第5章 数字基带传输系统精选PPT.ppt
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1、第5章 数字基带传输系统第1页,本讲稿共135页l因为在利用对称电缆构成的近程数据通信系统广泛采用了这种传输方式;l因为基带传输系统的许多问题也是频带传输系统必须考虑的问题;l因为任何一个采用线性调制的频带传输系统可等效为基带传输系统来研究。基带传输系统的研究:而大多数信道,如各种无线信道和光信道,则是带通型的,数字基带信号必须经过载波调制载波调制,把频谱搬移到高载处才能在信道中传输,这被称为数字频带(调制或载波)传输。第2页,本讲稿共135页图 5-1数字基带传输系统基带传输系统主要由信道信号形成器、信道、接收滤波器和抽样判决器组成。为了保证系统可靠有序地工作,还应有同步系统。第3页,本讲稿
2、共135页它是允许基带信号通过的媒质,通常为有线信道,如市话电缆、架空明线等。信道的传输特性通常不满足无失真传输条件,甚至是是随随机机变变化化的的。另外信道还会进入噪声。在通信系统的分析中,常常把噪声n(t)等效,集中在信道中引入。信道信号形成器信道信号形成器把原始基带信号变变换换成成适适合合于于信信道道传传输输的基带信号,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。信道信道第4页,本讲稿共135页在在传传输输特特性性不不理理想想及及噪噪声声背背景景下下,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
3、复或再生基带信号。而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。接收滤波器接收滤波器滤除带外噪声,对信道特性均衡,使输出的基带波形有利于抽样判决。抽样判决器抽样判决器 第5页,本讲稿共135页图5-2 基带系统个点波形示意图(a)基带信号;(b)码型变换后;(c)对(a)进行了码型及波形的变换,适合在信道中传输的波形;(d)信道输出信号,波形发生失真并叠加了噪声;(e)接收滤波器输出波形,与(d)相比,失真和噪声减弱;(f)位定时同步脉冲;(g)恢复的信息。第6页,本讲稿共135页在上例中,第4个码元发生误码,误码的原因之一是信信道道加加性性噪噪
4、声声,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,使码码元元之之间间相相互互串串扰扰。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,在于能否有效地抑制噪声和减小码间串扰。第7页,本讲稿共135页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 数字基带信号是指消消息息代代码码的的电电波波形形,它是用不同的电平或脉冲来表示相应的消息代码。数字基带信号(以下简称为基带信号)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。最最常常用
5、用的的是是矩矩形形脉脉冲冲,因为矩形脉冲易于形成和变换因为矩形脉冲易于形成和变换。第8页,本讲稿共135页图 5 3 几种常见的基带信号波形第9页,本讲稿共135页1.单极性不归零波形单极性不归零波形特点是极性单一,有有直直流流分分量量,脉冲之间无间隔。另外位同步信息包含在电平的转换之中,当出现连0序列时没有位同步信息。2.双极性不归零波形双极性不归零波形特点是无无直直流流分分量量。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。故故双双极性波形有利于在信道中传输极性波形有利于在信道中传输。3.单极性归零波形单极性归零波形单极性归零波形可以直接提取定时信息可以直接
6、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。第10页,本讲稿共135页4.双极性归零波形双极性归零波形除了具有双极性不归零波形的特点外,还有利于同步脉冲的提取。5.差分波形差分波形 由于差分波形是以以相相邻邻脉脉冲冲电电平平的的相相对对变变化化来来表表示示代代码码,因此称它为相对码波形,而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。6.多电平波形多电平波形是多于一个二进制符号对应一个脉冲的情形,适合于高数据速率传输系统。第11页,本讲稿共135页第n个信息符号所对应的电平值(0、
7、1或-1、1等),由信码和编码规律决定;(5.2-1)数字基带信号二进制代码序列(5.2-2)码元间隔;某种标准脉冲波形标准脉冲波形;-随机的脉冲序列第12页,本讲稿共135页5.2.2 基带信号的频谱特性基带信号的频谱特性 通过谱分析,可以了解信号需要占据的频频带带宽宽度度,所所包包含含的的频频谱谱分分量量,有有无无直直流流分分量量,有有无无定定时时分分量量等。这样,才能针对信号谱的特点来选择相相匹匹配配的的信信道道,以及确定是否可从信号中提取定时信号提取定时信号。数数字字基基带带信信号号是是随随机机的的脉脉冲冲序序列列,没没有有确确定定的的频频谱谱函函数数,所所以以只只能能用用功功率率谱谱
8、来来描描述述它它的的频频谱谱特特性性。由随机过程的相关函数去求随机过程的功率(或能量)谱密度比较复杂。一种比较简单的方法是以随机过程功率谱的原始定义为出发点,求出数字随机序列的功率谱公式。第13页,本讲稿共135页图 5 4 随机脉冲序列示意波形第14页,本讲稿共135页稳态波v(t)是随机序列s(t)的统统计计平平均均分分量量,它取决于每个码元内出现g1(t)、g2(t)的概率加权平均,且每每个个码码元元统统计计平平均波形相同均波形相同。(5.2-3)(5.2-4)(5.2-5)第15页,本讲稿共135页(5.2-9)(5.2-10)(5.2-11)1.v(t)的功率谱密度的功率谱密度Pv(
