通信原理_第12讲_数字基带传输系统(2)_电07.ppt

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1、通信原理（第十二讲）内内 容容第一章第一章 绪论（绪论（3）第二章第二章 确知信号（确知信号（2）第三章第三章 随机过程（随机过程（5）第四章第四章 信道（信道（2）第五章第五章 模拟调制系统（模拟调制系统（8）第六章第六章 数字基带传输系统（数字基带传输系统（6）第七章第七章 数字带通传输系统（数字带通传输系统（6）第八章第八章 新型数字调制技术（新型数字调制技术（3）第九章第九章 模拟信号的数字传输（模拟信号的数字传输（8）第十章第十章 数字信号的最佳接收（数字信号的最佳接收（4）第十三章第十三章 同步原理（同步原理（4）习题（2）总结（2）12/18/20222第六章第六章 数字基带传输

2、系统数字基带传输系统6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性6.2 基带传输的常用码型基带传输的常用码型6.3 数字基带信号传输与码间串扰数字基带信号传输与码间串扰6.4 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性6.5 基带传输系统的抗噪声性能基带传输系统的抗噪声性能6.6 眼图眼图6.7 部分响应和时域均衡部分响应和时域均衡6.8 小结小结12/18/202236.2 基带传输的常用码型基带传输的常用码型数字通信系统框图数字通信系统框图此前为基带系统注：复用可能在信源编码之后注：扩频一般在高频调制前12/18/202246.3 数字基带信号传输与码间串扰数字基带信号传

3、输与码间串扰一、一、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二、二、数字基带信号传输的定量分析数字基带信号传输的定量分析12/18/202256.3 数字基带信号传输与码间串扰数字基带信号传输与码间串扰(1)基本结构基本结构一、数字基带信号传输系统的组成一、数字基带信号传输系统的组成12/18/202266.3 数字基带信号传输与码间串扰数字基带信号传输与码间串扰(1)基本结构基本结构q 信道信号形成器（发送滤波器）：信道信号形成器（发送滤波器）：压缩输入信号频带，压缩输入信号频带，把传输码变换成适宜于信道传输的基带信号波形。把传输码变换成适宜于信道传输的基带信号波形。q 信道：信

4、道：信道的传输特性一般不满足无失真传输条件，信道的传输特性一般不满足无失真传输条件，因此会引起传输波形的失真。另外信道还会引入噪声因此会引起传输波形的失真。另外信道还会引入噪声 n(t)，并假设它是，并假设它是均值为零的高斯白噪声均值为零的高斯白噪声。一、数字基带信号传输系统的组成一、数字基带信号传输系统的组成12/18/202276.3 数字基带信号传输与码间串扰数字基带信号传输与码间串扰(1)基本结构基本结构q 接收滤波器：接收滤波器：用来接收信号，滤除信道噪声和其他干用来接收信号，滤除信道噪声和其他干扰，对信道特性进行均衡，使输出的基带波形有利于抽样扰，对信道特性进行均衡，使输出的基带波

5、形有利于抽样判决。判决。q 抽样判决器：抽样判决器：对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，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。以恢复或再生基带信号。q 同步提取：同步提取：用同步提取电路从接收信号中提取定时脉用同步提取电路从接收信号中提取定时脉冲。冲。一、数字基带信号传输系统的组成一、数字基带信号传输系统的组成12/18/202286.3 数字基带信号传输与码间串扰数字基带信号传输与码间串扰(1)基本结构基本结构一、数字基带信号传输系统的组成一、数字基带信号传输系统的组成输入信号输入信号码型变换后码型变换后传输的波形传输的波形信道输出信道输出接收滤波输出接收滤波输出位定时脉

6、冲位定时脉冲恢复的信息恢复的信息错误码元错误码元12/18/202296.3 数字基带信号传输与码间串扰数字基带信号传输与码间串扰(2)码间串扰码间串扰q 两种误码原因：两种误码原因：v 码间串扰码间串扰v 信道加性噪声信道加性噪声q 码间串扰原因：码间串扰原因：系统传输总特性不理想，导致前后码系统传输总特性不理想，导致前后码元的波形畸变并使前面波形出现很长的拖尾，从而对当前元的波形畸变并使前面波形出现很长的拖尾，从而对当前码元的判决造成干扰。码元的判决造成干扰。q 码间串扰严重时，会造成错误判决，如下图所示：码间串扰严重时，会造成错误判决，如下图所示：一、数字基带信号传输系统的组成一、数字基

