数字基带传输系统PowerPoint演示文稿

1第六章第六章 数字基带传输系统数字基带传输系统2l数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性lAMI码、码、HDB3码、双相码的编码原理和主要码、双相码的编码原理和主要优缺点优缺点l无码间干扰的基带传输特性无码间干扰的基带传输特性l无码间干扰时的基带系统的抗噪声性能无码间干扰时的基带系统的抗噪声性能3引引 言言若信道中传输的是数字信号，则称为数字通信系统。若信道中传输的是数字信号，则称为数字通信系统。来自数据终端的原始数据信号（如计算机输出的来自数据终端的原始数据信号（如计算机输出的二进制序列，电传机输出的代码）二进制序列，电传机输出的代码）来自模拟信号经数字化处理后的序列。来自模拟信号经数字化处理后的序列。这些信号包含丰富的低频分量，甚至直流分量，称为这些信号包含丰富的低频分量，甚至直流分量，称为数字基带信号。数字基带信号。在某些具有低通特性的有线信道中，特别是传输距离不在某些具有低通特性的有线信道中，特别是传输距离不太远的情况下，数字基带信号可以直接传输。太远的情况下，数字基带信号可以直接传输。而大多数信道，如各种无线信道和光信道，而大多数信道，如各种无线信道和光信道，则是带通型则是带通型的，的，数字基带信号必须经过载波调制，把频谱搬移到高数字基带信号必须经过载波调制，把频谱搬移到高的载频处才能在信道中传输。的载频处才能在信道中传输。数字基带传输：数字基带传输：数字频带传输：数字频带传输：本章将讨论数字信号的基带传输。本章将讨论数字信号的基带传输。基带传输系统的研究意义：基带传输系统的研究意义：在利用对称电缆构成的近距离数据通信系统中广泛采在利用对称电缆构成的近距离数据通信系统中广泛采用了这种传输方式；用了这种传输方式；基带传输系统的许多问题也是频带传输系统必须考虑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；的问题；任何一个采用线性调制的频带传输系统可等效为基带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。传输系统来研究。它是在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻（由位它是在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻（由位定时脉冲控制）对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，定时脉冲控制）对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号。以恢复或再生基带信号。把原始基带信号变换成适合于信道传输的基带信号，通过把原始基带信号变换成适合于信道传输的基带信号，通过码型变换码型变换和和波形变换波形变换来实现，来实现，其目的是与信道匹配，其目的是与信道匹配，便于便于传输，减小码间串扰，利于同步提取和抽样判决。传输，减小码间串扰，利于同步提取和抽样判决。它的主要作用是滤除带外噪声，对信道特性均衡，使输出它的主要作用是滤除带外噪声，对信道特性均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决。的基带波形有利于抽样判决。信道信号信道信号形成器形成器信道信道接收接收滤波器滤波器抽样抽样判决器判决器基带脉冲基带脉冲输入输入干扰干扰基带脉冲基带脉冲输出输出基带脉冲基带脉冲信道传输信号信道传输信号滤除噪声滤除噪声后的信号后的信号位定时脉冲位定时脉冲”时发送“”时发送“01sRsRskTnAkTnAkTx1 0 1 1 0 1 0t0(g)86.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性6.1.1 数字基带信号数字基带信号数字基带信号是指消息代码的电波形，它是用不同的电平数字基带信号是指消息代码的电波形，它是用不同的电平或脉冲来表示相应的消息代码。或脉冲来表示相应的消息代码。1.单极性不归零波形单极性不归零波形1一个码元内持续有脉冲电平一个码元内持续有脉冲电平0一个码元内没有脉冲电平一个码元内没有脉冲电平 有直流分量，要求传输线路具有直流传输能力，不适有直流分量，要求传输线路具有直流传输能力，不适应有交流耦合的远距离传输，只适用于计算机内部或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传输。极近距离传输。