現(xiàn)代信系統(tǒng)原理第4章-數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)-課件

第4章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)4.1數(shù)字基帶信號碼型4.2基帶系統(tǒng)的脈沖傳輸與碼間干擾4.3無碼間串?dāng)_的基帶傳輸系統(tǒng)4.4無碼間串?dāng)_基帶系統(tǒng)的抗噪聲性能4.5眼圖4.6時(shí)域均衡原理*4.7部分響應(yīng)系統(tǒng)*7/20/202314.1數(shù)字基帶信號碼型基帶信號的要求主要有兩點(diǎn)：（1）對各種代碼的要求，期望將原始信息符號編制成適合于傳輸用的碼型；（2）對所選的碼型的電波形的要求，期望電波形適宜于在信道中傳輸。

本節(jié)討論前一問題。

7/20/20232在設(shè)計(jì)數(shù)字基帶信號碼型時(shí)應(yīng)考慮以下原則：

（1）碼型中應(yīng)不含直流或低頻分量盡量少;（2）碼型中高頻分量盡量少;（3）碼型中應(yīng)包含定時(shí)信息;（4）碼型具有一定檢錯(cuò)能力;（5）編碼方案對發(fā)送消息類型不應(yīng)有任何限制，即能適用于信源變化;（6）低誤碼增殖;（7）高的編碼效率；（8）編譯碼設(shè)備應(yīng)盡量簡單。

7/20/202334.1.2數(shù)字基帶信號的常用碼型7/20/202341.單極性非歸零（NRZ）碼

二進(jìn)制符號“1”和“0”分別對應(yīng)正電平和零電平，在整個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間電平保持不變。單極性NRZ碼的主要特點(diǎn)：

（1）有直流分量，無法使用一些交流耦合的線路和設(shè)備；

（2）不能直接提取位同步信息；

（3）抗噪性能差；

（4）傳輸時(shí)需一端接地。

7/20/202352.雙極性不歸零（NRZ）碼

“1”和“0”分別對應(yīng)正、負(fù)電平，其特點(diǎn)為：（1）直流分量小。當(dāng)二進(jìn)制符號“1”、“0”等可能出現(xiàn)時(shí)，無直流成分；（2）接收端判決門限為0，容易設(shè)置并且穩(wěn)定，因此抗干擾能力強(qiáng)；（3）可以在電纜等無接地線上傳輸。7/20/202363.單極性歸零（RZ）碼歸零碼是指它的有電脈沖寬度比碼元寬度窄，每個(gè)脈沖都回到零電平。優(yōu)點(diǎn)是可以直接提取同步信號，它是其它碼型提取同步信號需采用的一個(gè)過渡碼型。

4.雙極性歸零（RZ）碼

雙極性歸零碼具有雙極性不歸零碼的抗干擾能力強(qiáng)及碼中不含直流成分的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用比較廣泛。7/20/202375.差分碼

在差分碼中，“1”、“0”分別用電平跳變或不變來表示。編碼：遇到“1”狀態(tài)反轉(zhuǎn)、“0”狀態(tài)不變；譯碼：有變化為“1”，沒變化為“0”。特點(diǎn)：即使接收端收到的碼元極性與發(fā)送端完全相反，也能正確地進(jìn)行判決。7/20/202386.AMI碼這種碼型實(shí)際上把二進(jìn)制脈沖序列變?yōu)槿娖降姆栃蛄?，其?yōu)點(diǎn)如下：

（1）在“1”、“0”碼不等概率情況下，也無直流成分，對具有變壓器或其它交流隅合的傳輸信道來說，不易受隔直特性的影響。（2）若接收端收到的碼元極性與發(fā)送端的完全相反，也能正確判決。（3）便于觀察誤碼情況。7/20/202397.HDB3碼

AMI碼有一個(gè)重要缺點(diǎn)，即它可能出現(xiàn)長的連0串，會造成提取定時(shí)信號的困難。HDB3碼的編碼規(guī)則為：

（1）先把消息代碼變成AMI碼；

（2）當(dāng)出現(xiàn)4個(gè)或4個(gè)以上連0碼時(shí)進(jìn)行處理，即引入破壞碼V和補(bǔ)信碼；而原來的二進(jìn)制碼元序列中所有的“1”碼稱為信碼，用符號B表示。7/20/202310信碼B與破壞符號V的正負(fù)必須滿足如下兩個(gè)條件：①B碼和V碼各自都應(yīng)始終保持極性交替變化的規(guī)律，以便確保編好的碼中沒有直流成分；②V碼必須與前一個(gè)碼（信碼B）同極性，以便和正常的AMI碼區(qū)分開來。如果這個(gè)條件得不到滿足，那么應(yīng)該在四個(gè)連“0”碼的第一個(gè)“0”碼位置上加一個(gè)與V碼同極性的補(bǔ)信碼，用符號表示，并做調(diào)整。7/20/202311例如：(a)代碼：010000110000010 1(b)AMI碼：0+10000-1+100000-10+1(c)加V：0+1000V+-1+1000V+0-10+1(d)加補(bǔ)信碼0+1000V+-1+10 0V-0+10-1(e)HDB3：0+1000+1–1+1-10 0-10+10–1HDB3碼的譯碼卻比較簡單，同時(shí)它對定時(shí)信號的恢復(fù)是極為有利的。HDB3是CCITT推薦使用的碼之一。7/20/2023128.Manchester碼該碼又稱為數(shù)字雙相碼或分相碼。其特點(diǎn)是每個(gè)碼元用兩個(gè)連續(xù)極性相反的脈沖來表示。如“1”碼用正、負(fù)脈沖表示，“0”碼用負(fù)、正脈沖表示，以太網(wǎng)采用分相碼作為線路傳輸碼。

