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1、通 信 原 理,张 伟 zhang_,通 信 原 理,1,通 信 原 理,第5章 基带数字信号的 表示与传输,2,数字基带传输系统 数字基带信号的常用码型 数字基带信号的功率谱密度 数字基带传输中的码间串扰 部分响应系统 数字基带传输系统的性能分析 眼图 时域均衡,通 信 原 理,引言,3,通 信 原 理,数字基带传输和频带传输,4,数字基带传输系统：直接传送基带信号,数字频带传输系统：包含了载波调制与解调过程,通 信 原 理,数字基带传输过程,5,基带系统各点波形示意图,通 信 原 理,数字基带信号常用波形(1),6,数字基带信号数字基带信号是指消息代码的电波形，它是用不同的电平或脉冲来表示
2、相应的消息代码。,通 信 原 理,数字基带信号常用波形(2),7,通 信 原 理,数字基带信号常用波形(3),8,用两个二进制位（00,01,10,11），即二个脉冲来代表一个波形，表示四种状态(3E,E,-E,-3E)。如果是八电平码波形，则用三个二进制位(000,001,010,011,100,101,110,111)，即三个脉冲代表一个波形，表示8种状态(如7E,5E,3E,E,-E,-3E,-5E,-7E)。,通 信 原 理,数字基带信号频谱特性(1),9,可以任意假设二进制随机序列，“”码的基本波形为g1(t)，“”码为g2(t)，宽度为Ts。,通 信 原 理,数字基带信号频谱特性(
3、2),10,信号序列可写为,g1(t) 代表符号“”以概率P出现(图中画出波形为三角)。 g2(t) 代表符号“”，以概率(1-P)出现( 图中画出波形为半圆)。 g1、g2 可为任意脉冲波形，互为统计独立。 Ts为 码元宽度。,通 信 原 理,数字基带信号频谱特性(3),11,可把s(t)分解成稳态波v(t)和交变波u(t) 。 所谓稳态波，即随机序列s(t)的统计平均分量。它取决于每个码元内出现g1(t)和g2(t) 的概率加权平均，因此稳态波可表示成,交变波u(t)是s(t)与v(t)之差，即,通 信 原 理,数字基带信号频谱特性(4),12,于是式中 或写成其中,通 信 原 理,数字基
4、带信号频谱特性(5),13,功率谱的原始定义为：,可证，数字基带信号s(t)的功率谱密度(二进制随机脉冲序列的功率谱密度 )为交变波u(t)和稳态波v(t)的功率谱之和,通 信 原 理,数字基带信号频谱特性(6),14,通 信 原 理,数字基带信号频谱特性(6),15,稳态波v(t) 的功率谱稳态波是以Ts为周期的周期信号，每个码元都相同，其第n个码元波形为v(t)=vn(t) 可以展成傅氏级数系数,通 信 原 理,数字基带信号频谱特性(7),16,作变量代换，令,把Cm代回v(t)表达式得,通 信 原 理,数字基带信号频谱特性(8),17,交变波u(t) 的功率谱其傅立叶变换为,通 信 原
5、理,数字基带信号频谱特性(9),18,当n=k时,通 信 原 理,数字基带信号频谱特性(9),19,当nk时,通 信 原 理,数字基带信号频谱特性(10),20,总的功率谱由v(t)的功率谱和u(t)的功率谱相加,通 信 原 理,数字基带信号频谱特性(11),21,单极性不归零码,付立叶变换,付立叶变换,通 信 原 理,数字基带信号频谱特性(12),22,通 信 原 理,数字基带信号频谱特性(13),23,通 信 原 理,数字基带信号频谱特性(14),24,通 信 原 理,数字基带信号频谱特性(15),25,单极性归零码,付立叶变换,付立叶变换,通 信 原 理,数字基带信号频谱特性(16),2