特点：特点：电脉冲之间无间隔，极性单一，易于用电脉冲之间无间隔，极性单一，易于用TTL，CMOS电路产生；电路产生；可以直接提取定时信息，是其他波形提取位定时信号可以直接提取定时信息，是其他波形提取位定时信号时需要采用的一种过渡波形。时需要采用的一种过渡波形。2.单极性归零波形单极性归零波形脉冲宽度小于码元宽度。脉冲宽度小于码元宽度。特点：特点：3.双极性不归零波形双极性不归零波形当当0、1符号等可能出现时无直流分量。这样，恢复信号的符号等可能出现时无直流分量。这样，恢复信号的判决电平为判决电平为 0，因而不受信道特性变化的影响，抗干扰能，因而不受信道特性变化的影响，抗干扰能力也较强。力也较强。脉冲的正、负电平分别对应于二进制代码脉冲的正、负电平分别对应于二进制代码1、0。特点：特点：4.双极性归零波形双极性归零波形双极性波形的归零形式：相邻脉冲之间必定留有零电双极性波形的归零形式：相邻脉冲之间必定留有零电位的间隔。位的间隔。除了具有双极性不归零波形的特点外，还有利于同步除了具有双极性不归零波形的特点外，还有利于同步脉冲的提取。脉冲的提取。特点：特点：5.差分波形差分波形用相邻码元电平的跳变和不变来表示消息代码，称为相对码。用相邻码元电平的跳变和不变来表示消息代码，称为相对码。以电平跳变表示以电平跳变表示1，以电平不变表示，以电平不变表示0用差分波形传送代码可以消除设备初始状态的影响，特别用差分波形传送代码可以消除设备初始状态的影响，特别是在相位调制系统中用于解决载波相位模糊问题。是在相位调制系统中用于解决载波相位模糊问题。6.多电平波形多电平波形多于一个二进制符号对应一个脉冲。多于一个二进制符号对应一个脉冲。在高数据速率传输系统中，采用这种信号形式是适宜的。在高数据速率传输系统中，采用这种信号形式是适宜的。156.1.2 基带信号的频谱特性基带信号的频谱特性了解信号中有无直流分量，了解信号中有无直流分量，有无定时分量，确定是有无定时分量，确定是否可从信号中提取位定时信号。否可从信号中提取位定时信号。了解信号需要占据的频带宽度，针对信号谱的特点了解信号需要占据的频带宽度，针对信号谱的特点来选择相匹配的信道；来选择相匹配的信道；16数字基带信号是随机的脉冲序列，没有确定的频谱函数，数字基带信号是随机的脉冲序列，没有确定的频谱函数，所以只能用功率谱来描述它的频谱特性。所以只能用功率谱来描述它的频谱特性。一种比较简单的方法是以随机过程功率谱的原始定义为一种比较简单的方法是以随机过程功率谱的原始定义为出发点，求出数字随机序列的功率谱。出发点，求出数字随机序列的功率谱。一、随机序列的分解一、随机序列的分解g1(t)代表代表“1”；g2(t)代表代表“0”。随机序列随机序列s(t)可表示成：可表示成：nntsts其中：其中：出现以概率出现以概率)(PnTtgPnTtgtsssn12118 nssnTtgPnTtPgtv211v(t)是一个以是一个以Ts为周期的周期函数。为周期的周期函数。稳态波稳态波：随机序列：随机序列s(t)的统计平均分量，取决于每个码元内的统计平均分量，取决于每个码元内出现出现g1(t)、g2(t)的概率加权平均。的概率加权平均。nntv可以把可以把s(t)分解成稳态波分解成稳态波v(t)和交变波和交变波u(t)：19交变波交变波：s(t)与与v(t)之差，之差，即即u(t)=s(t)-v(t)其中第其中第n个码元为：个码元为：un(t)=sn(t)-vn(t)ssnssPgtnTgtnTutP gtnTgtnT 12121显然，显然，u(t)是随机脉冲序列。是随机脉冲序列。以概率以概率P出现出现以概率以概率1-P出现出现2sT 2sTg1(t)g1(t-2Ts)g2(t-Ts)g2(t+Ts)g1(t+2Ts)g1(t+3Ts)t2sT 2sT-TsTstt21v v(t)的功率谱密度的功率谱密度Pv(f)v(t)是以是以Ts为周期的周期信号，其功率谱密度为一个离散谱。为周期的周期信号，其功率谱密度为一个离散谱。可求得：可求得：mssssvmffmfGPmfPGffP 2211二、功率谱密度二、功率谱密度其中，其中，G1(f)和和G2(f)分别是分别是g1(t)和和g2(t)的频谱。的频谱。根据离散谱可确定序列是否包含直流分量和离散分量。根据离散谱可确定序列是否包含直流分量和离散分量。ssTf1 v u(t)的功率谱密度的功率谱密度Pu(f)u(t)是功率型的随机脉冲序列，是功率型的随机脉冲序列，它的功率谱密度可采用截它的功率谱密度可采用截短函数和求统计平均的方法来求：短函数和求统计平均的方法来求：2211fGfGPPffPsu 可见，交变波的功率谱可见，交变波的功率谱Pu(f)是连续谱，它与是连续谱，它与g1(t)和和g2(t)的的频谱以及出现概率频谱以及出现概率P有关。有关。其中：其中：fs=1/Ts根据连续谱可以确定随机序列的带宽。根据连续谱可以确定随机序列的带宽。