现代通信原理(09-1)

2019/8/161现代通信原理第九章数字信号的基带传输(1)2019/8/162单元概述数字信号可以直接在有线信道中传输，也可以调制后在有线或无线信道中传输，前者称为基带传输，后者称为载波传输。由于实际信道总是频带受限的，因此基带信号的设计是一个重要的问题。数字信号的码型直接影响到信号的频谱特性和位定时信号的恢复。为了无失真地传输数字基带信号，基带信号的设计必须满足某些准则。奈奎斯特第一准则是最常用的准则，升余弦滚降信号是满足奈奎斯特第一准则的最常用的限带信号，它不存在码间串扰。而部分响应基带信号则是在存在确知码间串扰情况下，占有最窄频带的一类限带信号。2019/8/163减少或消除连“0”（或连“1”）码的出现，以保证位定时恢复，是数字基带信号设计中的一个重要问题。将二进制数字信息先作“随机化处理，使其具有伪随机性，也能限制连“0”（或连“1”）码的长度，这种“随机化”处理常称为扰码。M序列是最常用的伪随机序列，它可由线性反馈移位寄存器产生。线性反馈移位寄存器同样可以用来实现扰码和解扰。眼图是定性地观察数字基带信号传输质量的方法。实际信号的不理想性，将使理想的数字基带信号产生额外的码间串扰。采用时域均衡可消除码间串扰。2019/8/164单元学习提纲••（1）数字基带传输系统的组成，接收端数字信号再生的过程；•（2）常用数字信号码型：归零码、非归零码、数字双相码、CMI码、AMI码、HDB3码，它们的时域波形、频谱特点和位定时恢复功能；•（3）波形传输无失真条件，奈奎斯特带宽；•（4）升余弦滚降信号的频域和时域特性，滚降系数对其频谱的影响；•（5）第Ⅰ类、第Ⅳ类部分响应信号的特点，部分响应信号的预编码和相关编码的作用；2019/8/165•（6）数字传输的误比特率和误符号率；•（7）伪随机M序列的特点；•（8）特征多项式的含义及表示方法，M序列发生器的构造方法；•（9）扰码和解扰基本概念；•（10）眼图与基带信号传输质量的关系；•（11）码间串扰及迫零法时域均衡原理。2019/8/166第九章数字信号的基带传输数字信号传输的两种主要方式:基带传输：直接使用电缆等载体传输基带信号。频带传输(调制传输)：经过射频调制，将基带信号的频谱搬移到某一载波上所形成的频带信号进行传输。2019/8/167基带传输中主要研究：1.基带传输码型的设计2.数字基带信号的功率谱3.信号传输中的符号间干扰及基带传输系统的设计。4.误码率的计算。5.加扰及解扰。6.时域均衡原理及其实现。2019/8/168基带传输系统的基本结构2019/8/169§9.1数字基带信号的码型9.1.1数字基带信号的码型设计原则:（1）对于传输频率很低的信道来说，线路传输码型的频谱中应不含直流分量。（2）可以从基带信号中提取位定时信号。在基带传输系统中，需要从基带信号上提取位定时信息，这就要求编码功率谱中具有位定时线谱。（3）要求基带编码具有内在检错能力。2019/8/1610（4）码型变换过程应具有透明性，即与信源的统计特性无关。（5）尽量减少基带信号频谱中的高频分量。这样可以节省传输频带，提高信道的频谱利用率，还可以减少串扰。2019/8/1611欧洲系列北美系列一次群HDB3随机化+AMI二次群HDB3B6ZS或随机化+AMI随机化+AMI（32064KB/S）B3ZS（44736KB/S）四次群CMI未定STM-1CMIHDB3三次群CCITT建议的接口码组2019/8/16129.1.2二元码二元码：基带波形为矩形，幅度取值为两种电平。（1）单极性非归零码:“1”为正电平，“0”为零电平。（单极性）整个码元期间电平保持不变。（非归零）（2）双极性非归零码：“1”为正极性，“0”为负电平。（双极性）整个码元期间电平保持不变。（非归零）2019/8/1613（3）单极性归零码：归零码：发送“1”时整个码元期间只维持一段时间的高电平，其余时间为零。