第4章数据通信原理

1数据通信原理第4章数据信号的基带传输2第4章数据信号的基带传输概述数字基带信号——未经调制的脉冲电信号，它所占据的频带通常从直流和低频开始，如来自数据终端的原始电信号等。数据基带传输——数据通信中最基本的传输方式。数据终端只需要经过简单的电平和码型变换以后，就可以在信道中直接传输。主要应用在局域网等距离比较短的数据传输中。数据频带传输——数字基带信号必须经过载波调制，把频谱搬移到高频才能在信道中传输的方式。大多数信道，如各种无线信道和光信道都属于带通传输。3研究数字基带传输系统的原因：近程数据通信系统中广泛采用基带传输中包含频带传输的许多基本问题任何一个采用线性调制的频带传输系统，可以等效为一个基带传输系统来研究。基带传输方式也有迅速发展的趋势4第4章数据信号的基带传输4.1数据基带信号及其特性描述在实际的基带传输系统中，并非所有原始的基带数字信号都能在信道中传输，如有的信号含有丰富的直流和低频分量，不便于提取同步信号、有的信号易于形成码间干扰等。基带传输系统中首先要考虑的问题是1，传输信道中选择什么形式的信号？2，传输信道中选择什么形式的码元脉冲的波形？3，传输信道中选择什么形式的码元序列的码型？5为了在传输信道中能够获得较好的传输特性，一般要对码元进行适当的码型变换，使其能够适合在信道中传输。对传输码型的选择要求：1，传输码型中应不含有直流分量，由于低频分量会造成衰减和对元件尺寸要求大，高频分量会对邻近线路造成串音，因此，低频和高频分量也不要太多。2，传输码型中应含有定时时钟信息，以利于收端定时时钟的提取。63，传输码型应具有误码检测能力，以便做到自动检测。4，码型变换设备简单、易于实现。5，码型没有或者只有很小的误码增值。6，编码方案对发送信息的类型不应有任何限制，适合于所有二进制信号。7，码型具有较高的编码效率。8，码型具有一定的抗干扰能力。71、单极性码不归零（NRZ）码：编码规则：1表示高电平，0表示低电平，在整个码元期间电平保持不变Tbt01101100110E判决电平8特点及应用:发送能量大有利于提高收端信比带宽窄但直流和低频成分大；不能提取同步信息判决电平不易稳定一般用于设备内部和短距离通信中。9占空比：τ/Tb，典型的取值是τ/Tb=50%2、单极性码归零（RZ）码：编码规则：传送1时发送一个宽度小于码元持续时间的归零脉冲，传送0时不发送脉冲。t01101100110ETb判决电平10特点及应用：具有单极性码的大多特点但带宽增大，可以直接提取同步信息一般用于设备内部和短距离通信中。113、双极性码不归零（BNRZ）码：编码规则：1表示高电平，-1表示低电平，在整个码元期间电平保持不变t01101100110E-ETb判决电平12特点及应用发送能量大有利于提高收端信比无直流但低频成份大不能提取同步信息判决电平容易稳定，无需线路接地134、双极性码归零（BRZ）码：编码规则：构成原理与RZ相同，1—正，-1—负，相邻脉冲间必有零电平存在。在接收端根据接收波形归于零电平便可知1比特信息结束。t01101100110E特点及应用：具有双极性码的优点比较容易提取同步信息14编码规则：差分码是用相邻两个电平变化与否表示“1”和“0”，所以又称为相对码记作bn5、差分码-AA0t11001011-AA0t绝对码an传号码空号码差分码又可以分为两种：传号码和空号码：传号码是指相邻两个电平变化表示为1，如果不变表示为0。其中1用高电平来表示，0用低电平来表示。实际上他们的运算就是异或运算。而空号码则是相反的。15特点及应用即使传输过程中所有电平都发生了反转，接收端仍能正确判决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。