文元美现代通信原理课件第4章 数字信号的基带传输 2

数字信号的基带传输2020/2/15通信原理第4章数字信号的基带传输4.1数字基带信号4.2数字基带传输系统4.3无码间串扰的基带传输系统4.4眼图4.5时域均衡原理4.6部分响应技术数字信号的基带传输2020/2/15通信原理数字基带传输系统的基本结构信道信号形成发送滤波器接收滤波器抽样判决噪声位同步提取恢复后的数字基带信号信源数字信号的基带传输2020/2/15通信原理4.1数字基带信号4.1.1数字基带信号的常用码型传输码型的选择，主要考虑以下几点：(1)码型中低频、高频分量尽量少；(2)码型中应包含定时信息，以便定时提取；(3)码型变换设备要简单可靠；(4)码型具有一定检错能力，若传输码型有一定的规律性，则就可根据这一规律性来检测传输质量，数字信号的基带传输2020/2/15通信原理(5)编码方案对发送消息类型不应有任何限制，适合于所有的二进制信号。这种与信源的统计特性无关的特性称为对信源具有透明性；(6)低误码增殖；(7)高的编码效率。数字信号的基带传输2020/2/15通信原理ttttttttt01000011000001010二进制代码(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)(a)单极性(NRZ)码；(b)双极性(NRZ)码；(c)单极性(RZ)码；(d)双极性(RZ)码；(e)差分码；(f)交替极性码(AMI)；(g)三阶高密度双极性码(HDB3)；(h)分相码；(i)信号反转码(CMI)数字信号的基带传输2020/2/15通信原理1.单极性不归零(NRZ)码(1)发送能量大，有利于提高接收端信噪比；(2)在信道上占用频带较窄；(3)有直流分量，将导致信号的失真与畸变；且由于直流分量的存在，无法使用一些交流耦合的线路和设备；(4)不能直接提取位同步信息；(5)接收单极性NRZ码的判决电平应取“1”码电平的一半。数字信号的基带传输2020/2/15通信原理2.双极性不归零(NRZ)(1)从统计平均角度来看，“1”和“0”数目各占一半时无直流分量，但当“1”和“0”出现概率不相等时，仍有直流成份；(2)接收端判决门限为0，容易设置并且稳定，因此抗干扰能力强；(3)可以在电缆等无接地线上传输。数字信号的基带传输2020/2/15通信原理3.单极性归零(RZ)在传送“1”码时发送1个宽度小于码元持续时间的归零脉冲；在传送“0”码时不发送脉冲。其特征是所用脉冲宽度比码元宽度窄，即还没有到一个码元终止时刻就回到零值，因此，称其为单极性归零码。脉冲宽度τ与码元宽度Tb之比τ/Tb叫占空比。单极性RZ码与单极性NRZ码比较，除仍具有单极性码的一般缺点外，主要优点是可以直接提取同步信号。此优点虽不意味着单极性归零码能广泛应用到信道上传输，但它却是其它码型提取同步信号需采用的一个过渡码型。即它是适合信道传输的，但不能直接提取同步信号的码型，可先变为单极性归零码，再提取同步信号。数字信号的基带传输2020/2/15通信原理4.双极性归零(RZ)码(1)在“1”、“0”码不等概率情况下，也无直流成分，且零频附近低频分量小。因此，对具有变压器或其它交流耦合的传输信道来说，不易受隔直特性影响。(2)若接收端收到的码元极性与发送端完全相反，也能正确判决。(3)只要进行全波整流就可以变为单极性码。数字信号的基带传输2020/2/15通信原理5.数字信号的基带传输2020/2/15通信原理6.交替极性码(AMI)数字信号的基带传输2020/2/15通信原理7.三阶高密度双极性码(HDB3)当信码序列中加入破坏脉冲以后，信码B和破坏脉冲V的正负必须满足如下两个条件：数字信号的基带传输2020/2/15通信原理(1)B码和V码各自都应始终保持极性交替变化的规律，以便确保编好的码中没有直流成分。