7、带信号传输系统的组成12/18/2022106.3 数字基带信号传输与码间串扰数字基带信号传输与码间串扰(2)码间串扰码间串扰一、数字基带信号传输系统的组成一、数字基带信号传输系统的组成码间串扰m(t)r(t)cp(t)12/18/2022116.3 数字基带信号传输与码间串扰数字基带信号传输与码间串扰(2)码间串扰码间串扰一、数字基带信号传输系统的组成一、数字基带信号传输系统的组成12/18/2022126.3 数字基带信号传输与码间串扰数字基带信号传输与码间串扰(1)数字基带信号传输模型数字基带信号传输模型二、数字基带信号传输的定量分析二、数字基带信号传输的定量分析an 发送滤波器的发送滤

8、波器的输入符号序列，取值输入符号序列，取值为为0、1或或1，+1d(t)基带信号基带信号12/18/2022136.3 数字基带信号传输与码间串扰数字基带信号传输与码间串扰(2)发送滤波器输出：发送滤波器输出：q 设发送滤波器的传输特性为设发送滤波器的传输特性为GT()，则有：，则有：二、数字基带信号传输的定量分析二、数字基带信号传输的定量分析发送滤波器的冲激响应发送滤波器的冲激响应12/18/2022146.3 数字基带信号传输与码间串扰数字基带信号传输与码间串扰(3)总传输特性总传输特性q 再设再设信道的传输特性信道的传输特性为：为：C()，接收滤波器的传输特性，接收滤波器的传输特性为为G

9、R()，则基带传输系统的总传输特性为：，则基带传输系统的总传输特性为：q 其单位冲激响应为：其单位冲激响应为：二、数字基带信号传输的定量分析二、数字基带信号传输的定量分析12/18/2022156.3 数字基带信号传输与码间串扰数字基带信号传输与码间串扰(4)接收滤波器输出信号接收滤波器输出信号二、数字基带信号传输的定量分析二、数字基带信号传输的定量分析是加性噪声是加性噪声n(t)经过接经过接收滤波器后输出的噪声收滤波器后输出的噪声12/18/2022166.3 数字基带信号传输与码间串扰数字基带信号传输与码间串扰(5)抽样判决：抽样判决：抽样判决器对抽样判决器对 r(t)进行抽样判决进行抽样

10、判决 例如：为了确定第例如：为了确定第 k 个码元个码元 ak 的取值，首先应在的取值，首先应在 t=kTs+t0 时刻上对时刻上对 r(t)进行抽样，确定进行抽样，确定 r(t)在该样点上的值。由在该样点上的值。由上式得：上式得：二、数字基带信号传输的定量分析二、数字基带信号传输的定量分析第第 k 个接收码元个接收码元波形的抽样值波形的抽样值码间串扰值码间串扰值 随机干扰随机干扰 k0信道和接收滤信道和接收滤波器造成的延迟波器造成的延迟12/18/2022176.3 数字基带信号传输与码间串扰数字基带信号传输与码间串扰(5)抽样判决：抽样判决：q 第第1项是第项是第 k 个接收码元波形的抽样

11、值，它是确定个接收码元波形的抽样值，它是确定 ak 的的依据；依据；二、数字基带信号传输的定量分析二、数字基带信号传输的定量分析12/18/2022186.3 数字基带信号传输与码间串扰数字基带信号传输与码间串扰(5)抽样判决：抽样判决：q 第第2项（项（项）是除第项）是除第 k 个码元以外的其它码元波形在个码元以外的其它码元波形在第第 k 个抽样时刻上的总和（代数和），它对当前码元个抽样时刻上的总和（代数和），它对当前码元 ak 的的判决起着干扰的作用，所以称之为判决起着干扰的作用，所以称之为码间串扰值码间串扰值。由于。由于 ak是是以概率出现的，故码间串扰值通常是一个以概率出现的，故码间串

