4数字信号的基带传输2

4.3数字基带传输的同步、解码“同步问题”“解码问题”发送端2进制序列…100110101…基带码型码型变换及编码信道接收端基带通信系统中，发送端和接收端之间没有时钟信号相连，接收端为恢复发送端发送的二进制序列，必须解决：1、位同步位同步：设法从接收波形中恢复发送端的时钟信号（单个位或bit的同步问题）位同步方法：自同步法外同步法滤波法数字锁相法1）自同步曼彻斯特码的自同步时钟入A发送码入C1101001AC异或门输出DD（以太网802.3–10M系统采用的自同步法）发送端电路整形：当有脉冲（正/负）触发时，整形电路以该触发时刻为起点，产生一定时间长度的正脉冲，在该正脉冲持续时间内，不再接受新的脉冲触发。触发脉冲正向整形输出此脉冲无触发作用1101001ABCE微分正相整形全波整流3/4T单稳整形整形与门ABCDFGDEFG1101001接收端电路E微分正相整形全波整流3/4T单稳整形整形与门ABCDFG接收端电路曼彻斯特码自同步的相位不确定问题1111001ABCDEFG0001001上述位解码错误的原因：码序列的首位码不为“1”。故在10M以太网中，传一帧之前会有7个8bit的前导码序列（共56bit），每个8bit的内容是：“10101010”，保证码序列的首位码为“1”。802.3的帧结构：前导码序列/帧开始标志/目的地址/源地址/数据/填充/校验和（7字节）（1字节）10101011（帧同步字节内容）2）外同步法在发送数据前先向接收端发一串同步时钟信号（101010…），接收端按接收到的时钟脉冲频率调整并锁定自己的时钟，以达成同步。外同步法的优点：实现简单外同步法的缺点：每帧都占用传输时间，降低信道带宽利用率3）滤波法将输入信号经过微分、全波整流后，可得到一系列窄脉冲。这些窄脉冲中含有同发送端时钟频率一致的成分，用窄带滤波器可以将这一频率成分提取出来再通过过零检测就可以在接收端恢复发送端时钟。1101001010接收波形微分后波形全波整流后波形窄带滤波后波形过零检测后提取发送端时钟波形4）数字锁相法接收端利用高频稳晶振分频后的信号驱动计数器（例如采用n次计数）产生接收端本地时钟。数字锁相的作用是对接收端本地时钟加以微调微调可以通过增加或减少计数次数n来实现由于通信双方采用的标称时钟周期实事可知，故接收端能够保证产生的本地时钟与发送端时钟近似。只是因为器件误差等原因，实际产生的时钟周期不可能与标称时钟周期完全一致N=5N=3N=6接收到的信号经过微分、整形后所获得的脉冲序列被称为定时序列。11101001000110A-A码元周期T微分整形定时序列定时序列中两相邻脉冲间的时间间隔是发送端时钟周期（或半周期）的整数倍。故可用来调整接收端的计数次数n。定时序列中的每一个脉冲都会触发接收端本地计数器清零并开始计数，每计数n次产生一个接收端本地时钟脉冲。如果n次计数计满之前又有一个定时序列的触发脉冲到来，说明n的值大将n减1，同时收端本地计数器清零并开始以减1后的n计数产生时钟上次计数的n0清零，n=n-1，重新计数0定时序列计数序列产生接收端本地时钟脉冲如果在某n次计数计满之后，下一个n次计数计满之前，有一个定时序列的触发脉冲到来，说明n值小n加1，同时收端本地计数器清零并开始以加1后的n计数。n0清零，n=n+1，重新计数0定时序列计数序列产生接收端本地时钟脉冲如果在多个计数时间段内始终没有接收到定时序列的触发脉冲信号接收端按照先前调整得到的n值自主产生接收端本地时钟信号。