(2)V码必须与前一个码(信码B)同极性，以便和正常的AMI码区分开来。如果这个条件得不到满足，那么应该在四个连“0”码的第一个“0”码位置上加一个与V码同极性的补信码，用符号B′表示。此时B码和B′码合起来保持条件(1)中信码极性交替变换的规律。数字信号的基带传输2020/2/15通信原理HDB3数字信号的基带传输2020/2/15通信原理8.分相码数字双相码又称Manchester码，其编码规则是：将信息代码0编码为线路码“01”；信息代码1编码为线路码“10”(也可以将信息代码0、1的编码规则反之)。数字信号的基带传输2020/2/15通信原理9.传号反转码(CMI)CMI码的编码规则是：将信息代码0编码为线路码“01”；信息代码1编码为线路码“11”与“00”交替出现。数字信号的基带传输2020/2/15通信原理10.多进制码四进制代码波形01231011011000t(a)(b)013-1-31110010100t数字信号的基带传输2020/2/15通信原理用数字电路实现码型之间的变换1、AMIHDB3（分立元件或专用芯片）2、单极性不归零码单极性归零码单极性不归零码单极性归零码a-单极性不归零码b-码元同步脉冲c-单极性归零码abc与bac数字信号的基带传输2020/2/15通信原理单极性不归零码单极性归零码Q-单极性不归零码cp-码元同步脉冲D-单极性归零码用D触发器实现状态方程为：cpDQDcpQD触发器DQn1数字信号的基带传输2020/2/15通信原理3、单极性不归零码差分码单极性不归零码差分码用J-K触发器实现状态方程为：a-单极性不归零码cp-码元同步脉冲Q-单极性归零码cpacp‘QJ=1cp’QJ-k触发器nnnnnQQKJQKQJQ111;则取K=1与cpa数字信号的基带传输2020/2/15通信原理单极性不归零码差分码用异或门实现状态方程为：cpCKDK异或1KKKDCD延时CkDk数字信号的基带传输2020/2/15通信原理差分码单极性不归零码用异或门实现状态方程为：cpCKDK异或1KKKDDC延时DKCk数字信号的基带传输2020/2/15通信原理4.1.2数字基带信号功率谱TWFwPTTf2)()(lim随机过程的频谱特性是用它的功率谱密度来表述的。我们知道，随机过程中的任一实现是一个确定的功率型信号，而对于任意的确定功率信号f(t)，它的功率谱密度为过程的功率谱密度应看做是任一实现的功率谱的统计平均，即TWFTfwPTwPE2)()(lim)]([数字信号的基带传输2020/2/15通信原理数字基带信号的一般数学表达式设二进制的随机脉冲序列如图（a）所示。其中，假设g1(t)表示“0”码，g2(t)表示“1”码。g1(t)和g2(t)在实际中可以是任意的脉冲，但为了便于在图上区分，这里我们把g1(t)画成宽度为Ts的方波，把g2(t)画成宽度为Ts的三角波。现在假设序列中任一码元时间Ts内g1(t)和g2(t)出现的概率分别为P和1-P，且认为它们的出现是统计独立的，则s(t)可用下式表征。即。时，概率为出现；时，概率为出现P10)(P1)()()()(21bbbnbnTtgnTtgnTtgnTtgtS数字信号的基带传输2020/2/15通信原理g2(t＋4Ts)g1(t＋3Ts)g1(t＋2Ts)g2(t＋Ts)g(t)g1(t)g2(t－Ts)g2(t－2Ts)ttO－Ts2Ts2O－Ts2－TsTs2Tsv(t)tOu(t)(a)(b)(c)随机脉冲序列示意波形数字信号的基带传输2020/2/15通信原理为了使频谱分析的物理概念清楚，推导过程简化，我们可以把s(t)分解成稳态波v(t)和交变波u(t)。所谓稳态波，即是随机序列s(t)的统计平均分量，它取决于每个码元内出现g1(t)、g2(t)的概率加权平均，且每个码元统计平均波形相同，因此可表示成其波形如图(b)所示，显然v(t)是一个以Ts为周期的周期函数。