第6章基帶傳輸系統(tǒng)

第6章基帶傳輸系統(tǒng)第一頁，共70頁。6.1數(shù)字基帶信號6.2

基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型6.3

數(shù)字基帶信號及其頻譜特性6.4基帶脈沖傳輸與碼間干擾

6.5無碼間干擾的基帶傳輸特性6.6無碼間干擾基帶系統(tǒng)的抗噪聲性能

6.9時域均衡6.7眼圖

6.8部分響應(yīng)系統(tǒng)

第二頁，共70頁?；鶐盘柖x：未經(jīng)調(diào)制處理的數(shù)字信號?；鶐到y(tǒng)的任務(wù)：將原始基帶信號變換成有效的信道基帶信號，完成無失真?zhèn)鬏?。信道信號形成器接收濾波器抽樣判決器噪聲源信道原生基帶脈沖再生基帶脈沖基帶系統(tǒng)框圖：第三頁，共70頁。第四頁，共70頁。實際中，基帶傳輸不如頻帶傳輸應(yīng)用廣泛，但對基帶傳輸?shù)难芯咳杂幸饬x，因為：頻帶傳輸里也同樣存在基帶傳輸問題，即，基帶傳輸中包含頻帶傳輸?shù)幕締栴}。有一部分實用系統(tǒng)。第五頁，共70頁。6.1數(shù)字基帶信號數(shù)字基帶信號是指消息代碼的電波形，它是用不同的電平或脈沖來表示相應(yīng)的消息代碼。

數(shù)字基帶信號(以下簡稱為基帶信號)的類型有很多，常見的有矩形脈沖、三角波、高斯脈沖和升余弦脈沖等。最常用的是矩形脈沖，因為矩形脈沖易于形成和變換。第六頁，共70頁。1.單極性不歸零波形(NRZ)零電平和正電平分別對應(yīng)著二進制代碼0和1，或者說，它在一個碼元時間內(nèi)用脈沖的有或無來對應(yīng)表示0或1碼。有直流分量，傳輸衰減大；判決電壓在E/2，抗噪差；沒有位同步信息。特點第七頁，共70頁。

2.雙極性不歸零波形脈沖的正、負電平分別對應(yīng)于二進制代碼1、0。0、1符號等概時，沒有直流分量；判決電壓在0，簡單，抗噪強；沒有位同步信息。特點第八頁，共70頁。

3.單極性歸零波形與單極性非歸零碼區(qū)別：“1”碼高電平寬度小于碼元持續(xù)時間，每個“1”由一個上升和歸零動作。有直流分量；判決電壓在E/2，抗噪差；有位同步信息。特點占空比=脈沖寬度/碼元寬度

=/TsTs+E01000011第九頁，共70頁。4.雙極性歸零波形

每個碼元內(nèi)的脈沖都回到零電平，即相鄰脈沖之間必定留有零電位的間隔。0、1符號等概時，沒有直流分量；判決電壓在0，簡單，抗噪強；有位同步信息;三種電平，電路復雜。特點第十頁，共70頁。5.差分波形

“1”——相鄰前后碼元電平變化；“0”——相鄰前后碼元電平不變。接收碼元極性錯誤，也能正確接收；判決電壓在0，簡單，抗噪強；三種電平，電路復雜。特點第十一頁，共70頁。6.2基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型基帶傳輸對碼的要求：2、便于提取定時時鐘

以便接收機實現(xiàn)同步控制1、無直流、很少的低頻分量和高頻分量1）以便實現(xiàn)遠端供電2）信道為低頻型帶通3、不受信息源統(tǒng)計特性的影響4、易于實現(xiàn)5、具有一定的檢錯能力不同的碼型具有不同的功率譜結(jié)構(gòu)，須根據(jù)信道的傳輸特性來選擇密勒碼（Miller）

AMI碼

HDB3碼CMI碼曼徹斯特碼（Manchester）第十二頁，共70頁。AMI

碼：傳號交替反轉(zhuǎn)碼

規(guī)則：代碼“1”（傳號）----傳輸碼交替為“+1”、“-1”

“0”（空號）----傳輸碼“0”例：消息代碼：1001100011AMI

碼：+100–1+1000–1+1特點：1）無直流分量。2）接收時極性相反也可以正確解碼。AMI波形

代碼波形

3）具備一定的檢錯能力。4）可以提取定時信息，但當出現(xiàn)長串連“0”時，提取困難。應(yīng)用：ITU建議碼型之一，用于PCM24路數(shù)字通信中第十三頁，共70頁。HDB3