v随机序列随机序列s(t)的功率谱的功率谱Ps(f)fPfPfPuvs mssssmffmfGPmfPGf 2211 2211fGfGPPfs 连续谱连续谱：G1(f)G2(f)，总是存在的。，总是存在的。离散谱离散谱：是否存在，取决于：是否存在，取决于g1(t)和和g2(t)的波形及其出现的的波形及其出现的概率概率P。若二进制的两个符号等概率出现，即若二进制的两个符号等概率出现，即P=1/2，则：则：msssssmffmfGffGffP 22241411、对于、对于单极性单极性二进制波形，若设二进制波形，若设g1(t)=0，g2(t)=g(t)，则随机则随机脉冲序列的双边功率谱密度为：脉冲序列的双边功率谱密度为：2211fGPPfmffmfGPffPsmssss 三、几种常见码型的功率谱三、几种常见码型的功率谱 msssssmffmfGPmfPGffP 2211 2211fGfGPPfs Pv(f)若表示若表示“1”码的波形码的波形g2(t)=g(t)为为不归零矩形脉冲不归零矩形脉冲，即，即：sinssasssT fG fT ST fTT f 其稳态波：其稳态波：msssvmffmfGffP 2241离散谱中有直流分量；但无位定时信号离散谱中有直流分量；但无位定时信号。10400fmm-2fs -fs 0 fs 2fs f 1/4 msssssmffmfGffGffP 2224141 2214sfG f2214sssmfG mffmf 26s(t)的功率谱密度为：的功率谱密度为：ssasf T ST ff 221144 msssssmffmfGffGffP 2224141Pv(f)若表示若表示“1”码的波形码的波形g2(t)=g(t)为为半占空归零矩形脉冲半占空归零矩形脉冲，即脉冲宽度即脉冲宽度 =Ts/2时，其频谱函数为：时，其频谱函数为：()()sSTTG fSaf 22 2214vsssmPffG mffmf 其稳态波分量：其稳态波分量：离散谱中有直流分量；离散谱中有直流分量；m为奇数时，有离散分量，为奇数时，有离散分量，能据此恢复定时信号；能据此恢复定时信号；m为偶数时，无离散分量。为偶数时，无离散分量。-3fs -2fs -fs 0 fs 2fs 3fs f 1/16 msssssmffmfGffGffP 2224141 2214sfG f28s(t)的功率谱密度为：的功率谱密度为：()()()ssssmTTmPfSafSafmf 221162162单极性半占空归零信号的带宽为单极性半占空归零信号的带宽为2fs 单极性不归零矩形脉冲信号的带宽为单极性不归零矩形脉冲信号的带宽为fs2、对于双极性波形：、对于双极性波形：g1(t)=g(t)，g2(t)=-g(t)，则序列的功，则序列的功率谱密度：率谱密度：msssssmffmfGPffGPPffP 212142若两个符号等概率出现，即若两个符号等概率出现，即 P=1/2时：时：2fGffPss 其功率谱只含有交变波的分量，因此没有直流分量和位定其功率谱只含有交变波的分量，因此没有直流分量和位定时分量。时分量。31从以上两例可以看出：从以上两例可以看出：随机序列的带宽主要依赖单个码元波形的频谱函数随机序列的带宽主要依赖单个码元波形的频谱函数G1(f)或或G2(f)，两者之中应取较大带宽的一个作为序列带宽。，两者之中应取较大带宽的一个作为序列带宽。时间波形的占空比越小，频带越宽。通常取谱的第一个时间波形的占空比越小，频带越宽。通常取谱的第一个零点作为矩形脉冲的近似带宽，它等于脉宽零点作为矩形脉冲的近似带宽，它等于脉宽 的倒数，的倒数，即即Bs=1/。32单极性基带信号是否存在离散线谱取决于矩形脉冲的单极性基带信号是否存在离散线谱取决于矩形脉冲的占空比。占空比。单极性不归零信号中单极性不归零信号中无定时分量无定时分量，若想获取定时分量，若想获取定时分量，要进行波形变换。要进行波形变换。0、1等概的双极性信号没有离散谱，也就是说等概的双极性信号没有离散谱，也就是说无直流无直流分量和定时分量分量和定时分量。单极性归零信号中单极性归零信号中有定时分量有定时分量，可直接提取。，可直接提取。336.2 基带传输的常用码型基带传输的常用码型 含有直流分量和较丰富低频分量的单极性基带波形含有直流分量和较丰富低频分量的单极性基带波形不适宜在低频传输特性差的信道中传输；不适宜在低频传输特性差的信道中传输；当消息代码中包含长串的连续当消息代码中包含长串的连续“1”或或“0”符号时，符号时，非归零波形呈现出连续的固定电平，因而无法获非归零波形呈现出连续的固定电平，因而无法获取定时信息。取定时信息。34对对传输用的基带信号主要有两个方面的要求：传输用的基带信号主要有两个方面的要求：对代码的要求，原始消息代码必须编成适合于传输用对代码的要求，原始消息代码必须编成适合于传输用的码型；的码型；对所选码型的电波形要求，对所选码型的电波形要求，电波形应适合于基带系统电波形应适合于基带系统的传输。