双极性归零码是一种三元码，不在这里讨论。上述三种简单的二元码其功率谱中有丰富的低频分量，不能用于基带传输(交流耦合信道)。非归零码当连续“1”或连续“0”时，长期保持固定电平，无法提取位定时信号。二元码中“1”或“0”分别对应某个电平，相邻电平不存在制约关系，没有纠错能力。2019/8/1614常用二元码的功率谱（含有丰富的低频分量）2019/8/1615基带传输编码介绍(4)差分码差分码又称相对码，在差分码中利用电平跳变来分别表示1或0，分为传号差分码和空号差分码。传号差分码：当输入数据为“1”时，编码波型相对于前一码电平产生跳变；输入为“0”时，波型不产生跳变。空号差分码：当输入数据为“0”时，编码波型相对于前一码电平产生跳变；输入为“1”时，波型不产生跳变。2019/8/1616基带传输编码介绍（5）曼切斯特码曼切斯特码，又称数字双相码或分相码。它利用一个半占空的对称方波（如01）表示数据“1”，而其反相波（如10）表示数据“0”。差分曼切斯特码（CDP码），又称条件双相码。相邻半占空方波如果同相（如1010）则表示“0”，如果反相（如1001）则表示“1”。2019/8/1617差分码和曼切斯特码的波形2019/8/1618基带传输编码介绍（6）传号反转码（CMI码）。与曼切斯特码相类似，也是一种二相码，输入数据“1”交替地用全占空的一个周期方波来表示（如将“1111”表示成11001100）；输入数据“0”则用半占空方波来表示（如将“0000”表示成01010101），如图所示2019/8/1619基带传输编码介绍（7）密勒码又称延迟调制，是数字双相码的差分形式。输入数据“1”时用半占空比方波来表示，初相与前一位的末相有关。当前1位是“0”，相位不变；当前一位是“1”，相位翻转。输入数据“0”用全占空比方波来表示，有两种情况：当出现单个“0”时，电平保持不变。当出现连“0”时，第一位电平保持，以后交替翻转电平，如图所示。2019/8/1620密勒码的波形2019/8/1621密勒码和数字双相码的功率谱2019/8/1622a.单极性不归零码b.双极性不归零码d.差分码(传号)f.数字双相码g.传号反转码c.单极性归零码e.差分码(空号)2019/8/16239.1.3三元码三元码：信号幅度取值有三个电平+1，0，-1（1）传号交替反转码（AMI码）三相码，输入数据“0”变换为三电平码序列中的“0”，输入数据“1”则交替地变换为“+1”和“-1”的归零码。特点是：1、无直流分量，能量集中在1/2码速处。2、具检错能力，如果接收端信号“1”电平的交替规律被破坏，认为出现了差错。3、输入信号中如果连“0”过多，接收端难于提取位定时信号。2019/8/1624基带传输编码介绍（2）三阶高密度双极性码（HDB3码）可以认为是AMI码的改进码型，输入码组中如果出现4连“0”，就用特定码组（取代节）来替代。HDB3有两种取代节：B00V与000V，其中B是符合交替规律的传号，V是不符合交替规律的传号（破坏节）。取代法则：两个破坏节之间的B是奇数个。例：代码：100001000011000011AMI：-10000+10000-1+10000-1+1HDB3：-B000–V+B000+V–B+B–B00-V+B–B或HDB3：-B+B00+V-B000-V+B-B+B00+V-B+B2019/8/1625AMI与HDB3码的波形2019/8/1626NRZ、AMI、HDB3和数字双相码的功率谱2019/8/1627（3）BNZS码与HDB3相似，也是用取代节来替换连“0”。B6ZS------PCM-T2的接口码型，每遇到6连“0”，就用0VB0VB来代替。[B是符合交替规律的传号，V是不符合交替规律的传号（破坏节）]。例如：10110000000110000001B+0B-B+0V+B-0V-B+0B-B+0V+B-0V-B+B-B3ZS------在美国标准DS-3和加拿大同轴传输系统LD-4中使用，每遇到3连“0”，就用00V和B0V。