lx-通信概論-數(shù)字信號的基帶傳輸

5.0

引言

5.1

數(shù)字基帶信號

5.2

基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型

5.3

數(shù)字基帶信號傳輸與碼間串擾

5.4

無碼間串擾的基帶傳輸特性

5.5

基帶傳輸系統(tǒng)的抗噪聲性能

5.6

眼圖第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)本章內容簡介概述數(shù)字基帶信號－未經調制的數(shù)字信號，它所占據(jù)的頻譜是從零頻或很低頻率開始的。數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)－不經載波調制而直接傳輸數(shù)字基帶信號的系統(tǒng)，常用于傳輸距離不太遠的情況下。數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)－包括調制和解調過程的傳輸系統(tǒng)研究數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的原因：近程數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中廣泛采用基帶傳輸方式也有迅速發(fā)展的趨勢基帶傳輸中包含帶通傳輸?shù)脑S多基本問題任何一個采用線性調制的帶通傳輸系統(tǒng)，可以等效為一個基帶傳輸系統(tǒng)來研究。

5.0

引言第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.0

引言數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)至信道自終端數(shù)據(jù)輸入擾亂器接口電路(串并/碼型/多電平)變換電路網(wǎng)孔均衡線路放大發(fā)送濾波輸出電路發(fā)時鐘系統(tǒng)(a)發(fā)送方自信道數(shù)據(jù)輸出至終端增益控制輸入電路(電平/碼型/并串)逆變換電路時域均衡解擾器接收濾波接口電路收時鐘(定時提取)系統(tǒng)抽樣判決(b)接收方產生數(shù)字基帶脈沖信道信號形成信道信號接收處理基帶脈沖恢復數(shù)據(jù)變換數(shù)據(jù)恢復第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.0

引言基帶信號形成器信道接收濾波器抽樣判決器基帶脈沖輸入基帶脈沖輸出干擾圖5-1基帶傳輸系統(tǒng)基本結構噪聲n（t）接收器發(fā)送器調制器發(fā)送帶通接收帶通接收低通抽樣判決解調器信道圖5-2頻帶傳輸系統(tǒng)基本結構基帶脈沖輸入基帶脈沖輸出第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)新概念碼型：數(shù)字信息的電脈沖存在形式。碼型編碼：數(shù)字信息的電脈沖表示過程。碼型譯碼：由碼型還原為原來數(shù)字信息的過程。線路傳輸碼型：在有線信道中傳輸?shù)臄?shù)字基帶信號。傳輸數(shù)字基帶信號可能遇到的問題：信號包含直流分量或低頻分量，對于一些具有電容耦合電路的設備或傳輸頻帶低端受限的信道，信號可能傳不過去。自然編碼后可能出現(xiàn)連“0”或連“1”，對應的數(shù)字信號的電平會長時間維持不變，難以確定各個碼元的位置(定時信息)。對接收端而言，難以判斷接收到的數(shù)字信號中是否包含有錯碼。第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.1

數(shù)字基帶信號5.1.1碼型及碼型變換編碼原則碼型中應不含直流分量，低頻分量盡量少。碼型中高頻分量盡量少。碼型中應包含定時信息。碼型具有一定的檢錯能力。編碼方案應能適用于信源變化。低誤碼增殖。高編碼效率。編譯碼設備應盡量簡單。第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.1

數(shù)字基帶信號5.1.1碼型及碼型變換第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.1

數(shù)字基帶信號5.1.2數(shù)字基帶信號表示數(shù)字(0、1、2、…..）的基本頻帶信號?！?/p>

低頻成分豐富；■

最高頻率比最低頻率高得多。二進制數(shù)據(jù)序列

10110100111010（a）單極性非歸零碼

（b）單極性歸零碼

（c）雙極性非歸零碼

（d）雙極性歸零碼（e）單極性三角形碼Ts

Ts

τ

EEEEE-E-E-E-3E3E-EE（f）雙極性四電平碼tttttt圖5-3幾種數(shù)字基帶電信號波形第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.1

數(shù)字基帶信號5.1.2數(shù)字基帶信號5.1

數(shù)字基帶信號5.1.2數(shù)字基帶信號二進制數(shù)字基帶信號的一般表示其中，an表示第n個碼元所對應的電平值（0、1或-1、+1等）；g（t）表示脈沖的波形；Ts為碼元持續(xù)時間。第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.2