12、扰值通常是一个随机变量随机变量。二、数字基带信号传输的定量分析二、数字基带信号传输的定量分析12/18/2022196.3 数字基带信号传输与码间串扰数字基带信号传输与码间串扰(5)抽样判决：抽样判决：q 第第3项项 nR(kTs+t0)是输出噪声在抽样瞬间的值，它是一是输出噪声在抽样瞬间的值，它是一种种随机干扰随机干扰，也会影响对第，也会影响对第 k 个码元的正确判决。个码元的正确判决。实际抽样值不仅有本码元的值，还有实际抽样值不仅有本码元的值，还有码间串扰值码间串扰值及及噪噪声声，故当，故当 r(kTs+t0)加到判决电路时，对加到判决电路时，对 ak 取值的判决可取值的判决可能判对也可能

13、判错。能判对也可能判错。二、数字基带信号传输的定量分析二、数字基带信号传输的定量分析12/18/2022206.3 数字基带信号传输与码间串扰数字基带信号传输与码间串扰(5)抽样判决：抽样判决：例如：例如：在二进制数字通信时，在二进制数字通信时，ak 的可能取值为的可能取值为“0”或或“1”，若判决电路的判决门限为，若判决电路的判决门限为 Vd，则这时判决规则为：，则这时判决规则为：当当 r(kTs+t0)Vd时，判时，判 ak 为为“1”当当 r(kTs+t0)Vd时，判时，判 ak 为为“0”显然，只有当显然，只有当码间串扰值和噪声足够小时码间串扰值和噪声足够小时，才能基本保证上，才能基本

14、保证上述判决的正确。述判决的正确。二、数字基带信号传输的定量分析二、数字基带信号传输的定量分析12/18/2022216.4 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性q本节先讨论在不考虑噪声情况下，如何消除码间本节先讨论在不考虑噪声情况下，如何消除码间串扰；下一节再讨论无码间串扰情况下，如何减串扰；下一节再讨论无码间串扰情况下，如何减小信道噪声的影响。小信道噪声的影响。12/18/2022226.4 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性一、一、消除码间串扰的基本思想消除码间串扰的基本思想二、二、无码间串扰的条件无码间串扰的条件三、三、无码间串扰的传输特性的设计无码间串扰的传

15、输特性的设计12/18/2022236.4 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性q 由上式可知，若想消除码间串扰，应使：由上式可知，若想消除码间串扰，应使：q 由于由于 an 是随机的，要想通过各项相互抵消使码间串扰是随机的，要想通过各项相互抵消使码间串扰为为0是不行的，需要对是不行的，需要对 h(t)的波形提出要求的波形提出要求。一、消除码间串扰的基本思想一、消除码间串扰的基本思想12/18/2022246.4 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性q 在上式中，若让在上式中，若让 h(kn)Ts+t0 在在Ts+t0、2Ts+t0等后面等后面码元抽样判决时刻上正好为码

16、元抽样判决时刻上正好为0，就能消除码间串扰，如下，就能消除码间串扰，如下图所示：图所示：这就是消除码间串扰的基本思想。这就是消除码间串扰的基本思想。一、消除码间串扰的基本思想一、消除码间串扰的基本思想12/18/2022256.4 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性(1)时域条件时域条件q 只要基带传输系统的冲激响应波形只要基带传输系统的冲激响应波形 h(t)仅在本码元的抽仅在本码元的抽样时刻上有最大值，并在其他码元的抽样时刻上均为样时刻上有最大值，并在其他码元的抽样时刻上均为0，则可消除码间串扰。也就是说，若对则可消除码间串扰。也就是说，若对 h(t)在时刻在时刻 t=kTs（

17、这里假设信道和接收滤波器所造成的延迟（这里假设信道和接收滤波器所造成的延迟t0=0）抽样，抽样，则下式成立：则下式成立：二、无码间串扰的条件二、无码间串扰的条件无码间串扰无码间串扰的时域条件的时域条件12/18/2022266.4 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性(1)时域条件时域条件q 也就是说，若也就是说，若 h(t)的抽样值除了在的抽样值除了在 t=0 时不为零外，时不为零外，在其他所有抽样点上均为零，就不存在码间串扰。在其他所有抽样点上均为零，就不存在码间串扰。二、无码间串扰的条件二、无码间串扰的条件12/18/2022276.4 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基

