數(shù) 字 通 信第5章

第5章數(shù)字信號傳輸5.1數(shù)字信號基帶傳輸?shù)幕局R5.2數(shù)字信號基帶傳輸?shù)木€路碼型5.3數(shù)字基帶信號傳輸特性與碼間干擾5.4數(shù)字基帶信號的再生中繼傳輸5.5傳輸系統(tǒng)的性能分析*5.6數(shù)字信號的頻帶傳輸5.1數(shù)字信號基帶傳輸?shù)幕局R包括了兩個變換：（1）消息（離散的或連續(xù)的）和數(shù)字脈沖信號（基帶信號）之間的變換；（2）數(shù)字脈沖信號（基帶信號）和信道信號（已調信號）之間的變換。前一個變換由發(fā)收終端設備來完成，后一變換則由調制和解調器完成。圖5-1數(shù)字通信系統(tǒng)在數(shù)字通信系統(tǒng)中按照是否采用調制分為數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)和數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)，信號分為基帶信號和頻帶信號。5.1.1基帶傳輸系統(tǒng)的構成數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)主要有信道信號形成器、信道、接收濾器和抽樣判決器等組成。圖5-2數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)基本結構5.1.2數(shù)字基帶信號的波形數(shù)字基帶信號是數(shù)字消息序列的一種電信號表示形式，它用不同的電位或脈沖來表示相應的數(shù)字消息，它的主要特點是功率譜集中在零頻率附近。圖5-3常見基帶信號波形1單極性不歸零碼波形2單極性歸零碼波形3雙極性波形4雙極性歸零碼波形5差分碼波形6多元碼波形（多電平碼波形）5.1.3數(shù)字基帶信號的頻譜特性圖5-4單個矩形脈沖及頻譜圖5-5二進制數(shù)字信號序列的功率譜曲線隨機脈沖信號序列的功率譜包括連續(xù)譜和離散譜兩個部分5.2數(shù)字信號基帶傳輸?shù)木€路碼型為了在傳輸信道中獲得優(yōu)良的傳輸特性，一般要將信碼信號變化為適合于信道傳輸特性的傳輸碼（又叫線路碼），即進行適當?shù)拇a型變換。5.2.1數(shù)字信號基帶傳輸碼型的要求1易于從線路碼中提取時鐘分量（位定時信息）2線路碼型頻譜中不含直流分量及小的低頻分量3線路碼流中高頻分量應盡量少4碼型變換過程應與信源的統(tǒng)計特性無關5經過信道傳輸后產生的碼間干擾應盡量小6線路碼型具有一定的誤碼檢測能力7設備簡單5.2.2常用的傳輸碼型1二元碼常用的二元碼主要有單極性不歸零碼（NRZ）和單極性歸零碼（RZ），雙極性不歸零碼和雙極性歸零碼，差分碼及CMI碼等。（1）單極性不歸零碼（NRZ碼）圖5-6單極性不歸零碼及功率譜（2）單極性歸零碼（RZ碼）圖5-7單極性歸零碼及功率譜（3）雙極性不歸零碼和雙極性歸零碼。圖5-8雙極性不歸零碼、雙極性歸零碼及功率譜（4）差分碼（5）CMI碼表5-1CMI碼變換規(guī)則輸入二元碼CMI碼010100與11交替出現(xiàn)圖5-10CMI碼及功率譜2三元碼三元碼具有3個電平幅度，即+1，0和-1，它實際上是一種三進制碼。（1）傳號交替反轉碼（AMI）圖5-11AMI碼和功率譜（2）HDB3碼（3）雙相碼（4）mBnB碼圖5-13單極性碼經過交流耦合后的基線漂移表5-25B6B碼型(一方案)輸入二元碼組輸出二元碼組正模式數(shù)字和負模式數(shù)字和000000000100010000110001110111001100011010010000與正模工相同與正模工相同與正模工相同與正模工相同000000100001010011000111011010010011101100111001000＋2與正模工相同與正模工相同與正模工相同000110000－20100001001010100101110011001010101011110011100＋2＋2與正模工相同與正模工相同10100001100000－2－201100011010111001111101011011110101110001011＋2＋2＋20010100100001010001與正模工相同－2－2－20100001000110010100110010110111010110110010100＋2＋2＋2與正模工相同1000101001000010100－2－2－210100101011011010111110110111010101010011001＋2＋200001001000101與正模工相同與正模工相同－2－200110001100111010110111011010011011100100101102000010010與正模工相同與正模工相同與正模工相同－2000111001110111110111111001011000110011101110000000與正模工相同與正模工相同與正模工相同與正模工相同0000

5.2.3傳輸碼型變換的誤碼增殖簡介當線路傳輸碼中出現(xiàn)n個數(shù)字碼錯誤時，在碼型反變換后的數(shù)字碼中，出現(xiàn)n個以上的數(shù)字碼錯誤的現(xiàn)象稱為誤碼增殖。誤碼增殖現(xiàn)象可用誤碼增殖比（ε）來表示，定義為反變換后的誤碼個數(shù)fB·P′eε==