基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型（線路傳輸碼）線路傳輸碼應具有的主要特性：?能夠從其相應的基帶信號中提取出定時信息；?相應的基帶信號中應該不含直流分量，低頻成分盡量少；?不受信源發(fā)送符號統(tǒng)計特性的影響，即能夠適應信源的變化；?具有內在的檢錯能力；?編碼方法應該盡量簡單，并考慮盡量提高傳輸碼型的傳輸效率?！舫Ｓ镁€路傳輸碼：AMI、HDB3、Manchester等。信號序列的功率譜密度中存在與碼速fs

對應的離散譜。

防止線路設備中隔直電容對信號的影響。抑制信源符號中的長連“0”對信號定時提取的影響。第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.2

基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型（線路傳輸碼）單極性與雙極性非歸零碼（NRZ碼）0101101Ps

(f)含直流分量Ts

不含fs分量（Ts

=1╱

fs是碼元間隔）

t0fs2fs

f

(a)單極性NRZ碼波形與功率譜密度Ps(f)圖形

0101101不含直流分量Ps(f)Ts

不含f

s分量0fs

2fs

f

t(b)雙極性NRZ碼波形與功率譜密度Ps(f)圖形

圖5-7不歸零（NRZ）矩形脈沖碼的波形與功率譜密度

直流和過大低頻成分、不含時鐘，不適合作為線路傳輸碼！第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.2

基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型（線路傳輸碼）單極性與雙極性歸零碼（RZ碼）圖5-8歸零（RZ）矩形脈沖碼的波形與功率譜密度

0101101Ps

(f)含有直流分量Ts

含f

s分量（離散譜）

τ

t0f

s

2fs

f

(a)單極性RZ碼波形與功率譜密度Ps(f)圖形

0101101Ps

(f)不含有直流分量Ts

含fs分量（離散譜）

τ

0fs

2fs

f

t(b)雙極性RZ碼波形與功率譜密度Ps(f)圖形

直流和過大的低頻成分，不適合作為線路傳輸碼！第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.2

基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型（線路傳輸碼）傳輸中使用的線路編碼通常都是雙極性的歸零碼。

1．雙極性傳號交替反轉碼（AMI碼）單極性101101

NRZ Ps（f）

AMI碼的功率譜密度

Ts

τ雙極性

AMIt

t（RZ）

0

fs

2fs

f

圖5-9AMI（RZ）碼（τ=0.5Tc）的波形與功率譜密度圖形

1．不再含直流分量和豐富的低頻分量；2．雖然它本身不含碼元時鐘fc

的頻率成份，但只要在接受端將AMI信號簡單整流就變?yōu)閱螛O性歸零碼信號，就產生了時鐘成份；3．注意到AMI碼中不會相繼出現(xiàn)極性相同的兩個或多個脈沖，這點表明了AMI碼具有一定的內在的檢測誤碼能力。4．AMI碼第一零點帶寬是fs(與NRZ相同),效率較高;編解碼簡單易于實現(xiàn)。第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.2

基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型（線路傳輸碼）2．雙極性三階高密度碼（HDB3碼）●

以傳號交替翻轉碼（AMI）為基礎，當遇到4個連零時，用“0001”來取代“0000”，該“0001”稱為取代節(jié)，其中“1”的極性與前邊一個信號的極性相同，違背極性交替翻轉原則，故此碼被稱為“V”碼?！?/p>

在前一個V碼后，若經奇數(shù)個（包括0個）傳號后出現(xiàn)“0000”，用取代節(jié)“000V”來取代“0000”；若經過偶數(shù)個傳號后出現(xiàn)“0000”時，取代節(jié)用“B00V”形式，其中B作為傳號附加脈沖，其極性符合交替翻轉原則，V與B極性相同，違背極性交替原則。●

可以證明，當兩個V碼之間的傳號數(shù)目為奇數(shù)時，輸出編碼序列中加入的V碼的極性也是交替翻轉的，不會破壞“無直流分量”的基本要求；但當兩V碼間的傳號數(shù)目為偶數(shù)時，將會導致某一極性的V碼增加，會使編碼信號序列中產生直流分量，解決辦法是：HDB3碼是一種連“0”抑制編碼。具體編碼規(guī)則如下：第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.2