的传输。前者属于传输码型的选择，前者属于传输码型的选择，后者是基带脉冲的选择。后者是基带脉冲的选择。这是两个既独立又有联系的问题。这是两个既独立又有联系的问题。传输码传输码(或称线路码或称线路码)的结构将取决于实际信道特性和系统工的结构将取决于实际信道特性和系统工作的条件。通常，传输码的结构应具有下列主要特性：作的条件。通常，传输码的结构应具有下列主要特性：相应的基带信号无直流分量，且低频分量少；相应的基带信号无直流分量，且低频分量少；便于从信号中提取定时信息；便于从信号中提取定时信息；信号中高频分量尽量少，以节省传输频带并减少码间串信号中高频分量尽量少，以节省传输频带并减少码间串扰；扰；具有内在的检错能力，传输码型应具有一定规律性，以具有内在的检错能力，传输码型应具有一定规律性，以便利用这一规律性进行宏观监测；便利用这一规律性进行宏观监测；编译码设备要尽可能简单，等等。编译码设备要尽可能简单，等等。不受信息源统计特性的影响，即能适应于信息源的变化；不受信息源统计特性的影响，即能适应于信息源的变化；36几种常见的传输码型：几种常见的传输码型：1.AMI码码AMI码是传号交替反转码。其编码规则是将二进制消息码是传号交替反转码。其编码规则是将二进制消息代码代码“1”（传号）交替地变换为传输码的（传号）交替地变换为传输码的“+1”和和“-1”，而而“0”（空号）保持不变。（空号）保持不变。例如：例如：消息代码消息代码：1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 AMI码：码：+1 0 0 1 +1 0 0 0 0 0 0 0-1+1 0 0 -1+1 功率谱中不含直流成分，高、低频分量少，能量集中在功率谱中不含直流成分，高、低频分量少，能量集中在频率为频率为1/2码速处。码速处。当原信码出现连当原信码出现连“0”串时，信号的电平长时间不跳变，串时，信号的电平长时间不跳变，造成提取定时信号的困难。造成提取定时信号的困难。优点：优点：位定时频率分量虽然为位定时频率分量虽然为0，但只要将基带信号经全波整，但只要将基带信号经全波整流变为单极性归零波形，便可提取位定时信号。流变为单极性归零波形，便可提取位定时信号。不足：不足：AMI码的编译码电路简单，便于利用传号极性交替规律码的编译码电路简单，便于利用传号极性交替规律观察误码情况。观察误码情况。38 2.HDB3码码为了保持为了保持AMI码的优点而克服其缺点，人们提出了许多种码的优点而克服其缺点，人们提出了许多种类的改进类的改进AMI码，码，HDB3码码即为其中一种。全称即为其中一种。全称3阶高密度阶高密度双极性码。双极性码。其编码规则如下：其编码规则如下：当信源码的连当信源码的连“0”个数不超过个数不超过3时，仍按时，仍按AMI码的规则码的规则编，即传号极性交替；编，即传号极性交替；当连当连“0”个数超过个数超过3时，则将第时，则将第4个个“0”改为非改为非“0”脉冲，脉冲，记为记为+V或或-V，称之为，称之为破坏脉冲破坏脉冲。相邻。相邻V码的极性必须交码的极性必须交替出现，以确保编好的码中无直流；替出现，以确保编好的码中无直流；为了便于识别，为了便于识别，V码的极性应与其前一个非码的极性应与其前一个非“0”脉冲的脉冲的极性相同，否则，将四连极性相同，否则，将四连“0”的第一个的第一个“0”更改为与该更改为与该破坏脉冲相同极性的脉冲，并记为破坏脉冲相同极性的脉冲，并记为+B或或-B；破坏脉冲之后的传号码极性也要交替。破坏脉冲之后的传号码极性也要交替。40信源码：信源码：1000 0 1000 0 1 1 000 0 l 1例如：例如：HDB3码：码：-1000-V+1000+V-1 +10-B00-V+1 -1AMI码：码：-1000 0 +1000 0 -1 +1 000 0 -1 +1虽然虽然HDB3码的编码规则比较复杂，但译码却比较简单。码的编码规则比较复杂，但译码却比较简单。从从上述原理看出，每一个破坏符号上述原理看出，每一个破坏符号V总是与前一非总是与前一非0符号同极性符号同极性(包括包括B符号在内符号在内)。HDB3码：码：-1 000 -V+1 000+V -1 +1 -B 00 -V +1 -1这就是说，从收到的符号序列中可以容易地找到破坏点这就是说，从收到的符号序列中可以容易地找到破坏点V，于是也断定于是也断定V符号及其前面的符号及其前面的3个符号必是连个符号必是连0符号，从而恢符号，从而恢复复4个连个连0码，再将所有码，再将所有-1变成变成+1后便得到原消息代码。后便得到原消息代码。