按,b,k-1,=0,计算,模,2,加,0,0,1,1,1,1,0,0,1,1,1,0,1,2,1,1,2,0,1,0,1,1,0,第四类部分响应系统,与第一类部分响应系统类似，但要注意：,计算关系式不同,C,k,的取值不同,(C,k,=+1/-1,对应,a,k,=1),。,c,k,=b,k,-b,k-2,b,k,=a,k,b,k-2,典型题型,a,k,0,1,0,1,1,1,b,k-2,0,0,0,1,0,0,b,k,0,1,0,0,1,1,c,k,=c,k,0,1,0,-1,1,1,a,k,0,1,0,1,1,1,Ck=b,k,-b,k-2,b,k,=a,k,b,k-2,部分响应系统的实现方法,方法一：,采用教材上的框图直接实现，使用近似理想的低通实现框图中的理想低通（由于所有部分响应系统在奈奎斯特带宽处都很小，所以“近似理想”不会带来很大影响）,方法二：,直接用滤波器综合设计方法，设计出部分响应系统的,G(w),，即用一个电路实现框图中“相关码,+,理想低通”的综合效果,可参见图书馆,滤波器设计,一书,概率密度函数：,高斯白噪声：,a,=0,，,7.6,无码间串扰基带传输的抗噪声性能,1.,噪声：,2.,错判：,对于双极性基带信号，抽样判决器输入端得到的波形可表示为：,分析：是高斯过程，,过程 的一维概率密度函数为：,过程 的一维概率密度函数为：,图像：,设判决门限为,Vd,，则：,（,1,）将,1,错判为,0,的概率为：,（,2,）将,0,错判为,1,的概率为：,（,3,）总误码率为：,由此可知：,Pe,与判决门限,Vd,有关。通常，把使总误码率最小的判决门限电平称为最佳门限电平。,当,P(1)=P(0)=,时，最佳门限电平为：,V,d,0,。,此时：,结论：,Pe,依赖于信号峰值,A,与噪声均方值,之比。而与采用什么样的信号形式无关。,7.7,眼图,一,.,眼图分析法,:,评价基带传输系统性能的一种定性而方便的方法是用示波器观察接收端的基带信号波形，用来分析,码间串扰,和,噪声,对系统性能的影响。因,传输二进制脉冲时，在示波器屏幕上可以观察到类似人眼的图案,，,称之为,“,眼图,”,。这种用以分析基带传输系统性能的方法，称为眼图分析法。,二,.,观察波形的具体方法,7.8,均衡,1.,目的：消除实际传输中，系统传输特性偏离理想特性，而引入的码间串扰。,2.,分类：,（,1,）,频域均衡：,利用可调滤波器的频率特性去补偿基带系统的频率特性使包括均衡器在内的整个系统的总传输函数满足无失真传输条件。,（,2,）,时域均衡：,则是利用均衡器产生的响应波形去补偿已畸形的波形，使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应满足无码间串扰的条件。,3.,时域均衡,（,1,）时域均衡的基本思想：它是利用波形补偿的方法将失真的波形直接加以校正，而且通过观察眼图波形可直接进行调节。,t,t,（,2,）线性均衡器（横向滤波器）：,抽样判决,),(,w,R,G,),(,w,C,),(,w,T,G,n,a,),(,t,n,n,a,定时,),(,w,Q,T,s,T,s,T,s,T,s,输入,x,(,t,),输出,系统框图,横向滤波器结构图,均衡器冲激响应：,系统的冲激响应：,对第,k,个码元抽样，则：,简写为：,消除码间串扰的条件为：,从信号角度,比较“模拟系统”、“无串扰基带系统”、“部分响应系统”的区别,模拟通信系统：,不允许信号失真，其发送滤波器、信道、接收滤波器的带宽均要大于模拟信号带宽,无串扰基带系统,不能有串扰，但允许信号失真，从而可以使信道带宽比信号带宽低,部分响应系统,信号有失真，也有串扰，但由于串扰是可以控制的，所以可以在接收端设法恢复。因为允许有串扰，所以信道带宽可以降到理想,B,N,例题,：,1.,P,170,2,，,3,，,5,，,6,，,7,，,8,2.,P,171,7.13,3.,信号被抽样、均匀量化、线性编码为二进制,PCM,基带信号，若量化电平数为,16,，将此二进制码序列通过升余弦滚降滤波器传输，此滤波器的截止频率为,4800Hz,。,(1),求最大可能的,PCM,信息传输速率。,(2),求最大允许的模拟信源带宽。,