通信原理 第4章 数字信号的基带传输.ppt

第,4,章,数字信号基带传输系统,1,、为什么进行调制、调制的概念、模拟调制的分类；,第三章 小 结,2,、振幅调制,AM,的时域（调制原理）、频域表示、带宽、平均功率、调制效率、解调；,3,、,DSB,的时域（调制原理）、频域表示、带宽、平均功率、调制效率、解调；,4,、,SSB,的时域（调制原理）、频域表示、带宽、平均功率、调制效率、解调；（,VSB,）,5,、抗噪声性能,（,1,）相干解调输出端的信噪比（,AM,、,DSB,、,SSB,）,（,2,）非相干解调输出端的信噪比（,AM,）：大输入信噪比与小输入信噪比,6,、角度调制的原理（频率与相位调制）,调频信号带宽,7,、模拟调制系统的性能比较：有效性和可靠性,第,4,章数字信号的基带传输,4.1,常用数字基带信号,4.2,数字基带传输系统,4.3,无码间串扰的数字基带传输系统,4.4,部分响应系统,4.6,眼图,4.7,时域均衡原理,4.1,数字基带信号,基带传输系统,：不使用载波调制解调装置，而,直,接传送,基带信号的系统,频带传输系统,：包括调制、解调的传输系统。,数字基带信号,：未经过调制的数字信号。,数字频带信号,：经过调制的数字信号。,数字基带传输系统模型,信道信号形成器（发送滤波器）：将原始基带信号,变换,成适合信道传输的某种脉冲波形。,变换：,波形,变换与,码型,变换,信道编码,脉冲调制,信宿,信源译码,信道译码,检测,解调,带通调制,信道,比特流,数字基,带信号,数字带,通信号,干扰,与噪声,波形,或数据,脉冲调制,检测,数字通信系统一般模型,模拟信源,抽样量化编码,数字信号,基带系统几个波形示意图,4.2,波形及传输码型,一、数字基带信号常用波形,常用数字基带信号的波形,单极性不归零码,NRZ,双极性不归零码,NRZ,单极性归零码,双极性归零码,差分码,多元码,单极性不归零,有丰富的低频乃至直流分量,每个,“,1,”,和,“,0,”,相互独立，无错误检测能力,单极性码传输时需要信道一端接地，不能用两根芯线均不接地的电缆传输,接收单极性码，判决电平,A/2,，信道衰减，不存在最佳判决电平,只适合用导线连接的各点之间做近距离传输，如印刷电路内、机箱内。,1,1,0,1,0,1,0,A,T,b,2T,b,3T,b,4T,b,5T,b,6T,b,t,单极性,不归零,NRZ,1,1,0,1,0,1,0,A,双极性,不归零,NRZ,T,b,2T,b,3T,b,4T,b,5T,b,6T,b,t,-A,无直流,可在不需要接地的电缆中传输,判决电平,0,，最佳判决门限,不能提取位定时信息,双极性不归零,单极性归零,所谓归零，是指信号电压在一个码元持续时间的中间回到,0,值，换句话，信号脉冲宽度小于码元宽度。,占空比：,/T,b,可直接提取位定时信息，是其它信号提取同步信号需要的一种过渡码型,1,10,1,0,1,0,A,T,b,2T,b,3T,b,4T,b,5T,b,6T,b,t,单极性,归零,RZ,双极性归零,占空比：,/T,b,相邻脉冲间必有零电位区域存在。因此，在接收端根据接收波形归于零电平便知,1,比特信息已收毕，以准备下一比特信息的接收。可以认为正负脉冲的前沿起了启动信号的作用，后沿起了终止信号的作用。因此，可以经常保持正确的比特同步。即收发之间无须特别的定时，且各符号独立的构成起止方式，叫,自同步方式,。,1,1,0,1,0,1,0,A,T,b,2T,b,3T,b,4T,b,5T,b,6T,b,t,-A,双极性,归零,RZ,差分码,NRZ(M),：传号差分，,1,相邻码元电平极性改变；,0,相邻码元电平极性不改变,NRZ(M),(,单极性）,1,1,0,1,0,1,0,A,T,b,2T,b,3T,b,4T,b,5T,b,6T,b,t,NRZ(S),(,单极性）,0,1,0,1,0,1,0,A,T,b,2T,b,3T,b,4T,b,5T,b,6T,b,t,NRZ(S),：空号差分，,1,相邻码元电平极性不改变；,0,相邻码元电平极性改变,码型波形与码元本身极性无关,接收端收到的码元极性与发送端的完全相反，也能正确地进行判决。,多元码,11,10,01,+A,-A,4,电平波形,+3A,-3A,10,00,01,01,多个二进制符号对应一个脉冲码元波形,与二元码传输相比，在码元速率相同的情况下，它们的传输带宽是相同的，但多元码的信息传输速率是二元码的,log,2,M,倍。