基带数字信号的表示和传输课件.ppt

1、1 第6章 数字基带传输系统2主要内容：n概述n数字基带信号及其频谱特性n基带传输的常用码型n数字基带信号传输与码间干扰n无码间干扰的基带传输特性n基带传输系统的抗噪声性能n眼图n部分响应系统n均衡3目标要求n 基本要求 掌握掌握基带数字信号的基本波形；基带数字信号的基本波形；掌握掌握基带数字信号的传输码型，基带数字信号的传输码型，熟悉熟悉传输码型的基传输码型的基 本要求；本要求；掌握掌握基带数字信号的频率特性；基带数字信号的频率特性；掌握掌握基带数字信号传输系统模型、码间串扰、奈氏基带数字信号传输系统模型、码间串扰、奈氏 准则、部分响应系统；准则、部分响应系统；掌握掌握眼图模型，及信号波形和

2、眼图的对应关系；眼图模型，及信号波形和眼图的对应关系；熟悉熟悉时域均衡器的作用与原理。时域均衡器的作用与原理。4目标要求n 重点、难点 重点是：重点是：基带数字信号的基本波形掌握；基带数字信号的基本波形掌握；AMI码和码和HDB3码的编码规则的理解和掌握；码的编码规则的理解和掌握；无码间串扰应具有的传输特性的分析和掌握。无码间串扰应具有的传输特性的分析和掌握。难点是：难点是：基带数字信号的功率谱密度分析及其作用的理基带数字信号的功率谱密度分析及其作用的理 解；解；部分响应系统的原理、分析和作用的理解。部分响应系统的原理、分析和作用的理解。5n数字基带信号 未经调制的数字信号，信号含丰富的低频分

3、量，甚至直流分量；它所占据的频谱是从零频或很低频率开始的。数字基带传输系统n不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统，常用于传输距离不太远的情况下。数字调制（带通）传输系统 n包括调制和解调过程的传输系统。6n为什么要研究数字基带传输系统？1、在利用对称电缆构成的近程数据通信系统广泛采用了这种传输方式；2、数字基带传输中包含频带传输的许多基本问题，也就是说，基带传输系统的许多问题也是频带传输系统必须考虑的问题；3、任何一个采用线性调制的频带传输系统可等效为基带传输系统来研究；76.1 基带数字信号及其频谱特性 6.1.1数字基带信号8n(1)单极性波形特点：电脉冲之间无间隔，极性单一，易于用T

4、TL、CMOS电路产生；缺点：有直流分量，要求传输线路具有直流传输能力，因而不适应有交流耦合的远距离传输，只适用于计算机内部或极近距离的传输。9n(2)双极性波形二进制符号0，1分别与正、负电平相对应，当“1”和“0”等概率出现时无直流分量，有利于在信道中传输，并且在接收端恢复信号的判决电平为零值，因而不受信道特性变化的影响，抗干扰能力也较强。10n(3)单极性非归零码（NRZ）单极性：1-高电平；0-0电平，码元持续期间电平不变非归零：NRZ(nor-return to zero)有直流且有固定0电平，多用于终端设备或近距离传输（线路板内或线路板间）；11n(4)单极性归零码（RZ）归零：R

5、Z(return to zero)发送“1”码时高电平在码元期间内只持续一段时间，多用于近距离波形变换；有直流；可直接提取位定时；12n(5)(5)双极性非归零码（双极性非归零码（NRZNRZ）n不能直接提取同步信号；n1、0符号等概出现时无直流分量，抗干扰能力较强；n1、0符号不等概出现时，仍有直流成份。13n(6)双极性归零码（RZ）每一脉冲都归零，它用正负脉冲表示1和014 n(7)差分码n不是用码元本身的电平表示消息代码，而是用相邻码元的电平的跳变和不变来表示消息代码；传号差分码（电平跳变表示1）：NRZ（M）空号差分码（电平跳变表示0）：NRZ（S）n属于相对码，多用于相位调制系统的

6、码变换器中，可以克服相位模糊。15 (8)多元码 数字信息由码元(符号)组成n码元形式：二元码和多元码多元码的一个码元表示一个n位二进制码组M=2n四元码的波形 (M=4,n=2)n线路码型为四元码2B1Qn在2B1Q中，2个二进制码元用1个四元码表示16 6.1.2基带数字信号的频谱特性n假设随机信号序列是一个平稳随机过程，其中假设随机信号序列是一个平稳随机过程，其中“0”和和“1”的出现概率分别为的出现概率分别为P和和(1 P)，而且它们的出现是统计独立，而且它们的出现是统计独立的的则有：则有：式中，式中，nntsts)()()1(),(),()(21PnTtgPnTtgtsn概率为概率为