HDB3码保持了码保持了AMI码的优点外，同时还将连码的优点外，同时还将连“0”码限制在码限制在3个以内，故有利于位定时信号的提取。个以内，故有利于位定时信号的提取。HDB3码是应用最为码是应用最为广泛的码型。广泛的码型。423.双相码双相码双相码又称曼彻斯特（双相码又称曼彻斯特（Manchester）码。）码。它用一个周期它用一个周期的正负对称方波表示的正负对称方波表示“0”，而用其反相波形表示，而用其反相波形表示“1”。编码规则之一是：编码规则之一是：“0”码用码用“01”两位码表示，两位码表示，“1”码码用用“10”两位码表示。两位码表示。代码：代码：1 1 0 0 1 0 1双相码：双相码：10 10 01 01 10 01 10例如：例如：双相码只有极性相反的两个电平，而不像前面的三种码具双相码只有极性相反的两个电平，而不像前面的三种码具有三个电平。有三个电平。这种码的正、负电平各半，所以无直流分量，这种码的正、负电平各半，所以无直流分量，编码过编码过程也简单。程也简单。优点：优点：双相码在每个码元周期的中心点都存在电平跳变，所双相码在每个码元周期的中心点都存在电平跳变，所以富含位定时信息。以富含位定时信息。带宽比原信码大带宽比原信码大1倍。倍。缺点：缺点：4.密勒码密勒码密勒密勒(Miller)码又称延迟调制码，它是双相码的一种变形。码又称延迟调制码，它是双相码的一种变形。编码规则如下：编码规则如下：“1”码：用码元持续时间的中心点出现跃变来表示，即码：用码元持续时间的中心点出现跃变来表示，即 用用“10”或或“01”表示。表示。单个单个“0”时，在码元间隔内不出现电平跃变，且与相时，在码元间隔内不出现电平跃变，且与相邻码元的边界处也不跃变；邻码元的边界处也不跃变；“0”码有两种情况：码有两种情况：连连“0”时，在两个时，在两个“0”码的边界处出现电平跃变，码的边界处出现电平跃变，即即“00”与与“11”交替。交替。(b)密勒码密勒码1 1 0 1 0 0 1 01 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 11 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0(a)双相码双相码双相码的下降沿正好对应于密勒码的跃变沿。因此，双相码的下降沿正好对应于密勒码的跃变沿。因此，用双相码的下降沿去触发双稳电路，即可输出密勒用双相码的下降沿去触发双稳电路，即可输出密勒码。码。46作业：习题作业：习题6-1，6-3，6-76.3 基带信号传输与码间串扰基带信号传输与码间串扰GT()C()GR()抽样抽样判决器判决器信道信号信道信号形成器形成器传输信道传输信道接收滤波器接收滤波器n(t)na na 一、数字基带信号传输系统的组成一、数字基带信号传输系统的组成误码误码除加性噪声外，产生误码的一个重要原因码间串扰。除加性噪声外，产生误码的一个重要原因码间串扰。由于系统特性的不理想，使得在其由于系统特性的不理想，使得在其中传输的波形变形，产生中传输的波形变形，产生“拖尾拖尾”而互相干扰。而互相干扰。二、数字基带信号传输的定量分析二、数字基带信号传输的定量分析GT()C()GR()抽样抽样判决器判决器信道信号信道信号形成器形成器传输信道传输信道接收滤波器接收滤波器n(t)na na nsnnTtatd d(t)设设 RTGCGH r(t)=d(t)*h(t)+nR(t)系统总的传输特性：系统总的传输特性：系统输出系统输出r(t)tnnTthaRnsn tnthnTtaRnsn 000tkTnnTtkThatkTrsRnssns 对第对第k个码元个码元ak进行判决时，应在进行判决时，应在t=kTs+t0时刻上对时刻上对r(t)抽样抽样（t0为传输时间延迟）为传输时间延迟）：0thakknsntTnkha00tkTnsR码间干扰码间干扰第第k个码元的个码元的抽样值抽样值 tnnTthatrRnsn 506.4 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性不考虑噪声的影响，则接收端信号由下式决定：不考虑噪声的影响，则接收端信号由下式决定：knnsnkstTnkhathatkTr000码间干扰的大小取决于码间干扰的大小取决于an和系统输出波形在各抽样时刻上的和系统输出波形在各抽样时刻上的取值。取值。码码间间干干扰扰51一、消除码间串扰的基本思想一、消除码间串扰的基本思想an是随机变化的，无法靠它来消除码间干扰。是随机变化的，无法靠它来消除码间干扰。00 knnsntTnkha想法一：可以对想法一：可以对an提出要求吗？提出要求吗？想法二：可以对想法二：可以对h(t)的波形提出要求吗？的波形提出要求吗？但这样的波形不易实现。但这样的波形不易实现。