是数据传输系统中的一种常用码型166、极性交替（AMI）码：编码规则：消息代码0仍变换为传输码的0，而把代码中的1交替地变换为传输码的+1、-1、…特点：无直流分量，且只有很小的低频成分；从一个二进制符号序列变成了一个三进制符号序列；编译码电路简单，并便于观察误码情况；缺点：当它用来获取定时信息时，由于它可能出现长的连0串，因而会造成提取定时信号的困难。t01101100110E177、三阶高密度双极性（HDB3）码：编码规则：（1）按AMI码编码；（2）用000V替代长连零小段0000，V的极性与前一个非零码的极性相同；（3）检查V码是否极性交替。若不交替，把当前的000V用B00V代替，B的极性与前一个非零符号的极性相反；加B后，则后边所有非零符号反号。检查HDB3码正确与否，一看“1”与B合起来极性是否交替，二看V码是否交替，两者都交替则编码正确。示例动画演示18例：信息流：01000011000001110第一步：0+10000-1+100000-1+1-10第二步：0+1000+V-1+1000+V0-1+1-10第三步：0+1000+V-1+1-B00-V0+1-1+10t+100+10+v-10-B00-v0+1-1+10破坏脉冲补救脉冲19特点：•编码比较复杂，但译码却比较简单•除保持了AMI码的优点外，还增加了使连0串减少到至多3个的优点，这对于定时信号的恢复是十分有利的。•缺点：HDB3码若产生一个误码，可能造成假4连0，译码端会引起多于一个的误码，即HDB3码有误码增殖。译码：（1）检测V码并识别B00V和000V；两个同极性码后一个为V码；（2）用0000取代B00V或000V；（3）全波整流还原成单极性码。20编码规则：“1”用高低电平表示，“0”用低高电平表示；8、曼彻斯特码：-AA011001011-AA0绝对码an曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码特点及应用：不含直流分量，定时信息丰富具有编码冗余极性反转时会引起译码错误219.CMI码CMI码的全称是传号反转码，其编码规则如下：信息码中的“1”码交替用“11”和“00”表示，“0”码用“01”表示。例如：代码：11010010CMI码：110001110101000122这种码型有较多的电平跃变，因此，含有丰富的定时信息。该码被ITU-T推荐为PCM四次群接口码型。在光纤传输系统中有时也用CMI码作线路传输码型。CMI码23编码规则：n个二进制码元(比特)用m个二进制码元(比特)编码10.nB/mB码：0000111104比特输入5比特编码NRZI波形4比特输入5比特t编码NRZI波形000101001001010100001110101010001010010101011011001110011101111100010011010101111001101111011111001011101100111110011011101101011111010特点及应用：具有差分码的特点比较容易提取同步信息返回244.1.2基带信号的频谱特性单个脉冲信号的频谱可以通过付氏变换求出。在数据通信中，传输的是一系列二进制脉冲序列，那么在频域中怎样描述随机的二进制脉冲序列呢？既然是随机的，就不能用付氏变换去描述，而必须使用功率谱密度描述。25二进制随机脉冲序列的波形和一般表示式1、波形二进制随机脉冲序列具有随机性，无法画出它的波形，只能画出某一时刻的样本：数字信号的波形如下图所示，假设“1”用g1(t)表示，“0”用g2(t)表示ts(t)g2(t)g1(t)Tbtt3Tb/2-3Tb/226假设在一个码元周期Tb内“1”出现的概率为P，“0”出现的概率为1-P，nbnnTtgats)()(2、一般表达式其中出现以概率出现以概率P1)()()(21bbnTtgPnTtgtg码元码元”“”“0011na对于双极性信号：码元码元”“”“0111na对于单极性信号有：273、信号对应的功率谱nbbbbbsnffnfGPnfPGffGfGPPffP)(|)]()1()([||)()(|)1()(221221fb=1/Tb，数值上等于码元速率RBG1(f)和G2(f)分别为g1(t)和g2(t)的傅氏变换式中的第一项表示连续谱，由其可以确定信号的带宽第二项是离散谱，由其可以判断信号有无直流分量以及是否包含同步信息28由上式可见：二进制随机脉冲序列的功率谱Ps(f)可能包含连续谱（第一项）和离散谱（第二项）。