第三章 数据信号基带传输

第三章数据信号基带传输结束放映学习目录学习要求内容简介010110011100BASE-T作者：蒋占军内容简介——基带传输是数据通信中的基本传输方式，数据终端只要经过简单的电平和码型变换后就可以在信道中直接传输，主要应用在局域网等短距离的数据传输中。——本章主要介绍基带信号的特性，基带传输系统的组成，无码间干扰传输系统的设计，以及部分响应、时域均衡以及数据扰码等提高系统传输性能的技术。返回结束学习要求1.掌握基带信号的常用码型的特点。2.了解基带信号的频谱结构3.掌握基带传输系统的组成。4.掌握码间干扰的概念以及无码间干扰传输的条件。5.了解基带传输系统的性能。6.了解眼图的功能。7.掌握部分响应、时域均衡以及数据加扰的基本原理返回结束学习目录返回3.1数据基带信号分析3.2基带传输系统组成3.3无码间干扰的基带传输系统3.4眼图3.5基带传输系统性能分析3.6改善系统性能的几个措施结束3.1数据基带信号本节内容提要：下一页上一页返回基带传输中设计或选择信号码型对时的要求：不含直流分量，且高频分量和低频分量要少便于定时与同步信息地提取编码方案对信源透明码型具有一定抗噪声性能码型具有较高的编码效率码型没有或者只有很小的误码增值码型变换设备要简单可靠本节将介绍NRZ码、双极性码、RZ码、双极性归零码、双相码、AMI码、HDB3码等码性的编码规则、频谱组成、特点及应用等3.1.1常用基带信号下一页上一页返回编码规则：高电平表示1码，零电平表示0码；波形如下：1.单极性不归零(NRZ)码特点及应用：tTb判决电平110011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。3.1.1常用基带信号下一页上一页返回编码规则：高电平表示1码，零电平表示0码；电平的持续时间τ比码元周期Tb小，其波形如下：2.单极性归零(RZ)码特点及应用：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。tTb判决电平110011τ占空比：τ/Tb，典型的取值是τ/Tb=50%3.1.1常用基带信号下一页上一页返回编码规则：用高电平表示“1”，低电平表示“0”，3.双极性不归零码特点及应用：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t判决电平Tb3.1.1常用基带信号下一页上一页返回编码规则：用高电平表示“1”，低电平表示“0”，电平的持续时间τ比码元周期Tb小，其波形如下：4.双极性归零码特点及应用：具有双极性码的优点比较容易提取同步信息110011判决电平tTbτ占空比：τ/Tb，典型的取值是τ/Tb=50%3.1.1常用基带信号下一页上一页返回编码规则：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是数据传输系统中的一种常用码型-AA0t11001011-AA0t绝对码an传号码空号码3.1.1常用基带信号下一页上一页返回编码规则：“1”用高低电平交替表示，“0”用零电平表示6.极性交替码(AMI码)特点及应用：不包含直流分量，低频分量也很少比较容易提取同步信息-AA0t1100101100000000013.1.1常用基带信号下一页上一页返回7.三阶高密度双极性码(HDB3)特点及应用：具有AMI码的所有优点编译码电路较复杂-AA0B+B-000V-0000B+B+B+B-B-V-B-V+补救脉冲破坏脉冲110010110000000001编码规则：B码(1码以及补救脉冲)用高低电平交替表示V码(破坏脉冲)极性交替，且与其前面第一个B码极性相同；3.1.1常用基带信号下一页上一页返回编码规则：“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-AA011001011-AA0绝对码an曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码3.1.1常用基带信号下一页上一页返回编码规则：n个二进制码元(比特)用m个二进制码元(比特)编码9.nB/mB码特点及应用：具有差分码的特点比较容易提取同步信息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0001010010010101000011101010100010100101010110110011100111011111000100110101011110011011110111110010111011001111100110111011010111110103.1.2基带信号的频谱下一页上一页返回1.数字基带信号的一般表达式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/2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)()(3.1.2基带信号的频谱下一页上一页返回其中出现以概率出现以概率P1)()()(21bbnTtgPnTtgtgan是第n个脉冲的相对幅度，其取值与所用码型有关，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：3.1.2基带信号的频谱下一页上一页返回2.