《現(xiàn)代通信技術》課件第四章 數(shù)字信號基帶傳輸系統(tǒng)

學習目的與要求：

掌握模數(shù)字信號基帶傳輸?shù)母拍?、目的以及實現(xiàn)方式。重點與難點內(nèi)容：數(shù)字基帶傳輸?shù)亩x、常用碼型及功率譜碼間串擾的定義、無碼間串擾的傳輸系統(tǒng)眼圖的概念及觀測方法時域均衡的原理及應用信道編碼規(guī)則差錯控制編碼的控制及糾錯方式、線性分組碼的編碼及特點2024/5/191主要內(nèi)容4.1數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)4.2數(shù)字基帶傳輸?shù)拇a型4.3無碼間串擾的基帶傳輸系統(tǒng)4.4眼圖4.5均衡技術4.6差錯控制編碼2024/5/1924.1數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)圖4-1數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)2024/5/1934.1數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)（1）信道信號形成器（發(fā)送濾波器）其功能是產(chǎn)生適合于信道傳輸?shù)幕鶐盘柌ㄐ?。?）信道即允許基帶信號通過的媒質(zhì)，通常為有線信道，如雙絞線、同軸電纜等。（3）接收濾波器用來接收信號，盡可能濾除信道噪聲和其他干擾，對信道特性

進行均衡，使輸出的基帶波形有利于抽樣判決。2024/5/1944.1數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)（4）抽樣判決器在傳輸特性不理想及噪聲背景下，在規(guī)定時刻（由定位時脈沖控制）對接收濾波器的輸出波形進行抽樣判決，以恢復或再生基帶信號。（5）定時脈沖和同步提取用來抽樣的位定時脈沖依靠同步提取電路從接收信號中提取，位定時的準確與否將直接影響判決效果。2024/5/1954.2數(shù)字基帶傳輸?shù)拇a型4.2.1數(shù)字基帶傳輸?shù)拇a型原則

原理上數(shù)字信息可以表示成一個數(shù)字代碼序列。例如，計算機中的信息是以約定的二進制代碼“0”和“1”的形式存儲。但是，在實際傳輸中，為了匹配信道的特性以獲得令人滿意的傳輸效果，需要選擇不同的傳輸波形來表示“0”和“1”。

數(shù)字基帶信號可用不同形式的電脈沖出現(xiàn)，電脈沖的存在形式稱為碼型。2024/5/1964.2.1數(shù)字基帶傳輸?shù)拇a型原則數(shù)字信號用電脈沖表示的過程稱為碼型編碼或碼型變換，由碼型還原為原來數(shù)字信號的過程稱為碼型譯碼。對傳輸用的基帶信號主要有以下兩個方面的要求：（1）對代碼的要求：原始消息代碼必須編成適合于傳輸用的碼型。（2）對所選碼型的電波要求：電波形應適合于基帶系統(tǒng)的傳輸。2024/5/1974.2.1數(shù)字基帶傳輸?shù)拇a型原則碼型選擇原則：（1）不含直流，且低頻分量盡量少；（2）應含有豐富的定時信息，以便于從接收碼流中提取定時信號；（3）功率譜主瓣寬度窄，以節(jié)省傳輸頻帶；（4）不受信息源統(tǒng)計特性的影響，即能適應于信息源的變化；（5）具有內(nèi)在的檢錯能力，即碼型應具有一定規(guī)律性，以便利用這一規(guī)律性進行宏觀監(jiān)測；（6）編譯碼簡單，以降低通信延時和成本。2024/5/1984.2.2常用碼型圖4-2單極性和雙極性不歸零碼2024/5/1991、單極性不歸零碼信號脈沖的零電平和正電平分別對應著二進制代碼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表示1或0碼。在表示一個碼元時，電壓均無需回到零，故稱為非歸零碼。2、雙極性不歸零碼在雙極性不歸零碼中，脈沖的正、負電平分別對應于二進制代碼1、0，如圖4-2(b)所示，由于它是幅度相等極性相反的雙極性波形，故當0、1符號等概率出現(xiàn)時無直流分量。4.2.2常用碼型2024/5/19104.2.2常用碼型圖4-3單極性和雙極性歸零碼2024/5/19113、單極性歸零碼在傳送“1”碼時發(fā)送1個寬度小于碼元持續(xù)時間的歸零脈沖，在傳送“0”碼時不發(fā)送脈沖。其特征是所用脈沖寬度比碼元寬度窄，即還沒有到一個碼元終止時刻就回到零值，因此，稱其為單極性歸零碼。4、雙極性歸零碼每個碼元內(nèi)的脈沖都回到零點，即相鄰脈沖之間必定留有零電位的間隔。它除了具有雙極性不歸零波形的特點外，還有利于同步脈沖的提取。4.2.2常用碼型2024/5/19124.2.2常用碼型AMI碼，即1碼通常稱為傳號，0碼則叫空號。AMI碼是傳號交替反轉碼。其編碼規(guī)則是將二進制消息代碼“1”交替地變換為傳輸碼的“+1”和“-1”，而“0”保持不變。圖4-4AMI編碼5、AMI碼2024/5/19134.2.2常用碼型6、HDB3碼代碼100001000011000011AMI碼-10000+10000-1+10000-1+1HDB3碼-1000-V+1000+V-1+1-B00-V+1-1圖4-5HDB3編碼2024/5/19144.2.2常用碼型7、曼徹斯特碼圖4-6曼徹斯特碼2024/5/19154.2.2常用碼型8、密勒碼9、CMA碼圖4-7數(shù)字雙相碼、密勒碼、CMI碼比較2024/5/19164.2.3數(shù)字基帶信號的功率譜數(shù)字基帶信號是隨機的脈沖序列，沒有確定的頻譜函數(shù)，所以只能用功率譜來描述它的頻譜特性。數(shù)字基帶信號的功率譜計算相當復雜，一種比較簡單的方法是以隨機過程功率譜的原始定義為出發(fā)點，求出數(shù)字隨機序列的功率譜公式。2024/5/19174.2.3數(shù)字基帶信號的功率譜圖4-8隨機脈沖序列波形