9、f)(5.2-12)(5.2-5)第16页,本讲稿共135页(5.2-13)(5.2-14)根据离散谱可以确定随机序列是否包含直流分量(m=0)和定时分量(m=1)。第17页,本讲稿共135页2.u(t)的功率谱密度的功率谱密度Pu(f)(2.2-15)(5.2-15)(5.2-17)(5.2-18)第18页,本讲稿共135页(5.2-19)(5.2-20)(5.2-21)(5.2-22)(5.2-23)第19页,本讲稿共135页交变波的的功率谱Pu(f)是连连续续谱谱,它与g1(t)和g2(t)的频谱以及出现概率P有关。根据连续谱可以确定随机序列的带宽。(5.2-24)3.s(t)=u(t)
10、+v(t)的功率谱密度的功率谱密度Ps(f)(5.2-25)第20页,本讲稿共135页(5.2-26)随机脉冲序列的功率谱密度可能包含连续谱Pu(f)和离散谱Pv(f)。对于连续谱而言,由于代表数字信息的g1(t)及g2(t)不能完全相同,故G1(f)G2(f),因而Pu(f)总总是是存存在在的的;而离散谱是否存在,取决g1(t)和g2(t)的波形及其出现的概率P。第21页,本讲稿共135页例51 对于单极性波形:若设(5.2-27)P=1/2:(5.2-28)第22页,本讲稿共135页(1)为单极性不归零矩形脉冲离散谱均为零,因而无定时信号。离散谱中有直流分量第23页,本讲稿共135页图 5
11、 5 二进制基带信号的功率谱密度(5.2-29)带宽取决于连续谱,由单个码元的G(f)决定,第一个零点在f=fs,因此带宽为Bs=fs。第24页,本讲稿共135页(2)为半占空归零矩形脉冲无离散谱离散谱中有直流分量有离散谱第25页,本讲稿共135页(5.2 30)单极性半占空归零信号的带宽为单极性半占空归零信号的带宽为Bs=2fs。例52 对于双极性波形:若设(5.2 31)P=1/2:(5.2-32)若为高为1,脉宽等于码元周期的矩形脉冲,则(5.2-33)第26页,本讲稿共135页a)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),两者之中应取较大带宽的一个作为序列带宽
12、。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/。不归零脉冲的=Ts,则Bs=fs;半占空归零脉冲的=Ts/2,则Bs=1/=2fs。b)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。第27页,本讲稿共135页研究随机脉冲序列功率谱的意义:a)可以根据它的连续谱来确定序列的带宽带宽;b)可以根据它的离散谱是否存在这一特点,明确能否从脉冲序列中直接提取定时分量,以
13、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。这一点,在研究位同步、载波同步同步、载波同步等问题时将是十分重要的。c)由于没有限定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,也也可可以以用用来来计计算算数数字字调调制制信信号号的的功功率率谱谱。事实上由式(5.225)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28页,本讲稿共135页5.3 基带传输的常用码型基带传输的常用码型 在在实实际际的的基基带带传传输输系系统统中中,并并不不是是所所有有代代码码的的电电波波形形都都能能在在信信道道中中传传输输
14、。例如,前面介绍的含有直流分量和较丰富低频分量的单极性基带波形就不适宜在低频传输特性差的信道中传输,因为它有可能造成信号严严重重畸畸变变。又如,当消息代码中包含长串的连续“1”或“0”符号时,非归零波形呈现出连续的固定电平,因而无法获取定定时时信信息息。单极性归零码在传送连“0”时,存在同样的问题。第29页,本讲稿共135页因此,对传输用的基带信号主要有两个方面的要求:1.对对代代码码的的要要求求,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。前者属于传输码型的选择,后者是基带脉冲的选择。这是两个既独立又有联系的问题。第
15、30页,本讲稿共135页传输码(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规律性,以便利用这一规律性进行宏观监测;6.编译码设备要尽可能简单,等等。第31页,本讲稿共135页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
16、。例如:消息代码 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 AMI码:+1 0 0 1 +1 0 0 0 0 0 0 0-1+1 0 0 -1+1 AMI码对应的基带信号是正负极性交替的脉冲序列正负极性交替的脉冲序列,而0电位持不变的规律。第32页,本讲稿共135页AMI码的优点:1.由于+1与-1 交替,AMI码的功率谱中不含直流成分,高、低频分量少,能量集中在频率为1/2码速处。2.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。3.此外,AMI码的编译码电路简单,便于利用传号极性交替规律观察误码情况。AMI码的不足:
17、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。第33页,本讲稿共135页图5-6 AMI 码和HDB3码的功率谱第34页,本讲稿共135页2.HDB3码码 HDB3码的全称是3阶阶高密度双极性码,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,使使连连“0”个个数数不不超超过过3个个。其编码规则如下:a)当信码的连“0”个数不超过3时,仍按AMI码的规则编,即传号极性交替;b)当连“0”个数超过3时,则将第4个“0”改为与前面的“1”同极性的脉冲,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35页,本讲