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3.1.2基带信号的频谱下一页上一页返回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3.2基带传输系统的组成下一页上一页返回本节内容提要：3.2.1二进制传输基带传输系统二进制传输系统的组成以及各组成部分的功能3.2.2多进制传输基带传输系统多进制传输系统的组成及其特点3.2.1二进制传输基带传输系统下一页上一页返回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CP3.2.1二进制传输基带传输系统下一页上一页返回系统各部分波形如下图所示a:1101011tb:Tbtc:Tbd:tte:cp:Tbt样值：tf:t11011*113.2.2多进制传输基带传输系统下一页上一页返回多进制基带传输系统结构与二进制系统相比较，区别是在于收发两端加二进制和M进制的转换设备和二进制相较，多进制数据传输系统具有以下特点：在码元速率相同的条件下，多进制系统可以实现更高的信息速率在信息速率相同的条件下，有利于提高传输可靠性多进制系统需要维持多个判决电平，在相同信号功率输入时，抵抗噪声干扰的能力较弱，所以此时其系统误码率比二进制大多进制系统设备更复杂3.3无码间干扰的基带传输下一页上一页返回本节内容提要：3.3.1码间干扰及其数学分析3.3.2无码间干扰的传输特性码间干扰的定义码间干扰的数学表达消除码间干扰的时域条件无码间干扰传输的频域条件理想低通传输特性滚降传输特性3.3.1码间干扰及其数学分析下一页上一页返回码间干扰——由于系统的传输特性不理想，致使码元波形畸变，引起前后码元相互干扰的现象理想波形失真后的波形tt发送端波形：0Tb2Tb3Tbt接收端波形：位同步脉冲：t0+Tbt0+2Tbt0+3Tbtt信号样值码间干扰t03.3.1码间干扰及其数学分析下一页上一页返回基带传输系统的简化模型只需要对H(ω)作合理设计，在抽样判决器前就可以得到理想的波形nbnnTtatd)()(理想抽样H(ω)抽样判决噪声位同步脉冲nbnTt)(s(t)d(t)y(t)3.3.1码间干扰及其数学分析下一页上一页返回假设信道噪声为加性噪声记作n(t),经过系统传输后输出为nR(t),则)()()()()()()()()(tnnTthatnnTtathtnthtdtyRnbnRnbnR如果对第k个码元抽样，抽样时刻为t0+kTb，则所得的样值是：nbRbnbkTtnTnkthakTty)(])([)(000改写上式，得：3.3.1码间干扰及其数学分析下一页上一页返回第一项对应第k个码元的样值第三项nR(t0+kTb)是抽样时刻噪声的样值第二项是其它码元在第k个码元抽样时刻的样值即码间干扰knnbRbnkbkTtnTnkthathakTty,0000)(])([)()(通过设计h(t)的波形（即设计系统的传输特性H(ω)）可以实现无码间干扰的传输，典型波形如下图所示ttt0+Tbt0+2Tbt0t0+Tbt0h(t)h(t)3.3.1码间干扰及其数学分析下一页上一页返回经过上面分析，可以得出当h(t)满足下式时就可以消除码间干扰nknkTnkthb01])([0令k-n=k’，因为函数与自变量符号无关，所以把k’记作k，并设传输时延t0=0得到式：0001)(kkkThb3.3.2无码间干扰的传输特性下一页上一页返回1.无码间干扰传输的频域条件传输特性H(ω)和单位冲激响应h(t)是一对傅氏变换对：deHthtj)(21)(当t=kTb时:deHkThbkTjb)(21)(对上式按照ωb=2π/Tb的长度用分段积分的形式表示为:nnnkTjbbbbbbdeHkTh2/2/)(21)(3.3.2无码间干扰的传输特性下一页上一页返回用Hn(ω)表示第n个区间内的H(ω)则:nnnkTjnbbbbbbdeHkTh2/2/)(21)(令ω’=ω-nω，则ω=ω’+nω，dω=dω’，所以:')'(21)(2/2/2'nnkjkTjbnbbbbdeenHkTh2/2/)(21bbbnkTjbndenH2/2/)(21bbbdeHkTjeq3.3.2无码间干扰的传输特性下一页上一页返回nbneqnHH)()(基带传输系统的等效传输特性若Heq(ω)满足理想传输特性，即此时系统的冲激响应满足无码间干扰的时域条件，可实现无码间干扰的传输bbeqTTcH/||0/||)(BN=π/Tb(rad/s)=fb/2(Hz)。奈奎斯特带宽3.3.2无码间干扰的传输特性实例分析——三角传输特性下一页上一页返回H(ω)ωπ/Tb-π/Tb02π/Tb-2π/Tb3π/Tb-3π/TbH1(ω)H0(ω)H-1(ω)11/2-π/TbH1(ω+2π/Tb)ω1/20Heq(ω)π/Tb-π/Tb01H-1(ω-2π/Tb)ωπ/Tb1/20H0(ω)π/Tb-π/Tb011/2ω3.3.2无码间干扰的传输特性下一页上一页返回2．理想低通传输特性当系统的传输特性在奈氏带宽内就是理想低通特