6、6,通 信 原 理,数字基带信号频谱特性(17),27,通 信 原 理,数字基带信号频谱特性(18),28,通 信 原 理,数字基带信号频谱特性(19),29,双极性不归零码,付立叶变换,付立叶变换,通 信 原 理,数字基带信号频谱特性(20),30,通 信 原 理,数字基带信号频谱特性(21),31,通 信 原 理,数字基带信号频谱特性(22),32,双极性归零码,付立叶变换,付立叶变换,通 信 原 理,数字基带信号频谱特性(23),33,通 信 原 理,常用线路码型(1),34,基带信号是代码的一种电表示形式。在实际的基带传输系统中，并不是所有的基带电波形都能在信道中传输。归纳起来，对传输
7、用的基带信号的主要要求有两点： （1）对各种代码的要求，期望将原始信息符号编制成适合于传输用的码型；传输码型的选择；（2）对所选码型的电波形要求，期望电波形适宜于在信道中传输。基带脉冲的选择。,通 信 原 理,常用线路码型(2),35,线路码型的设计原则,对于低频受限信道，线路码型中不应含直流分量，同时低频分量少 尽量减少基带信号中的高频分量，节省频带 便于在接收端提取位定时(符号同步，时钟分量) 传输码经过简单的非线性变换后能产生离散时钟分量 传输码的功率谱特性尽量不受信源统计特性的影响，便于收端定时恢复 便于实时监测传输系统的信号质量(具有内在的检错能力) 避免出现误码扩散现象 尽量提高线
8、路码型的编码效率 编译码尽量简单,通 信 原 理,常用线路码型(3),36,AMI码：传号交替反转码 编码规则：“1”交替地变换为“+1”和“-1”，“0”保持不变 采用归零码，脉冲宽度为码元宽度之半,A MI码,+1,0 0 0 0 0 0 0 -1 +1 0 0 0 0 0 0 -1,0,-1,+1,信号波形,通 信 原 理,常用线路码型(4),37,AMI 主瓣占81%的能量，92%的能量在2fs内,通 信 原 理,常用线路码型(5),38,HDB3码：三阶高密度双极性码 “1”交替地变换为1与1的半占空归零码，但连“0”数小于或者等于3。 当连“0”数等于4时，用取代节“000V”或者
9、“B00V”代替。 编码规则： 将二进制信息变为AMI码； 将连“0”按每4个一组进行划分； 将4个连“0”用“000V”或“B00V”取代，“V”的极性与前一个非零符号的极性相同；同时保证相邻的“V”也满足极性交替反转特性； 重新调整取代节之后的”1”符号的交替变化极性。 优点： 保持了AMI码的优点 定时提取方便,通 信 原 理,常用线路码型(6),39,+1,+V,0,-1,+1,0 0 0 -1 +1,0 0 -1,-V,-B 0 0,0 0 0,HDB3码,信号波形,通 信 原 理,常用线路码型(7),40,+1,-V,0,-1,+1,0 0 0,0 0,+V,+B 0 0,-B 0
10、 0,HDB3码,+1,-1,-1,译码方法：将取代节变为“0000”，然后整流。,1 0 1 1,bn,0 0 0 0,0 0 0 1 1,0 0 0 0,0 0 1,通 信 原 理,常用线路码型(8),41,HDB3,通 信 原 理,常用线路码型(9),42,数字双相码又称曼彻斯特（Manchester）码。它用一个周期的正负对称方波表示“0”，而用其反相波形表示“1”。,编码规则之一是： “0”码用“01”两位码表示， “1”码用“10 ”两位码表示，例如：代码： 1 1 0 0 1 0 1双相码： 10 10 01 01 10 01 10,通 信 原 理,常用线路码型(10),43,通