碼：三階高密度雙極性碼（改進的AMI碼）原理：檢查消息碼連0情況，沒有4個或4個以上連0串時，按AMI編碼；否則，將每4個連0串的第4個0變換成與前一個非0符號同極性的符號——破壞碼，“V”符號；原來所有的1碼——信碼，“B”符號。編碼規(guī)則：1）相鄰B符號極性交替；2）相鄰V符號極性交替；

3）V符號與前一B

符號的極性相同；

4）若3）不滿足，將本小段的第一個0改為B′（調(diào)整碼B+′或B-′），后面的B碼極性隨之改變。第十四頁，共70頁。例AMI波形

代碼波形

HDB3波形特點：1）每一個破壞點V的極性總是與前一個非0符號的極性相同。B也視為非0符號。2）只要找到破壞點V

，就可判斷其前面必為3個連0符號。3）具備AMI的所有優(yōu)點，利于提取定時時鐘。應(yīng)用：CCITT推薦碼型之一，PCM4次群以下接口采用第十五頁，共70頁。曼徹斯特碼：雙向碼（Manchester）例：消息代碼110010雙向碼101001011001特點：1）提供定時分量

2）只有兩個電平值3）碼元寬度壓縮一倍，信號帶寬增加一倍

4）代碼的中點出現(xiàn)跳變

5）無直流分量規(guī)則：代碼“1”（傳號）----傳輸碼“10”

“0”（空號）----傳輸碼“01”應(yīng)用：中速短距離傳輸，以太網(wǎng)中使用極性反轉(zhuǎn)時，譯碼錯誤第十六頁，共70頁。差分雙向碼（Manchester）例：消息代碼110010差分雙向碼010110010110特點：1）提供定時分量

2）只有兩個電平值3）碼元寬度壓縮一倍，信號帶寬增加一倍

4）代碼的中點出現(xiàn)跳變

5）無直流分量規(guī)則：代碼“1”（傳號）----碼元起始位置有跳變

“0”（空號）----碼元起始位置無跳變應(yīng)用：10Bast-T以太網(wǎng)中采用的傳輸碼型第十七頁，共70頁。密勒碼：（Miller）延遲調(diào)制碼。信號反轉(zhuǎn)碼。規(guī)則：代碼“1”（傳號）----傳輸碼“10”

或

“01”

“0”（空號）----傳輸碼“00”

或“11”

說明：1）代碼“1”對應(yīng)的傳輸碼中點必出現(xiàn)跳變，因而要求連續(xù)“1”之間不出現(xiàn)跳變

2）代碼“0”對應(yīng)的傳輸碼中點必不出現(xiàn)跳變，因而要求連續(xù)“0”之間出現(xiàn)跳變

3）代碼“1”與代碼“0”之間不跳變特點：1）提供定時分量

2）碼元寬度比雙向碼大，信號帶寬降低應(yīng)用：低速基帶數(shù)傳機第十八頁，共70頁。

代碼波形

雙向碼波形

密勒碼波形

例：第十九頁，共70頁。例：消息代碼11010010CMI碼1100011101010001特點：定時信息豐富（電平跳變點多）

CMI碼：傳號反轉(zhuǎn)碼

規(guī)則：代碼“1”（傳號）----傳輸碼“11”

或

“00”

“0”（空號）----傳輸碼“01”說明：代碼“1”對應(yīng)的傳輸碼“11”、“00”交替出現(xiàn)應(yīng)用：該碼被推薦為PCM

四次群的接口碼型被建議用于速率低于8448kbps的光纖傳輸系統(tǒng)中第二十頁，共70頁。6.3數(shù)字基帶信號頻譜特性

6.3.1二進制隨機脈沖序列表示6.3.2基帶信號功率譜密度第二十一頁，共70頁。6.3.1二進制隨機脈沖序列表示由于二進制數(shù)字基帶信號是隨機脈沖信號，且碼元波形可任意，需采用隨機信號分析法。設(shè)碼元寬度為Ts

，則基帶信號S(t)可表示成分別表示二進制兩個狀態(tài)的波形函數(shù)以概率p以概率（1-p）其中：、0t

01001

第二十二頁，共70頁。6.3.2基帶信號s(t)的功率譜密度思想：

s(t)分成兩部分，v(t)，穩(wěn)態(tài)部分，指均值u(t)，交變部分，可用概率+波形表示1、v(t)

的功率譜2、u(t)