0 t0 t0+Ts th(t)可以通过改变可以通过改变h(t)的波形，使其除了本时刻抽样点外，在其的波形，使其除了本时刻抽样点外，在其余各抽样点上的取值为余各抽样点上的取值为0，就可消除码间干扰。，就可消除码间干扰。如何设计如何设计h(t)的波形？的波形？53经过论证，符合上述要求的经过论证，符合上述要求的H()应满足：应满足：1)2(1 siSTiHT sT 该条件称为该条件称为奈奎斯特第一准则奈奎斯特第一准则。它为我们提供了检验一个。它为我们提供了检验一个给定的系统特性给定的系统特性H()是否会产生码间串扰的方法。是否会产生码间串扰的方法。ssiTTiH )2(或或二、无码间串扰的条件二、无码间串扰的条件0 理想低通特性理想低通特性 其他0ssTTH sTH 2 sTH 2sT sT sT 2sT 2三、无码间串扰的传输特性的设计三、无码间串扰的传输特性的设计理想低通特性的系统：理想低通特性的系统：输入数据若输入数据若以以1/Ts的波特率的波特率进行传送，接收端抽样时不存在进行传送，接收端抽样时不存在码间干扰。码间干扰。当输入数据以当输入数据以高于高于1/Ts的波特率的波特率进行传送，接收端抽样判进行传送，接收端抽样判决时肯定有码间干扰。决时肯定有码间干扰。当输入数据以当输入数据以低于低于1/Ts的波特率的波特率进行传送，接收端抽样判进行传送，接收端抽样判决时可能有码间干扰，也可能没有码间干扰。决时可能有码间干扰，也可能没有码间干扰。tTSaTgssTs 12上述讨论的具有理想低通特性的传输系统：上述讨论的具有理想低通特性的传输系统：sT 其频带宽度为：其频带宽度为：则该系统的最高频带利用率为：则该系统的最高频带利用率为：sTf212 11 2ssTT=2（波特（波特/Hz）无码间干扰时的最高传码率为：无码间干扰时的最高传码率为：1/Ts（波特）（波特）(Hz)定义定义频带利用率频带利用率为单位频带内的码元传输速率。为单位频带内的码元传输速率。这是在无码间干扰的条件下，基带传输系统所能达到的极限。这是在无码间干扰的条件下，基带传输系统所能达到的极限。57 输入端若以输入端若以 RB=1/Ts 的波特率传送数据时，要求无码的波特率传送数据时，要求无码间干扰所需的最小传输带宽为间干扰所需的最小传输带宽为1/(2Ts)=RB/2(Hz)，称，称为为奈奎斯特带宽奈奎斯特带宽，记做，记做W。当系统的传输特性为当系统的传输特性为理想低通型理想低通型时：时：若系统带宽为若系统带宽为W(Hz)，则该系统能达到的无码间干扰，则该系统能达到的无码间干扰时的最高传码率为时的最高传码率为2W(波特波特)，称为，称为奈奎斯特速率奈奎斯特速率。58l 理想冲激响应理想冲激响应h(t)作为传输波形，其作为传输波形，其“拖尾拖尾”的衰的衰减振荡幅度较大，在得不到严格定时的情况下，码减振荡幅度较大，在得不到严格定时的情况下，码间干扰就会很大。间干扰就会很大。理想低通型传输特性的缺点：理想低通型传输特性的缺点：l 很难实现；很难实现；59可以让理想低通特性的可以让理想低通特性的H()的边沿缓慢下降，称为滚降。的边沿缓慢下降，称为滚降。余弦滚降特性余弦滚降特性一种常用的滚降特性是升余弦滚降特性。频谱为：一种常用的滚降特性是升余弦滚降特性。频谱为：ssssssssTTTTTTTTH 111100212sin定义定义Nff 滚降系数滚降系数当当=0时，即为理想低通型特性；时，即为理想低通型特性；fN-f fN fN+f fffTs=10;=0.5当当=1时，为升余弦频谱特性：时，为升余弦频谱特性：ssssTTTTH 202212cos=0=1 1212NNBffBR(B/Hz)-(1+)fN -fN 0 fN (1+)fN f该系统无码间干扰的最高传码率为该系统无码间干扰的最高传码率为2fN，带宽为，带宽为(1+)fN可以把该系统等效为一个带宽为可以把该系统等效为一个带宽为fN的理想低通滤波器。的理想低通滤波器。余弦滚降系统的频带利用率：余弦滚降系统的频带利用率：2fN-2fN-fN fN fNf21Nf1Nf43取值为取值为0，0.5，1时的升余弦滚降时的升余弦滚降系统的频谱：系统的频谱：对应的时域波形：对应的时域波形：2241ssssTtTtTtTtth/cos/sin =1的升余弦滚降系统的响应函数：的升余弦滚降系统的响应函数：t63升余弦滚降系统的升余弦滚降系统的 h(t)满足在抽样点上无码间串扰的传输条满足在抽样点上无码间串扰的传输条件，且各抽样点之间又增加了一个零点，其件，且各抽样点之间又增加了一个零点，其“拖尾拖尾”衰减也衰减也较快，这有利于减小码间串扰和位定时误差的影响。较快，这有利于减小码间串扰和位定时误差的影响。但这种系统的频谱宽度比理想低通滤波系统加宽了一倍，但这种系统的频谱宽度比理想低通滤波系统加宽了一倍，因而频带利用率为因而频带利用率为1波特波特/Hz，是最高频带利用率的一半。