《通信原理》5基带数字信号的表示和传输.

基带数字信号的表示和传输2020/1/92研究对象：数字基带传输系统研究目的：从剖析数字基带传输系统出发，掌握数字通信系统分析和设计的基本方法和思路本章重点：数字基带信号基带传输系统的性能基带传输系统的性能改善本章要点：2020/1/93本章要点：基本要求：了解数字基带信号的时域波形和频谱特性掌握几种传输码型的编译原理及特点了解数字基带传输系统组成及各部分作用掌握无码间串扰的频域条件，奈奎斯特带宽了解部分响应系统的原理及作用了解时域均衡的原理，均衡效果和衡量2020/1/94数字基带信号来自数据终端的原始数据信号，如计算机输出的二进制序列，电传机输出的代码，或者是来自模拟信号经数字化处理后的PCM码组，DM序列等等都是数字信号。这些信号往往包含丰富的低频分量，甚至直流分量，因而称之为数字基带信号。在某些具有低通特性的有线信道中，特别是传输距离不太远的情况下，数字基带信号可以直接传输，我们称之为数字基带传输。2020/1/95数字基带信号而大多数信道，如各种无线信道和光信道，则是带通型的，数字基带信号必须经过载波调制，把频谱搬移到高载处才能在信道中传输，我们把这种传输称为数字频带（调制或载波）传输。基带信号在传输前需要经过处理才能送入信道传输。处理的目的：使信号的特性和信道的特性相匹配，以及在接收端容易识别码元的起止时刻。2020/1/96为什么要研究数字基带传输系统？目前，虽然在实际应用场合，数字基带传输不如频带传输那样广泛，但对于基带传输系统的研究仍是十分有意义的。一是因为在利用对称电缆构成的近程数据通信系统广泛采用了这种传输方式；2020/1/97为什么要研究数字基带传输系统？二是因为数字基带传输中包含频带传输的许多基本问题，也就是说，基带传输系统的许多问题也是频带传输系统必须考虑的问题；三是因为任何一个采用线性调制的频带传输系统可等效为基带传输系统来研究。2020/1/98数字基带信号波形数字基带信号是指消息代码的电波形，它是用不同的电平或脉冲来表示相应的消息代码。数字基带信号的类型有很多，常见的有矩形脉冲、三角波、高斯脉冲和升余弦脉冲等。最常用的是矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成和变换。2020/1/99数字基带信号波形单极性波形一种最简单、最常用的基带信号形式信号脉冲的零电平和正电平分别对应着二进制代码0和1，或者说，它在一个码元时间内用脉冲的有或无来对应表示0或1码特点：极性单一，有直流分量，脉冲之间无间隔2020/1/910数字基带信号波形双极性波形特点：是二进制代码1、0分别用幅度相等的正负电平表示，因此当1、0符号等概出现时无直流分量。2020/1/911数字基带信号波形双极性波形优点：接收端恢复信号时的判决电平为0，稳定不变，因而不受信道特性变化的影响，抗干扰能力也较强；故有利于在信道中传输。缺点：不能直接提取同步信号；1、0符号不等概出现时，仍有直流成份。2020/1/912数字基带信号波形单极性归零波形特点：码元宽度小于码元间隔，每个码元脉冲在下一个码元到来之间回到零电平。优点：可以直接提取定时信息，是其它波形提取位定时信号时需要采用的一种过渡波形。010100112020/1/913数字基带信号波形双极性归零波形特点：是双极性码的归零形式。每个码元内的脉冲都回到零点平，即相邻脉冲之间必定留有零电位的间隔。它除了具有双极性不归零波形的特点外，还有利于同步脉冲的提取。2020/1/914数字基带信号波形差分波形不是用码元本身的电平表示消息代码，而是用相邻码元的电平的跳变和不变来表示消息代码。以电平跳变表示1，以电平不变表示0，当然上述规定也可以反过来。1010011EE2020/1/915数字基带信号波形差分波形用差分波形传送代码可以消除设备初始状态的影响，特别是在相位调制系统中用于解决载波相位模糊问题。