通信原理第4章數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸課件

1、1、為什么進(jìn)行調(diào)制、調(diào)制的概念、模擬調(diào)制的分類(lèi)；第三章 小 結(jié)2、振幅調(diào)制AM的時(shí)域（調(diào)制原理）、頻域表示、帶寬、平均功率、調(diào)制效率、解調(diào)；3、DSB的時(shí)域（調(diào)制原理）、頻域表示、帶寬、平均功率、 調(diào)制效率、解調(diào)；4、SSB的時(shí)域（調(diào)制原理）、頻域表示、帶寬、平均功率、 調(diào)制效率、解調(diào)；（VSB）5、抗噪聲性能（1）相干解調(diào)輸出端的信噪比（AM、DSB、SSB）（2）非相干解調(diào)輸出端的信噪比（AM）：大輸入信噪比與小輸入信噪比6、角度調(diào)制的原理（頻率與相位調(diào)制） 調(diào)頻信號(hào)帶寬7、模擬調(diào)制系統(tǒng)的性能比較：有效性和可靠性第4章數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸 4.1 常用數(shù)字基帶信號(hào) 4.2 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)

2、4.3 無(wú)碼間串?dāng)_的數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng) 4.4 部分響應(yīng)系統(tǒng) 4.6 眼圖 4.7 時(shí)域均衡原理 4.1 數(shù)字基帶信號(hào)基帶傳輸系統(tǒng)：不使用載波調(diào)制解調(diào)裝置，而直 接傳送基帶信號(hào)的系統(tǒng)頻帶傳輸系統(tǒng)：包括調(diào)制、解調(diào)的傳輸系統(tǒng)。數(shù)字基帶信號(hào)：未經(jīng)過(guò)調(diào)制的數(shù)字信號(hào)。數(shù)字頻帶信號(hào)：經(jīng)過(guò)調(diào)制的數(shù)字信號(hào)。數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)模型信道信號(hào)形成器（發(fā)送濾波器）：將原始基帶信號(hào) 變換成適合信道傳輸?shù)哪撤N脈沖波形。 變換：波形變換與碼型變換信道編碼脈沖調(diào)制信宿信源譯碼信道譯碼檢測(cè)解調(diào)帶通調(diào)制信道比特流數(shù)字基帶信號(hào)數(shù)字帶通信號(hào)干擾與噪聲波形或數(shù)據(jù)脈沖調(diào)制檢測(cè)數(shù)字通信系統(tǒng)一般模型模擬信源抽樣量化編碼數(shù)字信號(hào)基帶系統(tǒng)幾個(gè)波形示

3、意圖 4.2 波形及傳輸碼型一、數(shù)字基帶信號(hào)常用波形常用數(shù)字基帶信號(hào)的波形單極性不歸零碼NRZ雙極性不歸零碼NRZ單極性歸零碼雙極性歸零碼差分碼多元碼單極性不歸零有豐富的低頻乃至直流分量每個(gè)“1”和“0”相互獨(dú)立，無(wú)錯(cuò)誤檢測(cè)能力單極性碼傳輸時(shí)需要信道一端接地，不能用兩根芯線均不接地的電纜傳輸接收單極性碼，判決電平A/2，信道衰減，不存在最佳判決電平只適合用導(dǎo)線連接的各點(diǎn)之間做近距離傳輸，如印刷電路內(nèi)、機(jī)箱內(nèi)。1101010ATb2Tb3Tb4Tb5Tb6Tbt單極性不歸零NRZ1101010A雙極性不歸零NRZTb2Tb3Tb4Tb5Tb6Tbt-A無(wú)直流可在不需要接地的電纜中傳輸判決電平0，