7、17另一个角度：任意随机信号的分解n随机脉冲序列的组成分为两部分稳态分量a(t)交变分量u(t)n先求出这两个分量的功率谱，再求出g(t)的功率谱。)()()(tutatg18 二进制随机脉冲序列的波形图19计算结果：双边功率谱密度表示式：单边功率谱密度表示式：212212()()()(1)()()()(1)()()suvsssssmP fPfP ff PP GfGffPG mfP G mffmf222121222121()2(1)()(0)(1)(0)()2()(1)()(),0sssssssmP ff PP G fG ffPGP GffPG mfP G mffmff（基带数字信号的频谱特性

8、20对公式意义的分析n二进制随机脉冲序列的功率谱可能包含连续谱和离散谱两部分；n连续谱总是存在的；n离散谱却不一定存在；离散谱是否存在是至关重要的，关系着能否从脉冲序列中直接提取位定时信号。21（d）对简单二元码功率谱的总结n几点重要结论：功率谱的形状取决于单个波形的频谱函数；时域波形的宽度愈窄，频带愈宽；凡是0，1等概的双极性码均无离散谱；单极性归零码的离散谱中有位定时分量，因此可直接提取位定时分量。22基带数字信号的频谱特性l 功率谱密度计算举例 单极性二进制信号单极性二进制信号(NRZ)n设信号g1(t)=0,g2(t)=g(t)，则由其构成的随机序列的双边功率谱密度为：n式中，G(f)

9、是g(t)的频谱函数。当P=1/2，且g(t)为矩形脉冲时，即当n时，g(t)的频谱函数为22()(1)()(1)()()sssssmP ff PP G ffP G mffmf1,()20,sTtg tt其他sin()sssfTG fTfT23故有式中，sff 222sin111()()()()4444ssssssfTTPff TfSafTffTxxxSa/sin)(功率谱的第一个过零点在 处，因此，单极性不归零码的谱零点带宽为：ssfB 24n单极性信号的功率谱密度分别如下图中的实线和虚线所示：NRZ-实线RZ-虚线25基带数字信号的频谱特性 双极性二进制信号双极性二进制信号 (NRZ)n设

10、信号设信号g1(t)=-g2(t)=g(t)，则由其构成的随机序列，则由其构成的随机序列的双边功率谱密度为：的双边功率谱密度为：n当当P=1/2时，上式可以改写为时，上式可以改写为n若若g(t)为矩形脉冲，则将其频谱为矩形脉冲，则将其频谱G(f)代入上式可得代入上式可得22()4(1)()(21)()()sssssmP ff PP G ffPG mffmf2()()ssPff G f222sinsin()()ssssssssssfTfTPff TTT SafTfTfT26n双极性信号的功率谱密度曲线如下图中的实线和虚线所示：27 6.2 基带数字信号的传输码型n 对于传输码型，有如下一些要求：

11、n无直流分量和只有很小的低频分量；无直流分量和只有很小的低频分量；n含有码元的定时信息；含有码元的定时信息；n传输效率高；传输效率高；n最好有一定的检错能力；最好有一定的检错能力；n适用于各种信源，即要求以上性能和信源的统计特性无关适用于各种信源，即要求以上性能和信源的统计特性无关28n AMI码 传号交替反转码 n编码规则：编码规则：“1”交替变成交替变成“1”和和“1”，“0”仍保持为仍保持为“0”，n 例：消息码：例：消息码：0 1 0 1 1 0 0 0 1 AMI码：码：0 +1 0 -1 +1 0 0 0 -1n优点：没有直流分量优点：没有直流分量、译码电路简单、译码电路简单、能发

12、现错码、能发现错码n缺点：出现长串连缺点：出现长串连“0”时，将使接收端无法取得定时时，将使接收端无法取得定时 信息。信息。n又称：又称：“1B/1T”码码 1位二进制码变成位二进制码变成1位三进制码。位三进制码。6.2 基带数字信号的传输码型29l HDB3码 3阶高密度双极性码 n编码规则：首先，将消息码变换成AMI码，然后，检查AMI码中连“0”的情况：当没有发现4个以上（包括4个）连“0”时，则不作改变，AMI码就是HDB3码。当发现4个或4个以上连“0”的码元串时，就将第4个“0”变成与其前一个非“0”码元（“1”或“1”）同极性的码元。将这个码元称为“破坏码元”，并用符号“V”表示

13、，即用“+V”表示“1”，用“V”表示“1”。为了保证相邻“V”的符号也是极性交替：*当相邻“V”之间有奇数个非“0”码元时，这是能够保证的。*当相邻“V”之间有偶数个非“0”码元时，不符合此“极性交替”要求。这时，需将这个连“0”码元串的第1个“0”变成“B”或“B”。B的符号与前一个非“0”码元的符号相反；并且让后面的非“0”码元符号从V码元开始再交替变化。30n例：例：n消息码:1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1nAMI码:-1 0 0 0 0 +1 0 0 0 0 -1 +1 0 0 0 0 -1 +1nHDB3码:-1 0 0 0 -V +1 0

