现代通信原理PPT课件第5章数字基带传输系统

第第5章章 数字基带传输系统数字基带传输系统数字基带传输系统数字基带传输系统1数字基带信号数字基带信号 2码间串扰码间串扰4数字基带系统的理想传输特性数字基带系统的理想传输特性 5无码间串扰时噪声对传输特性的影响无码间串扰时噪声对传输特性的影响6第第5章章 数字基带传输系统数字基带传输系统7眼图眼图部分响应技术部分响应技术8几个问题几个问题何谓何谓“基带系统基带系统”？1.1.数字基带（数字基带（basebandbaseband）信号：未经调制的，）信号：未经调制的，其所占据的频谱是从其所占据的频谱是从零频零频或或很低频很低频开始的开始的数字信号数字信号.2.2.基带系统：不经调制而直接传输数字基带基带系统：不经调制而直接传输数字基带信号的系统。信号的系统。为什么要研究数字基带系统？为什么要研究数字基带系统？1.1.模拟系统的缺点：模拟系统的缺点：设备复杂设备复杂,需要较大传输带需要较大传输带宽宽2.2.在利用对称电缆构成的在利用对称电缆构成的“近程数据通信系统近程数据通信系统”中广泛采用数字基带传输方式中广泛采用数字基带传输方式3.3.在现代通信技术中，数字基带传输方式既可用在现代通信技术中，数字基带传输方式既可用于低数据传输，也可用于高速数据传输于低数据传输，也可用于高速数据传输4.4.任何一个采用线性调制的带通传输系统，都可任何一个采用线性调制的带通传输系统，都可以等效为一个基带传输系统来研究（理论意义）以等效为一个基带传输系统来研究（理论意义）5.1 数字基带传输系统数字基带传输系统信道信号信道信号发生器发生器抽样抽样判决器判决器信道信道同步提取同步提取接收接收滤波器滤波器()TGf()C f()RGf()n t 数字基带传输系统模型数字基带传输系统模型框图说明框图说明：信道信号形成器：把输入的数字信号变换成适信道信号形成器：把输入的数字信号变换成适合于信道传输的信号合于信道传输的信号 1.1.实现方法：进行码型、波形变换实现方法：进行码型、波形变换 2.2.目的：目的：适合于信道传输适合于信道传输 信道：为电缆、架空明线、电话线等等信道：为电缆、架空明线、电话线等等 没有直流带宽要小便于提取同步便于识别，码间串扰小接收滤波器接收滤波器 ：滤除带外噪声，对信道特性进行：滤除带外噪声，对信道特性进行均衡，提高信噪比，减小码间串均衡，提高信噪比，减小码间串扰扰 取样判决器：在有噪声和干扰条件下，正确恢取样判决器：在有噪声和干扰条件下，正确恢 复原来的信码复原来的信码 同步同步 ：提取码元频率信息，为判决电路提取码元频率信息，为判决电路 提供判决时钟提供判决时钟 信道信号信道信号发生器发生器抽样抽样判决器判决器信道信道同步提取同步提取接收接收滤波器滤波器()TGf()C f()RGf()n t5.2 数字基带信号数字基带信号数字基带信号数字基带信号 ：数字消息序列的一种电信号表示形式数字消息序列的一种电信号表示形式 ；它是用不同的电位或脉冲来表示数字消息它是用不同的电位或脉冲来表示数字消息 ；它的功率谱集中在零频。它的功率谱集中在零频。单极性单极性NRZNRZ信号信号对对a a进行了变换，适合信道传输的波形进行了变换，适合信道传输的波形进行码型变换后的波形进行码型变换后的波形信道输出波形信道输出波形接收滤波器输出波形接收滤波器输出波形位定时同步脉冲位定时同步脉冲恢复出的信号恢复出的信号5.2.2数字基带信号的码型数字基带信号的码型 单极性不归零码单极性不归零码(单极性全占空电位信号单极性全占空电位信号)双极性不归零码双极性不归零码(双极性全占空电位信号双极性全占空电位信号)单极性归零码单极性归零码 双极性归零码双极性归零码（相对）差分码（相对）差分码 ：用相邻码元的电平的跳变和不变表示：用相邻码元的电平的跳变和不变表示消息代码，而与码元本身的电位或极性无关消息代码，而与码元本身的电位或极性无关。传输码传输码 传输码的要求：传输码的要求：频谱中无直流频谱中无直流有利于定时信息提取有利于定时信息提取-不能出现长连零不能出现长连零 信道常常不允许直流通过；直流不载负荷；直流浪费功率；造成直流漂移影响判决。AMI码（码（Alternative Mark Inversion）编码规则：将消息码的编码规则：将消息码的“1”（传号）交替地变为（传号）交替地变为“+1”和和“-1”，而，而“0”（空号）保持不变。