n0定时序列计数序列自主产生本地时钟脉冲自主产生本地时钟脉冲计数序列2、位解码在位同步的前提下，根据解码规则解出该位或bit所代表的二进制码（0或1）位解码的方法很多最简单的位解码方法是门限法采样时刻采样时刻判决门限g10采样时刻采样时刻判决门限g+10判决门限g-3、帧同步发送端发送的信息往往具有帧结构的（如以太网的帧结构）帧解码：在位同步的前提下，根据帧协议：正确定位帧起始和帧结束时刻获得位解码得到的二进制码的含义确认接收到帧的正确性在网络中，位同步和位解码是物理层的问题，帧同步和帧解码是链路层的问题帧同步头的选取，帧同步码是特殊的码组（巴克码）该码组在信息码序列中不易出现，以便识别。该码组相应的识别器应尽量简单。目前最常用的帧同步码组是巴克码常用的帧同步方法：逐码移位法置位同步法2位巴克码：11，013位巴克码：1104位巴克码：1110，11015位巴克码：111017位巴克码：111001011位巴克码：1110001001013位巴克码：11111001101011）逐码移位法定义一个滑窗，长度为同步码的长度如果某个时该窗口中获得的码组与同步码组相同，则表示达到同步如果不同，则将该窗口向后滑动一位重复上述步骤，直到达到帧同步。接收码序列：01110000101011111110初始窗口右移1位后窗口右移2位后窗口找到帧同步头同步码组为1102）置位同步法设置接收缓冲器，缓冲器的字节长度与帧同步码组的长度相同通过比较器实时比较缓冲器与同步码缓冲器接收码序列…比较器（与帧同步码组）比较输出帧起始信号接收码序列位同步得到的位定时时钟3）假同步问题帧序列中的信息码组有可能与帧同步码组相同，存在假同步问题。通信系统利用状态转移图解决假同步问题同步态失步态搜索校核态2搜索校核态1同步保护态2同步保护态1检测到一次失步检测到一次同步检测到一次同步检测到一次失步检测到一次同步检测到一次同步检测到一次失步检测到一次失步检测到一次失步检测到一次同步失步态如连续检测到3次同步，则进入同步态。同步态如连续检测到3次失步，则进入失步态。同步保护态检测到一次同步则进入同步态。总结：尽可能保持现有同步，一旦失步，则谨慎地判断是否再次进入同步态。4.4波形传输的无失真条件矩形波的频带是无限延展的，而信道的带宽一般是有限的且不是锐截止的。矩形脉冲在通过信道之后，波形会有一定的失真。较小的波形失真对二元码和三元码的影响不大，只是抗噪声性能有所下降。……理想锐截止信道真实信道矩形波频谱信道频谱经信道传输后频谱理想低通信道和实际信道的频域特征=0为理想低通信道，=0.5、1为实际信道，0/T0013/2T2/T222/41)/cos(/)/sin()(TtTtTtTtth系统的单位冲激响应为：＝０＝０.5＝1.０w研究波形传输的失真问题，将基带传输的系统框图抽象为下图信源基带编码波形生成信道接收滤波再生同步码型译码s(t)S(w)将波形生成、信道、接收滤波器看成一个系统系统的单位冲激响应：s(t)，频谱：S(w)。系统的输入：二进制“1，0”序列（基带编码形成）序列记为：m1、m2、m3、…，其中，mk=0或1，k=1，2，3，…数学上输入序列m(t)可以表示为m(t)=m1(t-T)+m2(t-2T)+m3(t-3T)+…对发送端二进制码序列NnnnTtmtm1)()(其中01或nm、T为码元周期因为系统的冲激响应为)(ts，故接收端收到的波形为：NnnonTtsmts1)()(1、奈奎斯特第一准则：采样值无失真发端波形经传输到达收端后，整个波形会发生变化，但只要在特定的采样点上幅度值不变，则收端可以通过再次采样的方法准确无误地恢复原始信码。t010100t发端波形收端波形采样点0-0.201T2T-T-2T-3T3Tt红线为对应发送端第1个码元在接收端收到的波形蓝线为对应发送端第2个码元在接收端收到的波形由图，第1个码元的波形在第2个码元波形的采样点上没有产生串扰。采样值无失真条件：任何码元生成的波形在自己的采样点上不为零，而在其他码元的采样点上为零。