的功率譜Pu(f)=fsp(1-p)|G1(f)-G2(f)|2交變波的功率譜與g1(t),g2(t)的頻譜、出現(xiàn)概率有關(guān)，是連續(xù)譜穩(wěn)態(tài)波的功率譜與g1(t),g2(t)的頻譜、出現(xiàn)概率有關(guān)，是離散譜

3、s(t)

的功率譜3、s(t)

的功率譜（6.1.14）（6.1.25）第二十三頁，共70頁。s(t)

的功率譜結(jié)論：

Ps(f)含有連續(xù)譜和離散譜；連續(xù)譜始終存在；離散譜不一定存在。

m=0的離散譜代表直流

m=1的離散譜代表定時分量第二十四頁，共70頁。Sa(πmfsTs)在

f=mfs

處為零點(m≠0)

∵g1(t)=0g2(t)=g(t)∴G1(f)=0

G2(f)=G(f)

g(t)設(shè)g(t)為矩形脈沖，且p=1/2

∴G(f)=TsSa(πfTs)

例6-1單極性非歸零信號功率譜特征：包含離散譜和連續(xù)譜第二十五頁，共70頁。NRZ：B=fs頻譜特性不僅反映功率譜的計算，還可以根據(jù)離散譜是否存在判斷能否從S(t)中提取需要的定時信息。頻譜特征對于位同步，載波同步問題的研究起著重要作用。第二十六頁，共70頁。∵g1(t)=0g2(t)=g(t)∴G1(f)=0

G2(f)=G(f)

g(t)設(shè)g(t)為矩形脈沖，占空比50%，且p=1/2

∴G(f)=Ts/

2Sa(πfTs/2

)

例6-2單極性歸零信號功率譜特征：包含離散譜和連續(xù)譜τ=Ts/2RZ：B=2fs第二十七頁，共70頁。令g1(t)=

-g2(t)=g(t)

雙極性矩形脈沖例6-3雙極性非歸零信號功率譜特征：只有連續(xù)譜雙極性歸零信號離散譜也為0.第二十八頁，共70頁。雙極性非歸零：τ=Ts/2雙極性歸零：帶寬：與占空比有關(guān)，占空比越小，帶寬越寬。第二十九頁，共70頁。6.4基帶脈沖傳輸與碼間干擾6.4.1基帶脈沖傳輸特點6.4.2定量分析第三十頁，共70頁。信道信號形成器接收濾波器抽樣判決器噪聲源信道原生基帶脈沖再生基帶脈沖6.4.1基帶脈沖傳輸特點

發(fā)送端：形成原生基帶信號并將其送入信道。接收端：為抑制噪聲，加接收濾波器，并用判決識別電路從接收信號中獲得再生基帶信號。第三十一頁，共70頁。0再生信號波形第三十二頁，共70頁。原生基帶信號與再生基帶信號之間不可避免地存在差異系統(tǒng)傳輸性能不理想引入的差異稱為碼間干擾（Inter-SymbolInterference,ISI）存在差異的原因：1）系統(tǒng)傳輸性能不理想

2）加性噪聲影響3）抽樣點偏離（同步性能不好）解決措施：濾波器特性好；在每一接收基帶波形的中心附近抽樣；對其它碼元的抽樣時刻無影響。第三十三頁，共70頁。6.4.2定量分析設(shè)｛an｝為發(fā)送濾波器輸入符號序列令h(t)H(ω)=GT(ω)C(ω)GR(ω)

基帶傳輸特性Ts：碼元寬度an=10或1-1發(fā)送GT(ω)

信道C(ω)+接收GR(ω)識別判決電路{an

}d(t)r(t){an′}n(t)

S(t)∴第三十四頁，共70頁。r(t)通過識別判決電路，生成再生基帶信號序列{an′

}識別判決電路的抽樣時刻通式為kTs+t0（令t0=0）根據(jù)r(kTs)的值判斷，生成a′kTs若a′kTs與發(fā)送信號相應(yīng)的akTs

相同則正判，反之誤判。=akh(0)+

anh(kTs-nTs)+nR(kTs)∴r(kTs)=

anh(kTs

–nTs)+nR(kTs)anh(kTs-nTs)：發(fā)端第k個以外所有波形在抽樣時刻產(chǎn)生響應(yīng)值,稱為碼間干擾akh(0)：發(fā)端第k個波形在抽樣時刻產(chǎn)生響應(yīng)值nR(kTs)：噪聲干擾基帶傳輸?shù)幕境霭l(fā)點：最大限度地減少碼間干擾和噪聲影響。=akh(0)+

anh(kTs-nTs)+nR(kTs)∴r(kTs)=

anh(kTs

–nTs)+nR(kTs)第三十五頁，共70頁。6.5無碼間干擾的基帶傳輸特性6.5.1H(ω)的特性6.5.3實際H(ω)6.5.2奈奎斯特第一準則第三十六頁，共70頁。1k=00

其它6.5.1H(ω)的特性H(ω)

識別判決電路

r(t)

{an′

}{an}r(kTs)

=akh(0)+

anh[(k-n)Ts]當anh[(k-n)Ts]=

0

時，實現(xiàn)無碼間干擾傳輸。h(kTs)=∴無碼間干擾的時域條件：=akh(0)+

anh(kTs-nTs)+nR(kTs)r(kTs)=

anh(kTs

–nTs)+nR(kTs)第三十七頁，共70頁。將H(ω)在ω軸上以2πi/Ts為步長進行左、右平移，然后對平移產(chǎn)生的所有函數(shù)疊加，在（-π/Ts

，π/Ts

）為常數(shù)。無碼間干擾的頻域條件：——奈奎斯特第一準則（數(shù)字信號無碼間干擾的傳輸準則）當碼元速率變化時，上式隨之變化，可用下式描述：第三十八頁，共70頁。6.5.2奈奎斯特第一準則（數(shù)字信號的傳輸準則）無碼間干擾傳輸特性設(shè)計1、H(ω)為理想低通濾波器H(ω

)=0其它Ts|ω|≤π/Ts第三十九頁，共70頁。求和：常數(shù)頻域圖：第四十頁，共70頁。頻帶利用率：無碼間干擾傳輸?shù)淖罡咚俾剩篟B=1/Ts理想低通帶寬：B=1/2Ts——奈奎斯特帶寬，計fN——奈奎斯特速率，2fN第四十一頁，共70頁。

時域特點：第四十二頁，共70頁。11011101原生基帶系統(tǒng)沖激響應(yīng)響應(yīng)波形判決脈沖再生基帶11011101識別點傳輸速率變化有何影響？？第四十三頁，共70頁。系統(tǒng)沖激響應(yīng)有干擾無干擾無干擾有干擾響應(yīng)波形第四十四頁，共70頁。1）系統(tǒng)能實現(xiàn)無碼間干擾傳輸?shù)谋匾獥l件是：1n=00其它整數(shù)h(n

)=2）奈奎斯特速率的值是h(n)零點間隔的倒數(shù)3）其余能實現(xiàn)無碼間干擾傳輸?shù)乃俾时饶慰固厮俾事麛?shù)倍4）頻帶利用率的理論最大值為2結(jié)論：理想低通物理不可實現(xiàn)

第四十五頁，共70頁。6.5.3實際H(ω)選用具有奇對稱滾降特性的低通濾波器作為傳輸網(wǎng)絡(luò)fN-fN-(fN+f△)fN+f△(1+α)fN第四十六頁，共70頁。實際采用：升余弦低通濾波器其它第四十七頁，共70頁。求和：常數(shù)升余弦：第四十八頁，共70頁。時域分析與理想低通相比，h(t)幅度變小，對定時要求降低。第四十九頁，共70頁。系統(tǒng)沖激響應(yīng)升余弦幅頻特性低通能實現(xiàn)無碼間干擾傳輸頻帶利用率第五十頁，共70頁。（1）理想低通（2）余弦滾降低通優(yōu)點：頻譜窄，達到理論上極限傳輸速率，頻帶利用率為2B/Hz缺點：第一零點后尾巴震蕩幅度大，定時要求高基帶總體設(shè)計結(jié)論：優(yōu)點：尾巴震蕩小缺點：頻帶利用率低解決二者之間的矛盾

——奈奎斯特第二準則

第五十一頁，共70頁。6.6無碼間干擾基帶系統(tǒng)的抗噪聲性能6.6.1噪聲的影響6.6.2噪聲參數(shù)6.6.3誤碼率計算第五十二頁，共70頁。抽樣脈沖010110觀察接收信號r(t)

△無噪聲系統(tǒng)010110判決電平判決結(jié)果△有噪聲系統(tǒng)判決結(jié)果

000111抽樣脈沖010110判決電平A-AA-A有誤碼6.6.1

噪聲的影響第五十三頁，共70頁?！咝诺涝肼暈榘自肼暋嗤ㄟ^接收濾波器后為帶限白噪聲nR(t)已知nR(t)服從高斯分布，均值為

0、方差為σn2∴nR(t)瞬時值v的一維概率密度函數(shù)為6.6.2噪聲參數(shù)nR(t)的功率譜f(v)+接收GR(ω)抽樣判決電路x(t)輸出n(t)

