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通信原理通信原理CH6(V20100419)6.1 数字基带及其频谱特性数字基带及其频谱特性 P132定义定义基带系统（包括数字和模拟）：不通过调制和解调，而是直接基带系统（包括数字和模拟）：不通过调制和解调，而是直接传送基带信号的系统。传送基带信号的系统。从零频或很低的频率开始。从零频或很低的频率开始。研究基带系统的意义研究基带系统的意义 数字的基带通信用途十分广泛。数字的基带通信用途十分广泛。基带系统是通信系统的理论基础。基带系统是通信系统的理论基础。基带信号：基带信号：表示数字基带信号的脉冲、电波形。表示数字基带信号的脉冲、电波形。不同电平、占空比、脉冲位置等不同电平、占空比、脉冲位置等2000t0tt6.1 数字基带及其频谱特性数字基带及其频谱特性 P1326.1.1 数字基带信号数字基带信号10t11100单极性单极性NRZ双极性双极性NRZ单极性单极性RZ双极性双极性RZ36.1 数字基带及其频谱特性数字基带及其频谱特性6.1.1 数字基带信号数字基带信号 P133000ttt101110010010110差分波形差分波形多电平波形多电平波形46.1 数字基带及其频谱特性数字基带及其频谱特性6.1.1 数字基带信号数字基带信号1.单极性波形（单极性码）单极性波形（单极性码）“1”正电压正电压 “0”零电位零电位优点：优点：简单简单缺点：缺点：(1)有直流分量（直流分量，不易传输）。有直流分量（直流分量，不易传输）。(2)判决困难判决困难信道特性变化，阈值产生变化、漂移信道特性变化，阈值产生变化、漂移 (3)脉冲之间无间隔，连脉冲之间无间隔，连“1”、连、连“0”时，不能时，不能提取时钟信息，判决困难。提取时钟信息，判决困难。56.1 数字基带及其频谱特性数字基带及其频谱特性6.1.1 数字基带信号数字基带信号2.双极性波形双极性波形“1”正电压正电压“0”负电位负电位优点：优点：与单极性码相比有改进与单极性码相比有改进 统计平均来看，统计平均来看，“1”、“0”等概时，码型无直流分量。等概时，码型无直流分量。判决电平为判决电平为“0”，容易设置，抗干扰能力强。，容易设置，抗干扰能力强。缺点：缺点：脉冲之间无间隔，连脉冲之间无间隔，连“1”、连、连“0”时，不能提取时钟信时，不能提取时钟信息，判决困难。息，判决困难。“1”、“0”不等概时，仍有直流分量。不等概时，仍有直流分量。66.1 数字基带及其频谱特性数字基带及其频谱特性6.1.1 数字基带信号数字基带信号3.单极性归零码单极性归零码“1”发一脉冲宽度发一脉冲宽度 Tb 的归零脉冲。的归零脉冲。“0”不发脉冲。不发脉冲。特点：与单极性码相似，但不同之处是连特点：与单极性码相似，但不同之处是连“1”时，可提取时钟信息。时，可提取时钟信息。4.双极性归零码双极性归零码与单极性归零码相似。与单极性归零码相似。“1”发一脉冲宽度发一脉冲宽度 Tb 的正脉冲。的正脉冲。“0”发一脉冲宽度发一脉冲宽度 n2m 2n为禁用码组。为禁用码组。2n为可用码组为可用码组(2)4B3T码码 4Binary3Ternary4个二进制码转换为个二进制码转换为3个三进制码。个三进制码。优点：可提高传信率，即码速相同的条件下。优点：可提高传信率，即码速相同的条件下。276.3 数字基带信号传输与码间干扰数字基带信号传输与码间干扰 P1446.3.1 数字基带信号传输系统的组成数字基带信号传输系统的组成图中各部分的作用：图中各部分的作用：(1)信道信号形成器：形式适于信道传输的基带波形信道信号形成器：形式适于信道传输的基带波形(2)信道：传输介质，失真信道：传输介质，失真+噪声噪声(3)接收滤波器：消除信道噪声及各种干扰，实现均衡。接收滤波器：消除信道噪声及各种干扰，实现均衡。(4)抽样判决：在定时作用下对输出波形进行抽样判决，恢复。抽样判决：在定时作用下对输出波形进行抽样判决，恢复。(5)定时同步提取：从接收信号中提取同步信号。定时同步提取：从接收信号中提取同步信号。286.3 数字基带信号传输与码间干扰数字基带信号传输与码间干扰 P1446.3.1 数字基带信号传输系统的组成数字基带信号传输系统的组成码间串扰：码间串扰：前后码元的波形畸变、前后码元的波形畸变、展宽，对当前码元的展宽，对当前码元的抽样时刻的幅值产生抽样时刻的幅值产生影响，对判决造成干影响，对判决造成干扰。