通信原理第五章PPT.ppt

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,通信原理,第五章基带数字信号的表示和传输,5.1,概述,数字信号,数字信号为一时间离散和幅度离散的序列。在二进制中，幅度取,0,或,1,两个值；在,M,进制中，幅度取,0,1,M,1,等,M,个值。,基带信号,信号频带宽度与其中心频率相当，含有直流分量或大量的低频分量。,数字信号传输时为什么需要不同的表示方法？,为了除去直流分量和频率很低的分量；,为了在接收端得到每个码元的起止时刻信息；,为了使信号的频谱和信道的传输特性相匹配。,2,5.2,字符的编码表示,字符,数字、字母、符号和汉字等统称为字符。,汉字的编码方法,4,位十进制数字表示一个汉字。,电报编码：“中”,“,0022”,，“国”,“,0948”,。,区位码：“中”,“,5448”,，“国”,“,2590”,。,英文字母编码方法,ASCII,码,7,位二进制数字表示一个字符。,“,0”,用,30H,表示，“,1”,用,31H,表示，等；,“,A”,用,41H,表示，“,a”,用,61H,表示，等。,3,5.3,基带数字信号的波形,基带数字波形的基本特征,单极性波形：,用正（负）电平和零电平分别表示,1,和,0,；,双极性波形：,用正电平和负电平分别表示,1,和,0,；,非归零波形（,NRZ,）：,在整个码元周期,T,内电平保持不变；,归零波形（,RZ,）：,在码元周期,T,内电平只持续一段时间,，,余下时间返回到零电平。,四种基本数字的波形,4,5.3,基带数字信号的波形,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,+V,V,0,0,V,V,0,+V,0,V,单极性,非归零码,双极性,非归零码,单极性,归零码,双极性,归零码,5,5.3,基带数字信号的波形,差分波形,用电平的跳变或不变，而不是电平值的高低，分别表示,1,和,0,。,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,“,1”,跳变,差分波形,“,0”,跳变,差分波形,6,5.3,基带数字信号的波形,多电平波形,用 多种电平表示数字信号，称为多电平波形，或多进制波形。,00,10,11,01,1,1,0,0,1,0,0,1,t,7,5.4,基带数字信号的传输码型,传输码型的要求,无直流分量,低频分量少,容易提取码元定时信息,频带宽度窄，或传输效率高,抗干扰信能强，有一定的检错能力,与信源的统计特性无关,实现代价低,8,5.4,基带数字信号的传输码型,AMI,（,传号交替反转码,）,用三种取值的信号幅度表示二进制码。三种幅度的取值分别为：,+,V,，,0,，,V,。,0,用,0,电平表示；,1,交替地用,+1,和,1,的半占空比归零码表示。,AMI,的直流分量为零，能量集中在,1/2,码元速率处，信号经全波整流后可提取位定时信号。,Alternate Mark Inversion(AMI),1,0,1,1,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,1,0,0,0,0,0,0,1,9,5.4,基带数字信号的传输码型,HDB,3,（,3,阶高密度双极性码）,连续,4,个,0,，第,4,个,0,变换成,V,码；,V,码交替；,V,码应与前邻传号码极性相同；,若无法保证极性相同，则第,1,个,0,变换成,B,码。,High Density Bipolar(HDB),1,0,1,1,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,1,0,0,0,0,0,0,1,10,5.4,基带数字信号的传输码型,双相码,用码元中心正跳变表示,0,，负跳跳变表示,1,。,含有位定时信息；双极性，无直流分量；频带较宽；易实现（时钟脉冲与单极性非归零码相异或）。,biphase code,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,11,5.4,基带数字信号的传输码型,密勒码,用码元中心跳变表示,1,。单,0,保持电平不变，连,0,时在码元边界跳变。,用双相码触发双稳态电路可得密勒码。