nbbnTtgPnTtPgtV)]()1()([)(21数字信号的基带传输2020/2/15通信原理交变波u(t)是s(t)与v(t)之差，即u(t)=s(t)-v(t)或者写成显然u(t)是随机脉冲序列，图（c）画出了u(t)的一个实现。出现以概率（出现以概率P1)],()()[1)()1()()(P)],()()[1()()1()()()(2121221211bbbbbbbbbbnnTtgnTtgPnTtgPnTtPgnTtgnTtgnTtgPnTtgPnTtPgnTtgtu出现以概率，出现以概率其中P1P,1)]()([)(u21PPanTtgnTtgatnbbnn数字信号的基带传输2020/2/15通信原理下面我们根据上两式，分别求出稳态波v(t)和交变波u(t)的功率谱，将两者的功率谱合并起来就可得到随机基带脉冲序列s(t)的频谱特性1、v(t)的功率谱密度pv(f)由于V(t)是以Tb为周期的周期信号，故可展开成傅氏级数，然后根据周期信号功率谱密度与傅氏系数的关系得到V(t)的功率谱。稳态波是离散线谱，根据离散谱可确定随机序列是否含有直流分量和定时分量。2、U(t)功率谱密度pu(f)U(t)是功率型随机脉冲序列，它的功率谱密度可用截短函数和求统计平均的方法来求。交变波的功率谱是连续谱，与g1(t)、g2(t)的频谱以及出现的概率有关。根据连续谱可确定随机序列的带宽。3、s(t)=u(t)+v(t)的功率谱密度p(f)数字信号的基带传输2020/2/15通信原理假设随机脉冲序列为数字信号的基带传输2020/2/15通信原理从上式我们可以得出如下结论：单极性不归零信号若假设g1(t)=0,g2(t)为门函数，且p=1/2,则功率谱密度为只有连续谱和直流分量。数字信号的基带传输2020/2/15通信原理双极性不归零信号当P=1/2时，双极性信号的谱密度为)()(2babxfTSTPmbbabxmffmfTSTP)()(4)(4)(222)()(22fTSTPbabx单极性归零码谱密度双极性归零码谱密度动画演示是占空比数字信号的基带传输2020/2/15通信原理根据信号功率的90%来定义带宽B，则有dPdPxxBB)(21)90.0()(2122利用数值积分，由上式可求得双极性归零信号和单极性归零信号的带宽近似为1B数字信号的基带传输2020/2/15通信原理4.1.3码型变换的基本方法1.码表存储法图4–3码表存储法方框图串/并移位寄存器待变换码流PROM(模式控制)A0……Am-2AmDnDn-1Dn-2…D0D1(M1)(M2)…并/串移位寄存器已变换码流A1Am-1Dn-3数字信号的基带传输2020/2/15通信原理2.布线逻辑法图4–4布线逻辑法方框图并/串行变换移位寄存器已变换码流布线逻辑串/并行变换移位寄存器待变换码流……数字信号的基带传输2020/2/15通信原理图4-5CMI编/(a)CMI码编码器电路；(b)CMI码译码器电路；(c)各点波形NRZ码输入DQQCP0CP时钟CMI码输出(a)QDCP1NRZ码输出延时T1定时提取相位调整CMI码输入cdba(b)CPNRZ01011001abCMI010001110000111T1cdCP101011001NRZ(c)11&&&&1&数字信号的基带传输2020/2/15通信原理3.单片HDB3编译码器近年来出现的HDB3编码器采用了CMOS型大规模集成电路CD22103，该器件可同时实现HDB3编、译码，误码检测及AIS码检出等功能。主要特点有：①编、译码规则符合CCITTG.703建议，工作速率为50kb/s~10Mb/s；②有HDB3和AMI编、译码选择功能；③接收部分具有误码检测和AIS信号检测功能；④所有输入、输出接口都与TTL兼容；⑤具有内部自环测试能力。数字信号的基带传输2020/2/15通信原理图4-6CD22103引脚及内部