發(fā)送信號nR(t)第五十四頁，共70頁。誤碼形式為P(1→0)、P(0→1)

令判決器輸入為雙極性信號（隨機信號）x(t)=A+nR(t)發(fā)“1”均值為A－A+nR(t)發(fā)“0”均值為－A

∴發(fā)“1”時，x1(t)的一維概率密度函數(shù)為發(fā)“0”時，x0(t)對應(yīng)6.6.3誤碼率計算f1(v)f0(v)A－A+接收GR(ω)抽樣判決電路x(t)輸出n(t)

發(fā)送信號nR(t)第五十五頁，共70頁。令判決門限為Vd

則pe1=P(1→0)=P(v<Vd)pe0

=P(0→1)=P(v>Vd)∴系統(tǒng)總誤碼率：

Pe=p(1)pe1

+p(0)pe0當p(0)=p(1)=?

時，

Vd*=0

∴Pe的值取決于A/σn，與信號“1”、“0”的順序無關(guān)。令∴其值大小與Vd有關(guān)f1(v)f0(v)A－A最佳門限第五十六頁，共70頁。(a)理想濾波器(b)有ISI的濾波器(C)噪聲加ISI眼圖（Eyepattern）——評價基帶傳輸系統(tǒng)性能的一種定性而方便的實驗方法。6.7眼圖——示波器上基帶信號波形呈現(xiàn)為類似人眼的圖案。第五十七頁，共70頁。（a）無ISI基帶波形（c）有ISI基帶波形11010001眼圖的“眼睛”張開得越大，且眼圖越端正，表示碼間串擾越小，反之，表示碼間串擾越大。第五十八頁，共70頁。（1）“眼睛”張得愈開，質(zhì)量愈好；（2）“眼睛”高度的一半——噪聲容限；（3）“眼睛”中間寬度——可抽樣的時間范圍；（4）“眼線”頂部斜率——對定時的敏感程度；眼圖模型:最佳第五十九頁，共70頁。兩種質(zhì)量的基帶信號對應(yīng)的眼圖眼圖的照片：（a）無ISI時（b）有ISI時另外，若掃描周期為nTS

時，可以看到并排的n只眼睛。第六十頁，共70頁。6.8部分響應(yīng)系統(tǒng)6.8.1奈奎斯特第二準則6.8.2部分響應(yīng)系統(tǒng)6.8.3部分響應(yīng)系統(tǒng)的無碼間干擾傳輸?shù)诹豁?，?0頁。思路：為克服碼間干擾，要求將H(ω)設(shè)計成理想低通，并能以奈奎斯特速率傳送碼元。理想低通的沖激響應(yīng)為Sa(x)波形，其特點是頻帶窄，但第一過零點以后的尾巴振幅大，收斂慢。所以，對抽樣定時的要求十分嚴格，若有偏差，將產(chǎn)生碼間干擾。

若用升余弦低通，收斂加快，但系統(tǒng)帶寬增加，頻帶利用率下降。

從易實現(xiàn)、提高頻帶利用率方面改善。定義：有控制的在某些碼元的抽樣時刻引入碼間干擾，而在其余碼元的抽樣時刻無碼間干擾，則能使頻帶利用率達到理論最大值，并同時降低對定時精度的要求。6.8.1奈奎斯特第二準則第六十二頁，共70頁。定義：依據(jù)奈奎斯特第二準則實現(xiàn)的系統(tǒng)稱為部分響應(yīng)系統(tǒng)。部分響應(yīng)系統(tǒng)的沖激響應(yīng)稱為部分響應(yīng)波形。6.8.2部分響應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計部分響應(yīng)系統(tǒng)：共有五類方法特征：存在部分碼間干擾，但頻帶利用率η=2第一類方法：構(gòu)造部分響應(yīng)系統(tǒng)的沖激響應(yīng)g(t)

計算系統(tǒng)函數(shù)G(f)

確定碼間干擾之間的相互關(guān)系，保證η=2g(t)G(f)第六十三頁，共70頁。理想低通的沖激響應(yīng)h(t)=Sa(πfst)

構(gòu)造g(t)令特點：1）尾巴衰減快，幅度隨

t按變化2）若以g(t)為傳送波形，令碼元間隔為Ts，則抽樣時，僅有前后兩個碼元相互干擾，其它碼元間無干擾。第六十四頁，共70頁。11011101g(