4、最佳判決門(mén)限不能提取位定時(shí)信息雙極性不歸零單極性歸零所謂歸零，是指信號(hào)電壓在一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間的中間回到0值，換句話，信號(hào)脈沖寬度小于碼元寬度。占空比：/Tb可直接提取位定時(shí)信息，是其它信號(hào)提取同步信號(hào)需要的一種過(guò)渡碼型1101010ATb2Tb3Tb4Tb5Tb6Tbt單極性歸零RZ雙極性歸零占空比：/Tb相鄰脈沖間必有零電位區(qū)域存在。因此，在接收端根據(jù)接收波形歸于零電平便知1比特信息已收畢，以準(zhǔn)備下一比特信息的接收?？梢哉J(rèn)為正負(fù)脈沖的前沿起了啟動(dòng)信號(hào)的作用，后沿起了終止信號(hào)的作用。因此，可以經(jīng)常保持正確的比特同步。即收發(fā)之間無(wú)須特別的定時(shí)，且各符號(hào)獨(dú)立的構(gòu)成起止方式，叫自同步方式。11010

5、10ATb2Tb3Tb4Tb5Tb6Tbt-A雙極性歸零RZ差分碼NRZ(M)：傳號(hào)差分，1相鄰碼元電平極性改變； 0相鄰碼元電平極性不改變NRZ(M)(單極性）1101010ATb2Tb3Tb4Tb5Tb6TbtNRZ(S)(單極性）0101010ATb2Tb3Tb4Tb5Tb6TbtNRZ(S)：空號(hào)差分，1相鄰碼元電平極性不改變； 0相鄰碼元電平極性改變碼型波形與碼元本身極性無(wú)關(guān)接收端收到的碼元極性與發(fā)送端的完全相反，也能正確地進(jìn)行判決。多元碼111001+A-A4電平波形+3A-3A10000101多個(gè)二進(jìn)制符號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖碼元波形與二元碼傳輸相比，在碼元速率相同的情況下，它們的傳輸帶

6、寬是相同的，但多元碼的信息傳輸速率是二元碼的log2M倍。P77 MATLAB仿真例題1 已知消息代碼為 1110 0101，試以矩形脈沖為例畫(huà)出它的單極性不歸零碼、雙極性不歸零碼、單極性歸零碼和雙極性歸零碼的波形圖。 習(xí)題4-1二、數(shù)字基帶信號(hào)常用碼型碼型變換：消息碼變成適合信道傳輸?shù)膫鬏敶a（線路碼）傳輸碼的結(jié)構(gòu)取決于實(shí)際信道特性與系統(tǒng)工作條件，傳輸碼的結(jié)構(gòu)應(yīng)具有以下特性：(1) 能從相應(yīng)的基帶信號(hào)中獲取信息；(2) 不受信源統(tǒng)計(jì)特性的影響，能適應(yīng)信源變化；(3) 相應(yīng)的基帶信號(hào)無(wú)直流成分和只有很小的低頻成分；(4) 提高傳輸碼型的傳輸效率；(5) 具有內(nèi)在的檢錯(cuò)能力。實(shí)際系統(tǒng)中使用的碼型有

7、很多種，我們僅介紹常用的幾種。1、AMI碼 （傳號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼）（極性交替碼） 編碼規(guī)則： 代碼 0 仍變換為傳輸碼的0； 代碼 1 交替地變換為傳輸碼的+1，-1，+1，-1由一個(gè)二進(jìn)制符號(hào)序列變成一個(gè)三進(jìn)制符號(hào)序列。 二進(jìn)制數(shù)據(jù)1-10100-10Tb2Tb3Tb4Tb5Tb6Tb7TbAMI碼信號(hào)波形11010010優(yōu)點(diǎn)：是一種基本的線路碼，無(wú)直流成分，低頻分量較小，編譯碼電路簡(jiǎn)單，便于觀察誤碼。缺點(diǎn)：可能出現(xiàn)長(zhǎng)的連0串,不便于提取定時(shí)信號(hào)。2、HDB3 碼 可看作是AMI碼的一種改進(jìn)型，全稱(chēng)是三階高密度 雙極性碼。 三階高密度是指連0個(gè)數(shù)最多不超過(guò)3個(gè)。 使用這種碼型的目的是解決信息碼中