1010011EE2020/1/916数字基带信号波形多电平波形特点：这种波形的一个脉冲可以代表多个二进制符号，在码元速率一定时可以提高信息速率，故在高速数字传输系统中得到广泛应用。0000E3011110011101EEE32020/1/917基带数字信号的传输码型在实际的基带传输系统中，并不是所有代码的电波形都能在信道中传输。例如，前面介绍的含有直流分量和较丰富低频分量的单极性基带波形就不适宜在低频传输特性差的信道中传输，因为它有可能造成信号严重畸变。又如，当消息代码中包含长串的连续“1”或“0”符号时，非归零波形呈现出连续的固定电平，因而无法获取定时信息。单极性归零码在传送连“0”时，存在同样的问题。2020/1/918基带数字信号的传输码型对传输用的基带信号主要有两个方面的要求：对传输码型的要求——原始消息代码必须编成适合于传输用的码型。对基带脉冲的要求——所选码型对应的电波形应适合于基带系统的传输。前者属于传输码型的选择，后者是基带脉冲的选择。这是两个既独立又有联系的问题。2020/1/919基带数字信号的传输码型传输码(或称线路码)的结构将取决于实际信道特性和系统工作的条件。通常，传输码的结构应具有下列主要特性：相应的基带信号无直流分量，且低频分量少；频谱中应含有定时时钟信息；2020/1/920基带数字信号的传输码型信号中高频分量尽量少，以节省传输频带并减少码间串扰；不受信息源统计特性的影响，即能适应于信息源的变化；具有内在的检错能力，传输码型应具有一定规律性，以便利用这一规律性进行宏观监测；编译码设备要尽可能简单，易实现。2020/1/921基带数字信号的传输码型AMI码（传号交替反转码）编码规则：将二进制消息代码“1”（传号）交替地变换为传输码的“十1”和“一1”，而“0”（空号）保持不变消息代码：100110000000110011…AMI码：+100–1+10000000-1+100-1+1…2020/1/922基带数字信号的传输码型AMI码（传号交替反转码）特点：功率谱中不含直流成分，高、低频分量少，能量集中在频率为1/2码速处。编译码电路简单，便于利用传号极性交替规律观察误码情况。缺点：当原信码出现连“0”串时，信号的电平长时间不跳变，造成提取定时信号的困难。应用：应用于高密度信息流的数据传输。2020/1/923基带数字信号的传输码型HDB3码（3阶高密度双极性码）它是AMI码的一种改进型，其目的是为了保持AMI码的优点而克服其缺点，使连“0”个数不超过3个。2020/1/924基带数字信号的传输码型HDB3码（3阶高密度双极性码）编码规则：将当信码的连“0”个数不超过3时，仍按AMI码的规则编，即传号极性交替；当连“0”个数超过3时，则将第4个“0”改为非“0”脉冲，记为+V或-V，称之为破坏脉冲。相邻V码的极性必须交替出现，以确保编好的码中无直流；2020/1/925基带数字信号的传输码型为便于识别，V码的极性应与其前一个非“0”脉冲的极性相同，否则，将四连“0”的第一个“0”更改为与该破坏脉冲相同极性的脉冲，并记为+B或-B；破坏脉冲之后的传号码极性也要交替。其中的±V脉冲和±B脉冲与±1脉冲波形相同，用V或B符号的目的是为了示意是将原信码的“0”变换成“1”码。2020/1/926基带数字信号的传输码型HDB3码（3阶高密度双极性码）特点：B脉冲和V脉冲都符合极性交替的规则，无直流分量连“0”码元串中“0”的数目不多于3个与信源特性无关在接收时能保证定时信息的提取2020/1/927基带数字信号的传输码型HDB3码（3阶高密度双极性码）代码：100001000011000011AMI码：-10000+10000-1+10000-1+1HDB3码：-1000-V+1000+V-1+1-B00-V+1-12020/1/928基带数字信号的传输码型HDB3码（3阶高密度双极性码）译码规则：由相邻两个同极性码找出V码，同极性码中的后面那个码为破坏脉冲V；由V向前数第三个码如果不是零码，表明它是B码；把V码和B码去掉(改为0)以后留下来的全是信码。