18、带传输特性(2)频域条件频域条件q 在在无码间串扰时域条件的要求下，得到无码间串扰时的无码间串扰时域条件的要求下，得到无码间串扰时的基带传输特性应满足：基带传输特性应满足：q 上条件称为上条件称为奈奎斯特（奈奎斯特（Nyquist）第一准则）第一准则。q 基带系统的总特性基带系统的总特性 H()凡是能符合此要求的，均能消凡是能符合此要求的，均能消除码间串扰。除码间串扰。二、无码间串扰的条件二、无码间串扰的条件12/18/2022286.4 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性(3)频域条件的物理意义频域条件的物理意义q 将将 H()在在 轴上以轴上以 2/Ts 为间隔切开，然后分段

19、沿为间隔切开，然后分段沿 轴平移到轴平移到(/Ts,/Ts)区间内，将它们进行叠加，其结区间内，将它们进行叠加，其结果应当为一常数果应当为一常数（不必一定是（不必一定是 Ts）。q 这一过程可以归述为：这一过程可以归述为：一个实际的一个实际的 H()特性若能特性若能等效等效成一个理想（矩形）低通滤波器，则可实现无码间串扰。成一个理想（矩形）低通滤波器，则可实现无码间串扰。二、无码间串扰的条件二、无码间串扰的条件12/18/2022296.4 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性(3)频域条件的物理意义频域条件的物理意义二、无码间串扰的条件二、无码间串扰的条件12/18/202230

20、6.4 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性 满足奈奎斯特第一准则并不是唯一的要求。如何设计或满足奈奎斯特第一准则并不是唯一的要求。如何设计或选择满足此准则的选择满足此准则的 H()?(1)理想低通特性理想低通特性q 满足奈奎斯特第一准则的满足奈奎斯特第一准则的 H()有很多种，例如有很多种，例如 H()为为理想低通型，即：理想低通型，即：三、无码间串扰的传输特性的设计三、无码间串扰的传输特性的设计12/18/2022316.4 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性(1)理想低通特性理想低通特性q h(t)在在 t=kTs（k 0）时有周期性零点，当发送序列）时有周期性

21、零点，当发送序列的时间间隔为的时间间隔为 Ts 时，正好巧妙地利用了这些零点。只要时，正好巧妙地利用了这些零点。只要接收端在接收端在 t=kTs 时间点上抽样，就能实现无码间串扰。时间点上抽样，就能实现无码间串扰。三、无码间串扰的传输特性的设计三、无码间串扰的传输特性的设计12/18/2022326.4 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性(1)理想低通特性理想低通特性q 对于带宽为：对于带宽为：B=1/2Ts（Hz）的理想低通传输特性：的理想低通传输特性：v 若输入数据以若输入数据以 RB=1/Ts 波特的速率进行传输，则在抽样时刻上波特的速率进行传输，则在抽样时刻上不存在码间串

22、扰。不存在码间串扰。v 若以高于若以高于 1/Ts 波特的码元速率传送时，将存在码间串扰。波特的码元速率传送时，将存在码间串扰。三、无码间串扰的传输特性的设计三、无码间串扰的传输特性的设计12/18/2022336.4 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性(1)理想低通特性理想低通特性q 奈奎斯特奈奎斯特带宽带宽：带宽带宽 B=1/2Ts（Hz）q 奈奎斯特奈奎斯特速率速率：RB=1/Ts（波特）（波特）q 此基带系统所能提供的最高频带利用率为：此基带系统所能提供的最高频带利用率为：=RB/B=2（B/Hz）q 这种特性在物理上是无法实现的这种特性在物理上是无法实现的；并且；并且

23、h(t)的振荡衰减的振荡衰减慢，使之对定时精度要求很高，故不能实用。慢，使之对定时精度要求很高，故不能实用。三、无码间串扰的传输特性的设计三、无码间串扰的传输特性的设计12/18/2022346.4 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性(2)余弦滚降特性余弦滚降特性 q 为了解决理想低通特性存在的问题，可以使理想低通为了解决理想低通特性存在的问题，可以使理想低通滤波器特性的边沿缓慢下降，这称为滤波器特性的边沿缓慢下降，这称为“滚降滚降”。q 一种常用的滚降特性是余弦滚降特性，如下图所示：一种常用的滚降特性是余弦滚降特性，如下图所示：三、无码间串扰的传输特性的设计三、无码间串扰的传输