，是最高频带利用率的一半。什么是码间串扰？它对接收端信号的恢复有何影响？什么是码间串扰？它对接收端信号的恢复有何影响？要消除码间串扰，系统的传输特性应满足什么要求？要消除码间串扰，系统的传输特性应满足什么要求？采用升余弦滚降特性的系统传输特性有何优点与不足？采用升余弦滚降特性的系统传输特性有何优点与不足？试说明奈奎斯特带宽与奈奎斯特速率的含义？试说明奈奎斯特带宽与奈奎斯特速率的含义？思思 考：考：作业：作业：6-11，6-1265GT()C()GR()抽样抽样判决器判决器信道信号信道信号形成器形成器传输信道传输信道接收滤波器接收滤波器n(t)na na 6.5 基带传输系统的抗噪声性能基带传输系统的抗噪声性能 202RnRnPfGf 2RnnPf df nR(t)：=0；Pn(f)=n0/2N(0,n2)的平稳高斯过程。的平稳高斯过程。”时发送“”时发送“01sRsRskTnAkTnAkTx66 二进制双极性基带系统二进制双极性基带系统在噪声存在的情况下，抽样判决器输入为信号与噪声在噪声存在的情况下，抽样判决器输入为信号与噪声的混合波形：的混合波形：”时发送“”时发送“01sRsRskTnAkTnAkTx对于双极性系统，抽样时刻的信号值为：对于双极性系统，抽样时刻的信号值为：+A（发送（发送“1”）或）或-A（发送（发送“0”）。）。发送发送“1”时，时，A+nR(kTs)的一维概率密度函数为：的一维概率密度函数为：222121nAxnexf /发送发送“0”时，时，-A+nR(kTs)的一维概率密度函数为：的一维概率密度函数为：222021nAxnexf /在在kTs的抽样时刻，噪声电压的抽样时刻，噪声电压V=nR(kTs)的概率密度：的概率密度：222/21nVneVf 0 xf0(x)f1(x)-AAVdP(0/1)=P(xVd)dVdxxf0 ndAVerf 22121总误码率为：总误码率为：Pe=P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0)ndAVerfP 221211 ndAVerfP 221210与误码率有关的因素有：与误码率有关的因素有：发送概率发送概率P(1)、P(0)；噪声功率噪声功率n2；信号峰值信号峰值A；判决门限判决门限Vd70在其它因素一定的条件下，可以找到一个使误码率最小在其它因素一定的条件下，可以找到一个使误码率最小的判决门限电平，称为最佳门限电平。的判决门限电平，称为最佳门限电平。令令0deVP可求得最佳门限电平：可求得最佳门限电平：1022PPAVndln 若若P(1)=P(0)=1/2，则有：，则有：Vd*=0此条件下，基带传输系统总误码率为：此条件下，基带传输系统总误码率为：neAerfcP 221716.6 眼眼 图图实际通信系统中，由于滤波器部件设计误差或信道特性实际通信系统中，由于滤波器部件设计误差或信道特性发生变化等因素，都可能使发生变化等因素，都可能使H()特性改变，从而使系统特性改变，从而使系统性能恶化。性能恶化。实际应用中需要用简便的实验方法来定性测量系统的性实际应用中需要用简便的实验方法来定性测量系统的性能，其中一个有效的实验方法是观察接收信号的能，其中一个有效的实验方法是观察接收信号的眼图眼图。72眼图：利用示波器观察接收端的基带信号波形，从而估计眼图：利用示波器观察接收端的基带信号波形，从而估计和调整系统性能。和调整系统性能。具体做法：具体做法：将示波器接在抽样判决器的输入端，调整水平扫描周期，将示波器接在抽样判决器的输入端，调整水平扫描周期，使其与接收码元周期同步。使其与接收码元周期同步。即可从示波器的显示波形中观察到干扰和噪声等因素影响即可从示波器的显示波形中观察到干扰和噪声等因素影响的情况。的情况。传输特性较理想时的波形传输特性较理想时的波形眼图眼图传输特性不理想时的波形传输特性不理想时的波形眼图眼图当存在噪声时，眼图的线迹变成了比较模糊的带状的线，当存在噪声时，眼图的线迹变成了比较模糊的带状的线，噪声越大，线条越宽，越模糊，噪声越大，线条越宽，越模糊，“眼睛眼睛”张开得越小。张开得越小。通过眼图可以获得系统性能的以下信息：通过眼图可以获得系统性能的以下信息：最佳抽样时刻最佳抽样时刻对定时误差的灵敏度对定时误差的灵敏度噪声容限噪声容限过零点失真过零点失真判决门限电平判决门限电平抽样失真抽样失真斜率越大，对定时误差越敏感。斜率越大，对定时误差越敏感。表示抽样时刻上信号受噪声干扰的畸变程度。表示抽样时刻上信号受噪声干扰的畸变程度。表示接收波形零点位置的变化范围。表示接收波形零点位置的变化范围。