9.CMI碼其編碼規(guī)則為：“1”碼交替用“00”和“11”表示；“0”碼用“01”表示。10.多進(jìn)制碼（具體情況見書p89）7/20/2023134.1.3數(shù)字基帶信號功率譜

不同形式的數(shù)字基帶信號具有不同的頻譜結(jié)構(gòu)，分析數(shù)字基帶信號的頻譜特性，以便合理地設(shè)計(jì)數(shù)字基帶信號。可以證明，隨機(jī)脈沖序列雙邊功率譜為：7/20/202314結(jié)論：

（1）隨機(jī)脈沖序列功率譜包括兩部分：連續(xù)譜（第一項(xiàng)）和離散譜（第二項(xiàng)）。

（2）當(dāng)、、p及給定后，隨機(jī)脈沖序列功率譜就確定了。

下面，以矩形脈沖構(gòu)成的基帶信號為例，通過幾個(gè)有代表性的特例對式（4-3）的應(yīng)用及意義做進(jìn)一步的說明。p917/20/2023154.2基帶系統(tǒng)的脈沖傳輸與碼間干擾

4.2.1數(shù)字基帶系統(tǒng)的工作原理7/20/2023167/20/2023174.2.2基帶傳輸系統(tǒng)的碼間串?dāng)_傳輸過程中第4個(gè)碼元發(fā)生了誤碼，產(chǎn)生該誤碼的原因就是信道加性噪聲和頻率特性?；鶐鬏斚到y(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如圖所示：發(fā)送濾波器輸入信號可以表示為：

7/20/202318發(fā)送濾波器至接收濾波器總的傳輸特性為：則由圖可得抽樣判決器的輸入信號為：為了判定第j個(gè)碼元aj的值，應(yīng)在瞬間對y(t)抽樣。顯然，此抽樣值為：7/20/2023194.2.3碼間串?dāng)_的消除從數(shù)學(xué)表示式看，只要即可消除碼間干擾，但ak是隨機(jī)變化的，要想通過各項(xiàng)互相抵消使碼間串?dāng)_為0是不可能的。只能依靠系統(tǒng)沖激響應(yīng)在采樣點(diǎn)處為零。

7/20/202320考慮到實(shí)際應(yīng)用時(shí)，定時(shí)判決時(shí)刻不一定非常準(zhǔn)確，這樣的尾巴拖得太長，當(dāng)定時(shí)不準(zhǔn)時(shí)，任一個(gè)碼元都要對后面好幾個(gè)碼元產(chǎn)生串?dāng)_，或者說后面任一個(gè)碼元都要受到前面幾個(gè)碼元的串?dāng)_。因此對系統(tǒng)還要求適當(dāng)衰減快一些，即尾巴不要拖得太長。7/20/2023214.3無碼間串?dāng)_的基帶傳輸系統(tǒng)

無碼間串?dāng)_對基帶傳輸系統(tǒng)沖激響應(yīng)的要求概括如下：

（1）基帶信號經(jīng)過傳輸后在抽樣點(diǎn)上無碼間串?dāng)_，也即瞬時(shí)抽樣值應(yīng)滿足

（2）尾部衰減要快。

7/20/202322

經(jīng)整理后無碼間串?dāng)_的條件為：可以找到很多能滿足這個(gè)要求的系統(tǒng)，例如

7/20/202323

4.3.1理想基帶傳輸系統(tǒng)理想基帶傳輸系統(tǒng)的傳輸特性具有理想低通特性，其傳輸函數(shù)為：

相應(yīng)的時(shí)域表達(dá)式為：

7/20/202324如果信號經(jīng)傳輸后整個(gè)波形發(fā)生變化，但只要其特定點(diǎn)的抽樣值保持不變，那么用再次抽樣的方法，仍然可以準(zhǔn)確無誤地恢復(fù)原始信碼。這就是奈奎斯特第一準(zhǔn)則的本質(zhì)。7/20/202325

輸入序列若以的碼元速率1/Tb進(jìn)行無碼間串?dāng)_傳輸時(shí)，所需的最小傳輸帶寬為1/2Tb

（Hz）,通常稱1/2Tb為奈奎斯特帶寬。

頻帶利用率是指碼元速率和帶寬的比值：顯然，理想低通傳輸函數(shù)具有最大的頻帶利用率，其值為2Baud/Hz。但是，理想基帶傳輸系統(tǒng)實(shí)際上不可能得到應(yīng)用。這是因?yàn)槭紫任锢聿豢蓪?shí)現(xiàn)的；其次，拖尾很大。7/20/202326

