第6章 基带数字信号的表示和传输1

1第6章数字基带传输系统2主要内容：概述数字基带信号及其频谱特性基带传输的常用码型数字基带信号传输与码间干扰无码间干扰的基带传输特性基带传输系统的抗噪声性能眼图部分响应系统均衡3目标要求基本要求掌握基带数字信号的基本波形；掌握基带数字信号的传输码型，熟悉传输码型的基本要求；掌握基带数字信号的频率特性；掌握基带数字信号传输系统模型、码间串扰、奈氏准则、部分响应系统；掌握眼图模型，及信号波形和眼图的对应关系；熟悉时域均衡器的作用与原理。4目标要求重点、难点重点是：基带数字信号的基本波形掌握；AMI码和HDB3码的编码规则的理解和掌握；无码间串扰应具有的传输特性的分析和掌握。难点是：基带数字信号的功率谱密度分析及其作用的理解；部分响应系统的原理、分析和作用的理解。5数字基带信号－未经调制的数字信号，信号含丰富的低频分量，甚至直流分量；它所占据的频谱是从零频或很低频率开始的。数字基带传输系统不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统，常用于传输距离不太远的情况下。数字调制（带通）传输系统包括调制和解调过程的传输系统。6为什么要研究数字基带传输系统？1、在利用对称电缆构成的近程数据通信系统广泛采用了这种传输方式；2、数字基带传输中包含频带传输的许多基本问题，也就是说，基带传输系统的许多问题也是频带传输系统必须考虑的问题；3、任何一个采用线性调制的频带传输系统可等效为基带传输系统来研究；76.1基带数字信号及其频谱特性6.1.1数字基带信号8(1)单极性波形特点：电脉冲之间无间隔，极性单一，易于用TTL、CMOS电路产生；缺点：有直流分量，要求传输线路具有直流传输能力，因而不适应有交流耦合的远距离传输，只适用于计算机内部或极近距离的传输。9(2)双极性波形二进制符号0，1分别与正、负电平相对应，当“1”和“0”等概率出现时无直流分量，有利于在信道中传输，并且在接收端恢复信号的判决电平为零值，因而不受信道特性变化的影响，抗干扰能力也较强。10(3)单极性非归零码（NRZ）单极性：1---高电平；0---0电平，码元持续期间电平不变非归零：NRZ(nor-returntozero)有直流且有固定0电平，多用于终端设备或近距离传输（线路板内或线路板间）；11(4)单极性归零码（RZ）归零：RZ(returntozero)发送“1”码时高电平在码元期间内只持续一段时间，多用于近距离波形变换；有直流；可直接提取位定时；12(5)双极性非归零码（NRZ）不能直接提取同步信号；1、0符号等概出现时无直流分量，抗干扰能力较强；1、0符号不等概出现时，仍有直流成份。13(6)双极性归零码（RZ）每一脉冲都归零，它用正负脉冲表示1和014(7)差分码不是用码元本身的电平表示消息代码，而是用相邻码元的电平的跳变和不变来表示消息代码；传号差分码（电平跳变表示1）：NRZ（M）空号差分码（电平跳变表示0）：NRZ（S）属于相对码，多用于相位调制系统的码变换器中，可以克服相位模糊。15(8)多元码数字信息由码元(符号)组成码元形式：二元码和多元码多元码的一个码元表示一个n位二进制码组M=2n四元码的波形(M=4,n=2)线路码型为四元码2B1Q在2B1Q中，2个二进制码元用1个四元码表示166.1.2基带数字信号的频谱特性假设随机信号序列是一个平稳随机过程，其中“0”和“1”的出现概率分别为P和(1P)，而且它们的出现是统计独立的则有：式中，nntsts)()()1(),(),()(21PnTtgPnTtgtsn概率为概率为17另一个角度：任意随机信号的分解随机脉冲序列的组成分为两部分稳态分量a(t)交变分量u(t)先求出这两个分量的功率谱，再求出g(t)的功率谱。)()()(tutatg18二进制随机脉冲序列的波形图19计算结果：双边功率谱密度表示式：单边功率谱密度表示式：212212()()()(1)()()()(1)()()suvsssssmPfPfPffPPGfGffPGmfPGmffmf222121222121()2(1))()(0)(1)(0)()2()(1)()(),0sssssssmPffPPGfGffPGPGffPGmfPGmffmff（基带数字信号的频谱特性20对公式意义的分析二进制随机脉冲序列的功率谱可能包含连续谱和离散谱两部分；连续谱总是存在的；离散谱却不一定存在；离散谱是否存在是至关重要的，关系着能否从脉冲序列中直接提取位定时信号。21（d）对简单二元码功率谱的总结几点重要结论：功率谱的形状取决于单个波形的频谱函数；时域波形的宽度愈窄，频带愈宽；凡是0，1等概的双极性码均无离散谱；单极性归零码的离散谱中有位定时分量，因此可直接提取位定时分量。22基带数字信号的频谱特性功率谱密度计算举例单极性二进制信号(NRZ)设信号g1(t)=0,g2(t)=g(t)，则由其构成的随机序列的双边功率谱密度为：式中，G(f)是g(t)的频谱函数。