18、稿共135页c)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;d)破坏脉冲之后的传号码极性也要交替。例如:代码:1000 0 1000 0 1 1 000 0 l 1 AMI码:-1000 0 +1000 0 -1 +1 000 0 -1 +1 HDB3码:-1000 -V +1000 +V -1 +1 -B00 -V +1 -1 其中的V脉冲和B脉冲与1脉冲波形相同,用V或B符号的目的是为了示意是将原信码的“0”变换成“1”码。第36页,本讲稿共135页 虽然HDB3码的编码规则比较复杂,但译码
19、却比较简单。从上述原理看出,每一个破坏符号V总是与前一非0符号同极性(包括B在内)。这就是说,从收到的符号序列中可以容易地找到破坏点V,于是也断定V符号及其前面的3个符号必是连0符号,从而恢复4个连0码,再将所有-1变成+1后便得到原消息代码。HDB3码保持了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码码是是应应用用最最为为广广泛泛的的码码型型,A律PCM四次群以下的接口码型均为HDB3码。第37页,本讲稿共135页3.PST码码 PST码是成对选择三进码。其其编编码码过过程程是是:先先将将二二进进制制代代码码两两两两分分组组,然然后后再再把把每每一
20、一码码组组编编码码成成两两个个三三进进制制数数字字(+、-、0)。因为两位三进制数字共有9种状态,故可灵活地选择其中的4种状态。为防止PST码的直流漂移,当在一个码组中仅发送单个脉冲时,两个模式应交替变换。例如:代码:0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 PST码:0+-+-0 +0 +-+或 0-+-+0 -0 +-+第38页,本讲稿共135页PST码的优点:1.能提供足够的定时分量,且无直流成分。2.编码过程也较简单。PST码的不足:识别时需要提供“分组”信息,即需要建立帧同步。第39页,本讲稿共135页表表 5 1 PST码码二进制代码+模式-模式00-+-+010 +
21、0 -10+0-011+-+-第40页,本讲稿共135页4.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”。编编码码规规则则之之一一是是:“0”码码用用“01”两两位位码码表示,表示,“1”码用码用“10”两位码表示两位码表示,例如:代码:1 1 0 0 1 0 1 双相码:10 10 01 01 10 01 10 双相码只有极性相反的两个电平。因为双相码在每个码元周期的中心点都存在电平跳变,所以富富含含位位定定时时信信息息。又又因因为为这这种种码码的的正正、负负电电平平各各半半,所所以以无无直直流流分分量
22、,编码过程也简单。但带宽比原信码大量,编码过程也简单。但带宽比原信码大1倍。倍。第41页,本讲稿共135页5.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“00”与“11”交替。若两个“1”码中间有一个“0”码时,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宏观检错。第42页,本讲稿共135页图 5-7双相码
23、、密勒码、CMI码的波形(a)双相码;(b)密勒码;(c)CMI码 双双相相码码的的下下降降沿沿正正好好对对应应于于密密勒勒码码的的跃跃变变沿沿。因此,用双相码的下降沿去触发双稳电路,即可输出密勒码。第43页,本讲稿共135页6.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。编编码码规规则则是是:“1”码码交交替替用用“11”和和“00”两两位位码码表表示示;“0”码码固固定定地地用用“01”表示。表示。CMI码有较多的电平跃变,因此含有丰富的定时信息。此外,由由于于10为为禁禁用用码码组组,不不会会出出现现3个个以以上上的的连连码码,这个规律可用来宏观检
24、错。CMI码易于实现。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位的二进码表示,因此这类码又称为1B2B码。第44页,本讲稿共135页7.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mn+1,有1B2B码、2B3B、3B4B码以及5B6B码等,其中,5B6B码码型型已已实实用用化化,用作三次群和四次群以上的线路传输码型。第45页,本讲稿共135页8.4B/3T码码 在某些高速
25、远程传输系统中,1B1T码码的的传传输输效效率率偏偏低低。为此可以将输入二进制信码分成若干位一组,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。4B3T码型是1B1T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,4B3T码的信息容量大于1B1T,因而可提高频带利用率。4B3T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46页,本讲稿共135页5.4 基带脉冲传输与码间串扰基带脉冲传输与码间串扰(5.4-1)基带信号图5-8 基带传输系统模型(5.4-2)发送滤波器输出(Intersymbol inteference-ISI)第
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