4.3.2無碼間串?dāng)_的等效特性經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以得到：

要滿足無碼間串?dāng)_，則要求

7/20/202327

4.3.3實(shí)用的無碼間串?dāng)_基帶傳輸特性

理想沖激響應(yīng)的尾巴衰減很慢的原因是系統(tǒng)的頻率特性截止過于陡峭，進(jìn)行“圓滑”處理可以減小拖尾，通常被稱為“滾降”。而滾降系數(shù)定義為：

7/20/202328滾降系數(shù)的不同可以得出結(jié)論：

（1）當(dāng)時(shí)，為理想基帶傳輸系統(tǒng)，h(t)的“尾巴”按1/t的規(guī)律衰減。當(dāng)時(shí)，“尾巴”的衰減速率比1/t大。（2）輸出信號頻譜所占據(jù)的帶寬為：一般情況下，=0～1時(shí)，，頻帶利用率為2～1Baud/Hz?？梢钥闯鲈酱?，“尾部”衰減越快，但帶寬越寬，頻帶利用率越低。7/20/2023294.4無碼間串?dāng)_基帶系統(tǒng)的抗噪聲性能

碼間串?dāng)_和噪聲是影響接收端正確判決，從而造成誤碼的因素。本節(jié)來討論噪聲引起的誤碼率。

7/20/202330若二進(jìn)制基帶信號為雙極性，則在抽樣時(shí)刻x(t)的取值為：

7/20/202331設(shè)判決門限為Vd，則

，判為“1”碼，判為“0”碼

可能出現(xiàn)兩種判決錯(cuò)誤：原“1”錯(cuò)判成“0”或原“0”錯(cuò)判成“1”，圖中帶“×”的碼元就是錯(cuò)碼。下面分析由于信道加性噪聲引起這種誤碼的概率，即誤碼率。

設(shè)信道加性噪聲為均值為0的高斯白噪聲，而接收濾波器又是一個(gè)線性網(wǎng)絡(luò)，故判決電路輸入噪聲也是均值為0的高斯噪聲。7/20/202332nR(t)的功率譜密度為：

方差（噪聲平均功率）為：nR(t)瞬時(shí)值的一維概率密度函數(shù)可表述為：發(fā)送“1”時(shí)均值為A，其一維概率密度函數(shù)為：

7/20/202333發(fā)送“0”時(shí)均值為-A，其概率密度函數(shù)為：它們相應(yīng)的曲線如圖所示：

7/20/202334噪聲會引起兩種誤碼概率：

（1）發(fā)“1”錯(cuò)判為“0”的概率P(0/1)；

（2）發(fā)“0”錯(cuò)判為“1”的概率P(1/0)；

7/20/202335基帶傳輸系統(tǒng)總的誤碼率可表示為：

在A和一定的條件下，可以找到一個(gè)使誤碼率最小的判決門限電平，這個(gè)門限電平稱為最佳門限電平。令當(dāng)P(1)=P(0)=1/2時(shí)7/20/202336這時(shí)，基帶信號系統(tǒng)總的誤碼率為：

這就是雙極性、等概發(fā)送“1”碼和“0”碼、且在最佳判決門限電平下，基帶傳輸系統(tǒng)總的誤碼率表示式。對于單極性信號，最佳門限電平為：當(dāng)P(1)=P(0)=1/2時(shí)：7/20/202337基帶信號系統(tǒng)總的誤碼率為：比較雙極性信號與單極性信號可知：

（1）在基帶信號峰值相等、噪聲均方根值也相同時(shí)，單極性基帶系統(tǒng)的抗噪性能不如雙極性基帶系統(tǒng)。（2）在誤碼率相同條件下，單極性基帶系統(tǒng)需要的信噪功率比要比雙極性高3dB。

7/20/202338（3）在發(fā)送“1”、“0”碼等概情況下，單極性基帶系統(tǒng)的最佳判決門限電平隨心到特性發(fā)生變化。因此，數(shù)字基帶系統(tǒng)多采用雙極性信號進(jìn)行傳輸。

7/20/2023394.5眼圖

眼圖就是用的實(shí)驗(yàn)方法宏觀監(jiān)測系統(tǒng)的性能。

4.5.1眼圖的概念眼圖是指利用實(shí)驗(yàn)的方法估計(jì)和改善（通過調(diào)整）傳輸系統(tǒng)性能時(shí)在示波器上觀察到的一種圖形。從“眼圖”上可以觀察出碼間串?dāng)_和噪聲的影響，從而估計(jì)系統(tǒng)優(yōu)劣程度。7/20/2023404.5.2眼圖形成原理及模型

1.無噪聲時(shí)的眼圖7/20/202341眼圖的“眼睛”張開的大小反映著碼間串?dāng)_的強(qiáng)弱?！把劬Α睆埖脑酱螅已蹐D越端正，表示碼間串?dāng)_越小；反之表示碼間串?dāng)_越大。

2.存在噪聲時(shí)的眼圖當(dāng)存在噪聲時(shí)，觀察到的眼圖的線跡會變得模糊不清。若同時(shí)存在碼間串?dāng)_，“眼睛”