通信原理-數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)

通信原理——數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)第一頁(yè)，共31頁(yè)。數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)

數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)是數(shù)字通信中常用的系統(tǒng)，也是研究數(shù)字頻帶傳輸?shù)幕A(chǔ)。幾個(gè)基本概念基帶信號(hào)：發(fā)送端調(diào)制前和接收端解調(diào)后的信號(hào)稱為基帶信號(hào)。數(shù)字基帶信號(hào)：消息代碼的電波形(電壓或電流)。它是用不同的電平或脈沖來表示相應(yīng)的消息代碼。基帶傳輸系統(tǒng)：不使用調(diào)制和解調(diào)裝置而直接傳送基帶信號(hào)的系統(tǒng)。數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)：通信系統(tǒng)的信道中傳輸?shù)男盘?hào)是數(shù)字基帶信號(hào)。第二頁(yè)，共31頁(yè)。數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用范圍：在某些具有低通特性的信道中，以及近距離傳輸?shù)那闆r下被采用。一個(gè)典型的數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的組成框圖如圖所示，它是很多實(shí)際應(yīng)用的基帶傳輸系統(tǒng)的概括。第三頁(yè)，共31頁(yè)。第四頁(yè)，共31頁(yè)。第五頁(yè)，共31頁(yè)。數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)各處波形：數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)各部分作用：第六頁(yè)，共31頁(yè)。數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性

為了分析數(shù)字信號(hào)在基帶傳輸系統(tǒng)中的傳輸情況，先來介紹幾種數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性。1數(shù)字基帶信號(hào)幾種基本的數(shù)字基帶信號(hào)。(1)單極性碼設(shè)消息代碼由二進(jìn)制符號(hào)0、1組成，“1”和“0”分別對(duì)應(yīng)正電平和零電平，且在整個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)電平保持不變。第七頁(yè)，共31頁(yè)。數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性一般終端設(shè)備輸出的都是單極性碼，這是因?yàn)橐话憬K端都是接地的，因此輸出單極性碼最為方便。單極性碼一般不適合直接用于數(shù)字基帶傳輸，因?yàn)樗哂幸韵氯秉c(diǎn)：?jiǎn)螛O性碼具有直流分量，直流和低頻分量直接送入信道傳輸會(huì)發(fā)生畸變。在接收端對(duì)單極性碼進(jìn)行抽樣判決，最佳判決電平一般應(yīng)取“1”碼電平的一半，那么判決電平不易穩(wěn)定在最佳判決電平上，這樣會(huì)影響判決結(jié)果，造成誤碼，使系統(tǒng)抗噪聲性能下降。第八頁(yè)，共31頁(yè)。數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性單極性碼不能直接提取同步脈沖。單極性碼傳輸時(shí)要求信道的一端接地，這樣不能用兩根芯線均不接地的電纜等傳輸線。單極性碼不適合直接送入信道傳輸，因此，要通過碼型變換器將其變成適合在信道傳輸?shù)拇a型，其中最簡(jiǎn)單的一種是雙極性碼。(2)雙極性碼“1”和“0”分別對(duì)應(yīng)正、負(fù)電平，且在整個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)電平保持不變。第九頁(yè)，共31頁(yè)。數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性主要優(yōu)點(diǎn)：從平均統(tǒng)計(jì)角度來看，消息“1”和“0”的數(shù)目各占一半，所以無直流分量；接收端判決電平為0，容易設(shè)置并且穩(wěn)定，因此抗干擾能力強(qiáng)；可以在電纜等無接地的傳輸線上傳輸，也用于數(shù)字調(diào)制器。主要缺點(diǎn)：不能直接從雙極性碼中提取同步脈沖分量。第十頁(yè)，共31頁(yè)。數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性(3)單極性歸零碼歸零碼是指它的電平持續(xù)時(shí)間比碼元周期短，每個(gè)脈沖都要回到零電平。主要優(yōu)點(diǎn)：可以直接提取同步脈沖。其他適合于信道傳輸?shù)荒苤苯犹崛⊥叫盘?hào)的碼型，可以先變換為單極性歸零碼再提取同步脈沖。(主要用作過渡碼型)第十一頁(yè)，共31頁(yè)。數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性(4)雙極性歸零碼雙極性歸零碼：有電脈沖寬度比碼元寬度窄，每個(gè)脈沖都要回到零電平。優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)；碼中不含直流成分；作為傳輸碼型時(shí)不能直接提取同步信號(hào)，但是，通過簡(jiǎn)單的變換電路(即全波整流電路)可以變換為單極性歸零碼，從而可以提取同步脈沖；應(yīng)用廣泛。第十二頁(yè)，共31頁(yè)。數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性(5)差分碼(相對(duì)碼)用相鄰碼元電平變化表示“1”；不變表示“0”(或作相反的規(guī)定)。