線路誤碼個數(shù)fT·Pe式中，fT為信道碼速率；Pe為信道誤碼率；fT·Pe為1秒內的誤碼個數(shù)；fB為碼型反變換的碼速度；Pe′為碼型反變換的誤碼率；fB·Pe′為碼型反變換后1秒鐘內的誤碼個數(shù)。表5-3AMI誤碼增殖原來的二進制碼

1000010100001正確有AMI碼錯誤的AMI碼恢復的二進碼

**＋10000－10＋10000－1

＋1－1000－10＋10＋100－11100010101001**表5-4HDB3誤碼增殖原來的二進制碼

1000010100001正確有HCB3碼錯誤的HDB3碼恢復的二進碼

**

+1000V+-10+1B-00V-+1+10-10V+-10+1B-+10V-+11010110111011*****表5-5CMI誤碼增殖原來的二進制碼

1000010100001正確有CMI碼錯誤的CMI碼恢復的二進碼**

+1010101010001110101010100111101010101011101010101001100000000001**5.3數(shù)字基帶信號傳輸特性與碼間干擾5.3.1數(shù)字基帶信號傳輸?shù)幕咎攸c系統(tǒng)基帶波形被脈沖形成器變換成適應信道傳輸?shù)拇a型后，被送入信道，信號通過信道傳輸，

一方面受到信道特性的影響，使信號生產畸變；另一方面信號被信道中的加性噪聲所疊加，造成信號的隨機畸變。5.3.2數(shù)字基帶信號的傳輸過程圖5-14基帶傳輸系統(tǒng)各點的波形圖5-15基帶傳輸系統(tǒng)簡化模型圖5-16碼間干擾示意圖圖5-17理想的傳輸被形5.3.3數(shù)字基帶信號傳輸?shù)幕緶蕜t輸入基帶信號識別點信號輸出信號

H（ω）抽樣判決電路

d(t)R(t)a'n●1無碼間干擾傳輸?shù)臅r域條件（不考慮噪聲干擾）接收波形滿足抽樣值無碼間干擾的充要條件是僅在本碼元的抽樣時刻上有最大值，而對其他碼元抽樣時刻信號值無影響（在抽樣點上不存在碼間干擾）。2理想基帶傳輸系統(tǒng)圖5-19理想低通濾波器的特性圖5-20理想低通濾波器的波形圖5-21單位沖激脈沖序列3滾降低通傳輸網絡滾降特性可以看成是理想低通和另一具有傳遞函數(shù)為y(f)的網絡所合成。用滾降特性來改善理想低通作為實際低通傳輸網絡時，實質上是犧牲頻帶利用率為代價換取的。圖5-22最大值處抽樣判決示意圖圖5-23滾降特性的形成5.4數(shù)字基帶信號的再生中繼傳輸5.4.1基帶傳輸信道信道是指信號傳輸通道，又稱傳輸媒介，目前有兩種定義方法。狹義信道——是指信號的傳輸媒介，其范圍是從發(fā)送設備到接收設備之間的媒質。廣義信道——指消息的傳輸媒介。研究信道特性及噪聲干擾特性是通信系統(tǒng)設計的重要問題。圖5-243種電纜的衰減特性圖5-25經電纜傳輸后的脈沖波形示意圖矩形脈沖信號經信道傳輸后，波形產生失真，其失真主要反映在以下幾個方面。（1）隨傳輸距離增加，信號波形幅度變小。（2）隨傳輸距離增加，波峰延后。（3）隨傳輸距離增加，脈沖底部展寬。圖5-26雙極性數(shù)字脈沖序列經電纜傳輸后失真波形5.4.2再生中繼系統(tǒng)1再生中繼系統(tǒng)的構成再生中繼傳輸系統(tǒng)的任務是：對基帶信道進行均衡，使總的傳遞函數(shù)成為理想低通特性或滾降低通特性；對已經失真的波形進行判決，再生出和發(fā)端相同的標準波形，防止信道誤碼。圖5-27基帶傳輸?shù)脑偕欣^系統(tǒng)2再生中繼系統(tǒng)的特點（1）無噪聲積累（2）有誤碼率的積累5.4.3再生中繼器的構成

再生中繼器由均衡放大、定時提取、判決及碼形成3部分組成。圖5-28再生中繼器功能框圖1均衡放大均衡放大是對收到的失真波形予以放大和均衡形成宜于抽樣判決的波形。所以均衡放大器是再生中繼器的核心部分。（1）對均衡波形的要求圖5-29定時抖動對抽樣判決的影響（2）升余弦特性（時域）的均衡波形圖5-30升余弦波形（3）有理函數(shù)均衡①有理函數(shù)均衡時的傳遞函數(shù)T（ω）在有理函數(shù)均衡中，把基帶電纜信道等效為由許多低頻節(jié)和高頻節(jié)匹配鏈接的網絡。圖5-31基本節(jié)的電路模型與頻率響應