8、出現(xiàn)連“0”串時(shí)所帶來(lái)的問(wèn)題。編碼規(guī)則：P75HDB3碼信息序列前一破壞點(diǎn)為V+且相鄰V符號(hào)間有偶數(shù)個(gè)1信息序列前一破壞點(diǎn)為V+且至第一個(gè)1之間有奇數(shù)個(gè)1101100000001110000001-1010000000-11000000-1AMI:1-101000V+000-11B-00V-001HDB3:101100000001010000001-1010000000-100000001AMI:1-101000V+000-100V-00001HDB3:檢查所編HDB3碼是否正確的方法：檢查V符號(hào)：是否每4個(gè)連“0”串的第四個(gè)0都換成了V，V符號(hào)的極性是否和前一非0符號(hào)同極性；相鄰V的極性是否

9、符合交替反轉(zhuǎn)規(guī)律；將已編HDB3碼中的V暫時(shí)取下，然后觀察剩下碼字是否符合正負(fù)極性交替變化。有檢錯(cuò)能力無(wú)直流分量解決了連“0”時(shí)位定時(shí)信息提取困難B碼和V碼各自保持極性交替變化，以確保無(wú)直流分量可能存在誤碼擴(kuò)散的問(wèn)題CCITT推薦使用的碼型之一HDB3碼例題4-2-13、雙相碼（曼徹斯特碼） 是對(duì)每個(gè)二進(jìn)制代碼分別利用兩個(gè)具有2個(gè)不同相位的二進(jìn)制新碼去取代的碼。 編碼規(guī)則：0-01（0相位的一個(gè)周期的方波）1-10（相位的一個(gè)周期的方波）1正負(fù)脈沖表示（10）0負(fù)正脈沖表示（01）0正負(fù)脈沖表示（10）1負(fù)正脈沖表示（01）或111010Tb2Tb3Tb4Tb5Tb6Tb0 1 0 1 0 1

10、 1 0 0 1 1 0曼徹斯特碼二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號(hào)波形無(wú)直流，正負(fù)電平各占一半00 11是禁用碼組，這樣就不會(huì)出現(xiàn)3個(gè)或更多的連碼(電平無(wú)跳變的最長(zhǎng)時(shí)間為一個(gè)碼元寬度)，因此，可實(shí)現(xiàn)宏觀檢錯(cuò)。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)是用頻帶加倍來(lái)?yè)Q取的。適用于數(shù)據(jù)終端短距離傳輸，在本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)中采用該碼作為傳輸碼型，最高信息速率10M。雙相碼（曼徹斯特碼）特點(diǎn)4、Miller(密勒）碼（延遲調(diào)制碼）是雙相碼的一種變形編碼規(guī)則： 1碼用碼元持續(xù)時(shí)間中心點(diǎn)出現(xiàn)躍變來(lái)表示，即用 “10”或“01”表示 0碼分兩種情況處理：對(duì)于單個(gè)0時(shí)，在碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)不出現(xiàn)躍變，且與相鄰碼元的邊界處也不躍變； 對(duì)于連0時(shí)，在兩個(gè)0碼的邊界出現(xiàn)電平躍變

11、，即“00”與“11”交替。1碼元周期中點(diǎn)出現(xiàn)電平跳變表示，即用10或010單個(gè)0：在碼元周期中點(diǎn)不出現(xiàn)跳變，且與相鄰碼元的邊界也不跳變 連0：在前一個(gè)0結(jié)束時(shí)刻出現(xiàn)跳變，即00與11交替電平無(wú)跳變的最大間隔為2個(gè)碼元周期（101），最小一個(gè)碼元周期，這個(gè)特點(diǎn)可以用于檢錯(cuò)。密勒碼(Miler)11010011Tb2Tb3Tb4Tb5Tb6Tb7Tb2Tb0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號(hào)波形5、CMI碼（傳號(hào)反轉(zhuǎn)碼）編碼規(guī)則： 1碼交替用“11”和“00”表示，或是交替用正負(fù)電壓表示； 0碼用“01”表示。傳號(hào)反轉(zhuǎn)碼CMI1交替變化的持續(xù)一個(gè)周期的正負(fù)