14、0 0 +V -1 +1 -B 0 0 -V +1 -1 -1 0 0 0 -1 +1 0 0 0 +1 -1 +1 -1 0 0 -1 +1 -1 译 码：-1 0 0 0 0 +1 0 0 0 0 -1 +1 0 0 0 0 +1 -1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 基带数字信号的传输码型31【例】已知信息代码为：1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0，请就AMI码、HDB3码、Manchester码三种情形，(1)给出编码结果；(2)画出编码后的波形；n(1)信息代码：1 0 0 0 0 0 0 0 0

15、 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0nAMI 码：+1 0 0 0 0 0 0 0 0-1+1-1 0 0+1 0 0 0 0-1 0nHDB3码：+1 0 0 0+V-B 0 0-V+1-1+1 0 0-1+B 0 0+V-1 032n译码：译码：发现相连的两个同符号的发现相连的两个同符号的“1”时，后面的时，后面的“1”及其前及其前面的面的3个符号都译为个符号都译为“0”。然后，将然后，将“+1”和和“-1”都译为都译为“1”，其它为，其它为“0”。n优点：除了具有优点：除了具有AMI码的优点外，还可以使连码的优点外，还可以使连“0”码元串中码元串中“0”的数目不多于的数目不多

16、于3个，而且与信源的统个，而且与信源的统计特性无关。计特性无关。基带数字信号的传输码型33 基带数字信号的传输码型l双相码双相码 曼彻斯特码曼彻斯特码n编码规则：编码规则：消息消息码码“0”传输码传输码“01”消息消息码码“1”传输码传输码“10”例：例：消息消息码：码：1 1 0 0 1 0 1 双相码：双相码：10 10 01 01 10 01 10+E-E1 00 134n译码译码规则：规则：消息消息码码“0”和和“1”交替处有连交替处有连“0”和和连连“1”，可以作为码组的边界。，可以作为码组的边界。n 优缺点：只有优缺点：只有2电平，可以提供定时信息，无直流电平，可以提供定时信息，无

17、直流分量；但是占用带宽较宽。分量；但是占用带宽较宽。基带数字信号的传输码型基带数字信号的传输码型35 基带数字信号的传输码型l密勒码 n编码规则：消息码“1”用中点处电压的突跳表示，或者说用“01”或 “10”表示；消息码“0”单个消息码“0”不产生电位变化，连“0”消息码则在边界使电平突变，或者说用 “11”或“00”表示 00消息码：1 0 1 1 0 0 0 1双相码：10 01 10 10 01 01 01 10 双相码波形：双相码相位：0 0 0 0密勒码：36n特点：当特点：当“1”之间有一个之间有一个“0”时，码元宽度最长（等于时，码元宽度最长（等于两倍消息码的长度）。这一性质也

18、可以用来检测误码。两倍消息码的长度）。这一性质也可以用来检测误码。n产生：双相码的下降沿正好对应密勒码的突变沿。因此，产生：双相码的下降沿正好对应密勒码的突变沿。因此，用双相码的下降沿触发双稳触发器就可以得到密勒码。用双相码的下降沿触发双稳触发器就可以得到密勒码。基带数字信号的传输码型37lCMI码 传号反转码 n编码规则：消息码编码规则：消息码“1”交替用交替用“11”和和“00”表示；表示；消息码消息码“0”用用“01”表示，表示，00消息码：1 0 1 1 0 0 0 1双相码：10 01 10 10 01 01 01 10 双相码波形：双相码相位：0 0 0 0密勒码：0CMI码：基带

19、数字信号的传输码型38l nBmB码 n这是一类分组码，它把消息码流的这是一类分组码，它把消息码流的n位二进制码元编为一位二进制码元编为一组，并变换成为组，并变换成为m位二进制的码组，其中位二进制的码组，其中mn。后者有。后者有2m种不同组合。由于种不同组合。由于mn，所以后者多出，所以后者多出(2m 2n)种组合。种组合。在在2m种组合中，可以选择特定部分为可用码组，其余部分种组合中，可以选择特定部分为可用码组，其余部分为禁用码组，以获得好的编码特性。为禁用码组，以获得好的编码特性。n双相码、密勒码和双相码、密勒码和CMI码等都可以看作是码等都可以看作是1B2B码。在光纤码。在光纤通信系统中，常选用通信系统中，常选用m=n+1，例如，例如5B6B码等。码等。n除了除了nBmB码外，还可以有码外，还可以有nBmT码等等。码等等。nBmT码表示码表示将将n个二进制码元变成个二进制码元变成m个三进制码元。个三进制码元。基带数字信号的传输码型