第4章数字基带传输系统

清华大学出版社第4章数字基带传输系统•4.1数字基带信号的码型与波形•4.2数字基带信号的功率谱•4.3数字基带传输与码间串扰（ISI）•4.4无码间串扰的基带传输特性•4.5基带传输系统的抗噪声性能分析•4.6部分响应系统•4.7时域均衡技术•4.8眼图第4章数字基带传输系统清华大学出版社补充知识：指数形式的傅里叶级数（信号与系统第92页）设f(t)的周期为T1，角频率为ω1=2π/T1，频率为f1=1/T1，则：101100111011()1()1()[()]jntnntTjntnttTjntjnttnftFeFftedtTftftedteT第4章数字基带传输系统清华大学出版社4.1数字基带信号的码型与波形4.1.1数字基带信号的码型4.1.2数字基带信号的波形退出第4章数字基带传输系统清华大学出版社•4.1.1数字基带信号的码型一.码型选择不同的数字通信系统，对数字基带信号的码型有不同要求，实际中必须合理地设计选择数字基带信号码型。基带传输信号码型设计应考虑如下原则：(1)对于传输频带低端受限的信道一般要求编码后信号中应不含有离散的直流分量，并尽量减小低频分量。(2)便于从相应的基带信号中提取定时同步信号。(3)所选码型应具有检纠错能力。在信号的传输中一定会出现误码，因此便于接收端采取措施，以保证信号传输质量。(4)码型变换应与信源的统计特性无关，即对信源具有透明性。(5)编译码要简单，易于实现。(6)尽量提高码的编码效率。第4章数字基带传输系统清华大学出版社•二.常用码型1.二元码常用的二元码有单极性非归零码(NRZ码)、双极性非归零码(BNRZ码)、单极性归零码(RZ码)、双极性归零码(BRZ码)以及差分码等，其图形如图所示。•NRZ码的“0”码与0电平对应，“1”码与正脉冲相对应，并且脉冲的宽度等于码元宽度Ts，即占空比为1。这是一种最简单的常用码型•BNRZ码的“0”码、“1”码分别与负脉冲、正脉冲对应，并且占空比为1。•这种码与单极性不归零码的区别在于，高电平不是在整个码元期间保持不变，而是只持续一段时间，然后在码元的其余时间内返回到零(低)电平。即它的脉冲宽度比码元宽度窄，每个脉冲都回到零电平。第4章数字基带传输系统清华大学出版社•BRZ码也是一种归零码，脉冲宽度小于码元宽度，信号波形采用占空比小于1。•差分码的编码规则是：通过前后两个码元极性的跳变与否来表示“0”码和“1”码。当用极性的跳变表示“1”码，不变表示“0”码，此时称为传号差分码；也可以反过来表示，此时称为空号差分码。通常把编码前的信息码称为绝对码，记为an；编码后的码称为差分码，记为bn。当在传号差分码时，两者有式所示关系。bn=an⊕bn-1an=bn⊕bn-1第4章数字基带传输系统清华大学出版社•2.1B2B码•通过编码将1位二进制码编为2位二进制码，通常称具有这种编码规则的码型称为1B2B码。常用的1B2B码有数字双相码、密勒码、传号反转码。若将原信息代码中的n位二进制码编为m位二进制码，我们称这种码为nBmB码。在光纤传输系统中，通常选择m=n+1，例如采用5B6B码用作三次群及四次群的传输码型。第4章数字基带传输系统清华大学出版社（1）双相码双相码又称曼彻斯特（Manchester）码。它用一个周期的正负对称方波表示“0”，而用其反相波形表示“1”。编码规则之一是：“0”码用“01”两位码（零相位的一个周期的方波）表示，“1”码用“10”两位码（π相位的一个周期的方波）表示，例如：代码：11010010双相码：1010011001011001第4章数字基带传输系统清华大学出版社（2）密勒码密勒(Miller)码又称延迟调制码，它是双相码的一种变形。编码规则如下：“1”码：用码的起始不跃变，中心点出现跃变来表示，即用“10”或“01”表示。