（空号）保持不变。HDB3码码编码思想：编码思想：1.连零不能多，否则要添加破坏脉冲连零不能多，否则要添加破坏脉冲 2.添加的破坏脉冲应便于识别，以便译码时剔除添加的破坏脉冲应便于识别，以便译码时剔除3.保证无直流，保证无直流，破坏脉冲正负交替破坏脉冲正负交替几种常用的传输码型几种常用的传输码型3HDB 码HDB3码码编码规则：编码规则：1.1.没有四个或四个以上连零，按没有四个或四个以上连零，按AMIAMI编码编码 2.2.当出现长连零，在第四、八、十二当出现长连零，在第四、八、十二个连零处个连零处要添加破坏脉冲要添加破坏脉冲V V 3.3.破坏脉冲破坏脉冲V V正负交替加入正负交替加入 4.4.破坏脉冲破坏脉冲V V与它前一个紧靠的与它前一个紧靠的 “1 1”码异极性，码异极性，则需在四连零的第一个零位加附加脉冲则需在四连零的第一个零位加附加脉冲B B，B B应应与该破坏脉冲与该破坏脉冲V V同极性同极性 5.5.在加破坏脉冲后在加破坏脉冲后“1 1”码的极性要连同破坏脉冲码的极性要连同破坏脉冲一起考虑交替一起考虑交替 HDB3码码编码举例：编码举例：作业 5-1，5-2 共两题；5.2.2 数字基带信号的波形及其表示数字基带信号的波形及其表示()()()()00111011kBkkBkkkkkkkks tb g t kTs tb g t kTkbkabaabaa表示数字基带信号表示第 个码元波形表示第 个码元的相对幅度，即，它是随机的对于单极性信号：对于双极信息性信号：随机信息 5.2.3数字基带信号的功率谱数字基带信号的功率谱()S tt 二元制基带随机序列功率谱公式:据此式我们可以计算出随机序列的带宽、直流及各次谐波分量。210221010()(1)()()()(1)()()()1()01BBBBBmP ff PP G fG ffPG mfP G mffmfG fG fP 10“”码波形g(t)对应的频谱“”码波形g(t)对应的频谱“”码概率简便求法 二元制基带随机序列功率谱中最有用的参数是：带宽、直流及基波分量。我们可用如下办法求出，现举例说明。例：某二元制基带随机序列如图，己知“1”码概率为0.6，“0”码概率为0.4 其中“1”码和“0”码波形如图求：该序列带宽、直流及基波分量。2BT2BTt1()g t2BT2BTt0()g t 解：1)先求带宽：根据前面的论述它由 和 对应的频谱 和 中较宽的一个带宽确定的。如图，三角形波形 对应的频谱 的带宽较宽，有：()S tt2BT2BT32BT32BT2BT0()g t1()g t0()Gf1()Gf0()g t0()Gf22BBBfT 求直流及基波分量随机序列中周期性信号成分称为稳态分量，记为由此可确定离散谱 ()v t10()()(1)()BBkv tPg tkTP g tkT从图看出：平均值为0.8直流成份 基波按下列公式求对基波n=1三角形的 ()v t10.600()|iv t10.602BT2BT32BT32BT1()nBBVFn fT2()()0.42BTF fA SafA 式 中从而由此可见简便算法的计算比较方便。若要计算矩形与升余弦脉冲波形的基带序列，计算更为简便。212221211()()10.4()220.80.220.8220.16BBBBBBBBVF fA SafTTTTSafTSaVV基波 5-35-3，共，共1 1题题作业5.4 码间串扰码间串扰InterSymbol Interference,ISI 定义：定义：由于系统传输总特性（包括收、发滤波器由于系统传输总特性（包括收、发滤波器和信道的特性）不理想，导致前后码元的波和信道的特性）不理想，导致前后码元的波形畸变、展宽，并使前后波形出现很长的拖形畸变、展宽，并使前后波形出现很长的拖尾，蔓延到当前码元的抽样时刻上，从而对尾，蔓延到当前码元的抽样时刻上，从而对当前码元的判决造成干扰。当前码元的判决造成干扰。