,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,数字,双相码,密勒码,Miller code,12,5.4,基带数字信号的传输码型,CMI,码,1,交替地用高、低电平表示；,0,用码元中心正跳变表示。,因,0,和,1,的高、低电平都是交替出现的，故,CMI,码无直流分量；易于提取位定时信号；实现简单。,Coded Mark Inversion(CMI),1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,13,5.5,基带数字信号的频率特性,纯随机二元序列：在某一时刻发送的信号元与以前时刻所发送的信号元无关（本章公式前提）,随机基带数字信号的表示,“,0”,的基本波形为,g,1,(,t,),，,出现的概率为,P,；,“,1”,的基本波形为,g,2,(,t,),，,出现的概率为,1,P,。,随机基带数字信号的表示,其中,14,5.5,基带数字信号的频率特性,码元波形,“,0”,用,g,1,(,t,),表示,“,1”,用,g,2,(,t,),表示,t,O,0,0,0,0,1,1,1,1,1,g,1,(,t,),t,O,g,2,(,t,),t,O,15,5.5,基带数字信号的频率特性,随机基带数字信号的分解,s,(,t,)=,v,(,t,)+,u,(,t,),稳态（确定）分量，为,s,(,t,),的统计平均分量：,交变（随机）分量,16,5.5,基带数字信号的频率特性,交变（随机）分量的表示,17,5.5,基带数字信号的频率特性,随机基带数字信号分解图示,t,0,0,0,0,1,1,1,1,1,t,t,s,(,t,),v,(,t,),u,(,t,),18,5.5,基带数字信号的频率特性,稳态（确定）分量,v,(,t,),的功率谱密度,交变（随机）分量,u,(,t,),的功率谱密度,数字信号,s,(,t,),的功率谱密度,19,5.5,基带数字信号的频率特性,0-1,等概率时信号的功率谱密度,20,5.5,基带数字信号的频率特性,0-1,等概率单极性,NRZ,码的功率谱密度,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,V,0,21,5.5,基带数字信号的频率特性,0-1,等概率单极性,NRZ,码的功率谱密度（续）,f,P,s,(,f,),1/,T,c,V,2,T,c,/4,V,2,/4,0,22,5.5,基带数字信号的频率特性,0-1,等概率单极性,RZ,码的功率谱密度,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,V,0,T,c,/2,23,5.5,基带数字信号的频率特性,0-1,等概率单极性,RZ,码的功率谱密度（续）,f,P,s,(,f,),1/,T,c,V,2,T,c,/16,V,2,/16,0,2/,T,c,3/,T,c,4/,T,c,24,5.5,基带数字信号的频率特性,0-1,等概率双极性,NRZ,码的功率谱密度,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,+V,0,V,25,5.5,基带数字信号的频率特性,0-1,等概率双极性,NRZ,码的功率谱密度（续）,f,P,s,(,f,),1/,T,c,V,2,T,c,0,26,5.5,基带数字信号的频率特性,0-1,等概率双极性,RZ,码的功率谱密度,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,Tc,/2,+V,V,27,5.5,基带数字信号的频率特性,0-1,等概率双极性,RZ,码的功率谱密度（续）,f,P,s,(,f,),1/,T,c,V,2,T,c,/4,0,2/,T,c,3/,T,c,4/,T,c,28,5.5,基带数字信号的频率特性,0-1,等概率双相码的功率谱密度,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,+A,A,V,+,V,g,1,(,t,),t,29,5.5,基带数字信号的频率特性,0-1,等概率双相码的功率谱密度（续）,f,P,s,(,f,),1/,T,0,2/,T,3/,T,4/,T,30,f,P,s,(,f,),0,1/,T,2/,T,数字双相码,密勒码,非归零码,AMI,码,HDB,3,码,归零码,5.5,基带数字信号的频率特性,几种典型信号的功率谱,31,5.6,基带数字信号传输与码间串扰,基带数字信号传输系统模型,由于发送端输入为,脉冲，因此,H(f,),既是系统的传递函数，也是接收波形的频谱函数。