“0”码：分成单个“0”还是连续“0”两种情况；单个“0”时，保持0前的电平不变，即在码元边界处电平不跃变，在码元中间点电平也不跃变；对于连续“0”，则在两个“0”码的之间出现电平跃变，即“00”与“11”交替。0110000111000111结论：(1).“1”码编为10或者01，“0”码编为11或者00；(2).“1”码，若其前一码元为高电平，则编为10，否则编01；“0”码，若其前一码元为高电平，则编为11，否则编00；注意：当出现连0时，则需00与11交替出现。第4章数字基带传输系统清华大学出版社（3）CMI码CMI码是传号反转码的简称，与数字双相码类似，它也是一种双极性二电平码。编码规则是：“1”码：交替的用“11”和“00”两位码表示；“0”码：固定地用“01”优点：不会出现3个以上的连0码，并且电平的跳变较多，因此含有丰富的定时信息，另外没有直流分量，编、译码电路简单，容易实现，具有误码监测的能力。该码在高次群光纤通信终端设备中用作接口码型。第4章数字基带传输系统清华大学出版社（1）AMI码AMI码是传号交替反转码。其编码规则是将二进制消息代码“1”(传号)交替地变换为传输码的“+1”和“-1”，而“0”(空号)保持不变。例如：消息代码：100110000000110011…AMI码：+100–1+10000000-1+100-1+1…AMI码的优点：高、低频分量少。通过全波整流后可提取位定时信号。AMI码的不足：，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。解决连“0”码问题的有效方法之一是采用HDB3码。3.三元码第4章数字基带传输系统清华大学出版社•（2）HDB3码HDB3码的全称是3阶高密度双极性码。进行HDB3编码后，使得连“0”码的长度小于或者等于3，它的编码规则在连“0”的个数小于4个时，编码规则与AMI码相同；当连“0”个数为4个或者4个以上，则需要把第4个“0”码变成“1”码（即把“0000”替换为“0001”）并且这一个“1”码的极性与前一非零码的极性相同，且满足极性交替，该码为破坏脉冲，用“v”来标识。。但当相邻两个“v”码间有偶数个“1”时，不能满足“v”码极性交替，因此将第1个“0”也变成“1”码，此码称为平衡码，用符号“B”第4章数字基带传输系统清华大学出版社具体可按如下步骤进行编码：•(1)码的变换将消息代码中的4个连“0”码用“000V”或者“B00V”代替。若两相邻4连0串间有奇数个“1”码，则用000V代替后面的4连0串;若两相邻4连0串间有偶数个“1”码，则用B00V代替后面的4连0串.其他消息代码保持不变。(2)加符号•对“1”码、“V”码和“B”码加符号。其中“1”码和“B”码一起按正负交替规律加符号，“V”码符号与前一非零码的符号相同。•例：已知信息原码为10000011000010000，试确定相应的AMI码及HDB3码。原码10000011000010000AMI码+100000-1+10000-10000HDB3码+1000+V0-1+1-B00-V+1000+V第4章数字基带传输系统清华大学出版社•译码规则：•从上述原理看出，每一个破坏符号V总是与前一非0符号同极性(包括B在内)。这就是说，从收到的符号序列中可以容易地找到破坏点V，于是也断定V符号及其前面的3个符号必是连0符号，从而恢复4个连0码，再将所有-1变成+1后便得到原消息代码。HDB3码+1000+10-1+1-100-1+1000+1原码10000011000010000•HDB3码保持了AMI码的优点外，同时还将连“0”码限制在3个以内，故有利于位定时信号的提取。HDB3码是应用最为广泛的码型，A律PCM四次群以下的接口码型均为HDB3码。第4章数字基带传输系统清华大学出版社•4.1.2数字基带信号的波形矩形脉冲上升和下降是突变的往往低频分量和高频分量都比较大，占用频带也比较宽，如果信道带宽有限，而采用以矩形脉冲为基础的码信号带宽较宽，直接送入信道传输，容易产生失真。