数字基带信号传输系统模型：数字基带信号传输系统模型：()TGf()C f()RGf()H f()f()h f2()()()()()()()()()()TRjftkBkkBRkH fGf C f Gfh tH f edfbtkTy tb h tkTnt根据频谱分析知识，冲激脉冲序列加到线性网络则输出：000000000000)()()()()()()()()()BBkBBRBkBmBBkBBRBkk mmkBBRBkk mmmmTty mTtb h mTtkTnmTty mTtb h mTtmTb h mTtkTnmTtb h tb h mTtkTnmTtb h t设第 个码元取样判决时刻为(信号,(式中：它是随机00()()kBBkk mRBb h mTtkTnmTt码间串扰噪声(低通型的高斯白噪声)下面我们将分别对码间串扰和噪声进行研究。下面我们将分别对码间串扰和噪声进行研究。5.5 数字基带系统的理想传输特性数字基带系统的理想传输特性 5.5.1理想低通滤波器的传输特性理想低通滤波器的传输特性 带宽为带宽为 的理想低通滤波器的系统函数的理想低通滤波器的系统函数2BfW 1()20fWH fW其它22122121()()2()()10()00BBWjf tjf tWjf tTBBTBh tH f ed fed fWT ed fSatTh tmh mTm因此是取样函数。12BTW()H f2BWf2BWf0f0000)()()0)(0)()(0)()()0()()0(BmkBBkkmBmkBBkkmmkBkkmBBBky mTtb h tb h mTtkTty mTb hb h mTkTb hb h mk Tkmmkh mk TSamk TTb h m如果基带传输系统正好为理想低通滤波器，将上式带入码间串扰表示式：(令，则(因为：所以：所以：所以：)0)(0)BkkmBmmk Ty mTb hb所以：(由此可见，理想低通基带系统是无码间串扰的。由此可见，理想低通基带系统是无码间串扰的。122222/BBBBBBffBWTTRWfRWrB HzBW 奈奎斯特带宽奈奎斯特间隔=B(波特)奈奎斯特速率最高频带利用率思考：思考：理想低通为什么能实现无码间串扰？理想低通为什么能实现无码间串扰？这是因为带宽为这是因为带宽为理想低通滤波器的理想低通滤波器的冲激响应除冲激响应除t=0t=0外，具有周期为外，具有周期为 的零点，的零点，当传输速率为当传输速率为时正好巧妙地利用了这时正好巧妙地利用了这些零点，实现了无码间串扰传输。些零点，实现了无码间串扰传输。补充：若补充：若时有无码间串扰？时有无码间串扰？1()22BBfTBT1()BBfT23232BBBBfffR；5.2.2 等效理想低通等效理想低通1221212212210()00()()()()BBBBBBBjf tTBTjf nTTBBTjf nTBnh nTnh tT ed fh nTT ed fh nTHf ed f理想低通无码间串扰是因为理想低通则对一般基带传输特性1()11(21)(21)(2)2BBBBH fTifiiTfT 把积分区间分为无穷多段，每段宽为则：频率的区间变为：式中如即为下图所示：1(21)221(21)2()()12BBBijf nTTBiiTBBBh nTH f ed fifffTTiffdfdfT 令并且限制它的范围：；12()212122212211(21)2211(21)22()()()()1BBBBBBBBBBBBBBBijfnTTTBiBTjf nTTjinBiBTjiniiffiTTTTiiffiTTTTih nTH fed fTih nTH feed fTe 积分上限：积分下限：因122121221212212()()()()1()()2()BBBBBBBBBjf nTTBiBTjf nTTBiBTjf nTTBiBBTBiBih nTH fed fTih nTH fed fTffih nTH fed ffTTiH fTT 定积分与积分变量无关，因此把改为把此式与理想低通表达式比较，当时，也无码间串()()eqBiBiHfH fTT扰令称为等效理想低通滤波器的意义：()eqHf()()111()()()2()eqiBBBBiHfH fTH fH fH ffTTTH f它表示是的切段相加，如它为常数，则无码间串扰。