,P,77,MATLAB,仿真,例题,1,已知消息代码为,1110 0101,，试以矩形脉冲为例画出它的单极性不归零码、双极性不归零码、单极性归零码和双极性归零码的波形图。,习题,4-1,二、数字基带信号常用码型,码型变换,：消息码变成适合信道传输的传输码（线路码）,传输码的结构取决于实际信道特性与系统工作条件，传输码的结构应具有以下特性：,(1),能从相应的基带信号中获取信息；,(2),不受信源统计特性的影响，能适应信源变化；,(3),相应的基带信号无直流成分和只有很小的低频成分；,4),提高传输码型的传输效率；,(5),具有内在的检错能力。,实际系统中使用的码型有很多种，我们仅介绍常用的几种。,1,、,AMI,码,（传号交替反转码）（极性交替码）,编码规则：,代码,0,仍变换为传输码的,0,；,代码,1,交替地变换为传输码的,+1,，,-1,，,+1,，,-1,由一个,二进制,符号序列变成一个,三进制,符号序列。,二进制数据,1,-1,0,1,0,0,-1,0,T,b,2T,b,3T,b,4T,b,5T,b,6T,b,7T,b,AMI,码,信号波形,1,1,0,1,0,0,1,0,优点,：是一种基本的线路码，无直流成分，低频分量较小，,编译码电路简单,，便于观察误码。缺点,：可能出现长的,连,0,串,不便于提取定时信号。,2,、,HDB,3,码,可看作是,AMI,码的一种,改进型,，,全称是,三阶高密度,双极性码。,三阶高密度,是指连,0,个数最多不超过,3,个。,使用这种码型的目的是解决信息码中,出现连,“,0,”,串,时所带来的问题。,编码规则：,P75,HDB3,码,信息序列前一破坏点为,V,+,且相邻,V,符号间有偶数个,1,信息序列前一破坏点为,V,+,且至第一个,1,之间有奇数个,1,1,0,1,1,0,0,0,0,0,0,0,1,1,1,0,0,0,0,0,0,1,-1,0,1,0,0,0,0,0,0,0,-1,1,0,0,0,0,0,0,1,AMI:,1,-1,0,1,0,0,0,V,+,0,0,0,-1,1,B-,0,0,V,-,0,0,1,HDB,3,:,1,0,1,1,0,0,0,0,0,0,0,1,0,1,0,0,0,0,0,0,1,-1,0,1,0,0,0,0,0,0,0,-1,0,0,0,0,0,0,0,1,AMI:,1,-1,0,1,0,0,0,V,+,0,0,0,-1,0,0,V-,0,0,0,0,1,HDB,3,:,检查所编,HDB3,码是否正确的方法,：,检查,V,符号：是否每,4,个连,“,0,”,串的第四个,0,都换成了,V,，,V,符号的极性是否和前一非,0,符号同极性；相邻,V,的极性是否符合交替反转规律；,将已编,HDB3,码中的,V,暂时取下，然后观察剩下码字是否符合正负极性交替变化。,有检错能力,无直流分量,解决了连,“,0,”,时位定时信息提取困难,B,码和,V,码各自保持极性交替变化，以确保无直流分量,可能存在误码扩散的问题,CCITT,推荐使用的码型之一,HDB3,码,例题,4-2-1,3,、双相码（曼彻斯特码）,是对每个二进制代码分别利用,两个具有,2,个不同相位,的二进制新码去取代的码。,编码规则：,0-01,（,0,相位的一个周期的方波）,1-10,（,相位的一个周期的方波）,1,正负脉冲表示（,10,）,0,负正脉冲表示（,01,）,0,正负脉冲表示（,10,）,1负正脉冲表示（,01,）,或,1,1,1,0,1,0,T,b,2T,b,3T,b,4T,b,5T,b,6T,b,0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0,曼彻斯特码,二进制数据,信号波形,无直流，正负电平各占一半,00 11,是禁用码组，这样就不会出现,3,个或更多的连码,(电平无跳变的最长时间为一个码元宽度),，因此，可实现宏观检错。这个优点是用,频带加倍,来换取的。,适用于数据终端短距离传输，在本地数据网中采用该码作为传输码型，最高信息速率,10M,。,双相码（曼彻斯特码）特点,4,、,Miller(,密勒）码（延迟调制码）,是双相码的一种变形,编码规则：,1,码用码元持续时间,中心点出现跃变,来表示，即用,“,10,”,或,“,01,”,表示,0,码分两种情况处理：对于,单个,0,时，在码元持续时间内,不出现跃变,，且与相邻码元的边界处也不跃变；,对于,连,0,时，在两个,0,码的边界,出现电平跃变,，即,“,00,”,与,“,11,”,交替。