2024/5/19184.2.3數(shù)字基帶信號的功率譜圖4-9二進制基帶信號的功率譜密度

（2）單極性基帶信號是否存在離散線譜取決于矩形脈沖的占空比，單極性歸零信號中有定時分量，可直接提取。2024/5/19194.3無碼間串擾的基帶傳輸系統(tǒng)4.3.1碼間串擾圖4-10碼間串擾2024/5/19204.3.1碼間串擾

2024/5/19214.3.2消除碼間串擾4-11消除碼間串擾原理

2024/5/19224.3.2消除碼間串擾4-12理想低通系統(tǒng)的傳輸特性和沖擊響應234.3.3無碼間串擾的滾降系統(tǒng)圖4-13滾降特性構成

2024/5/19244.3.3無碼間串擾的滾降系統(tǒng)圖4-14余弦滾降系統(tǒng)頻譜及響應2024/5/1925

4.3.3無碼間串擾的滾降系統(tǒng)2024/5/19264.3.4部分響應基帶傳輸系統(tǒng)圖4-15部分響應波形及頻譜2024/5/1927由波形圖可知部分響應信號具有如下特點：4.3.4部分響應基帶傳輸系統(tǒng)（1）合成的部分響應信號在相同進制的條件下，其頻帶的利用率與理想低通特性傳輸系統(tǒng)的頻帶利用率相同。用部分響應信號的脈沖波形作為系統(tǒng)的傳輸波形，當以碼元寬度為間隔進行判決時，只會在相鄰的兩個碼元之間發(fā)生串擾，其他判決時刻不會發(fā)生串擾。2024/5/19284.3.4部分響應基帶傳輸系統(tǒng)

2024/5/19294.3.4部分響應基帶傳輸系統(tǒng)（3）部分響應雖然解決了理想低通特性的缺點，但它是以相鄰兩個碼元取樣時刻出現(xiàn)一個與接發(fā)端取樣值相同幅度的串擾為代價的。由于存在固定幅度的串擾，使部分響應信號序列中出現(xiàn)了新的取樣值，稱為“偽電平”。這個偽電平會造成誤碼的擴散，即一個碼元錯判時，會造成后幾個碼元的錯判。2024/5/19304.3.4部分響應基帶傳輸系統(tǒng)圖4-16第I類部分響應系統(tǒng)組成2024/5/19314.4眼圖4.4.1眼圖的概念

2024/5/19324.4.2眼圖的形成原理及模型圖4-17基帶信號及其觀測眼圖2024/5/1933只要示波器掃描頻率和信號同步，不存在碼間干擾和噪聲時，每次重疊上去的跡線都會和原來的重合，這時的跡線既細又清晰；若存在碼間干擾，序列波形變壞，就會造成眼圖跡線雜亂，“眼皮”厚重，甚至部分閉合，噪聲越大，線條越寬，越模糊，“眼睛”張開得越小。4.4.2眼圖的形成原理及模型2024/5/19344.4.2眼圖的形成原理及模型圖4-18標準眼圖模型2024/5/19354.4.2眼圖的形成原理及模型圖4-19實際眼圖2024/5/19364.5均衡技術時域均衡利用均衡器產(chǎn)生的時間波形去直接校正已畸變的波形，使包括均衡器在內(nèi)的整個系統(tǒng)的沖激響應滿足無碼間串擾條件。利用接收波形本身來補償以消除取樣點的符號干擾，提高判決的可靠性。頻域均衡是從校正系統(tǒng)的頻率特性出發(fā)，使包括均衡器在內(nèi)的基帶系統(tǒng)的總特性滿足無失真?zhèn)鬏敆l件；利用幅度均衡器和相位均衡器來補償傳輸系統(tǒng)幅頻特性和相頻特性的不理想，即保證傳輸系統(tǒng)對各頻率分量具有相同的傳輸系數(shù)和相同的傳輸時延，這樣就可消除符號間干擾。4.5.1均衡的概念2024/5/19374.5.2時域均衡的基本原理圖4-20可調(diào)橫向濾波器2024/5/1938