基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型（線路傳輸碼）2．雙極性三階高密度碼（HDB3碼）●

從接收HDB3序列中找出V碼，將該V碼連同它前邊的三位（或者是“000”，或者是“B00”）全部用“0”代換；HDB3的解碼非常簡單，可分為以下兩步：HDB3編解碼舉例●

現(xiàn)在做完代換的序列中的正或負脈沖都代表原始信源數(shù)據(jù)中的“1”，只要我們對其進行簡單的整流處理，就得到信源輸出的單極性歸零（RZ）碼。

第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.2

基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型（線路傳輸碼）2．雙極性三階高密度碼（HDB3碼）

二進制碼0101000001010010000100100000011100100001AMI編碼0+0–00000+0–00+0000–00+000000-+-00+0000-HDB3編碼0+0-000–0+0–00+000+–00+–00–00+–+00–+00+-

000V000VB00VB00V

替代節(jié)歸零0+0–00000+0–00+0000–00+000000+-+00-0000+

（≠AMI碼）整流（±1=1）（二進制碼）0101000001010010000100100000011100100001發(fā)送方編碼接收方解碼圖5-10HDB3編碼與解碼舉例

第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.2

基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型（線路傳輸碼）3．雙相碼（Manchester碼）數(shù)據(jù)代碼11001010111雙相碼相當代碼

10100101100110011010

10NRZ波形雙極性t雙相碼波形雙極性t雙相碼相當于用2位NRZ碼傳輸一位原數(shù)據(jù)代碼。雙相碼特別利于收端時鐘恢復，這一點是以犧牲頻帶為代價的。第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)4差分雙相碼 為了解決雙相碼因極性反轉而引起的譯碼錯誤，可以采用差分碼的概念。雙相碼是利用每個碼元持續(xù)時間中間的電平跳變進行同步和信碼表示（由負到正的跳變表示二進制“0”，由正到負的跳變表示二進制“1”）。而在差分雙相碼編碼中，每個碼元中間的電平跳變用于同步，而每個碼元的開始處是否存在額外的跳變用來確定信碼。無跳變則表示二進制“1”，有跳變則表示二進制“0”。5.2

基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型（線路傳輸碼）第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5密勒碼：又稱延遲調制碼編碼規(guī)則：“1”碼用碼元中心點出現(xiàn)躍變來表示，即用“10”或“01”表示。“0”碼有兩種情況： 單個“0”時，在碼元持續(xù)時間內不出現(xiàn)電平躍變，且與相鄰碼元的邊界處也不躍變， 連“0”時，在兩個“0”碼的邊界處出現(xiàn)電平躍變，即"00”與“11”交替。5.2

基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型（線路傳輸碼）第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)例：圖(a)是雙相碼的波形；圖(b）為密勒碼的波形；若兩個“1”碼中間有一個“0”碼時，密勒碼流中出現(xiàn)最大寬度為2Ts的波形，即兩個碼元周期。這一性質可用來進行宏觀檢錯。用雙相碼的下降沿去觸發(fā)雙穩(wěn)電路，即可輸出密勒碼。

5.2

基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型（線路傳輸碼）第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)6CMI碼：CMI碼是傳號反轉碼的簡稱。編碼規(guī)則：“1”碼交替用“11”和“00”兩位碼表示；“0”碼固定地用“01”表示。波形圖舉例：如下圖(c)CMI碼易于實現(xiàn)，含有豐富的定時信息。此外，由于10為禁用碼組，不會出現(xiàn)3個以上的連碼，這個規(guī)律可用來宏觀檢錯。

5.2

基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型（線路傳輸碼）第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.3

基帶脈沖傳輸與碼間串擾碼間串擾是由于傳輸系統(tǒng)(發(fā)送、接收電路與傳輸媒體)的非理想特性，在通信接收端產生的一種干擾。非理想特性往往因為系統(tǒng)的頻帶寬度不夠寬，不能滿足傳輸所發(fā)送基帶脈沖的頻帶要求，這樣和發(fā)送脈沖相比，使得產生接收到傳輸脈沖波形的時間展寬。我們希望使用盡量窄的系統(tǒng)頻帶，以提高系統(tǒng)的頻帶利用率。我們也希望使用盡量窄的基帶脈沖以提高傳輸速率，但這需要更大帶寬。某接收碼元脈沖的展寬就會引起在鄰近碼元脈沖判決時刻產生干擾。如何設計無碼間串擾的基帶系統(tǒng)？怎樣提高基帶系統(tǒng)的頻帶利用率？第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.3