,1,码元周期中点出现电平跳变表示，即用,10,或,01,0,单个,0,：在码元周期中点不出现跳变，且与相邻码元的边界也不跳变,连,0,：在前一个,0,结束时刻出现跳变，即,00,与,11,交替,电平无跳变的最大间隔为,2,个码元周期（,101,），最小一个码元周期，这个特点可以用于检错。,密勒码,(Miler),1,1,0,10,0,1,1,T,b,2T,b,3T,b,4T,b,5T,b,6T,b,7T,b,2T,b,0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1,二进制数据,信号波形,5,、,CMI,码（传号反转码）,编码规则：,1,码交替用,“,11,”,和,“,00,”,表示，或是交替用正负电压表示；,0,码用,“,01,”,表示。,传号反转码,CMI,1,交替变化的持续一个周期的正负电平表示,0,分别持续半个码元的负正电平组合表示,传号反转码,(CMI),1,1,0,1,0,0,1,T,b,2T,b,3T,b,4T,b,5T,b,6T,b,7T,b,1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1,二进制数据,信号波形,无直流分量，位定时信息丰富,具有检错能力：因为,1,交替用,00,、,11,表示，,0,固定用,01,表示，因此，不会出现三个以上的连码，因此可作为宏观检错。,例题,2,、已知信息码为,110000 110000 11,，求相应的,AMI,码、,HDB,3,码？,例题,3,、已知信息码为,101 000 000 000 11,，求相应的,AMI,码、,HDB,3,码？,练习,4-6 4-7,4.3,数字基带信号的功率谱,4.4,数字基带信号传输与码间干扰,数字通信系统的质量指标：,传输速率,误码率,当信道条件一定，速率越高，误码率越大,误码产生的原因：,噪声,码间串扰,基带成形网络,h,(,t,),H,(,),发送,滤波器,信道,接收,滤波器,抽样,判决器,干扰,线路,编码,窄脉冲,生成器,线路,解码,数字信息,数字信息,x,(,t,),r,(,t,),a,b,c,数字基带传输系统模型,线路编码,：将原始数字信息编制成适合于传输用的码型,(,又称线路码,),；,窄脉冲生成器,：用位定时窄脉冲控制基带信号周期；,发送滤波器,(,信道信号形成器或成形滤波器,),：把线路码元映射到适合于信道传输的基带信号波形上。,接收滤波器,：滤出带外噪声，对信道特性进行均衡处理，使输出的基带波形有利于抽样判决；,抽样判决器,：在位定时脉冲控制下对接收滤波器的输出波形进行抽样、判决，恢复或再生基带信号；,同步提取：,从接收滤波器的输出波形中提出位定时时钟。,基带信号传输系统的数学模型,码间干扰：,信号经基带系统传输后，其波形在时域上必定是无限延伸,。这样，,前面的码元对后面的若干码元就会造成不良影响。,信号在传输的过程中不可避免地还要叠加信道噪声，所以，当噪声幅度过大时，将会引起接收端的判断错误。,码间干扰概念,1,码,T,s,1,码,T,s,T,s,/2,T,s,T,s,/2,t1,t1+T,s,a,b,c,d,码型变换,波形变换,抽样判决,信道传输,如果波形失真比较严重，可能出现前面几个码元同时串到后面，对后面某个码元的抽样判决产生不利影响。这就是,码间串扰。,码间串扰严重时，会出现误码。,T,s,1,1,1,0,a,3,a,2,a,1,a,4,a,1,+a,2,+a,3,+a,4,0,判,1,a,1,+a,2,+a,3,+a,4,Vd)=,x(t),的概率密度曲线,基带传输系统总的误码率可表示为,Pe=P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0),在,A,和,n,2,一定的条件下，可以找到一个使误码率最小的判决门限电平，这个门限电平称为,最佳门限电平。,当,最佳门限电平,当,P(0)=P(1)=1/2,最佳门限电平为,0,。,单极性码的误码率,对于单极性基带信号，基带系统的输出为,在峰值,A,和噪声,n,2,相同的条件下，单极性基带系统的抗噪声性能不如双极性基带系统。