2020/1/929基带数字信号的传输码型HDB3码（3阶高密度双极性码）HDB3码字：-1000–1+1000+1-1+1-100–1+1-1译码1：-1000–V+1000+V-1+1-B00–V+1-1译码2：-10000+10000-1+10000+1-1代码：1000010000110000112020/1/930课后题：若消息序列为1101001000001，试写出AMI码和HDB3码的相应序列。AMI码：+1-10+100-100000+1HDB3码：+1-10+100-1000-V0+12020/1/931基带数字信号的传输码型双相码（曼彻斯特码）编码规则：将每个二进制消息码元变换成相位不同的一个方波周期。“0”码用“01”两位码表示（零相位方波）“1”码用“10”两位码表示（π相位方波）应用：适用于数据终端设备在近距离上传输。2020/1/932基带数字信号的传输码型双相码（曼彻斯特码）优点：双相码只有极性相反的两个电平，因为双相码在每个码元周期的中心点都存在电平跳变，所以富含位定时信息；码的正、负电平各半，所以无直流分量，编码过程简单。缺点：带宽比原信码大1倍。代码：1100101双相码：101001011001102020/1/933基带数字信号的传输码型密勒码（延迟调制码）编码规则：“1”码用码元间隔中心点出现跃变来表示，即用“10”或“01”表示；“0”码有两种情况：单个“0”时，在码元间隔内不出现电平跃变，且与相邻码元的边界处也不跃变，连“0”时，在两个“0”码的边界处出现电平跃变，即“00”与“11”交替。2020/1/934基带数字信号的传输码型比较图两个波形可以看出，双相码的下降沿正好对应于密勒码的跃变沿。因此，用双相码的下降沿去触发双稳电路，即可输出密勒码。密勒码最初用于气象卫星和磁记录，现在也用于低速基带数传机中。/btT/btT0011010010AAAA双相码密勒码2020/1/935基带数字信号的传输码型CMI码（传号反转码）与数字双相码类似，它也是一种双极性二电平码。编码规则：“1”码交替用“11”和“00”两位码表示；“0”码固定地用“01”表示特点：有较多的电平跃变，因此含有丰富的定时信息。此外，由于10为禁用码组，不会出现3个以上的连码，这个规律可用来宏观检错。2020/1/936基带数字信号的传输码型2020/1/937基带数字信号的传输码型nBmB码把原信息码流的n位二进制码作为一组，编成m位二进制码的新码组。（mn）由于m＞n，新码组可能有2m种组合，故多出(2m-2n)种组合。从中选择一部分有利码组作为可用码组，其余为禁用码组，以获得好的特性。在光纤数字传输系统中，通常选择m＝n+1，有1B2B码、2B3B、3B4B码以及5B6B码等，其中，5B6B码型已实用化，用作三次群和四次群以上的线路传输码型。基带数字信号传输模型发送滤波器：码型变换器输出的各种码型是以矩形为基础的，发送滤波器的作用就是把它变换为比较平滑的波形，如升余弦波形等，这样利于压缩频带、便于传输。基带数字信号传输系统模型抽样判决器na'na发送滤波器传输信道接收滤波器()TGf()RGf()yt()nt()Cf()dt()st基带数字信号传输模型基带数字信号传输系统模型抽样判决器na'na发送滤波器传输信道接收滤波器()TGf()RGf()yt()nt()Cf()dt()st信道：它是允许基带信号通过的媒质，通常不满足无失真传输条件，甚至是随机变化的。另外信道还会进入噪声。一般认为噪声为AWGN；2020/1/940基带数字信号传输模型基带数字信号传输系统模型抽样判决器na'na发送滤波器传输信道接收滤波器()TGf()RGf()yt()nt()Cf()dt()s