5.5.3实用的无码间串扰传输特性实用的无码间串扰传输特性（等效理想低通滤波器）（等效理想低通滤波器）三角形三角形 升余弦升余弦 梯梯 形形 余弦滚降余弦滚降原理：只要它们的传递函数原理：只要它们的传递函数“切段切段”相加，能构成相加，能构成为矩形，则它们也是无码间串扰的滤波器为矩形，则它们也是无码间串扰的滤波器 两张图：简单例题简单例题带宽均为带宽均为1kHz1kHz的理想低通滤波器和三角形滤波器：的理想低通滤波器和三角形滤波器：当传输速率如下表所示时，请将系统码间串扰特性当传输速率如下表所示时，请将系统码间串扰特性填入下表（填入下表（表示无串扰，表示无串扰，表示有串扰可消表示有串扰可消除，除，表示有串扰无法消除）表示有串扰无法消除）()Hf0f1000Hz1000Hz()Hf0f1000Hz1000Hz 5-45-4，5-5 5-5 共共2 2题题作业5.6 无码间串扰时噪声对传输特无码间串扰时噪声对传输特性的影响性的影响 一、基带单极性信号误码率分析一、基带单极性信号误码率分析+接收滤波器抽样判决器()s t()n t()y t()s t0t 1 1）发）发“0 0”时，取样判决器输入信号与噪声的概率分布：时，取样判决器输入信号与噪声的概率分布：发发“0 0”时，信号为时，信号为0 0，因此取样判决器输入，因此取样判决器输入 =,就是接收滤波器输出的噪声，它是低通型高斯噪声就是接收滤波器输出的噪声，它是低通型高斯噪声,其概率其概率分布分布零均高斯分布：零均高斯分布：1()00()1()0()0RRAs tAnty tnt 发“”码发“”码发“”码则发“”码()y t()Rnt2220220201()2()2nVnnRnBfVenGfdfn BBBf 式中：对理想低通滤波器：为接收滤波器带宽，通常2 2）发发“1 1”时，取样判决器输入信号与噪声的概率分布：时，取样判决器输入信号与噪声的概率分布：发发“1”时，信号为时，信号为A，因此取样判决器输入，因此取样判决器输入y(t)=A+nR(t)它是均值为它是均值为A的低通型高斯噪声的低通型高斯噪声,其概率分布其概率分布22()211()2nVAnf Ve3 3）误码率分析）误码率分析首先首先,确定判决电平确定判决电平 （对等概率而言）（对等概率而言）误码：误码：2A1202AVAV 判“”码确定判决准则：判“”码 2121(1)(0/1)(0)(1/0)(0/1)(1/0)2(0/1)(1)(0)(0/1)1()22 21128eenbnbePPPPPAPPPPPPPAerfcArrPerfc当判决电平为时，令单极性基带系统“”码时的信噪比 二、基带双极性信号误码率分析二、基带双极性信号误码率分析1 1）发）发“1 1”时，取样判决器输入的信号与噪声概率分布与单时，取样判决器输入的信号与噪声概率分布与单极性情况相同。极性情况相同。2 2）发）发“0 0”时，取样判决器输入的信号与噪声概率分布时，取样判决器输入的信号与噪声概率分布 发发“0 0”时，信号为时，信号为-A-A，因此取样判决器输入，因此取样判决器输入y(t)=-A+nR(t)它是均值为它是均值为-A-A的低通型高斯噪声的低通型高斯噪声,其概率分布其概率分布 22()211()2nVAnf Ve22()201()2nVAnf Ve3)3)误码率分析误码率分析首先首先,确定判决电平：确定判决电平：0 0 (对等概而言对等概而言)0100VV 判“”码确定判决准则：判“”码 误码率：对双极性系统除误码率低外而且判决电平稳定。22(1)(0/1)(0)(1/0)(0/1)(1/0)(0/1)(1)(0)(0/1)1()22122eenbnbePPPPPPPPPPPPAerfcArrPerfc当判决电平为0时，令双极性基带系统信噪比5.7 眼图眼图 理想低通能实现无码间串扰，同时频带利用率最理想低通能实现无码间串扰，同时频带利用率最高（高（）不利不利 ：(1)(1)理想低通不易实现理想低通不易实现 (2)(2)理想低通响应的理想低通响应的“尾巴尾巴”大大人们希望找到频带利用率达最高人们希望找到频带利用率达最高()()，同时，同时响应的响应的“尾巴尾巴”小的滤波器小的滤波器这就是这就是部分响应部分响应技术技术。