扰。296.3 数字基带信号传输与码间干扰数字基带信号传输与码间干扰 P1446.3.2 数字基带信号传输分析数字基带信号传输分析2.数学描述数学描述1.系统模型框图系统模型框图(1)an输入的数字序列，输入的数字序列，an=0，1或或 1 将输入的数字序列等效为时域波形将输入的数字序列等效为时域波形d(t)。(6.3-1)306.3.2 数字基带信号传输分析数字基带信号传输分析2.数学描述数学描述(2)发送滤波器发送滤波器GT()的输出的输出(6.3-2)(3)发送滤波器、信道、接收滤波器总的特性发送滤波器、信道、接收滤波器总的特性(6.3-4)其中：其中：(6.3-3)(4)接收滤波器的输出接收滤波器的输出(6.3-6)(6.3-5)316.3.2 数字基带信号传输分析数字基带信号传输分析2.数学描述数学描述(5)判决时刻判决时刻t=kTs+t0的波形的波形 将将t=kTs+t0代入代入式式(6.3-6)(6.3-7)其中第其中第2项，就是码间串扰项，就是码间串扰ISI(6)进入进入“抽样判决抽样判决”进行判决进行判决判决门限为判决门限为Vd，判决规则：，判决规则：r(kTs+t0)Vd ak=“1”r(kTs+t0)Vd “1”输入信号输入信号xVd “0”判决器输入信号的概率密度函数判决器输入信号的概率密度函数426.5.1 二进制双极性基带系统二进制双极性基带系统则误码率则误码率BER为为Pe=P(x Vd|发发“0”)P(0)=P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0)(6.5-6)(6.5-7)式中式中436.5.1 二进制双极性基带系统二进制双极性基带系统求最佳判决门限求最佳判决门限使误码率使误码率Pe最小值的最小值的VdPe=P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0)(6.5-10)设设“0”“1”等概，等概，P(1)=P(0)=1/2 ，可得：，可得：Vd*=0 可求得最佳门限：可求得最佳门限：(6.5-9)此时系统总的误码率此时系统总的误码率(6.5-11)446.5.2 二进制单极性基带系统二进制单极性基带系统 P155A+nR(t)“1”nR(t)“0”x(t)=单极性信号与双极性的区别是单极性信号与双极性的区别是 发端为发端为“0”时，时，接收的信号对应为接收的信号对应为0，而不是，而不是 A 则则“0”“1”对应的判决器输入信号的对应的判决器输入信号的pdf分别为分别为(6.5.2A)(6.5.2B)456.5.2 二进制单极性基带系统二进制单极性基带系统 P155与双极性信号的方法类似，可求最佳判决门限与双极性信号的方法类似，可求最佳判决门限 (6.5-12)当当“0”“1”等概时，可得：等概时，可得：(6.5-13)单极性码的误码率：单极性码的误码率：(6.5-14)46实际工程中采用的一种直观、方便的方法来估计系统的特性实际工程中采用的一种直观、方便的方法来估计系统的特性 实现方法实现方法示波器示波器跨接在接收滤波器输出端。跨接在接收滤波器输出端。调整示波器的扫描频率调整示波器的扫描频率fsc，使，使fsc=nRB调整示波器的扫描达到同步调整示波器的扫描达到同步,则各码元波形重叠则各码元波形重叠,形成眼图。形成眼图。通过观察示波器的波形，来估计系统输出的性能。通过观察示波器的波形，来估计系统输出的性能。6.6 眼图眼图 eye patterns eye diagram47最佳的抽样时刻在眼型张开最大的时刻。最佳的抽样时刻在眼型张开最大的时刻。对定时误差的灵敏度可由眼图斜率决定，斜率越大，对定时误差越灵敏。对定时误差的灵敏度可由眼图斜率决定，斜率越大，对定时误差越灵敏。眼图的阴影区的垂直高度表示信号的畸变范围。眼图的阴影区的垂直高度表示信号的畸变范围。图中央的横轴位置为判决门限电平。图中央的横轴位置为判决门限电平。在抽样时刻，上、下两阴影区的间距距离之半为噪声容限。在抽样时刻，上、下两阴影区的间距距离之半为噪声容限。图中倾斜阴影带与横轴相交的区间表示过零点的畸变，表示定时抖动。