数字通信原理与技术　素材学习教案.pptx

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1、数字通信原理与技术数字通信原理与技术(jsh)素材素材第一页，共68页。4.1 数字数字(shz)基带信号基带信号 4.1.1 数字基带信号数字基带信号(xnho)的常用码型的常用码型 传输码型的选择，主要考虑以下几点：(1)码型中低频(dpn)、高频分量尽量少；(2)码型中应包含定时信息，以便定时提取；(3)码型变换设备要简单可靠；(4)码型具有一定检错能力，若传输码型有一定的规律性，则就可根据这一规律性来检测传输质量，以便做到自动监测第1页/共67页第二页，共68页。(5)编码方案对发送消息类型(lixng)不应有任何限制，适合于所有的二进制信号。这种与信源的统计特性无关的特性称为对信源具

2、有透明性；(6)低误码增殖；(7)高的编码效率。第2页/共67页第三页，共68页。图 4 1 数字基带信号码型单极性(NRZ)码；(b)双极性(NRZ)码；(c)单极性(RZ)码；(d)双极性(RZ)码；(e)差分码；(f)交替(jiot)极性码(AMI)；(g)三阶高密度双极性码(HDB3)；(h)分相码；(i)信号反转码(CMI)第3页/共67页第四页，共68页。1.单极性不归零单极性不归零(NRZ)码码 (1)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；(3)有直流分量，将导致信号的失真与畸变(jbin)；且由于直流分量的存在，无法使用一些交流耦合的线路和设备；(4)

3、不能直接提取位同步信息；(5)接收单极性NRZ码的判决电平应取“1”码电平的一半。第4页/共67页第五页，共68页。2.双极性不归零双极性不归零(NRZ)码码 (1)从统计平均角度(jiod)来看，“1”和“0”数目各占一半时无直流分量，但当“1”和“0”出现概率不相等时，仍有直流成份；(2)接收端判决门限为0，容易设置并且稳定，因此抗干扰能力强；(3)可以在电缆等无接地线上传输。第5页/共67页第六页，共68页。3.单极性归零单极性归零(RZ)码码 如图如图 4-1(c)所示。在传送所示。在传送“1”码时发送码时发送1个宽度小于码元持续时间的归零脉冲；在传送个宽度小于码元持续时间的归零脉冲；

4、在传送“0”码时不发送脉冲。其特征是所用脉冲宽度比码元宽度窄，即还没有到一个码元终止时刻码时不发送脉冲。其特征是所用脉冲宽度比码元宽度窄，即还没有到一个码元终止时刻(shk)就回到零值，因此，称其为单极性归零码。脉冲宽度就回到零值，因此，称其为单极性归零码。脉冲宽度与码元宽度与码元宽度Tb之比之比/Tb叫占空比。单极性叫占空比。单极性RZ码与单极性码与单极性NRZ码比较，码比较，除仍具有单极性码的一般缺点外，主要优点是可以直接提取同步信号。此优点虽不意味着单极性归零码能广泛应用到信道上传输，但它却是其它码型提取同步信号需采用的一个过渡码型。除仍具有单极性码的一般缺点外，主要优点是可以直接提取同

5、步信号。此优点虽不意味着单极性归零码能广泛应用到信道上传输，但它却是其它码型提取同步信号需采用的一个过渡码型。即它是适合信道传输的，但不能直接提取同步信号的码型，即它是适合信道传输的，但不能直接提取同步信号的码型，可先变为单极性归零码，再提取同步信号。可先变为单极性归零码，再提取同步信号。第6页/共67页第七页，共68页。4.双极性归零双极性归零(RZ)码码 5.差分差分(ch fn)码码6.交替极性码交替极性码(AMI)(1)在“1”、“0”码不等概率情况下，也无直流成分，且零频附近低频分量小。因此，对具有变压器或其它交流耦合的传输信道来说，不易受隔直特性影响。(2)若接收端收到的码元极性与

6、发送端完全(wnqun)相反，也能正确判决。(3)只要进行全波整流就可以变为单极性码。第7页/共67页第八页，共68页。7.三阶三阶(sn ji)高密度双极性码高密度双极性码(HDB3)当信码序列(xli)中加入破坏脉冲以后，信码B和破坏脉冲V的正负必须满足如下两个条件：第8页/共67页第九页，共68页。(1)B码和V码各自都应始终保持极性交替变化的规律，以便确保编好的码中没有直流成分。(2)V码必须与前一个码(信码B)同极性，以便和正常的AMI码区分(qfn)开来。如果这个条件得不到满足，那么应该在四个连“0”码的第一个“0”码位置上加一个与V码同极性的补信码，用符号B表示。此时B码和B码合