连续谱总是存在的，这是因为代表数据信息的g1(t)和g2(t)波形不能完全相同，故有G1(f)≠G2(f)。谱的形状取决于g1(t)和g2(t)的频谱以及出现的概率P。离散谱是否存在，取决于g1(t)和g2(t)的波形及其出现的概率P。一般情况下，它也总是存在的，但对于双极性信号g1(t)=-g2(t)=g(t)，且概率P=1/2（等概）时，则没有离散分量(f-mfs)。根据离散谱可以确定随机序列是否有直流分量和定时分量。29部分码型的功率谱结构如下图所示：(a)单极性码(b)单极性归零码ffP(f)P(f)fb2fbfb3fb4fb2fb00τ/Tb=50%(c)AMI码和HDB3码(d)双极性码fP(f)τ/Tb=50%归零码不归零码fP(f)0.5fbfb02fbfb3fb4fb0HDB3码AMI码30例1：试求双极性归零码的功率谱密度。设“1”码出现的概率为p=1/2，脉冲宽度为，幅度为A。解：因为是双极性归零码，所以g1(t)=g2(t)g1(t)的波形如右图：t/2-/20Ag1(t)其它022)(1tAtg即：其它022)(2tAtg31g1(t)和g2(t)的傅里叶变换式为)()sin()()(21fSaAffAfGfG将上式代入公式，得双极性归零码的功率谱密度为)()(222fSafAfpb可见，双极性归零码的功率谱密度只有连续谱，当时，p(f)出现零点，而为p(f)的第一零点，信号能量大部分集中在第一零点频率范围内，因此，要传输此信号，基带宽大约需。),3,2,1(nnf1,1fnHz1返回32结论：（1）随机序列的带宽主要依赖单个码元的频谱函数G1（f）或G2（f），两者之中应取较大带宽的一个作为序列带宽。时间波形的占空比越小，频带越宽。通常以频谱的第一个零点作为矩形脉冲的近似带宽，它等于脉宽的倒数，即B=1/.（如上图所示）33部分码型的功率谱结构如下图所示：(a)单极性码(b)单极性归零码ffP(f)P(f)fb2fbfb3fb4fb2fb00τ/Tb=50%(c)AMI码和HDB3码(d)双极性码fP(f)τ/Tb=50%归零码不归零码fP(f)0.5fbfb02fbfb3fb4fb0HDB3码AMI码34（2）单极性基带信号是否存在离散谱决定于矩形脉冲的占空比，单极性归零信号中有定时分量，可以直接提取。单极性不归零脉冲无定时分量，若想获得定时分量，要进行波形变化。35总结：研究随机脉冲序列的功率谱是十分有意义的。一方面可以根据它的连续谱确定序列的带宽，另一方面根据它的离散谱是否存在这一特点，明确能否从脉冲序列直接提取定时分量，以及采用什么方法可以从基带脉冲序列中获得所需的离散分量。这对研究位同步、载波同步等问题，是十分重要的。364.2基带传输系统的组成基带传输系统的模型如图所示：码型变换器发送滤波器接收滤波器抽样判决器信道DTEDTE噪声abcdef基带波形形成网络H(ω)同步系统CP返回目录37码型变换器是将数据信号转换成更适合于信道传输的码型发送滤波器进行信号波形转换接收滤波器完成抑制带外噪声、均衡信号波形等功能，使其输出波形更有利于抽样判决同步系统作用是通过特定方法提取同步信息，并产生同步控制信号抽样判决器是在位同步脉冲的控制下对信号波形抽样，并按照特定码型的判决规则恢复原始数据信号38系统各部分波形如下图所示a:1101011tb:Tbtc:Tbd: