第三章數(shù)據(jù)信號基帶傳輸

第三章數(shù)據(jù)信號基帶傳輸結(jié)束放映學(xué)習(xí)目錄學(xué)習(xí)要求內(nèi)容簡介作者：蔣占軍內(nèi)容簡介——基帶傳輸是數(shù)據(jù)通信中的基本傳輸方式，數(shù)據(jù)終端只要經(jīng)過簡單的電平和碼型變換后就可以在信道中直接傳輸，主要應(yīng)用在局域網(wǎng)等短距離的數(shù)據(jù)傳輸中。——本章主要介紹基帶信號的特性，基帶傳輸系統(tǒng)的組成，無碼間干擾傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以及部分響應(yīng)、時(shí)域均衡以及數(shù)據(jù)擾碼等提高系統(tǒng)傳輸性能的技術(shù)。返回結(jié)束學(xué)習(xí)要求1.掌握基帶信號的常用碼型的特點(diǎn)。2.了解基帶信號的頻譜結(jié)構(gòu)3.

掌握基帶傳輸系統(tǒng)的組成。4.

掌握碼間干擾的概念以及無碼間干擾傳輸?shù)臈l件。5.了解基帶傳輸系統(tǒng)的性能。6.

了解眼圖的功能。7.

掌握部分響應(yīng)、時(shí)域均衡以及數(shù)據(jù)加擾的基本原理返回結(jié)束學(xué)習(xí)目錄返回3.1數(shù)據(jù)基帶信號分析3.2基帶傳輸系統(tǒng)組成3.3無碼間干擾的基帶傳輸系統(tǒng)3.4眼圖3.5基帶傳輸系統(tǒng)性能分析3.6改善系統(tǒng)性能的幾個(gè)措施

結(jié)束3.1數(shù)據(jù)基帶信號本節(jié)內(nèi)容提要：基帶傳輸中設(shè)計(jì)或選擇信號碼型對時(shí)的要求：

不含直流分量，且高頻分量和低頻分量要少

便于定時(shí)于同步信息地提取

編碼方案對信源透明

碼型具有一定抗噪聲性能

碼型具有較高的編碼

碼型沒有或者只有很小的誤碼增值

碼型變換設(shè)備要簡單可靠

本節(jié)將介紹NRZ碼、雙極性碼、RZ碼、雙極性歸零碼、雙相碼、

AMI碼、HDB3碼等碼性的編碼規(guī)則、頻譜組成、特點(diǎn)及應(yīng)用等3.1.1常用基帶信號

編碼規(guī)則：高電平表示1碼，零電平表示0碼；波形如下：1.單極性不歸零(NRZ)碼

特點(diǎn)及應(yīng)用：

發(fā)送能量大有利于提高收端信噪比

帶寬窄但直流和低頻成分大；

不能提取同步信息

判決電平不易穩(wěn)定

一般用于設(shè)備內(nèi)部和短距離通信中。3.1.1常用基帶信號

編碼規(guī)則：高電平表示1碼，零電平表示0碼；電平的持續(xù)時(shí)間τ比碼元周期Tb小，其波形如下：2.單極性歸零(RZ)碼

特點(diǎn)及應(yīng)用：

具有單極性碼的大多特點(diǎn)但帶寬增大，

可以直接提取同步信息

一般用于設(shè)備內(nèi)部和短距離通信中。

占空比：τ/Tb

，典型的取值是τ/Tb=50%3.1.1常用基帶信號

編碼規(guī)則：用高電平表示“1”，低電平表示“0”，3.雙極性歸零碼

特點(diǎn)及應(yīng)用：

發(fā)送能量大有利于提高收端信比

無直流但低頻成份大

不能提取同步信

判決電平容易穩(wěn)定，無需線路接地3.1.1常用基帶信號

編碼規(guī)則：用高電平表示“1”，低電平表示“0”，電平的持續(xù)時(shí)間

τ比碼元周期Tb小，其波形如下：4.雙極性不歸零碼

特點(diǎn)及應(yīng)用：

具有雙極性碼的優(yōu)點(diǎn)

比較容易提取同步信息

占空比：τ/Tb

，典型的取值是τ/Tb=50%3.1.1常用基帶信號

編碼規(guī)則：差分碼是用相鄰兩個(gè)電平變化與否表示“1”和“0”，所以又稱為相對碼記作bn

5.差分碼

特點(diǎn)及應(yīng)用：

即使傳輸過程中所有電平都發(fā)生了反轉(zhuǎn)，接收端仍能正確判決

是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的一種常用碼型3.1.1常用基帶信號

編碼規(guī)則：“1”用高低電平交替表示，“0”用零電平表示6.極性交替碼(AMI碼)

特點(diǎn)及應(yīng)用：

不包含直流分量，低頻分量也很少

比較容易提取同步信息3.1.1常用基帶信號7.三階高密度雙極性碼(HDB3)

特點(diǎn)及應(yīng)用：

具有AMI碼的所有優(yōu)點(diǎn)

編譯碼電路較復(fù)雜

編碼規(guī)則：

B碼(1碼以及補(bǔ)救脈沖)用高低電平交替表示

V碼(破壞脈沖)極性交替，且與其前面第一個(gè)B碼極性相同；3.1.1常用基帶信號

編碼規(guī)則：“1”用高低電平表示，“0”用低高電平表示；8.曼徹斯特碼

特點(diǎn)及應(yīng)用：

不含直流分量，定時(shí)信息豐富

具有編碼冗余

極性反轉(zhuǎn)時(shí)會引起譯碼錯(cuò)誤3.1.1常用基帶信號

編碼規(guī)則：n個(gè)二進(jìn)制碼元(比特)用m個(gè)二進(jìn)制碼元(比特)編碼9.nB/mB碼

特點(diǎn)及應(yīng)用：

具有差分碼的特點(diǎn)

比較容易提取同步信息3.1.2基帶信號的頻譜1.數(shù)字基帶信號的一般表達(dá)式

數(shù)字信號的波形如下圖所示，假設(shè)“1”用g1(t)表示，“0”用g2(t)表示

假設(shè)在一個(gè)碼元周期Tb內(nèi)“1”出現(xiàn)的概率為P，“0”出現(xiàn)的概率為1-P，3.1.2基帶信號的頻譜

其中an是第n個(gè)脈沖的相對幅度，其取值與所用碼型有關(guān)，

對于雙極性信號：

對于單極性信號有：3.1.2基帶信號的頻譜2.信號對應(yīng)的功率譜fb=1/Tb，數(shù)值上等于碼元速率RB

G1(f)和G2(f)分別為g1(t)和g2(t)的傅氏變換式中的第一項(xiàng)表示連續(xù)譜，由其可以確定信號的帶寬第二項(xiàng)是離散譜，由其可以判斷信號有無直流分量以及是否包含同步信息3.1.2基帶信號的頻譜

部分碼型的功率譜結(jié)構(gòu)如下圖所示：(a)單極性碼(b)單極性歸零碼(c)AMI碼和HDB3碼(d)雙極性碼

3.2基帶傳輸系統(tǒng)的組成本節(jié)內(nèi)容提要：3.2.1二進(jìn)制傳輸基帶傳輸系統(tǒng)二進(jìn)制傳輸系統(tǒng)的組成以及各組成部分的功能3.2.2多進(jìn)制傳輸基帶傳輸系統(tǒng)多進(jìn)制傳輸系統(tǒng)的組成及其特點(diǎn)

3.2.1二進(jìn)制傳輸基帶傳輸系統(tǒng)

碼型變換器是將數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成更適合于信道傳輸?shù)拇a型發(fā)送濾波器進(jìn)行信號波形轉(zhuǎn)換接收濾波器完成抑制帶外噪聲、均衡信號波形等功能，使其輸出波形更有利于抽樣判決同步系統(tǒng)作用是通過特定方法提取同步信息，并產(chǎn)生同步控制信號抽樣判決器是在位同步脈沖的控制下對信號波形抽樣，并按照特定碼型的判決規(guī)則恢復(fù)原始數(shù)據(jù)信號

3.2.1二進(jìn)制傳輸基帶傳輸系統(tǒng)

系統(tǒng)各部分波形如下圖所示3.2.2多進(jìn)制傳輸基帶傳輸系統(tǒng)

多進(jìn)制基帶傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)二進(jìn)制系統(tǒng)相比較，區(qū)別實(shí)在于收發(fā)兩端加二進(jìn)制和M進(jìn)制的轉(zhuǎn)換設(shè)備和二進(jìn)制相較，多進(jìn)制數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：在碼元速率相同的條件下，多進(jìn)制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更高的信息速率在信息速率相同的條件下，有利于提高傳輸可靠性多進(jìn)制系統(tǒng)需要維持多個(gè)判決電平，在相同信號功率輸入時(shí)，抵抗噪聲干擾的能力較弱，所以此時(shí)其系統(tǒng)誤碼率比二進(jìn)制大多進(jìn)制系統(tǒng)設(shè)備更復(fù)雜

3.3無碼間干擾的基帶傳輸本節(jié)內(nèi)容提要：3.3.1碼間干擾及其數(shù)學(xué)分析

3.3.2無碼間干擾的傳輸特性

碼間干擾的定義碼間干擾的數(shù)學(xué)表達(dá)消除碼間干擾的時(shí)域條件

無碼間干擾傳輸?shù)念l域條件理想低通傳輸特性滾降傳輸特性3.3.1碼間干擾及其數(shù)學(xué)分析

碼間干擾——由于系統(tǒng)的傳輸特性不理想，致使碼元波形畸變，引起前后碼元相互干擾的現(xiàn)象3.3.1碼間干擾及其數(shù)學(xué)分析

基帶傳輸系統(tǒng)的簡化模型

只需要對H(ω)作合理設(shè)計(jì)，在抽樣判決器前就可以得到理想的波形

3.3.1碼間干擾及其數(shù)學(xué)分析

假設(shè)信道噪聲為加性噪聲記作n(t),經(jīng)過系統(tǒng)傳輸后輸出為nR(t),則

如果對第k個(gè)碼元抽樣，抽樣時(shí)刻為t0+kTb，則所得的樣值是：

改寫上式，得：3.3.1碼間干擾及其數(shù)學(xué)分析

第一項(xiàng)對應(yīng)第k個(gè)碼元的樣值第三項(xiàng)nR(t0+kTb)是抽樣時(shí)刻噪聲的樣值第二項(xiàng)是其它碼元在第k個(gè)碼元抽樣時(shí)刻的樣值即碼間干擾

通過設(shè)計(jì)h(t)的波形（即設(shè)計(jì)系統(tǒng)的傳輸特性H(ω)）可以實(shí)現(xiàn)無碼間干擾的傳輸，典型波形如下圖所示3.3.1碼間干擾及其數(shù)學(xué)分析

經(jīng)過上面分析，可以得出當(dāng)h(t)滿足下式時(shí)就可以消除碼間干擾

令k-n=k’，因?yàn)楹瘮?shù)與自變量符號無關(guān)，所以把k’記作k，并設(shè)傳輸時(shí)延t0=0得到式：3.3.2無碼間干擾的傳輸特性1.無碼間干擾傳輸?shù)念l域條件

傳輸特性H(ω)和單位沖激響應(yīng)h(t)是一對傅氏變換對：當(dāng)t=kTb時(shí):

對上式按照ωb=2π/Tb的長度用分段積分的形式表示為:3.3.2無碼間干擾的傳輸特性

用Hn(ω)表示第n個(gè)區(qū)間內(nèi)的H(ω)則:

令ω’=ω-nω，則ω=ω’+nω，dω=dω’，所以:3.3.2無碼間干擾的傳輸特性

基帶傳輸系統(tǒng)的等效傳輸特性若Heq(ω)滿足理想傳輸特性，即此時(shí)系統(tǒng)的沖激響應(yīng)滿足無碼間干擾的時(shí)域條件，可實(shí)現(xiàn)無碼間干擾的傳輸BN=π/Tb(rad/s)=fb/2(Hz)。

奈奎斯特帶寬3.3.2無碼間干擾的傳輸特性實(shí)例分析——三角傳輸特性3.3.2無碼間干擾的傳輸特性2．理想低通傳輸特性

當(dāng)系統(tǒng)的傳輸特性在奈氏帶寬內(nèi)就是理想低通特性，

此時(shí)系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)為3.3.2無碼間干擾的傳輸特性——傳輸速率為RB=1/Tb=fb

Baud，信道帶寬為B=fb/2

Hz，所以頻帶利用率r=RB/B=2Baud/Hz?！?dāng)系統(tǒng)的傳輸特性在奈氏帶寬內(nèi)是理想低通特性時(shí)，若發(fā)送端以其截至頻率兩倍的速率傳輸信號，接收端仍以間隔Tb在碼元峰值處抽樣就可以消除碼間干擾，此時(shí)可以得到最大的頻帶利用率2Baud/Hz

奈奎斯特第一準(zhǔn)則3.3.2無碼間干擾的傳輸特性3．實(shí)用傳輸特性

滾降特性

圖中ωN=π/Tb，是奈氏帶寬只要H1(ω)正負(fù)頻域部分分別關(guān)于(ωN,0)和(-ωN,0)對稱就可以產(chǎn)生滾降α=ωr/ωN為滾降系數(shù)，0≤α≤1，α=0時(shí)，就是理想低通特性3.3.2無碼間干擾的傳輸特性

升余弦特性

系統(tǒng)特性3.3.2無碼間干擾的傳輸特性

沖激響應(yīng)

頻帶利用率3.4眼圖

眼圖是一種常用估計(jì)碼間干擾大小的實(shí)驗(yàn)方法

眼圖——在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)收端接收濾波器之后跨接一個(gè)示波器，然后調(diào)節(jié)示波器的水平掃描周期，當(dāng)其為碼元周期的整數(shù)倍時(shí)，示波器上就會出現(xiàn)類似眼睛的圖形信號波形無失真3.4眼圖理想眼圖的模型信號波形有失真3.5基帶傳輸系統(tǒng)性能分析

信道傳輸特性理想，無碼間干擾信道噪聲為加性高斯白噪聲，其期望為0，單邊功率譜密度為n0，輸出噪聲nR(t)平均功率為σ2=N=Bn0，B為接收濾波器帶寬輸出噪聲的一維概率密度函數(shù)為：

數(shù)據(jù)信號以雙極性二進(jìn)制碼型傳輸

分析環(huán)境

在一個(gè)碼元周期內(nèi)，到達(dá)接收端抽樣判決器的信號為：3.5基帶傳輸系統(tǒng)性能分析

發(fā)“1”時(shí)，收端接收到的信號A+nR(t)的一維概率密度函數(shù)為：

發(fā)“0”時(shí)，收端接收到的信號A-nR(t)的一維概率密度函數(shù)為：3.5基帶傳輸系統(tǒng)性能分析

信道誤碼率公式3.5基帶傳輸系統(tǒng)性能分析Vb為判決電平，使系統(tǒng)誤碼率最小的判決電平為最佳判決電平，為：

當(dāng)“1”和“0”等概出現(xiàn)時(shí)Vb*=0，此時(shí)系統(tǒng)的總誤碼率為：

采用單極性碼型傳輸時(shí)的誤碼率為：3.5基帶傳輸系統(tǒng)性能分析3.6改善數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)性能的幾個(gè)措施本節(jié)內(nèi)容提要：3.6.1部分響應(yīng)

3.6.2時(shí)域均衡

部分響應(yīng)技術(shù)的原理

第I類部分響應(yīng)波形形成及系統(tǒng)組成

時(shí)域均衡器組成時(shí)域均衡原理

3.6.3數(shù)據(jù)加擾

數(shù)據(jù)攪擾原理

m序列3.6.1部分響應(yīng)1．部分響應(yīng)波形

部分響應(yīng)波形頻帶利用率高，且擺尾衰減速度快的，由多個(gè)抽樣函數(shù)Sa(t)加權(quán)移相疊加得到，其一般表達(dá)式為：其中k1,k2,…,kN是N個(gè)抽樣函數(shù)的加權(quán)系數(shù)，一般取±1、0、2，部分響應(yīng)波形的譜函數(shù)為：3.6.1部分響應(yīng)1．部分響應(yīng)波形

部分響應(yīng)波形由多個(gè)抽樣函數(shù)Sa(t)加權(quán)移相疊加得到一般表達(dá)式為：

部分響應(yīng)波形頻譜3.6.1部分響應(yīng)2．部分響應(yīng)系統(tǒng)分類3.6.1部分響應(yīng)3.6.1部分響應(yīng)3．第I類部分響應(yīng)系統(tǒng)

第I類部分響應(yīng)波形3.6.1部分響應(yīng)

數(shù)據(jù)傳輸

除第一個(gè)樣值c0以外，其它樣值中前一個(gè)碼元對后一個(gè)碼元都有碼間干擾，這種碼間干擾可以按照下式消除3.6.1部分響應(yīng)發(fā)端數(shù)據(jù)ak

：0101100101收端樣值ck

：0111210111判決結(jié)果ak,：0101100101

實(shí)例分析

該系統(tǒng)中必須知道初始值a0

，并存在錯(cuò)誤傳播發(fā)端數(shù)據(jù)ak

：0101100101收端樣值ck

：0111210111判決結(jié)果ak,：010101-12-12

解決錯(cuò)誤傳播的有效方法是采用預(yù)編碼和相關(guān)編碼3.6.1部分響應(yīng)

收端只需對ck作模2運(yùn)算即可得到ak，即ak≡ck[模2]

預(yù)編碼bk=ak⊕bk-1

相關(guān)編碼ck=bk+bk-1

實(shí)例分析ak

：0101100101bk=