7、起来保持条件(1)中信码极性交替变换的规律。第9页/共67页第十页，共68页。8.分相码分相码9.传号反转传号反转(fn zhun)码码(CMI)10.多进制码多进制码 图 4 2 四进制代码(di m)波形 第10页/共67页第十一页，共68页。4.1.2 数字数字(shz)基带信号功率谱基带信号功率谱 假设假设(jish)随机脉冲序列为随机脉冲序列为 第11页/共67页第十二页，共68页。从(4-3)式我们(w men)可以得出如下结论：若假设g1(t)=0,g2(t)为门函数(hnsh)，且p=1/2,则功率谱密度为第12页/共67页第十三页，共68页。只有(zhyu)连续谱和直流分量。

8、同理，当P=1/2时，图4-1(b)双极性信号的谱密度为 单极性归零码谱密度(md)双极性归零码谱密度(md)第13页/共67页第十四页，共68页。根据信号功率的90%来定义(dngy)带宽B，则有 利用(lyng)数值积分，由上式可求得双极性归零信号和单极性归零信号的带宽近似为 第14页/共67页第十五页，共68页。4.1.3 码型变换码型变换(binhun)的基本方法的基本方法 1.码表存储码表存储(cn ch)法法 图 4 3 码表存储(cn ch)法方框图 第15页/共67页第十六页，共68页。2.布线布线(b xin)逻辑法逻辑法 图 4 4 布线(b xin)逻辑法方框图 第16页

9、/共67页第十七页，共68页。图 4-5CMI编/译码器及各点波形(b xn)(a)CMI码编码器电路；(b)CMI码译码器电路；(c)各点波形(b xn)第17页/共67页第十八页，共68页。3.单片单片HDB3编译码器编译码器 近年来出现的近年来出现的HDB3编码器采用了编码器采用了CMOS型大规模集成电路型大规模集成电路CD22103，该器件可同时实现该器件可同时实现HDB3编、译码，误码检测及编、译码，误码检测及AIS码检出等功能。主要特点有：码检出等功能。主要特点有：编、译码规则符合编、译码规则符合CCITT G.703建议，建议，工作速率为工作速率为50 kb/s10 Mb/s；有

10、有HDB3和和AMI编、编、译码选择功能；译码选择功能；接收部分具有误码检测和接收部分具有误码检测和AIS信号检测功能；信号检测功能；所有输入、所有输入、输出接口都与输出接口都与TTL兼容；兼容；具有内部自环测试具有内部自环测试(csh)能力。能力。第18页/共67页第十九页，共68页。图 4-6CD22103 引脚及内部(nib)框图 第19页/共67页第二十页，共68页。图 4 7 实用(shyng)HDB3 编/译码电路 第20页/共67页第二十一页，共68页。4.缓存插入法缓存插入法 图 4 8 缓存插入法框图(kungt)第21页/共67页第二十二页，共68页。4.2 数字基带传输数

11、字基带传输(chun sh)系统系统 4.2.1 数字基带系统数字基带系统(xtng)的基本组成的基本组成 图图 4 9 数字基带传输数字基带传输(chun sh)系统方框图系统方框图 第22页/共67页第二十三页，共68页。图 4 10 基带传输系统(xtng)各点的波形 第23页/共67页第二十四页，共68页。4 11 码间串扰示意图 第24页/共67页第二十五页，共68页。4.2.2 基带传输基带传输(chun sh)系统的数学分析系统的数学分析 图 4 12 基带传输(chun sh)系统简化图 假定输入基带信号的基本脉冲为单位冲击(t)，这样发送(f sn)滤波器的输入信号可以表示为

12、 第25页/共67页第二十六页，共68页。其中ak是第k个码元，对于(duy)二进制数字信号，ak的取值为0、1(单极性信号)或-1、+1(双极性信号)。由图4-12可以得到 式中h(t)是H()的傅氏反变换，是系统的冲击(chngj)响应，可表示为 nR(t)是加性噪声(zoshng)n(t)通过接收滤波器后所产生的输出噪声(zoshng)。第26页/共67页第二十七页，共68页。抽样判决器对y(t)进行抽样判决，以确定所传输(chun sh)的数字信息序列ak。为了判定其中第j个码元aj的值，应在t=jTb+t0瞬间对y(t)抽样，这里t0是传输(chun sh)时延，通常取决于系统的传输

13、(chun sh)函数H()。显然，此抽样值为 第27页/共67页第二十八页，共68页。4.2.3 码间串扰的消除码间串扰的消除(xioch)图 4 13 理想的传输(chun sh)波形 第28页/共67页第二十九页，共68页。4.3 无码间串扰的基带传输无码间串扰的基带传输(chun sh)系统系统 (1)基带信号经过传输后在抽样点上无码间串扰，也即瞬时(shn sh)抽样值应满足：令k=j-k，并考虑到k也为整数(zhngsh)，可用k表示，第29页/共67页第三十页，共68页。(2)h(t)尾部衰减快。从理论上讲，以上两条可以通过合理地选择信号的波形和信道的特性达到。下面从研究理想基带