即要求s(t)满足：s(0)=s0而s(kT)=0k=±1，±2，…从频域分析：TTTSTnSn//,)]/2(Re[0TTTnSn//,0)]/2(Im[上述公式的含义为：在频率轴w上，将频谱S(w)的实部和虚部以2/T为间隔切开，然后将多个间隔的分段频谱都移到(-/T，/T)区间上并完成叠加。要求实部叠加的结果为常数，虚部叠加的结果为0。例如：-/T/T3/T-3/T-/T/T叠加后结果-/T/T3/T-3/T-/T/T叠加后结果Re[S(w)]Im[S(w)]wwS0T举例：可以看出，上述三种（0，0.5，1.0）的频谱均满足采样无失真条件=0为理想信道（不可能实现）=0.5及1.0为实际信道由奈奎斯特第一准则，上述三种信道均可以码速率1/T来传输码元。=0为理想低通信道，=0.5、1为实际信道0/T0013/2T2/T222/41)/cos(/)/sin()(TtTtTtTtth系统的单位冲激响应为：＝０＝０.5＝1.０w可见，对理想低通信道，码速率为1/T(bit/s)，而带宽为1/(2T)(Hz)，码速带宽比为2，即1M(Hz)的带宽可以获得2M(bit/s)的码速率。而实际信道达不到，对应为0.5和1.0，码速带宽比分别为4/3和1，即，用1M(Hz)带宽可获得1.33M(bit/s)和1M(bit/s)的码速率。接收端实际波形：发送二进制码序列为110T2Tt1采样点采样点0T12Tt采样点采样点接收波形分离显示接收波形合成显示0t-101T蓝线为发送端矩形脉冲红线为接收端的接收波形发送端二进制码序列为0,1,0,1,0,0,0,1,1,1,0情况下的接收端波形2、奈奎斯特第二准则：转换点无失真发端波形经信道传输到达收端后，整个波形会发生变化，可以对接受波形进行限幅处理，只要再生脉宽正好等于码元间隔的矩形波，则收端可以准确无误地恢复原始信码。t010100t发端波形收端波形转换点t10-T/2T/23T/25T/2红线为对应发送端第1个二进制码元的接收波形，蓝线为对应发送端第2个二进制码元的接收波形，绿线为通过限幅再生的发送端码元脉冲。由于码元周期为T，每隔T发一个码元，故转换点为-T/2，T/2，3T/2，5T/2，…，转换点无失真条件：任何码元生成的波形在自己的转换点上不为零，而在其他码元的转换点上为零。即要求s(t)满足：s(-T/2)=1/2，s(T/2)=1/2而s[(2k-1)T/2]=0，k=±1，±2，…s(t)的频谱为S（w），需满足以下条件：TTTTTnSnn//),2cos()]/2(Re[)1(TTTnSnn//,0)]/2(Im[)1(转换点无失真条件：上述公式的含义为：在频率轴w上，将频谱S(w)的实部和虚部以2/T为间隔切开，各间隔内的分段频谱乘(-1)n后都移到(-/T，/T)区间上完成叠加。要求实部叠加的结果为Tcos(T/2)，虚部叠加的结果为0。例如：-/T/T3/T-3/T-/T/T叠加后结果-/T/T3/T-3/T-/T/T叠加后结果Re[S(w)]Im[S(w)]wwTcos(T/2)3、奈奎斯特第三准则：脉冲面积不变发端波形经信道传输到达收端后，整个波形会发生变化，但如果在一个码元间隔内接收波形的面积正比于发送端对应的矩形脉冲的幅度，则仍然可以恢复出原始码元的信息。t010100t发端波形收端波形面积脉冲面积不变无失真条件：脉冲波形的面积保持不变，即任何码元生成的波形仅在自己的脉冲区间内面积不为零，而在其他码元的脉冲区间内面积为零。对应于s(t)的频谱S(w)有：S(w)=(wT/2)/sin(wT/2)，|w|/TS(w)=0，|w|/T满足脉冲波形面积不变的S(w)频谱-/T01.00/Tw满足脉冲波形面积不变的s(t)时域波形0T011T2T-1T-2Tt