特點(diǎn)：即使接收端收到的碼元電平與發(fā)送端完全相反，也能正確地進(jìn)行判決。(主要用于解決相位模糊問題)第十三頁(yè)，共31頁(yè)。數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性前述各種碼型都是一個(gè)二進(jìn)制符號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)電平。實(shí)際上還存在多個(gè)二進(jìn)制符號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)電平的情形。(6)多電平波形例如：若令：00對(duì)應(yīng)+3E，01對(duì)應(yīng)+E，10對(duì)應(yīng)-E，11對(duì)應(yīng)-3E，則所得波形為4電平波形。常用于高速數(shù)據(jù)傳輸中。消息代碼:10001第十四頁(yè)，共31頁(yè)。數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜特性1、數(shù)字基帶信號(hào)的數(shù)學(xué)模型：數(shù)字基帶信號(hào)是消息代碼的電波形，有一串消息代碼：…10010101…，規(guī)定：g1(t)→”0”，g2(t)→”1”，則其脈沖波形如下：第十五頁(yè)，共31頁(yè)。數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性數(shù)字基帶信號(hào)的一般表達(dá)式：有一二進(jìn)制離散信源，發(fā)送“0”和“1”的概率分別為p和1-p，脈沖g1(t)→”0”，g2(t)→”1”，碼元周期為Ts，攜帶“0”和“1”的脈沖統(tǒng)一用g(t)表示，則g(t)為：消息代碼是按照時(shí)間的順序發(fā)送的。若第0個(gè)消息代碼a0→g(t)，則第1個(gè)消息代碼a1→g(t-Ts)，第2個(gè)消息代碼a2→g(t-2Ts)，以此類推，第n個(gè)消息代碼an→g(t-nTs)。第十六頁(yè)，共31頁(yè)。數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性數(shù)字基帶信號(hào)是所有碼元對(duì)應(yīng)波形的疊加，可表示為：

由于第n個(gè)碼元是0還是1是隨機(jī)的，所以，通常數(shù)字基帶信號(hào)s(t)都是隨機(jī)脈沖序列。第十七頁(yè)，共31頁(yè)。數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性討論數(shù)字基帶信號(hào)頻譜特性的必要性：通過頻譜分析，可以了解信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)，信號(hào)的頻帶寬度，信號(hào)中是否直流分量、同步脈沖分量等，適合在何種信道中傳輸。數(shù)字基帶信號(hào)頻譜特性的討論方法：由于數(shù)字基帶信號(hào)是隨機(jī)脈沖序列，因而，要借助于與功率譜密度函數(shù)來討論。功率譜密度函數(shù)的求解方法：借助于自相關(guān)函數(shù)求解；借助于定義式求解。第十八頁(yè)，共31頁(yè)。數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性下面簡(jiǎn)單介紹求s(t)的功率譜密度的求解方法。為了使頻譜分析的物理概念更加清楚，并且使推導(dǎo)過程簡(jiǎn)化，把隨機(jī)脈沖序列s(t)分解成穩(wěn)態(tài)波v(t)和交變波u(t)兩部分來分別討論；分別求穩(wěn)態(tài)波v(t)和交變波u(t)的功率譜密度函數(shù)：穩(wěn)態(tài)波v(t)是隨機(jī)脈沖序列s(t)的平均分量，并且可以證明v(t)是周期為Ts的周期信號(hào)，則周期信號(hào)的頻譜是離散譜，因而，穩(wěn)態(tài)波v(t)的功率譜也是離散譜；交變波u(t)是非周期信號(hào)，則交變波u(t)的頻譜是連續(xù)譜，因而，交變波u(t)的功率譜也是連續(xù)譜。隨機(jī)脈沖序列的頻譜由連續(xù)譜和離散譜組成。第十九頁(yè)，共31頁(yè)。數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性經(jīng)分析，可得隨機(jī)脈沖序列s(t)的功率譜密度函數(shù)：

相關(guān)討論：(1)各符號(hào)的含義：①fs=1/Ts，fs在數(shù)值上等于碼元速率，m∈Z。②G1(f)←→g1(t)

、G2(f)←→g2(t)g1(t)、g2(t)分別為0碼和1碼的基本波形。③P為0碼出現(xiàn)的概率。第二十頁(yè)，共31頁(yè)。數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性(2)關(guān)于連續(xù)譜：一定存在，根據(jù)連續(xù)譜可以確定數(shù)字基帶信號(hào)的功率分布情況及其帶寬。(3)關(guān)于離散譜不一定存在，是否存在與g1(t)和g2(t)的頻譜密度函數(shù)以及出現(xiàn)概率P有關(guān)。第二十一頁(yè)，共31頁(yè)。數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性離散譜fs的作用：當(dāng)功率譜密度函數(shù)中存在頻率等于fs的離散譜時(shí)，可以直接用濾波法提取同步信號(hào)，其原理如下圖：

第二十二頁(yè)，共31頁(yè)。數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性【例6-1】求單極性波形、單極性歸零波形的功率譜密度。單極性波形：設(shè)消息代碼由“0”“1”組成，P(0)=p，P(1)=1-p，“0”→g1(t)，“1”→g2(t)，g1(t)=0,g2(t)為矩形脈沖則：G1(f)=0第二十三頁(yè)，共31頁(yè)。數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性當(dāng)p=1/2時(shí)，可得：可見，單極性波形含直流分量；無定時(shí)/同步脈沖分量；第一零點(diǎn)帶寬為fs。第二十四頁(yè)，共31頁(yè)。數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性單極性歸零波形

若表示“1”碼的波形g2(t)為半占空歸零矩形脈沖，即脈沖寬度τ=Ts/2其頻譜函數(shù)為：若p=1/2，功率譜密度函數(shù)：第二十五頁(yè)，共31頁(yè)。數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性可以看出：離散譜中有直流分量；含定時(shí)/同步分量；占空比為1/2時(shí)單極性歸零波形的帶寬為Bs=2fs。

第二十六頁(yè)，共31頁(yè)。數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性第二十七頁(yè)，共31頁(yè)。數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性【例6-2】求雙極性波形及雙極性歸零波形的功率譜。雙極性波形：設(shè)消息代碼由“0”“1”組成，P(0)=p，P(1)=1-p，“0”→g1(t)，“1”→g2(t)，g1(t)=-g2(t)=g(t)，g(t)為矩形脈沖：其功率譜為：當(dāng)p=1/2時(shí)，雙極性波形的功率譜為：第二十八頁(yè)，共31頁(yè)。數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