,单极性,双极性,AMI,码的译码误码率,练习：,4-21 4-22,单极性,双极性,4.8,眼 图,用,实验的方法,估计系统性能。,具体做法是：,将待测的基带信号加到示波器的输入端，同时把位定时信号作为扫描同步信号。,示波器对基带信号的扫描周期严格与码元周期同步，各码元的波形就会重叠起来。,对于二进制数字信号，这个图形与人眼相像，所以称为,“,眼图,”,。,眼图功能：可以估计出系统的性能（码间串扰和噪声的大小），也可以用眼图对接受滤波器的特性加以调整，以减小码间干扰和改善系统的传输性能。,双极性二元码的的波形及眼图,没有失真的波形,有失真的波形,眼图的,“,眼睛张开得越大，且,眼图越端正,，表示码间干扰越小,反之，表示码间串扰越大。,当存在噪声时,，眼图的线迹变成了比较模糊的带状的线。,注意,从图形上并不能观察到随机噪声的全部形态，只能大致估计噪声的强弱。,眼图可以定性反映码间干扰的大小和噪声的大小。,眼图照片,图,(a),是在几乎无噪声和无码间干扰下得到的，,图,(b),则是在一定噪声和码间干扰下得到的。,眼图的模型,由眼图可以获得的信息是：,(1),最佳抽样时刻应是,“,眼睛,”,张开最大的时刻；,(2),眼图斜边的斜率决定了系统对抽样定时误差,的灵敏程度：斜率越大，对定时误差越灵敏；,(3),图的阴影区的垂直高度表示信号的失真范围；,(4),图中央的横轴位置对应于判决门限电平；,(5),抽样时刻上,上下两阴影区的间隔距离之半为,噪声的容限,噪声瞬时值超过它就可能发生错误判决；,4.9,时域均衡器,理论上存在理想的基带传输特性，但实际中，由于设计误差以及信道特性（参数）的变化，总是,存在一定的码间干扰。,问题的提出,在基带系统中插入一种可调,(,也可不调,),滤波器,将能减小码间干扰的影响。这种起补偿作用的滤波器统称为,均衡器,。,均衡器：自动调整适应信道变化。,按研究的角度或领域，分为：,频域均衡器（校正频率）、,时域均衡器（校正畸变波形）,、固定均衡、可变均衡,如何解决,(1),时域均衡,：改善系统冲激响应,h,(,t,),的波形，基本满足码间无干扰的条件。,(2),频域均衡,：改善系统的传输函数,H,(,),，基本满足码间无干扰的条件。,设计最佳的有限滤波器较难，一般利用,可调网络,来实现，最有用的可调网络形式是,横向滤波器,。,该网络是由无限多的按横向排列的,延迟单元,及,抽头系数（可调）,组成。,功能：,将输入端（接收滤波器的输出端）抽样时刻上有码间干扰的响应波形变换成抽样时刻上无码间干扰的响应波形。使相邻码元产生的干扰减小或消除。,横向滤波器的特性完全取决于,各抽头系数,，只,要用无限长的横向滤波器，在理论上是可以做到消除,码间干扰。,使横向滤波器的抽头无限多是不现实的。,有限长时域均衡器,设在基带系统接收滤波器与判决电路之间插入一,个具有,2N+1,个抽头的横向滤波器。,输入（接收滤波器的输出）：,x(t),x(t),是,被均衡的对象,，设它不附加噪声,设有限长的横向滤波器的单位冲激响应,:e(t),在抽样时刻,：,kT,s,+t,0,的,y(kT,s,+t,0,),值,：,可简写为：,均衡器在第,K,抽样时刻上得到的样值,Y,K,将由,2N+1,个,C,i,与,X,k-i,乘积之和来确定。,说明,所有,y,k,的值（除,k=0,）都等于,0,，,则,可以完全消除码间干扰。,要求,如何衡量均衡效果,采用,峰值畸变准则和均方畸变准则,来衡量。,（,1,）这两种准则都是根据均衡器输出的单脉冲响应来规定的，峰值畸变的定义：,问题,对,完全消除码间干扰,的均衡器来说，由于除,k=0,外，有,y,k,=0,，故,D=0,，对码间干扰不为,0,的场合，我们希望,D,有最小值,。,（,2,）均方畸变准则的定义：,的值越小码间干扰就越小。,例：,x,-1,=1/4,，,x,0,=1,，,x,+1,=1/2,，其余都为,0,，选择三抽头的横向滤波器，,C,-1,=-1/4,，,C,0,=1,，,C,+1,=-1/2,求,y(t),在各抽样时刻的值、峰值畸变,D,、均方畸变。,x(t),y(t),Ts,Ts,C,-1,C,0,C,+1,均衡器的输入峰值畸变：,练习,4-24,1,、数字基带信号的波形与码型（,AMI,码和,HDB,3,）,2,、码间干扰的概念、无码间干扰的时域和频,域条件,3,、部分响应系统的特点、相关编码的过程,4,、眼图的作用,5,、有限长时域均衡器（峰值畸变、均方畸变）,第四章 小结,