数字通信原理与技术4---数字信号的基带传输

第4章数字信号的基带传输第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部分响应技术第4章数字信号的基带传输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，第4章数字信号的基带传输(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。第4章数字信号的基带传输ttttttttt01000011000001010二进制代码(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)图4–1(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)第4章数字信号的基带传输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。第4章数字信号的基带传输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。第4章数字信号的基带传输3.单极性归零(RZ)如图4-1(c)所示。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。第4章数字信号的基带传输4.双极性归零(RZ)码5.6.交替极性码(AMI)(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。第4章数字信号的基带传输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：第4章数字信号的基带传输(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。第4章数字信号的基带传输8.分相码9.传号反转码(CMI)10.多进制码图4–2四进制代码波形01231011011000t(a)(b)013-1-31110010100t第4章数字信号的基带传输4.1.2数字基带信号功率谱假设随机脉冲序列为第4章数字信号的基带传输从(4-3)式我们可以得出如下结论：若假设g1(t)=0,g2(t)为门函数，且p=1/2,则功率谱密度为第4章数字信号的基带传输只有连续谱和直流分量。同理，当P=1/2时，图4-1(b)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第4章数字信号的基带传输根据信号功率的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第4章数字信号的基带传输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第4章数字信号的基带传输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……第4章数字信号的基带传输图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&第4章数字信号的基带传输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。第4章数字信号的基带传输图4-6CD22103引脚及内部框图12345678910111213141516VDD+HDB3-OUT-HDB3-OUT-HDB3-INLTE+HDB3-INCKRERRVSSAISRAISCRXNRZ-OUTHDB3/AMICTXNRZ-INCD22103编码译码AIS检出误码检出环回CRXCTXNRZ-INRAISHDB3/AMILTE-HDB3-IN+HDB3-IN+HDB3-OUT-HDB3-OUTCKRNRZ-OUTERRAIS&第4章数字信号的基带传输图4–7实用HDB3编/译码电路－HDB3OUT＋HDB3OUT－HDB3IN＋HDB3INAISCKRCTXNRZ－INNRZ－OUTRAISCRXVSSVDD＋5VHDB3AMI至单/双变换自ATC、整形电路至AIS告警至时钟提取、中断检出电路LTEF3F1F2F4R1C12MCLKRAISCLKDR2(至收逻辑)2MCLKXDX2(自CRC编码)1111第4章数字信号的基带传输4.缓存插入法图4–8缓存插入法框图Q1Q2Qn＋已变换码流缓冲寄存器已变换时钟待变换码流待变换频率时钟时序分配器插入码(1)插入码(2)时序分配器Qn-1第4章数字信号的基带传输4.2数字基带传输系统4.2.1数字基带系统的基本组成图4–9数字基带传输系统方框图脉冲形成器发送滤波器信道接收滤波器抽样判决抽样判决码元再生定时脉冲噪声n(t)gT(t)d(t)同步提取电路CPGT(ω)C(ω)GR(ω)y(t)输入〔dk〕输出〔dk′〕第4章数字信号的基带传输图4–10基带传输系统各点的波形第4章数字信号的基带传输4–11码间串扰示意图第4章数字信号的基带传输4.2.2基带传输系统的数学分析图4–12基带传输系统简化图)()()()(RTGCGH)()(bkkkTtatd假定输入基带信号的基本脉冲为单位冲击δ(t)，这样发送滤波器的输入信号可以表示为H(ω)抽样判决y(t)d(t)输出基带信号第4章数字信号的基带传输其中ak是第k个码元，对于二进制数字信号，ak的取值为0、1(单极性信号)或-1、+1(双极性信号)。由图4-12可以得到kRbktnkTthaty)()()(式中h(t)是H(ω)的傅氏反变换，是系统的冲击响应，可表示为deHthtj)(21)(nR(t)是加性噪声n(t)通过接收滤波器后所产生的输出噪声。第4章数字信号的基带传输抽样判决器对y(t)进行抽样判决，以确定所传输的数字信息序列{ak}。为了判定其中第j个码元aj的值，应在t=jTb+t0瞬间对y(t)抽样，这里t0是传输时延，通常取决于系统的传输函数H(ω)。显然，此抽样值为kkbRbkkbRbkkbRbbkbtjTntTkjhatajhtjTntTkjhatjTnkTtjThatjTy)(][)0()(][)(]][)(0000000）（）（第4章数字信号的基带传输4.2.3码间串扰的消除jkbktTkjha0])[(0图4–13理想的传输波形第4章数字信号的基带传输4.3无码间串扰的基带传输系统(1)基带信号经过传输后在抽样点上无码间串扰，也即瞬时抽样值应满足：0)(1])[(0或其它常数tTkjhbkjkj令k′=j-k，并考虑到k′也为整数，可用k表示，01)(0tkThb00kk第4章数字信号的基带传输(2)h(t)尾部衰减快。从理论上讲，以上两条可以通过合理地选择信号的波形和信道的特性达到。下面从研究理想基带传输系统出发，得出奈奎斯特第一定理及无码间串扰传输的频域特性H(ω)满足的条件。第4章数字信号的基带传输4.3.1理想基带传输系统的传输特性具有理想低通特性，其传输函数为0)(1)(或其它常数H22bb如图4-14(a)所示，其带宽B=(ωb/2)/2π=fb/2(Hz)，对其进行傅氏反变换得)2(221)(21)(22BtBSdedeHthaBBtjtj第4章数字信号的基带传输图4–14理想基带传输系统的H(ω)和h(t)第4章数字信号的基带传输如果信号经传输后整个波形发生变化，但只要其特定点的抽样值保持不变，那么用再次抽样的方法(这在抽样判决电路中完成)，仍然可以准确无误地恢复原始信码，这就是奈奎斯特第一准则(又称为第一无失真条件)的本质。在图4-14所表示的理想基带传输系统中，各码元之间的间隔Tb=1/(2B)称为奈奎斯特间隔，码元的传输速率RB=1/Tb=2B。所谓频带利用率是指码元速率RB和带宽B的比值，即单位频带所能传输的码元速率，其表示式为)/(/HzBaudBRB频带利用率第4章数字信号的基带传输图4-15H(ω)的分割第4章数字信号的基带传输4.3.2无码间串扰的等效特性第4章数字信号的基带传输由于h(t)是必须收敛的，求和与求积可互换，得deTiHkThbbbkTjTTibb221)(02)(bibeqTTiHHbbTT第4章数字信号的基带传输4.3.3升余弦滚降传输特性升余弦滚降传输特性H(ω)可表示为)()()(10HHHH(ω)是对截止频率ωb的理想低通特性H0(ω)按H１(ω)的滚降特性进行“圆滑”得到的，H1(ω)对于ωb具有奇对称的幅度特性，其上、下截止角频率分别为ωb+ω1、ωb-ω1。它的选取可根据需要选择，升余弦滚降传输特性H1(ω)采用余弦函数，此时H(ω)为第4章数字信号的基带传输显然，它满足(4-19)式，故一定在码元传输速率为fb=1/Tb时无码间串扰。它所对应的冲击响应为