,发送,滤波器,G,T,(,f,),信道,C,(,f,),接收,滤波器,G,R,(,f,),抽样,判决,抽样,判决,基带,传输,(,f,),(,f,)=,G,T,(,f,),C,(,f,),G,R,(,f,),32,5.6,基带数字信号传输与码间串扰,码间串扰：,由于系统传输特性,(,f,),不理想而造成的各码元之间的相互干扰。（频域、时域不能同时受限）,柰奎斯特第一准则（抽样值无失真）：,在数字基带传输中，码元波形按一定间隔发送，信息携带在幅度上，接收端再生判决如能准确地恢复出幅度信息（即,脉冲序列），则原始信码就能无误地传送。,intersymbol interference(ISI),T,t,33,5.6,基带数字信号传输与码间串扰,抽样值无失真的充要条件：,接收波形仅在本码元的抽样时刻有最大值，而对其它码元抽样时刻的信号值无影响，即在抽样点上无码间干扰。,理想低通滤波器对离散信号的响应,(,f,),1/2,T,1/2,T,O,f,h,(,t,),T,T,O,t,34,5.6,基带数字信号传输与码间串扰,无码间串扰情况,当传输速率为,1/,T,，,数据传输带宽至少为,1/2,T,。,当传输带宽为,1/2,T,，,不存在码间串扰。,h,(,t,),h,(,t,T,),t,T,T,35,5.6,基带数字信号传输与码间串扰,奈奎斯特准则,当数据传输系统的频率响应,H,(,f,),满足,则可在输出的采样点上消除码间串扰。,H,(,f,),f,W,W,H,(,f,),f,W,W,36,5.6,基带数字信号传输与码间串扰,升余弦频率响应数据传输系统,H,(,f,),f,W,W,W+W,1,W,W,1,37,5.6,基带数字信号传输与码间串扰,升余弦频率响应数据传输系统的冲激响应,1/2,W,1/2,W,h,(,t,),t,38,5.6,基带数字信号传输与码间串扰,部分响应基带传输系统：,为提高频带利用率，反而利用码间串扰（人为的，有规律的）来达到压缩传输频带的目的。,冲激响应,g,(,t,),t,T,T,T,39,5.6,基带数字信号传输与码间串扰,部分响应系统,频率响应,G,(,f,),f,1/2,T,O,1/2,T,40,5.6,基带数字信号传输与码间串扰,部分响应系统的性质,时间响应,g,(,t,),按,t,2,衰减,相邻码元之间有串扰，其他码元在采样时刻无码间串扰。,t,41,设系统输入的二进制码元序列为,a,k,，其中,a,k,=,1,。当发送码元,a,k,时，接收波形在相应抽样时刻上的抽样值,C,k,决定于下式：,C,k,的可能取值只有,2,、,0,、,2,，,由上式可知：,如果前一码元,a,k,-1,已知，则在收到,C,k,后，就可以求出,a,k,值。,上例说明：原则上，可以达到理想频带利用率，并且使码元波形的,“,尾巴,”,衰减很快。,存在问题：错误传播。故不能实用。,5.6,基带数字信号传输与码间串扰,42,实用部分响应特性：,设：发送端的输入码元,a,k,用二进制数字,0,和,1,表示,首先将,a,k,按照变成,b,k,：预编码,式中，,为模,2,加法，其中,b,k,为二进制数字,0,或,1,。,将,b,k,用来传输。仿照上述原理，有,相关编码,接收端若对上式作模,2,加法运算，则有,上式表明，对,C,k,作模,2,加法运算，就可以得到,a,k,，而无需预知,a,k,-1,，并且也没有错误传播问题。,5.6,基带数字信号传输与码间串扰,43,例：设输入,a,k,为,1 1 1 0 1 0 0 1,，则编解码过程为：,初始状态,b,k,-1,0,初始状态,b,k,-1,1,二进制序列,a,k,1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1,二进制序列,b,k,-1,0,1 0 1 1 0 0 0,1,0 1 0 0 1 1 1,二进制序列,b,k,1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0,序 列,C,k,1 1 1 2 1 0 0 1 1 1 1 0 1 2 2 1,二进制序列,C,k,mod,1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1,双极性输入序列,a,k,双极性信号序列,b,k,-1,双极性信号序列,b,k,序列,C,k,0 0 0 2 0 2 2 0 0 0 0 2 0 2 2 0,判决准则：若,C,k,=0,，判为,a,k,=+1(1),；若,C,k,=,2,，判为,a,k,=-1(0),。