756.7 时域均衡时域均衡理论和实践均证明，在基带系统中插入一种可调理论和实践均证明，在基带系统中插入一种可调(或不可或不可调调)滤波器可以校正或补偿系统特性，减小码间串扰的影滤波器可以校正或补偿系统特性，减小码间串扰的影响，这种起补偿作用的滤波器称为响，这种起补偿作用的滤波器称为均衡器均衡器。76频域均衡器：校正系统的频率特性，使基带系统的总特性频域均衡器：校正系统的频率特性，使基带系统的总特性接近无失真传输条件，适用于低速传输系统；接近无失真传输条件，适用于低速传输系统；时域均衡器：直接校正已失真的响应波形，使整个系统的时域均衡器：直接校正已失真的响应波形，使整个系统的冲激响应满足无码间串扰条件，适用于高速传输系统。冲激响应满足无码间串扰条件，适用于高速传输系统。77一、时域均衡的基本原理一、时域均衡的基本原理当系统传输特性当系统传输特性H()不满足奈奎斯特第一准则时，会形不满足奈奎斯特第一准则时，会形成有码间串扰的响应波形。成有码间串扰的响应波形。可在接收滤波器和抽样判决器之间插入一个可在接收滤波器和抽样判决器之间插入一个横向滤波器，横向滤波器，其冲激响应为：其冲激响应为：nsnTnTtCth 理论上就可消除码间串扰。理论上就可消除码间串扰。其中其中Cn由由H()决定。决定。78TsC-iTsC0TsC1TsC-1Ci输入输入输出输出抽头系数抽头系数(t=0)横向滤波器的结构框图：横向滤波器的结构框图：TnsnhtCtnT 设有限长横向滤波器具有设有限长横向滤波器具有2N+1个抽头，其冲激响应：个抽头，其冲激响应：NisiNh tCtiT TsC-NTsC0TsC1TsC-1CN来自接收滤波器来自接收滤波器去判决电路去判决电路(t=0)y tx th t NNisiiTtxC NNisiiTtCtx x(t)y(t)NNisiiTtxCty在抽样时刻在抽样时刻kTs：NNisiNNissisTikxCiTkTxCkTy简写为：简写为：NNiikikxCy81可通过调整各可通过调整各Ci的值，使输出波形只有在的值，使输出波形只有在yk才有值，而在才有值，而在其它抽样时刻点上均为其它抽样时刻点上均为0或者非常小。或者非常小。x1x0 x-1x2y0y1y-1y2y-2 NNiikikxCy82例：设有一个三抽头的横向滤波器，其例：设有一个三抽头的横向滤波器，其C-1=-1/4，C0=1，C+1=-1/2。均衡器输入。均衡器输入x(t)在各抽样点上的取值分别为：在各抽样点上的取值分别为：x-1=1/4，x0=1，x+1=1/2，其余都为零。试求均衡器输，其余都为零。试求均衡器输出出y(t)在各抽样点上的值。在各抽样点上的值。利用有限长的横向滤波器可减小码间串扰，但无法完全消利用有限长的横向滤波器可减小码间串扰，但无法完全消除。除。001kkkyyDl 峰值失真准则：峰值失真准则：峰值失真峰值失真D就是码间串扰最大值与有用信号样值之比。就是码间串扰最大值与有用信号样值之比。对于完全消除码间干扰的均衡器而言，应有对于完全消除码间干扰的均衡器而言，应有D=0；对于码间干扰不为零的场合，希望对于码间干扰不为零的场合，希望D有最小值。有最小值。二、均衡准则与实现二、均衡准则与实现84迫零调整法以迫零调整法以最小峰值失真准则最小峰值失真准则为依据实现均衡器的调整。为依据实现均衡器的调整。可以证明：可以证明：峰值失真峰值失真D的最小值发生在的最小值发生在y0前后的前后的yk都为都为0的情况下。即满足：的情况下。即满足：0110kkNyk 85具体要求：具体要求：0010010101221210NNNNNNNNNNCCCCCxxxxxxxxx均衡器输入序列给定时，按上式设计或调整各抽头系数，可均衡器输入序列给定时，按上式设计或调整各抽头系数，可迫使均衡器输出的各抽样值迫使均衡器输出的各抽样值yk为为0。NNiikikxCy86例例:设计设计3个抽头的迫零均衡器，以减小码间串扰。已知，个抽头的迫零均衡器，以减小码间串扰。已知，x-2=0，x-1=0.1，x0=1,x1=-0.2，x2=0.1，求，求3个抽头的系数，个抽头的系数，并计算均衡前后的峰值失真。并计算均衡前后的峰值失真。可见，可见，3抽头均衡器可以使抽头均衡器可以使y0两侧各有一个零点，但在远两侧各有一个零点，但在远离离y0的一些抽样点上仍会有码间串扰。这就是说抽头有限的一些抽样点上仍会有码间串扰。这就是说抽头有限时，总不能完全消除码间串扰，但适当增加抽头数可以将时，总不能完全消除码间串扰，但适当增加抽头数可以将码间串扰减小到相当小的程度。码间串扰减小到相当小的程度。87作业：作业：6-18,6-2588-0 01H()-206-10：422 Satf 442tSaf =20 tSath22020 (1)(2)将将H()平移，间隔为平移，间隔为iTs 2=2RB i=20i看是否能在看是否能在sT =RB=0的范围内叠加出常数。的范围内叠加出常数。20