基帶脈沖傳輸與碼間串擾GT(ω)C(ω)GR(ω)判決電路{an}{a′n}n(t)發(fā)送濾波器接收濾波器傳輸信道接收時鐘圖5-12基帶系統(tǒng)模型H(ω)基帶脈沖{an}接收時鐘發(fā)送時鐘接收濾波器輸出判決輸出{a′n}判決門限第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)輸入信號碼型變換后傳輸?shù)牟ㄐ涡诺垒敵鼋邮諡V波輸出位定時脈沖恢復的信息錯誤碼元第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)碼間串擾兩種誤碼原因：碼間串擾信道加性噪聲碼間串擾原因：系統(tǒng)傳輸總特性不理想，導致前后碼元的波形畸變并使前面波形出現(xiàn)很長的拖尾，從而對當前碼元的判決造成干擾。碼間串擾嚴重時，會造成錯誤判決，如下圖所示：第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.3

基帶脈沖傳輸與碼間串擾設輸入基帶脈沖序列{an}為一沖激序列，并用d(t)表示為：通過發(fā)送濾波器后，產生信號為s(t)，表示為：這兒gT(t)是發(fā)送濾波器GT(ω)的沖激響應，可表示為：(5.3-1)(5.3-2)(5.3-3)GT(ω)C(ω)GR(ω)判決電路{an}{a′n}n(t)發(fā)送濾波器接收濾波器傳輸信道接收時鐘H(ω)s(t)r(t)d(t)d′(t)第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.3

基帶脈沖傳輸與碼間串擾我們考察輸入基帶脈沖序列在經過發(fā)送濾波器GT(ω)

、傳輸媒介C(ω)

、接收濾波器GR(ω)后的總輸出，設為r(t)，則其中h(t)是H(ω)=GT(ω)?C(ω)?GR(ω)的沖激響應，可表示為：(5.3-4)(5.3-5)GT(ω)C(ω)GR(ω)判決電路{an}{a′n}n(t)發(fā)送濾波器接收濾波器傳輸信道接收時鐘H(ω)s(t)r(t)d(t)d′(t)第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.3

基帶脈沖傳輸與碼間串擾我們考察判決電路對第k個脈沖響應時刻(t=kTs)的判決結果，以確定接收碼元ak的取值。GT(ω)C(ω)GR(ω)判決電路{an}{a′n}n(t)發(fā)送濾波器接收濾波器傳輸信道接收時鐘H(ω)s(t)r(t)d(t)d′(t)(5.3-6)to是考慮到接收定時的偏差。加性噪聲對判決結果的影響。k以外的其他脈沖響應對判決結果的影響—碼間串擾。第k個脈沖響應自身的判決結果。第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.4

無碼間串擾的基帶傳輸特性GT(ω)C(ω)GR(ω)判決電路{an}{a′n}發(fā)送濾波器接收濾波器傳輸信道接收時鐘H(ω)r(t)系統(tǒng)無碼間串擾，要求對于輸入脈沖δ(t-kTs)，在接收濾波器輸出端的響應h(t-kTs)須滿足：或(5.4-1)不一定要等于1,非零的常數(shù)即可。第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.4

無碼間串擾的基帶傳輸特性tttttTs2Ts3Ts4Ts5Ts-Ts0Ts2Ts3Ts4Ts5Ts-Ts0Ts2Ts3Ts4Ts5Ts-Ts0Ts2Ts3Ts4Ts5Ts-Ts0Ts2Ts3Ts4Ts5Ts-Ts0tTs2Ts3Ts4Ts5Ts-Ts0h5(t-2Ts)δ(t-2Ts)有碼間串擾，碼速再低些可消除。無碼間串擾，碼速再高些也沒問題。有碼間串擾，碼速再高些或低些可能消除。H(ω)輸入輸出h1(t-2Ts)h2(t-2Ts)h4(t-2Ts)h3(t-2Ts)無碼間串擾，碼速不可再高，低若干倍也沒問題。無碼間串擾，碼速可再高一倍。第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.4