4.5.2時域均衡的基本原理2024/5/19394.6差錯控制編碼

4.6.1信道編碼的基本概念

由于實際的通信信道存在干擾和衰落，在信號傳輸過程中將出現(xiàn)差錯，例如在傳送的數(shù)據(jù)流中產(chǎn)生誤碼，從而使接收端產(chǎn)生圖像的跳躍、不連續(xù)、出現(xiàn)馬賽克等現(xiàn)象，故對數(shù)字信號必須采用糾、檢錯技術，即糾、檢錯編碼技術，以增強數(shù)據(jù)在信道中傳輸時抵御各種干擾的能力，提高系統(tǒng)的可靠性。對要在信道中傳送的數(shù)字信號進行的糾、檢錯編碼就是信道編碼。

提高數(shù)據(jù)傳輸效率，降低誤碼率是信道編碼的任務。2024/5/19404.6.2差錯控制編碼的控制方式圖4-21差錯控制方式2024/5/19414.6.2差錯控制編碼的控制方式（1）重發(fā)糾錯（ARQ）這種方式在是發(fā)信端采用某種能發(fā)現(xiàn)一定程度傳輸差錯的簡單編碼方法對所傳信息進行編碼，加入少量監(jiān)督碼元，在接收端則根據(jù)編碼規(guī)則對收到的編碼信號進行檢查，一量檢測出有錯碼時，即向發(fā)信端發(fā)出詢問的信號，要求重發(fā)。發(fā)信端收到詢問信號時，立即重發(fā)已發(fā)生傳輸差錯的那部分信息，這樣不斷持續(xù)直到正確收到為止。2024/5/19424.6.2差錯控制編碼的控制方式（2）前向糾錯（FEC）這種方式是發(fā)信端將信息碼經(jīng)信道編碼后變成能夠糾正錯誤的碼，然后通過信道發(fā)送出去；收信端收到這些碼組后，根據(jù)與發(fā)信端約定好的編碼規(guī)則，通過譯碼能自動發(fā)現(xiàn)并糾正因傳輸帶來的數(shù)據(jù)錯誤。前向糾錯方式只要求單向信道。2024/5/19434.6.2差錯控制編碼的控制方式（3）混合糾錯（HEC）這種方式可以將少量糾錯在接收端自動糾正，而當差錯較嚴重，超出自行糾正能力時，就向發(fā)信端發(fā)出詢問信號，要求重發(fā)。因此，“混合糾錯”是“前向糾錯”及“反饋糾錯”兩種方式的混合。2024/5/19444.6.3糾錯編碼原理

2024/5/1945

4.6.3糾錯編碼原理2024/5/1946

4.6.3糾錯編碼原理2024/5/1947數(shù)據(jù)信息1V2V3V4V數(shù)據(jù)編碼000110114.6.3糾錯編碼原理表4-12位編碼表表4-23位編碼表數(shù)據(jù)信息1V2V3V4V××××數(shù)據(jù)編碼0000111011100010101001112024/5/1948

4.6.3糾錯編碼原理結論2024/5/19494.6.4常用差錯控制編碼1、奇偶校驗碼

奇偶校驗碼是通信中最常見的一種簡單檢錯碼，其編碼規(guī)則是：把信息碼先分組，形成多個許用碼組，在每一個許用碼組最后（最低位）加上一位監(jiān)督碼元即可。加上監(jiān)督碼元后使該碼組中1的數(shù)目為奇數(shù)的編碼稱為奇校驗碼，為偶數(shù)的編碼稱為偶校驗碼。根據(jù)編碼分類，可知奇偶校驗碼屬于一種檢錯、線性、分組系統(tǒng)碼。2024/5/19504.6.4常用差錯控制編碼2、正反碼表4-3正反碼檢糾錯方法可能的情況校驗碼組的組成錯碼情況1全為“0”無錯碼2有4個“1”，1個“0”信息碼中有一位錯碼，其位置對應校驗碼組中“0”的位置3有4個“0”，1個“1”信息碼中有一位錯碼，其位置對應校驗碼組中“1”的位置