12、電平表示0分別持續(xù)半個(gè)碼元的負(fù)正電平組合表示傳號(hào)反轉(zhuǎn)碼(CMI)1101001Tb2Tb3Tb4Tb5Tb6Tb7Tb1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號(hào)波形無(wú)直流分量，位定時(shí)信息豐富具有檢錯(cuò)能力：因?yàn)?交替用00、11表示，0固定用01表示，因此，不會(huì)出現(xiàn)三個(gè)以上的連碼，因此可作為宏觀檢錯(cuò)。例題2、已知信息碼為 110000 110000 11，求相應(yīng)的AMI碼、HDB3碼？例題3、已知信息碼為 101 000 000 000 11，求相應(yīng)的AMI碼、HDB3碼？練習(xí) 4-6 4-74.3 數(shù)字基帶信號(hào)的功率譜4.4 數(shù)字基帶信號(hào)傳輸與碼間干擾數(shù)字通信系統(tǒng)的質(zhì)

13、量指標(biāo)：傳輸速率誤碼率當(dāng)信道條件一定，速率越高，誤碼率越大誤碼產(chǎn)生的原因：噪聲碼間串?dāng)_基帶成形網(wǎng)絡(luò)h(t) H() 發(fā)送濾波器信道接收濾波器抽樣判決器干擾線路編碼窄脈沖生成器線路解碼數(shù)字信息數(shù)字信息x(t)r(t)abc數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)模型線路編碼：將原始數(shù)字信息編制成適合于傳輸用的碼型(又稱(chēng)線路碼)；窄脈沖生成器：用位定時(shí)窄脈沖控制基帶信號(hào)周期；發(fā)送濾波器(信道信號(hào)形成器或成形濾波器)：把線路碼元映射到適合于信道傳輸?shù)幕鶐盘?hào)波形上。接收濾波器：濾出帶外噪聲，對(duì)信道特性進(jìn)行均衡處理，使輸出的基帶波形有利于抽樣判決；抽樣判決器：在位定時(shí)脈沖控制下對(duì)接收濾波器的輸出波形進(jìn)行抽樣、判決，恢復(fù)或再生

14、基帶信號(hào)；同步提?。簭慕邮諡V波器的輸出波形中提出位定時(shí)時(shí)鐘?；鶐盘?hào)傳輸系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型碼間干擾：信號(hào)經(jīng)基帶系統(tǒng)傳輸后，其波形在時(shí)域上必定是無(wú)限延伸。這樣，前面的碼元對(duì)后面的若干碼元就會(huì)造成不良影響。 信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中不可避免地還要疊加信道噪聲，所以，當(dāng)噪聲幅度過(guò)大時(shí)，將會(huì)引起接收端的判斷錯(cuò)誤。碼間干擾概念1碼Ts1碼TsTs/2TsTs/2t1t1+Tsabcd碼型變換波形變換抽樣判決信道傳輸如果波形失真比較嚴(yán)重，可能出現(xiàn)前面幾個(gè)碼元同時(shí)串到后面，對(duì)后面某個(gè)碼元的抽樣判決產(chǎn)生不利影響。這就是碼間串?dāng)_。碼間串?dāng)_嚴(yán)重時(shí)，會(huì)出現(xiàn)誤碼。Ts1110a3a2a1a4a1+a2+a3+a40判1a1+a

15、2+a3+a4Vd)=x(t) 的概率密度曲線 基帶傳輸系統(tǒng)總的誤碼率可表示為 Pe=P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0)在A和n2一定的條件下，可以找到一個(gè)使誤碼率最小的判決門(mén)限電平，這個(gè)門(mén)限電平稱(chēng)為最佳門(mén)限電平。當(dāng)最佳門(mén)限電平當(dāng)P(0)=P(1)=1/2,最佳門(mén)限電平為0。 單極性碼的誤碼率對(duì)于單極性基帶信號(hào)，基帶系統(tǒng)的輸出為在峰值A(chǔ)和噪聲n2相同的條件下，單極性基帶系統(tǒng)的抗噪聲性能不如雙極性基帶系統(tǒng)。單極性雙極性AMI碼的譯碼誤碼率練習(xí)：4-21 4-22單極性雙極性4.8 眼 圖用實(shí)驗(yàn)的方法估計(jì)系統(tǒng)性能。具體做法是： 將待測(cè)的基帶信號(hào)加到示波器的輸入端，同時(shí)把位定時(shí)信號(hào)作為掃描同