14、传输系统出发，得出(d ch)奈奎斯特第一定理及无码间串扰传输的频域特性H()满足的条件。第30页/共67页第三十一页，共68页。4.3.1 理想理想(lxing)基带传输系统基带传输系统 理想理想(lxing)基带传输系统的传输特性具有理想基带传输系统的传输特性具有理想(lxing)低通特性，低通特性，其传输函数为其传输函数为 如图4-14(a)所示，其带宽B=(b/2)/2=fb/2(Hz)，对其进行(jnxng)傅氏反变换得 第31页/共67页第三十二页，共68页。图 4 14 理想(lxing)基带传输系统的H()和h(t)第32页/共67页第三十三页，共68页。如果信号经传输后整个波

15、形发生变化，但只要其特定点的抽样值保持不变，那么用再次抽样的方法(fngf)(这在抽样判决电路中完成)，仍然可以准确无误地恢复原始信码，这就是奈奎斯特第一准则(又称为第一无失真条件)的本质。在图4-14所表示的理想基带传输系统中，各码元之间的间隔Tb=1/(2B)称为奈奎斯特间隔，码元的传输速率RB=1/Tb=2B。所谓频带利用率是指码元速率RB和带宽B的比值，即单位频带所能传输的码元速率，其表示式为 第33页/共67页第三十四页，共68页。图 4-15 H()的分割(fng)第34页/共67页第三十五页，共68页。4.3.2 无码间串扰的等效无码间串扰的等效(dn xio)特性特性 第35页

16、/共67页第三十六页，共68页。由于h(t)是必须收敛(shulin)的，求和与求积可互换，得 第36页/共67页第三十七页，共68页。4.3.3 升余弦滚降传输升余弦滚降传输(chun sh)特性特性 升余弦滚降传输(chun sh)特性H()可表示为 H()是对截止频率b的理想低通特性(txng)H0()按H()的滚降特性(txng)进行“圆滑”得到的，H1()对于b具有奇对称的幅度特性(txng)，其上、下截止角频率分别为b+1、b-1。它的选取可根据需要选择，升余弦滚降传输特性(txng)H1()采用余弦函数，此时H()为 第37页/共67页第三十八页，共68页。显然，它满足(4-19

17、)式，故一定在码元传输速率为fb=1/Tb时无码间串扰。它所对应(duyng)的冲击响应为 第38页/共67页第三十九页，共68页。图 4-16 升余弦(yxin)滚降传输特性 第39页/共67页第四十页，共68页。图 4-17 不同(b tn)值的频谱与波形 第40页/共67页第四十一页，共68页。(1)当=0，无“滚降”，即为理想基带传输系统，“尾巴”按1/t的规律衰减。当0，即采用升余弦滚降时，对应的h(t)仍旧保持t=Tb开始，向右和向左每隔Tb出现一个零点的特点，满足抽样瞬间无码间串扰的条件，但式(4-23)中第二个因子对波形的衰减速度是有影响的。在t足够大时，由于分子(fnz)值只

18、能在+1和-1间变化，而在分母中的1与(2t/Tb)2 比较可忽略。因此，总体来说，波形的“尾巴”在t足够大时，将按1/t3的规律衰减，比理想低通的波形小得多。此时，衰减的快慢还与有关，越大，衰减越快，码间串扰越小，错误判决的可能性越小。第41页/共67页第四十二页，共68页。(2)输出信号频谱所占据的带宽B=(1+)fb/2，当=0时，B=fb/2，频带利用率为2Baud/Hz，=1时，B=fb，频带利用率为1 Baud/Hz；一般(ybn)=01时，B=fb/2fb，频带利用率为21 Baud/Hz。可以看出越大，“尾部”衰减越快，但带宽越宽，频带利用率越低。因此，用滚降特性来改善理想低通

19、，实质上是以牺牲频带利用率为代价换取的。第42页/共67页第四十三页，共68页。(3)当=1时，有 第43页/共67页第四十四页，共68页。4.3.4 无码间串扰时噪声无码间串扰时噪声(zoshng)对传输性能的影响对传输性能的影响 1.误码率误码率Pe的两种表示的两种表示(biosh)方式方式 第44页/共67页第四十五页，共68页。2.Pe与与关系关系(gun x)曲线曲线 图 4-18 Pe与曲线(qxin)第45页/共67页第四十六页，共68页。图4-18给出了单、双极性Pe的关系曲线，从图中可以得出以下几个结论：(1)在信噪比相同(xin tn)条件下，双极性误码率比单极性低，抗干扰