11、 信 原 理,常用线路码型(11),44,Manchester(分相码、双相码) 主瓣占89%的能量,通 信 原 理,常用线路码型(12),45,CMI码（Code Mark Inverse,传号反转码） 1用“11”“00”交替表示；0用“01”表示。,通 信 原 理,常用线路码型(13),46,CMI 连续谱能量的80%在Rb内，90%在1.5Rb内,通 信 原 理,常用线路码型(14),47,密勒码（延迟调制码）密勒(Miller)码是双相码的一种变形。编码规则如下： “1”码用码元间隔中心点出现跃变来表示，即用“10 ”或“01 ”表示。“0 ”码有两种情况：单个“0 ”时，在码元间隔
12、内不出现电平跃变，且与相邻码元的边界处也不跃变，连“0 ”时，在两个“0 ”码的边界处出现电平跃变， 即“00 ”与“11 ”交替。若两个“1 ”码中间有一个“0 ”码时，密勒码流中出现最大宽度为2Ts的波形，即两个码元周期。这一性质可用来进行宏观检错。,通 信 原 理,常用线路码型(15),48,(a) 双相码； (b) 密勒码； (c) CMI码,通 信 原 理,常用线路码型(16),49,延迟调制码 能量的80%在0.65Rb内，90%在1.5Rb内,通 信 原 理,常用线路码型(16),50,nBmB码nBmB码是把原信息码流的n位二进制码作为一组，编成m位二进制码的新码组。由于mn，
13、新码组可能有2m种组合，故多出(2m-2n)种组合。从中选择一部分有利码组作为可用码组，其余为禁用码组，以获得好的特性。在光纤数字传输系统中，通常选择mn+1，有1B2B码、2B3B、3B4B码以及5B6B码等。,通 信 原 理,数字基带信号传输与码间串扰(1),51,通 信 原 理,数字基带信号传输与码间串扰(2),52,误码是由接收端抽样的错误判决造成的，主要原因：1.码间串扰2.信道的加性噪声,通 信 原 理,数字基带信号传输与码间串扰(3),53,数字基带信号传输的定量分析,通 信 原 理,数字基带信号传输与码间串扰(4),54,设 时刻的值为第k个码元的最大值,通 信 原 理,数字基
14、带信号传输与码间串扰(5),55,通 信 原 理,数字基带信号传输与码间串扰(6),56,忽略噪声的影响，,通 信 原 理,数字基带信号传输与码间串扰(7),57,Inter-Symbol Interference,通 信 原 理,数字基带信号传输与码间串扰(8),58,周期函数，周期2/Ts,通 信 原 理,数字基带信号传输与码间串扰(9),59,无ISI干扰条件(奈奎斯特第一准则),通 信 原 理,数字基带信号传输与码间串扰(10),60,讨论：三种情况，设W为H(f)的截止频率，Ts为码元间隔 Case 1:由于：则 是 的非重叠复制品，周期为Ts:,W,-W,fs+W,fs-W,f,f
15、s,通 信 原 理,数字基带信号传输与码间串扰(11),61,Case 2：则有：此时只有一种情况满足无ISI条件，即系统的等效传输特性为一理想低通滤波器。,-W,W=fs/2,f,fs,通 信 原 理,数字基带信号传输与码间串扰(12),62,Case 3：,-W,W,f,fs,通 信 原 理,数字基带信号传输与码间串扰(13),63,理想低通型无ISI波形,通 信 原 理,数字基带信号传输与码间串扰(14),64,通 信 原 理,数字基带信号传输与码间串扰(15),65,如果按Rs=1/Ts 的速率发送符号，接收到的波形峰值上不会发生ISI，因此可以将对每个符号的抽样判决时刻确定在这一点。, 奈奎斯特带宽, 奈奎斯特速率,结论：如果基带传输系统具有理想的低通滤波器特性，最高截止频率为W(Hz)，则该系统无符号间干扰的最高传输速率是2W波特。,理想极限, 奈奎斯特间隔,通 信 原 理,数字基带信号传输与码间串扰(16),66,无ISI理想低通滤波器存在的问题,通 信 原 理,数字基带信号传输与码间串扰(17),67,原来问题出在这里,