,5.6,基带数字信号传输与码间串扰,44,第一类部分响应系统、双二进制,(,Duobinary,),信号传输系统,方框图,T,发送滤波器,接收滤波器,相加,模,2,判决,T,抽样,脉冲,(,a,),原理方框图,发送滤波器,接收滤波器,相加,模,2,判决,T,抽样,脉冲,(,b,),实际方框图,5.6,基带数字信号传输与码间串扰,45,一般部分响应特性 令,:,式中，,k,n,(,n,=1,2,N,),加权系数，可以取正、负或零值，对上式中,g,(,t,),作傅里叶变换，得到其频谱,G,(,f,),为：,由上式看出，,G,(,f,),的频谱仍然仅存在于,(-1/2,T,1/2,T,),范围内。,5.6,基带数字信号传输与码间串扰,46,设输入序列为,a,k,，相应的编码序列为,C,k,，则有,式中，,a,k,可以是,L,进制的数字，预编码规则为：,式中，,为模,L,加法，对于,b,k,的相关编码规则为：,最后对,C,k,进行模,L,运算：,由上式看出，也不存在错误传播问题。,按照上述原理，目前已经有,5,类部分响应特性。,5.6,基带数字信号传输与码间串扰,47,眼图 用示波器实际观察接收信号质量的方法。,对于二进制双极性信号，,在理想情况下，显示有如一只睁开的眼睛：,在有干扰情况下，“眼睛”张开的程度代表干扰的强弱。,t,t,理想波形,失真波形,5.7,眼图,48,眼图是定性评价基带传输系统性能的方法。,眼图测量方法：,Y,轴输入基带接收信号。,X,轴扫描锯齿波周期与基带信号码元周期同步。在示波器观察的图形。,接收波形,Y,轴,输入,理想波形,实际波形,5.7,眼图,49,Ts,幅度畸变,相位畸变,脉冲前后延,5.7,眼图,50,收滤波器,抽样判决,位同步,G,R,(,),r(t),cp(t),无码间串扰,有码间串扰,用示波器观察,r(t),，,cp(t),，,调节,G,R,(,),使码间串扰最小。调节位同步器中的移相电路使,cp(t),对准信号最大值。,5.7,眼图,51,下图为眼图照片，,(a),无码间串扰，,(b),有码间串扰,。,5.7,眼图,52,U,U,U,T,过零点畸变,Ts,可以抽样的时间,噪声容限,斜率对定时误差的敏感度,最佳抽样时刻,衡量眼图的几个重要参数有：,(l),眼图开启度,(U,2U)/U,指在最佳抽样点处眼图幅度的,“,张开,程度。无畸变眼图的开启度为,100%,。式中,U,U,+,U,-,。,眼图参数,53,U,U,U,T,过零点畸变,Ts,可以抽样的时间,噪声容限,斜率对定时误差的敏感度,最佳抽样时刻,(2),“,眼皮,”,厚度,2U/U,在最佳抽样点处眼图幅度的变化部分与最大幅度之比，无畸变眼图的,“,眼皮,”,厚度为,0,。,(3),交叉点发散度,T/Ts,指眼图波形过零点交叉线的发散程度，无畸变眼图的交叉点发散为,0,。,眼图参数,54,(4),正、负极性不对称度,|(U,+,U,)|/|(U,+,+U,)|,指在最佳抽样点处眼图正、负幅度不对称的程度。无畸变眼图的极性不对称应为,0,。,U,U,U,T,过零点畸变,Ts,可以抽样的时间,噪声容限,斜率对定时误差的敏感度,最佳抽样时刻,眼图参数,55,如果传输信道不理想，产生传输畸变，就会很明显地由眼图的这几个参数反映出来。其后果可以看成有效信号的能量损失。,可以推导出，等效于信号信噪比的损失量,Eb,/N,。,与眼图开启度,(U,2U)/U,有如下关系：,Eb,/N,。,=20log(U,2U)/U(dB),眼图参数,56,5.7,眼图,眼图模型,最佳取样时刻,最佳判决电平,信号失真,信号失真,噪声容限,57,5.8,时域均衡器,概述,均衡器的用途：减小码间串扰,均衡器的种类：频域均衡器和时域均衡器,时域均衡器的实现：采用横向滤波器,横向滤波器基本原理,传输系统特性：,H,(,f,)=,G,T,(,f,),C,(,f,),G,R,(,f,),为消除码间串扰，,H,(,f,),应满足奈奎斯特准则。,在系统中插入一均衡器，其传输特性为,C,E,(,f,),为：,H,(,f,)=,G,T,(,f,),C,(,f,),G,R,(,f,),C,E,(,f,),设计,C,E,(,f,),使总传输特性,H,(,f,),满足奈奎斯特准则。