这两种取代节的选取原则与HDB3相同，B3ZS又称为HDB2码。2019/8/1628B6ZS与B3ZS码的波形2019/8/1629基带传输编码介绍（4）2B1Q码2B1Q码用于ISDN基本速率接口（BRI）中的U接口，是一种四电平码，它将2bit组合一起以电平信号来代表。编码规则如下：码组电平10+311+101-100-32019/8/1630基带传输编码介绍（9）5B6B码将5位二进制信息变换为一个6位二进制输出码组。由于5B只有32种组合，而6B有64种组合，有32个许用码型和32个禁用码型。许用码组的选择以“0”“1”出现的概率近似相同为依据。正模式：20个平衡码组（含3个“1”和3个“0”）中删去000111，15个接近平衡的码组（4个“1”和2个“0”）中删去001111和111100，共32个码组。负模式：20个平衡码组（含3个“1”和3个“0”）中删去111000，15个接近平衡的码组（4个“0”和2个“1”）中删去110000和000011，共32个码组。2019/8/1631数字基带信号是随机信号，只能计算功率谱密度。计算功率谱密度不是件容易的事，下边只列举两种方法。§9.2数字基带信号的功率谱计算2019/8/1632首先补充单个脉冲波形的频谱。1.矩形脉冲2019/8/16332.半余弦形脉冲2019/8/16343.升余弦脉冲2019/8/16354.三角形脉冲2019/8/16369.2.1相同波形随机序列的功率谱周期性确知信号具有离散的线状频谱。非周期确知信号没有离散线谱，只有用功率谱密度描述的连续谱。随机信号一般既有离散线谱，又有连续谱。2019/8/16379.2.1相同波形随机序列的功率谱对于随机序列)()(SnnTtgatS这里an是基带信号在nTSt(n+1)TS内的幅度值，g(t)为标准脉冲波形，TS为码元周期。这种随机序列在每个码元周期内有相同波形,只是幅度值不同。如单极性二元码，AMI码等。2019/8/1638假设序列具有周期平稳随机过程的特性。对于这种波形，它连续谱部分的平均功率谱密度计算式为：)}2cos(][)((2][)0({|)(|1)(1222SkSsfTaEkRaERfGTf功率谱的连续部分与单个脉冲功率谱的平方成正比。式中：G(f)是单个波形g(t)的频域特性。E(a)是系数的均值。nnaaEaE][][R(k)是相关值。knnknnaaaaEkR},{)(2019/8/1639它的线谱部分(离散谱)计算式如：)(|)(|)(2)(222SSSSTnfTkGTaETkSk是从负无穷到正无穷的整数。当k=0，得到信号的直流成分。1、直流不便于传输，要选择码型使之为零。2、离散线谱对于提取位定时信号非常重要，要选择波形使之存在。2019/8/1640例9-1单极性二元码的功率谱计算。假设单极性二元码中对应于输入信码0，1的幅度取值为0，+A，输入信码为各态历经随机序列，0，1的出现统计独立，则概率为1/2，即21210QApan2019/8/16412*210*21)()(AAaEaEnanan+kan*an+kP(anan+k)0000.250A00.25A000.25AAA*A0.25二元码中anan+1组合的出现概率解：先做出下表查表得：2019/8/16422)()0(2AaaERnn，R（0）是交流功率。4)()(2AaaEkRknn2019/8/1643SSGSSkSsTfGAfTAAAAfGTfTaEkRaERfGTf221222221222|)(|4)}2cos()44(242{|)(|1)}2cos(][)((2][)0({|)(|1)(连续谱的功率谱密度函数为：与单个脉冲功率谱的平方成正比2019/8/1644对于离散线谱，（9-10）式中有一项2|)(|STkG这是脉冲串中单