图中倾斜阴影带与横轴相交的区间表示过零点的畸变，表示定时抖动。6.6 眼图眼图 eye patterns eye diagram眼图上含有的信息眼图上含有的信息48对理想低通、升余弦滚降的改善：对理想低通、升余弦滚降的改善：滤波器特性容易实现；滤波器特性容易实现；带宽达到奈奎斯特速率。带宽达到奈奎斯特速率。6.7 部分响应和时域均衡部分响应和时域均衡6.7.1 部分响应系统部分响应系统 Partial-Response SignalsNyquists second Criterion 奈奎斯特第二准则奈奎斯特第二准则实现方法：实现方法：引入码间串扰引入码间串扰 受控码间串扰受控码间串扰49(1)时域分析：将两个门波谱的时域波形分别向左、右各串时域分析：将两个门波谱的时域波形分别向左、右各串Ts/2，然后相加，然后相加1.第第I类部分响应波形类部分响应波形半余弦谱滤波器半余弦谱滤波器6.7.1 部分响应系统部分响应系统 Partial-Response Signals(6.7-2)优点：优点：时域波形在时域波形在Ts以外以外的滚降衰减加快。的滚降衰减加快。501.第第I类部分响应波形类部分响应波形半余弦谱滤波器半余弦谱滤波器6.7.1 部分响应系统部分响应系统 Partial-Response Signals P158(2)频域分析频域分析(6.7-3)带宽带宽 ：B=1/(2Ts)Hz频带利用率：频带利用率：=RB/B=2 bps/Hz511.第第I类部分响应波形类部分响应波形半余弦谱滤波器半余弦谱滤波器 P159(3)受控码间串扰受控码间串扰从图中可看出各码元判决时刻的位置（因果性），从图中可看出各码元判决时刻的位置（因果性），ISI受可控。受可控。判决点的值判决点的值:Ck=ak+ak 1 (6.7-4)或或 ak=Ck ak 1 (6.7-5)当前码元的值判决还要取决于前一个码元的值。当前码元的值判决还要取决于前一个码元的值。521.第第I类部分响应波形类部分响应波形半余弦谱滤波器半余弦谱滤波器 P159(4)差错传播问题差错传播问题 Error propagation问题出在：问题出在：当前码元的值判决还要取决于前一个码元的值当前码元的值判决还要取决于前一个码元的值ak=Ck ak 1531.第第I类部分响应波形类部分响应波形半余弦谱滤波器半余弦谱滤波器 P159(4)差错传播问题差错传播问题 Error propagation解决方法解决方法(彻底根除彻底根除)：预编码：差分编码预编码：差分编码 bk=ak bk 1 (6.7-6)输入到信道中的码是输入到信道中的码是bk由式由式(6.7-6)，则有：则有：ak=bk bk 1 (6.7-7)接收端判决值为：接收端判决值为：Ck=bk+bk 1 (6.7-8)可得判决规则：可得判决规则：Ck=0 ak=1 Ck 0 ak=0542.推广到部分响应波形一般形式推广到部分响应波形一般形式6.7.1 部分响应系统部分响应系统 Partial-Response Signals(6.7-2)重写重写(6.7-2)：(6.7-10)优点和缺点小结优点和缺点小结推广到一般形式，推广到一般形式，N个相加：个相加：P163 表表6-155信道失真造成码元波形畸变，会产生信道失真造成码元波形畸变，会产生ISI6.7.2 时域均衡时域均衡数字通信中主要采用时域均衡，改善波形畸变，从而消除数字通信中主要采用时域均衡，改善波形畸变，从而消除ISI561.时域均衡原理时域均衡原理6.7.2 时域均衡时域均衡数字通信中主要采用数字通信中主要采用时域均衡时域均衡，改善波形畸变，从而消除，改善波形畸变，从而消除ISI在接收滤波器和抽样判决之间加一个横向滤波器在接收滤波器和抽样判决之间加一个横向滤波器可以证明，由上式可以完全消除码间干扰。可以证明，由上式可以完全消除码间干扰。（6.7-16）问题：问题：上式描述的均衡器为无限长，实际中有限长，无法完全消上式描述的均衡器为无限长，实际中有限长，无法完全消除除ISI576.7.2 时域均衡时域均衡(1)最小峰值最小峰值迫零调整迫零调整2.时域准则与实现时域准则与实现本章结束本章结束预置均衡器预置均衡器自适应均衡器自适应均衡器(2)最小均方法最小均方法MMSE预置均衡器预置均衡器自适应均衡器自适应均衡器(3)其他方法其他方法 P17258