5.8 部分响应技术部分响应技术2fr 2fr 5.8.1 半余弦滤波器半余弦滤波器BT+理想低通()h t1()Hf2()Hf()t()Hf 12212212222()()()()11 cos2sin2()(1 cos2)sin 212cos2cos 2sin 222cos2(cos22cos1)2(1 cos2)2(2cos)2cosBjf TBBBBBBBBBBBH fHfHfHfef Tjf THff Tf Tf Tf Tf Tf Tf Tf Tf T 运用三角公式：22112()()20()()()()202cos20BBBBBBBHffTfHffT HffHfHf HffTf Tf为理想低通滤波器其它其它其它图形如下：图形如下：该滤波器的频谱函数为半个余弦波，因此称为半余该滤波器的频谱函数为半个余弦波，因此称为半余弦滤波器。弦滤波器。半余弦滤波器的半余弦滤波器的 h(t)2()()()sinsin()sinsin()sinsin()()()sin11sin()BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBh tSaf tSaftTttTttttTTTTTTttTttTttTTTTTTTtTTTttTttTtT0101BBtnTntT 当时，除和外，其它各点都为零。当或时，因分子、分母同时为零，应用罗必达法则求其值。求解结果均为。半余弦滤波器的冲激响应如教材图。半余弦滤波器的冲激响应如教材图。5.8.2半余弦滤波器的特点半余弦滤波器的特点 1.1.半余弦滤波器带宽半余弦滤波器带宽 2.2.半余弦滤波器取样间隔为半余弦滤波器取样间隔为 ，码元速率，码元速率 3.3.半余弦滤波器频带利用率半余弦滤波器频带利用率 4.4.半余弦滤波器半余弦滤波器“尾巴尾巴”小小5.5.半余弦滤波器存在有规律的干扰，它会导致判半余弦滤波器存在有规律的干扰，它会导致判决模糊决模糊2BfB BTBBRf2/BfRrB 波特 赫兹 11kkkkkkcaacaa第k个码元输出第k个码元输入前一码元留下的干扰上表前两行上表前两行 与与 2 2，它对应的，它对应的 与与1 1；上表最后两行上表最后两行 ,但但 可能为可能为1 1，也可能为，也可能为0,0,到底取何值，则要由到底取何值，则要由 的取值决定，如上表所的取值决定，如上表所示。若示。若 误码，则会影响到对误码，则会影响到对 的判决，此现象的判决，此现象称为错误传播。称为错误传播。1kakcka0kc 0ka 1kc kaka1ka1kaka5.8.3 预编码预编码 为了克服错误传播，必须做到本码元的判决仅依为了克服错误传播，必须做到本码元的判决仅依据本码元对应的取值唯一确定。据本码元对应的取值唯一确定。kak即 只能由c 的取值唯一确定，其实现的方法是预编码，预编码电路如下：+BTkakb1kb 这说明：对这说明：对ak先进行预编码得到先进行预编码得到bk，然后将，然后将bk加到半余弦滤波器，则半余弦滤波器输出加到半余弦滤波器，则半余弦滤波器输出ck ，并对，并对 ck模模2 2运算，便得到运算，便得到ak111112222kkkkkkkkkkkkkkkkkkkabbababbabbcbbcbbbbacakk 模模k 模绝对码(原码)相对码(相对码)从预编码电路得到：先加到预编码电路，得到，再将 加到半余弦滤波器因此，半余弦滤波器输出：对半余弦滤波器输出进行模 运算：物理解释：物理解释：ck=ak+ak-1它说明它说明ck不是独立的，具有相关性不是独立的，具有相关性(因半余弦滤波器存在固定干扰因半余弦滤波器存在固定干扰)，因此因此bk 也是不是独立的，也具有相关性，从推导看也是不是独立的，也具有相关性，从推导看出两相关性正好抵消，因此对出两相关性正好抵消，因此对ck模模2 2运算，便得运算，便得到到ak 。1kkkbaa5.8.4 部分响应技术部分响应技术 半余弦滤波器是部分响应技术的一种，然而有多种半余弦滤波器是部分响应技术的一种，然而有多种形式，其通式形式，其通式 ：各类部分响应技术见教材各类部分响应技术见教材185185页表页表121sinsin()sin(1)()()(1)sin(1)(1)BBBBBNBBBBBBNBmmBBttTtNTTTTh tRRRttTtNTTTTtmTTRtmTT部分响应技术部分响应技术名称的由来：名称的由来：加到部分响应电路，由于部分响应电路加到部分响应电路，由于部分响应电路有时延电路存在，这样在一个码元时间内，有时延电路存在，这样在一个码元时间内，系统的输出响应仅仅是整个输出响应的一系统的输出响应仅仅是整个输出响应的一部分，故得名部分响应。部分，故得名部分响应。