20、性能好。(2)在误码率相同(xin tn)条件下，单极性信号需要的信噪功率比要比双极性高3dB。(3)Pe曲线总的趋势是，Pe，但当达到一定值后，Pe将大大降低。第46页/共67页第四十七页，共68页。3.Pe与码元速率与码元速率Rb的关系的关系 从从Pe的关系式中无法的关系式中无法(wf)直接看出直接看出Pe与与Rb的关系，但的关系，但，B与与fb有关，且成正比，因此当有关，且成正比，因此当Rb时，时，B，Pe。这就是说，码元速率这就是说，码元速率Rb(有效性指标有效性指标)和误码率和误码率Pe(可靠性指标可靠性指标)是相互矛盾的。是相互矛盾的。第47页/共67页第四十八页，共68页。4.4

21、 眼眼 图图 图 4-19 基带信号(xnho)波形及眼图 第48页/共67页第四十九页，共68页。图 4-20 眼图照片(zhopin)第49页/共67页第五十页，共68页。图 4-21 眼图的模型(mxng)第50页/共67页第五十一页，共68页。(1)最佳抽样时刻应选择在眼图中眼睛张开的最大处。(2)对定时误差的灵敏度，由斜边斜率决定，斜率越大，对定时误差就越灵敏。(3)在抽样时刻上，眼图上下两分支的垂直宽度(kund)，都表示了最大信号畸变。(4)在抽样时刻上，上、下两分支离门限最近的一根线迹至门限的距离表示各自相应电平的噪声容限，噪声瞬时值超过它就可能发生判决差错。(5)对于信号过零

22、点取平均来得到定时信息的接收系统，眼图倾斜分支与横轴相交的区域的大小，表示零点位置的变动范围，这个变动范围的大小对提取定时信息有重要影响。第51页/共67页第五十二页，共68页。4.5 时域均衡时域均衡(jnhng)原理原理 图 4-22 时域均衡基本(jbn)波形 第52页/共67页第五十三页，共68页。图 4-23 横向(hn xin)滤波器方框图 第53页/共67页第五十四页，共68页。图 4-24 横向(hn xin)滤波器工作原理 第54页/共67页第五十五页，共68页。x(t)经过延迟后，在q点和r点分别(fnbi)得到x(t-T)和x(t-2T)，如图4-29(c)和(d)所示。

23、若此滤波器的三个抽头增益调制为 第55页/共67页第五十六页，共68页。则调整后的三路波形如图4-24(e)中虚线所示。三者相加得到最后输出h(t)。其最大值h0出现时刻比x(t)的最大值滞后T秒，此输出波形在各抽样(chu yn)点上的值等于 第56页/共67页第五十七页，共68页。4.6 部分响应部分响应(xingyng)技术技术 1.部分响应部分响应(xingyng)波形波形 图 4-25 g(t)及其频谱 第57页/共67页第五十八页，共68页。式中，W为奈奎斯特频率(pnl)间隔，即W=1/(2Tb)。不难求出g(t)的频谱函数(hnsh)G()为 第58页/共67页第五十九页，共6

24、8页。当t=0、Tb/2、kTb/2(k=3、5)时，第59页/共67页第六十页，共68页。图 4-26 码间发生(fshng)干扰示意图 第60页/共67页第六十一页，共68页。2.差错传播差错传播 设输入设输入(shr)二进制码元序列二进制码元序列ak，并设，并设ak在抽样点上取值为在抽样点上取值为+1和和-1。当发送。当发送ak时，接收波形时，接收波形g(t)在抽样时刻取值为在抽样时刻取值为ck，则，则 表表 4-1 ck的取值的取值 第61页/共67页第六十二页，共68页。3.部分响应基带传输系统的相关编码部分响应基带传输系统的相关编码(bin m)和预编码和预编码(bin m)为了消

25、除差错传播现象，通常将绝对码变换为相对码，为了消除差错传播现象，通常将绝对码变换为相对码，而后再进行部分响应编码而后再进行部分响应编码(bin m)。也就是说，将。也就是说，将ak先变为先变为bk，其规则为，其规则为 把bk送给发送滤波器形成(xngchng)前述的部分响应波形g(t)。第62页/共67页第六十三页，共68页。然后对ck进行模2处理(chl)，便可直接得到ak，即 上述整个过程不需要预先知道ak-1，故不存在错误传播现象。通常，把ak变成bk的过程叫做“预编码”，而把ck=bk+bk-1(或ck=a k+ak-1)关系(gun x)称为相关编码。第63页/共67页第六十四页，共68页。图 4-27 部分(b fen)响应系统框图 第64页/共67页第六十五页，共68页。4.部分响应波形的一般部分响应波形的一般(ybn)表示式表示式 第65页/共67页第六十六页，共68页。与前述相似，为了(wi le)避免“差错传播”现象，可在发端进行编码 第66页/共67页第六十七页，共68页。感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)。第67页/共67页第六十八页，共68页。