16、步信號(hào)。 示波器對(duì)基帶信號(hào)的掃描周期嚴(yán)格與碼元周期同步，各碼元的波形就會(huì)重疊起來(lái)。 對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，這個(gè)圖形與人眼相像，所以稱(chēng)為“眼圖”。眼圖功能：可以估計(jì)出系統(tǒng)的性能（碼間串?dāng)_和噪聲的大小），也可以用眼圖對(duì)接受濾波器的特性加以調(diào)整，以減小碼間干擾和改善系統(tǒng)的傳輸性能。雙極性二元碼的的波形及眼圖沒(méi)有失真的波形有失真的波形眼圖的“眼睛”張開(kāi)得越大，且眼圖越端正，表示碼間干擾越小, 反之，表示碼間串?dāng)_越大。 當(dāng)存在噪聲時(shí)，眼圖的線跡變成了比較模糊的帶狀的線。注意從圖形上并不能觀察到隨機(jī)噪聲的全部形態(tài)，只能大致估計(jì)噪聲的強(qiáng)弱。 眼圖可以定性反映碼間干擾的大小和噪聲的大小。眼圖照片圖(a)是在幾乎

17、無(wú)噪聲和無(wú)碼間干擾下得到的，圖(b)則是在一定噪聲和碼間干擾下得到的。 眼圖的模型 由眼圖可以獲得的信息是： (1)最佳抽樣時(shí)刻應(yīng)是“眼睛”張開(kāi)最大的時(shí)刻； (2)眼圖斜邊的斜率決定了系統(tǒng)對(duì)抽樣定時(shí)誤差 的靈敏程度：斜率越大，對(duì)定時(shí)誤差越靈敏； (3)圖的陰影區(qū)的垂直高度表示信號(hào)的失真范圍； (4)圖中央的橫軸位置對(duì)應(yīng)于判決門(mén)限電平； (5)抽樣時(shí)刻上, 上下兩陰影區(qū)的間隔距離之半為噪聲的容限, 噪聲瞬時(shí)值超過(guò)它就可能發(fā)生錯(cuò)誤判決； 4.9 時(shí)域均衡器 理論上存在理想的基帶傳輸特性，但實(shí)際中，由于設(shè)計(jì)誤差以及信道特性（參數(shù)）的變化，總是存在一定的碼間干擾。問(wèn)題的提出 在基帶系統(tǒng)中插入一種可調(diào)(

18、也可不調(diào))濾波器,將能減小碼間干擾的影響。這種起補(bǔ)償作用的濾波器統(tǒng)稱(chēng)為均衡器。均衡器：自動(dòng)調(diào)整適應(yīng)信道變化。按研究的角度或領(lǐng)域，分為： 頻域均衡器（校正頻率）、時(shí)域均衡器（校正畸變波形）、固定均衡、可變均衡如何解決(1) 時(shí)域均衡： 改善系統(tǒng)沖激響應(yīng)h(t)的波形，基本滿(mǎn)足碼間無(wú)干擾的條件。(2) 頻域均衡： 改善系統(tǒng)的傳輸函數(shù)H()，基本滿(mǎn)足碼間無(wú)干擾的條件。 設(shè)計(jì)最佳的有限濾波器較難，一般利用可調(diào)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)，最有用的可調(diào)網(wǎng)絡(luò)形式是橫向?yàn)V波器。該網(wǎng)絡(luò)是由無(wú)限多的按橫向排列的延遲單元及抽頭系數(shù)（可調(diào)）組成。功能：將輸入端（接收濾波器的輸出端）抽樣時(shí)刻上有碼間干擾的響應(yīng)波形變換成抽樣時(shí)刻上無(wú)碼間干擾的響應(yīng)波形。使相鄰碼元產(chǎn)生的干擾減小或消除。 橫向?yàn)V波器的特性完全取決于各抽頭系數(shù)，只要用無(wú)限長(zhǎng)的橫向?yàn)V波器，在理論上是可以做到消除碼間干擾。 使橫向?yàn)V