無碼間串擾的基帶傳輸特性在一定的碼速條件下，有的系統(tǒng)會由于特性不理想產生碼間串擾，有的系統(tǒng)則無碼間串擾。在特定的碼速條件下，什么樣的系統(tǒng)特性無碼間串擾？在一定的系統(tǒng)特性條件下，采用多高的碼元傳輸速率，可以作到無碼間串擾？特定系統(tǒng)特性條件下，無碼間串擾的最大速率是多少？特定系統(tǒng)的頻帶利用率是多少？采用最佳的系統(tǒng)特性和技術，系統(tǒng)的頻帶利用率最大可達到多少？第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.4

無碼間串擾的基帶傳輸特性1.理想低通基帶傳輸特性H(f)0w-wf(Hz)1輸入δ(t)輸出h(t)h(t)t012w22w32w42w-12w-22w-32w-42w帶寬B=wHz的理想低通，無碼間串擾的最小碼元間隔為1/2w秒，最大碼元速率為2w波特。最大頻帶利用率2波特/Hz。帶寬B=wHz第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.4

無碼間串擾的基帶傳輸特性1.理想低通基帶傳輸特性h(t)t帶寬B=1/2TsHz的理想低通，無碼間串擾的最小碼元間隔為Ts秒，最大碼元速率為1/Ts波特。最大頻帶利用率2波特/Hz。0-4Ts-3Ts-2Ts-TsTs2Ts3Ts4Ts0ω輸入δ(t)輸出h(t)-πTsπTsTsH(ω)帶寬B=1/2TsHz第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.4

無碼間串擾的基帶傳輸特性2.非理想低通基帶傳輸特性或(5.4-2)根據(jù)無碼間串擾的要求：尋求滿足上式的系統(tǒng)特性H(ω)?？梢宰C明，基帶系統(tǒng)的傳輸特性只要滿足下面的要求，系統(tǒng)都可以做到在抽樣判決時刻不存在碼間串擾。第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.4

無碼間串擾的基帶傳輸特性2.非理想低通基帶傳輸特性基帶系統(tǒng)的傳輸特性只要滿足下面的要求，系統(tǒng)都可以做到在抽樣判決時刻不存在碼間串擾?；?5.4-3)只要是常數(shù)便可。等效“理想”低通特性。第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)Ts非理想低通基帶傳輸特性H(ω)5.4

無碼間串擾的基帶傳輸特性2.非理想低通基帶傳輸特性f012Ts1Ts32Ts-12Ts-1Ts-32Ts等效“理想”低通特性Heq(ω)非理想低通的“滾降特性”——下降部分關于f=1/2Ts對稱互補。第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)2.非理想低通基帶傳輸特性滾降特性H1(ω)滾降系數(shù)α=1f012Ts1Ts圖5-13滾降特性低通傳輸特性5.4

無碼間串擾的基帶傳輸特性Ts等效“理想”低通特性Heq(ω)滾降系數(shù)α=0滾降特性H3(ω)滾降系數(shù)α=0.5滾降特性H2(ω)滾降系數(shù)α=0.75滾降特性H4(ω)滾降系數(shù)α=0.25“α”如何確定？第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)滾降特性H1(ω)滾降系數(shù)α=15.4

無碼間串擾的基帶傳輸特性f012Ts1Ts圖5-14滾降特性低通傳輸特性Ts等效“理想”低通Heq(ω)滾降系數(shù)α=0滾降特性H3(ω)滾降系數(shù)α=0.5升余弦滾降特性2.非理想低通基帶傳輸特性(5.4-4)第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)2.非理想低通基帶傳輸特性5.4

無碼間串擾的基帶傳輸特性圖5-15升余弦滾降特性低通的沖激響應t0Ts2Ts3Ts-3Ts-2Ts-Tsh(t)滾降系數(shù)(α=1)的升余弦滾降特性低通的沖激響應h1(t)理想低通(α=0)的沖激響應h0(t)(6.4-13)第5章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)5.4

無碼間串擾的基帶傳輸特性2.非理想低通基帶傳輸特性■任意滾降系數(shù)α下，升余弦特性低通系統(tǒng)H(ω)與h(t)■任意滾降系數(shù)α下，基帶傳輸系統(tǒng)的頻帶利用率η(5.4-6)(5.4-5)頻帶利用率η=無碼間串擾最大碼速/系統(tǒng)帶寬

=2/(1+α)