当P=1/2，且g(t)为矩形脉冲时，即当时，g(t)的频谱函数为22()(1)()(1)()()sssssmPffPPGffPGmffmf1,()20,sTtgtt其他sin()sssfTGfTfT23故有式中，sff222sin111()()()()4444ssssssfTTPffTfSafTffTxxxSa/sin)(功率谱的第一个过零点在处，因此，单极性不归零码的谱零点带宽为：ssfB24单极性信号的功率谱密度分别如下图中的实线和虚线所示：单极性0sf3sff实线——NRZ虚线——RZ(1/2)PNRZ-实线RZ-虚线25基带数字信号的频谱特性双极性二进制信号(NRZ)设信号g1(t)=-g2(t)=g(t)，则由其构成的随机序列的双边功率谱密度为：当P=1/2时，上式可以改写为若g(t)为矩形脉冲，则将其频谱G(f)代入上式可得22()4(1)()(21)()()sssssmPffPPGffPGmffmf2()()ssPffGf222sinsin()()ssssssssssfTfTPffTTTSafTfTfT26双极性信号的功率谱密度曲线如下图中的实线和虚线所示：双极性0sf3sff实线——NRZ虚线——RZ(1/2)P276.2基带数字信号的传输码型对于传输码型，有如下一些要求：无直流分量和只有很小的低频分量；含有码元的定时信息；传输效率高；最好有一定的检错能力；适用于各种信源，即要求以上性能和信源的统计特性无关28AMI码－传号交替反转码编码规则：“1”交替变成“＋1”和“－1”，“0”仍保持为“0”，例：消息码：010110001AMI码：0+10-1+1000-1优点：没有直流分量、译码电路简单、能发现错码缺点：出现长串连“0”时，将使接收端无法取得定时信息。又称：“1B/1T”码－1位二进制码变成1位三进制码。6.2基带数字信号的传输码型29HDB3码－3阶高密度双极性码编码规则：当没有发现4个以上（包括4个）连“0”时，则不作改变，AMI码就是HDB3码。当发现4个或4个以上连“0”的码元串时，就将第4个“0”变成与其前一个非“0”码元（“＋1”或“－1”）同极性的码元。将这个码元称为“破坏码元”，并用符号“V”表示，即用“+V”表示“＋1”，用“－V”表示“－1”。为了保证相邻“V”的符号也是极性交替：*当相邻“V”之间有奇数个非“0”码元时，这是能够保证的。*当相邻“V”之间有偶数个非“0”码元时，不符合此“极性交替”要求。这时，需将这个连“0”码元串的第1个“0”变成“＋B”或“－B”。B的符号与前一个非“0”码元的符号相反；并且让后面的非“0”码元符号从V码元开始再交替变化。30例：消息码:100001000011000011AMI码:-10000+10000-1+10000-1+1HDB3码:-1000-V+1000+V-1+1-B00-V+1-1-1000-1+1000+1-1+1-100-1+1-1译码：-10000+10000-1+10000+1-1100001000011000011基带数字信号的传输码型31【例】已知信息代码为：100000000111001000010，请就AMI码、HDB3码二种情形，(1)给出编码结果；(2)画出编码后的波形；(1)信息代码：100000000111001000010AMI码：[phone]+1-100+10000-10HDB3码：+1000+V-B00-V+1-1+100-1+B00+V-1032译码：发现相连的两个同符号的“1”时，后面的“1”及其前面的3个符号都译为“0”。然后，将“+1”和“-1”都译为“1”，其它为“0”。优点：除了具有AMI码的优点外，还可以使连“0”码元串中“0”的数目不多于3个，而且与信源的统计特性无关。基带数字信号的传输码型33基带数字信号的传输码型双相码－曼彻斯特码编码规则：消息码“0”传输码“01”消息码“1”传输码“10”例：消息码：1100101双相码：10100101100110+E-E100134译码规则：消息码“0”和“1”交替处有连“0”和连“1”，可以作为码组的边界。优缺点：只有2电平，可以提供定时信息，无直流分量；但是占用带宽较宽。基带数字信号的传输码型35基带数字信号的传输码型密勒码编码规则：消息码“1”用中点处电压的突跳表示，或者说用“01”或“10”表示；消息码“0”单个消息码“0”不产生电位变化，连“0”消息码则在边界使电平突变，或者说用“11”或“00”表示00消息码：10110001双相码：1001101001010110双相码波形：双相码相位：0000密勒码：36特点：当“1”之间有一个“0”时，码元宽度最长（等于两倍消息码的长度）。这一性质也可以用来检测误码。产生：双相码的下降沿正好对应密勒码的突变沿。因此，用双相码的下降沿触发双稳触发器就可以得到密勒码。基带数字信号的传输码型37CMI码－传号反转码编码规则：消息码“1”交替用“11”和“00”表示；消息码“0”用“01”表示，00消息码：10110001双相码：1001101001010110双相码波形：双相码相位：0000密勒码：0CMI码：基带数字信号的传输码型38nBmB码这是一类分组码，它把消息码流的n位二进制码元编为一组，并变换成为m位二进制的码组，其中mn。后者有2m种不同组合。由于mn，所以后者多出(2m–2n)种组合。在2m种组合中，可以选择特定部分为可用码组，其余部分为禁用码组，以获得好的编码特性。双相码、密勒码和CMI码等都可以看作是1B2B码。在光纤通信系统中，常选用m=n+1，例如5B6B码等。除了nBmB码外，还可以有nBmT码等等。nBmT码表示将n个二进制码元变成m个三进制码元。基带数字信号的传输码型