24、特性的设计12/18/2022356.4 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性(2)余弦滚降特性余弦滚降特性 q 只要只要 H()在滚降段中心频率处在滚降段中心频率处（与奈奎斯特带宽相对（与奈奎斯特带宽相对应）应）呈奇对称的振幅特性，就必然可以满足奈奎斯特第一呈奇对称的振幅特性，就必然可以满足奈奎斯特第一准则，从而实现无码间串扰传输。准则，从而实现无码间串扰传输。q 按余弦特性滚降的传输函数和冲击响应可表示为：按余弦特性滚降的传输函数和冲击响应可表示为：三、无码间串扰的传输特性的设计三、无码间串扰的传输特性的设计12/18/2022366.4 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基

25、带传输特性(2)余弦滚降特性余弦滚降特性 三、无码间串扰的传输特性的设计三、无码间串扰的传输特性的设计 ：滚降系数，用：滚降系数，用于描述滚降程度于描述滚降程度 =f/fNfN:奈奎斯特带宽，奈奎斯特带宽，f :超出奈奎斯特带超出奈奎斯特带宽的扩展量宽的扩展量12/18/2022376.4 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性(2)余弦滚降特性余弦滚降特性q 几种滚降特性和冲激响应曲线几种滚降特性和冲激响应曲线三、无码间串扰的传输特性的设计三、无码间串扰的传输特性的设计12/18/2022386.4 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性(2)余弦滚降特性余弦滚降特性q

26、几种滚降特性和冲激响应曲线几种滚降特性和冲激响应曲线v 滚降系数滚降系数 越大，越大，h(t)的拖尾衰减越快的拖尾衰减越快v 滚降使带宽增大为：滚降使带宽增大为：B=fN+f=(1+)fNv 余弦滚降系统的最高频带利用率为：余弦滚降系统的最高频带利用率为：三、无码间串扰的传输特性的设计三、无码间串扰的传输特性的设计12/18/2022396.4 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性(2)余弦滚降特性余弦滚降特性q当当=0时，即为前面所述的理想低通系统；时，即为前面所述的理想低通系统；q当当=1时，即为升余弦频谱特性，这时时，即为升余弦频谱特性，这时 H()可表示为：可表示为：三、无

27、码间串扰的传输特性的设计三、无码间串扰的传输特性的设计12/18/2022406.4 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性(2)余弦滚降特性余弦滚降特性q 由上式可知，由上式可知，1的升余弦滚降特性的升余弦滚降特性的的 h(t)满足抽样满足抽样值上无串扰的传输条件，且各抽样值之间又增加了一个零值上无串扰的传输条件，且各抽样值之间又增加了一个零点，而且它的尾部衰减较快（与点，而且它的尾部衰减较快（与 t2 成反比），这有利于减成反比），这有利于减小码间串扰和位定时误差的影响。但小码间串扰和位定时误差的影响。但这种系统所占频带最这种系统所占频带最宽，是理想低通系统的宽，是理想低通系统的

28、2倍倍，因而频带利用率为，因而频带利用率为1B/Hz，是是二进制基带系统最高利用率的一半二进制基带系统最高利用率的一半。三、无码间串扰的传输特性的设计三、无码间串扰的传输特性的设计12/18/2022416.4 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性(2)余弦滚降特性余弦滚降特性q 在以上讨论中并没有涉及在以上讨论中并没有涉及 H()的相移特性。实际上它的相移特性。实际上它的相移特性一般不为零，故需要加以考虑。然而，在推导的相移特性一般不为零，故需要加以考虑。然而，在推导奈奎斯特第一准则公式的过程中，我们并没有指定奈奎斯特第一准则公式的过程中，我们并没有指定 H()是实函数，所以，该公式对于一般特性的是实函数，所以，该公式对于一般特性的 H()均适用。均适用。三、无码间串扰的传输特性的设计三、无码间串扰的传输特性的设计12/18/202242