因此需要选择合适波形来表选择的码型。比如升余弦形、余弦形以及高斯形(也称钟形)的波形等。在数字通信系统中矩形频谱脉冲、升余弦频谱脉冲电码等都占有非常重要地位。第4章数字基带传输系统清华大学出版社1.数字基带信号的数学表达式2.数字基带信号的功率谱密度器退出4.2数字基带信号的功率谱第4章数字基带传输系统清华大学出版社4.2数字基带信号的功率谱•由于传输信号的信道都具有一定的频率特性，所以仅仅研究数字基带信号的码型是不够的，还必须了解各种基带信号的频谱特性，只有这样才能正确地确定什么样的码型能在什么样的信道中传榆。同时通过信号的频谱可以分析信号中有没有直流成分、有没有可供提取同步信号用的离散分量以及根据连续谱可以确定基带信号的带宽等。因此在研究基带传输系统时，对基带信号频谱的分析是十分必要的。第4章数字基带传输系统清华大学出版社•1.数字基带信号的数学表达式设在N进制随机脉冲序列中，在每个码元宽度Ts内，用gi(t)表示N进制中的符号“i”，其中i=0,1…N-1在通信系统中基带信号可以表示为nsnnTtgats)()()(......)()()(21sNsssnTtgnTtgnTtgnTtg出现”码以概率“出现”码以概率“PnTtgPnTtgnTtgsss11)(0)()(21式中，g(t)为基本波形，如式an为第n个信息符号所对应的电平值，它是一个随机量。因此通常实际中遇到的基带信号都是一个随机的脉冲序列。对于二进制信号，则有第4章数字基带传输系统清华大学出版社•2.数字基带信号的功率谱密度在通信中数字基带信号通常都是随机脉冲序列，是非确知信号，因此随机信号的频谱的分析过程可以利用随机过程的相关函数求出功率谱密度。第4章数字基带传输系统清华大学出版社•设一个二进制的随机脉冲序列中，每一码元宽度为Ts，那么其双边功率谱密度函数为式中，P是“1”码出现概率，)()()1()()()()1()(2212221mfsfmfsGPmfsPGfsfGfGPfsPfPsmRTsfs/1dtetgfGdtetgfGftjftj222211)()()()(，单边功率谱为0)()()1()(2)()()1(2)(02212221fmfsffGPfPGfsfGfGpfsPfPsm连续谱离散谱第4章数字基带传输系统清华大学出版社•结论：•1、随机脉冲序列的功率谱密度可能包含连续谱和离散谱。而且一定含有连续谱，离散谱可能没有。•2、随机序列的带宽取决于连续谱。•3、当存在f=±fs的冲激函数时，说明可以从基带信号中提取定时信息。•4、当存在在零点的冲激函数时，说明该基带信号中含有直流分量。第4章数字基带传输系统清华大学出版社例：设二进制信号对其进行编码，设码元宽度为Ts，“1”和“0”等概率出现，信号波形采用矩形脉冲，并且脉冲宽度为，脉冲高度为1V。(1)假如对二进制信息原码进行单极性不归零编码，求出单极性不归零码信号的功率谱密度，并判断是否含有提取同步信号所需的f=fs的离散分量。(2)假如对二进制信息原码进行单极性归零编码(脉冲占空比为0.5)，求出单极性不归零码信号的功率谱密度，并判断是否含有提取同步信号所需的f=fs的离散分量。(3)假如对二进制信息原码进行双极性不归零编码，求出双极性不归零码信号的功率谱密度，并判断是否含有提取同步信号所需的f=fs的离散分量。第4章数字基带传输系统清华大学出版社可以看出等概率出现的单极性不归零码中不含有f=fs的离散分量。第4章数字基带传输系统清华大学出版社可以看出等概率出现的单极性归零码中含有f=fs的离散分量。第4章数字基带传输系统清华大学出版社可以看出等概率出现的双极性不归零码中不含有f=fs的离散分量。第4章数字基带传输系统清华大学出版社•通常情况下我们把第一零点的带宽称为信号带宽。通过上例的分析可知：以矩形脉冲为基本波形的二进制信号波形的带