,58,5.8,时域均衡器,基带数据传输模型,(,f,)=,G,T,(,f,),C,(,f,),G,R,(,f,),C,E,(,f,),发送,滤波器,G,T,(,f,),信道,C,(,f,),接收,滤波器,G,R,(,f,),抽样,判决,均衡器,C,E,(,f,),59,5.8,时域均衡器,可调横向滤波器原理方框图,T,C,N,控制电路,输入,C,1,C,0,C,1,C,N,T,T,T,相加器,输出,抽样与峰值极性判决器,60,-T,S,-2T,S,2T,S,T,S,t,h(t),0,单位冲激响应均衡前波形,抽样,抽样,抽样,抽样,抽样,信号的拖尾造成码间串扰。,均衡：在其它码元的抽样点上形成与拖尾相反的波形，克服码间串扰。,5.8,时域均衡器,61,单位冲激响应均衡前波形,-T,S,-2T,S,2T,S,T,S,t,h(t),0,抽样,抽样,抽样,抽样,抽样,-T,S,-2T,S,2T,S,T,S,0,均衡后波形,t,抽样,抽样,抽样,抽样,抽样,h(t),5.8,时域均衡器,62,T,S,T,S,T,S,T,S,相加,C,-N,C,-1,C,0,C,1,C,N,y(t),输入,x(t+NT,S,),x(t),x(t-NT,S,),x(t-T,S,),x(t+T,S,),横向滤波器由带抽头的延迟线、加权系数为,C,n,的相乘器和加法器组成。延迟时间为,T,S,，,共用,2N,个延迟单元，2,N+1,个抽头。每个加权乘法器的系数,C,n,都是可调的。,5.8,时域均衡器,63,T,S,T,S,T,S,T,S,相加,C,-N,C,-1,C,0,C,1,C,N,y(t),输入,x(t+NT,S,),x(t),x(t-NT,S,),x(t-T,S,),x(t+T,S,),当输入为冲激响应时，设均衡中心抽头处的响应为,x(t),，,则均衡器的输出为,在抽样时刻,t=,kTs,时,5.8,时域均衡器,64,5.8,时域均衡器,65,横向滤波器的一般形式,求解,线性方程组获得横向滤波器的抽头系数。,5.8,时域均衡器,66,由此可见，均衡器输出在第,k,个抽样时刻的样值将由2,N+1,个值确定。其中各个值是,x(t),经延迟，并与相应加权系数相乘的结果。,对于有码间串扰的输入波形,x(t),，,可以适当选择加权系数的方法，使输出,y(t),在减少码间串扰方面有所改善。,y(t),T,-T,2T,3T,y,0,y,1,y,2,y,3,y,-1,t,5.8,时域均衡器,简写为,67,T,-T,2T,3T,y,0,y,1,y,2,y,3,y,-1,t,除了,y,0,以外，,y,-1,、,y,1,、,y,2,、,y,3,、,都会引起码间串扰。,波形失真用峰值失真,D,或均方失真,e,2,表示。,使用横向滤波器，要使,D,或,e,2,最小。即,5.8,时域均衡器,68,例：三抽头迫零均衡器。已知冲激响应,x,-2,=0,，,x,-1,=0.2,，,x,0,=1,，,x,1,=-0.3,，,x,2,=0.1,。,计算三个抽头的系数,C,-1,，,C,0,，,C,1,0.2,1,0,-0.3,0.1,h(t),-1,-2,0,1,2,5.8,时域均衡器,69,T,S,T,S,T,S,T,S,相加,C,-1,C,0,C,1,y(t),x,2,x,1,x,0,y,1,x,1,x,0,x,-1,y,0,x,0,x,-1,x,-2,y,-1,5.8,时域均衡器,70,建立方程,T,S,T,S,T,S,T,S,相加,C,-1,C,0,C,1,y(t),x,1,x,0,x,-1,y,0,x,0,x,-1,x,-2,y,-1,x,2,x,1,x,0,y,1,5.8,时域均衡器,71,解方程得,C,-1,=-0.1779,C,0,=0.8897,C,1,=0.2847,将,上述抽头加权系数代入 得,y,4,=0,y,-3,=0,y,3,=0.0285,y,2,=0.0153,y,1,=0,y,0,=1,y,-1,=0,y,-2,=-0.0356,5.8,时域均衡器,72,0.2,1,0,-0.3,0.1,h(t),均衡前,1,0,h(t),均衡后,0,0.0153,0.0285,-0.0356,均衡前、后的冲激响应,5.8,时域均衡器,73,T,S,T,S,T,S,T,S,相加,C,-1,C,0,C,1,y(t),x,1,x,0,x,-1,y,0,x,0,x,-1,x,-2,y,-1,x,2,x,1,x,0,y,1,横向滤波器的一般形式,线性方程组的矩阵形式,线性方程组,5.8,时域均衡器,74,第五章习题,5.1,5.5,5.7,5.9,75,