ωHjωT(ω)=()n·

()

m

jω+ωHjω+ωL圖5-32有理函數(shù)均衡波形升余弦波和有理函數(shù)均衡波這兩種常用的均衡波形?？蓪⑺鼈冏饕缓唵伪容^：升余弦波的特點是無碼間干擾，但其均放電路相當復雜不易實現(xiàn)；而有理函數(shù)均衡波雖然有碼間干擾，可均放特性容易實現(xiàn)，只要做到盡量使碼間干擾降到最低限度，不造成誤判，它仍不失為是比較好的均衡波形。2定時鐘提?。?）外同步定時法（2）自同步定時法3判決再生判決再生又稱識別再生，識別是指從已經均衡好的均衡波形中識別出是“1”碼還是“0”碼。5.5傳輸系統(tǒng)的性能分析5.5.1信道噪聲及干擾1信道噪聲信道噪聲指的是對信號傳輸與處理起擾亂作用，而又不能完全控制的一種客觀存在的不需要的電信號。信道中加性噪聲（簡稱噪聲）的來源主要分為兩大類：系統(tǒng)外部和系統(tǒng)內部。圖5-34熱噪聲正態(tài)分布特性自然界，天電，太陽輻射，宇宙射線外部工業(yè)電氣，電氣設備開關，點火系統(tǒng)，電力線無線電干擾，交調，通信干擾加性噪聲熱噪聲內部散彈噪聲2串音干擾由于電磁感應耦合所引起線對之間信號的相互串擾，叫串音干擾。串音干擾與電纜質量、線對間位置以及信號頻率有關。圖5-35電纜線對間串音干擾示意圖5.5.2誤碼率和誤碼率的累積碼間串擾和噪聲是產生誤碼的因素。圖5-36基帶系統(tǒng)接收端框圖漏碼或丟碼、增碼數(shù)字信號經傳輸后所發(fā)生的漏碼增碼統(tǒng)稱為誤碼。1極性碼的誤碼率圖5-37單極性碼誤碼情況

(A/σ》1)2雙極性碼的誤碼率圖5-38u（t）的概率密度曲度圖5-39理想再生中繼系統(tǒng)的Pe與A/σ的關系為保證通信質量，一般要求總誤碼率不大于10-6。3誤碼累積對于有多個中繼段組成的傳輸系統(tǒng)，誤碼率是線性累積的。誤碼率主要由信噪比最差的再生中繼段決定。5.5.3誤碼信噪比

具有誤碼的碼字被解碼后將產生幅值失真，這種失真引起的噪聲稱誤碼噪聲。圖5-40A律13折線誤碼信噪比5.5.4相位抖動

PCM信號的信碼流經過信道傳輸后，各中繼器和終端站提取的時鐘脈沖在時間上不是等間隔的，即時鐘脈沖在相位上出現(xiàn)了偏差，這種現(xiàn)象稱為相位抖動，相位抖動引起了重建模擬信號的失真。相位抖動將增加誤碼率圖5-41相位抖動及對解碼影響抖動的大小可以用相位弧度、時間或者比特周期來表示。衡量抖動對信號影響的指標是抖動信噪比，其定義為信號功率

SNRj=

抖動噪聲功率限制抖動通常采用兩類：其一，設法防止抖動的產生和積累，其二，對已經產生的抖動設法減弱5.5.5眼圖眼圖是一種利用示波器顯示圖形衡量均衡波形的碼間干擾最直觀的方法。圖5-42基帶信號波形眼圖圖5-43眼圖的模型*5.6數(shù)字信號的頻帶傳輸5.6.1數(shù)字調制的概念依據調制的載波的不同可分為兩類：一類是用正弦型信號，稱為正弦載波調制；一類用脈沖串，稱為脈沖調制。依據基帶信號不同可分為兩類：一類是模擬信號，稱為模擬調制；另一類是數(shù)字信號，稱為數(shù)字調制。數(shù)字調制是指把數(shù)字基帶信號轉換為與信道特性相匹配的頻帶信號的過程，那么已調信號通過信道傳輸?shù)浇邮斩?，在接收端通過解調器把頻帶數(shù)字信號還原成基帶數(shù)字信號，這種數(shù)字信號的反變換稱為數(shù)字解調。把數(shù)字調制與解調合起來稱為數(shù)字調制，把包括調制和解調過程的傳輸系統(tǒng)叫做數(shù)字信號的頻帶傳輸系統(tǒng)。圖5-44頻帶傳輸系統(tǒng)的組成方框圖5.6.2數(shù)字幅度調制12ASK的一般原理振幅鍵控（AmplitudeShiftKeying，ASK）又稱為開關鍵控（通斷鍵控）（OnOffKeying，OOK）22ASK的實現(xiàn)方法數(shù)字信號的調制方法有兩種類型：①利用模擬方法來實現(xiàn)數(shù)字調制，②利用數(shù)字信號的離散值特點鍵控載波，從而實現(xiàn)數(shù)字調制。第二種技術通常稱為鍵控法圖5-45模擬法調