现代信系统原理第4章-数字基带传输系统-课件

第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理第第4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统 4.1 数字基带信号码型数字基带信号码型 4.2 基带系统的脉冲传输与码间干扰基带系统的脉冲传输与码间干扰 4.3 无码间串扰的基带传输系统无码间串扰的基带传输系统 4.4 无码间串扰基带系统的抗噪声性能无码间串扰基带系统的抗噪声性能4.5 眼图眼图 4.6 时域均衡原理时域均衡原理*4.7 部分响应系统部分响应系统*7/9/20241第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理4.1 数字基带信号码型数字基带信号码型基带信号的要求主要有两点：基带信号的要求主要有两点：（1）对各种代码的要求，期望将原始）对各种代码的要求，期望将原始信息符号编制成适合于传输用的码型；信息符号编制成适合于传输用的码型；（2）对所选的码型的电波形的要求，）对所选的码型的电波形的要求，期望电波形适宜于在信道中传输。期望电波形适宜于在信道中传输。本节讨论前一问题。本节讨论前一问题。7/9/20242第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理在设计数字基带信号码型时应考虑以下原则：在设计数字基带信号码型时应考虑以下原则：（1）码型中应不含直流或低频分量尽量少码型中应不含直流或低频分量尽量少;（2）码型中高频分量尽量少码型中高频分量尽量少;（3）码型中应包含定时信息码型中应包含定时信息;（4）码型具有一定检错能力码型具有一定检错能力;（5）编码方案对发送消息类型不应有任何限编码方案对发送消息类型不应有任何限制，即能适用于信源变化制，即能适用于信源变化;（6）低误码增殖低误码增殖;（7）高的编码效率高的编码效率；（8）编译码设备应尽量简单。编译码设备应尽量简单。7/9/20243第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理4.1.2 数字基带信号的常用码型数字基带信号的常用码型7/9/20244第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理1.单极性非归零（单极性非归零（NRZ）码）码 二进制符号二进制符号“1”和和“0”分别对应正电平和分别对应正电平和零电平，在整个码元持续时间电平保持不变。零电平，在整个码元持续时间电平保持不变。单极性单极性NRZ码的主要特点：码的主要特点：（1）有直流分量，无法使用一些交流耦）有直流分量，无法使用一些交流耦合的线路和设备；合的线路和设备；（2）不能直接提取位同步信息；）不能直接提取位同步信息；（3）抗噪性能差；）抗噪性能差；（4）传输时需一端接地。）传输时需一端接地。7/9/20245第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理 2.双极性不归零（双极性不归零（NRZ）码）码 “1”和和“0”分别对应正、负电平，其特分别对应正、负电平，其特点为：点为：（1）直流分量小。当二进制符）直流分量小。当二进制符号号“1”“1”、“0”“0”等等可能出现时，无直流成分；可能出现时，无直流成分；（2）接收端判决门限为）接收端判决门限为0，容易设置并且稳，容易设置并且稳定，因此抗干扰能力强；定，因此抗干扰能力强；（3）可以在电缆等无接地线上传输。）可以在电缆等无接地线上传输。7/9/20246第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理 3.单极性归零（单极性归零（RZ）码）码 归零码是指它的有电脉冲宽度比码元宽归零码是指它的有电脉冲宽度比码元宽度窄，每个脉冲都回到零电平。度窄，每个脉冲都回到零电平。优点是可以直接提取同步信号，它是其优点是可以直接提取同步信号，它是其它码型提取同步信号需采用的一个过渡码型。它码型提取同步信号需采用的一个过渡码型。4.双极性归零（双极性归零（RZ）码）码 双极性归零码具有双极性不归零码的抗双极性归零码具有双极性不归零码的抗干扰能力强及码中不含直流成分的优点，应干扰能力强及码中不含直流成分的优点，应用比较广泛。用比较广泛。7/9/20247第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理 5.差分码差分码 在差分码中，在差分码中，“1”、“0”分别用电平分别用电平跳变或不变来表示。跳变或不变来表示。编码：遇到编码：遇到“1”状态反转、状态反转、“0”状态状态不变；不变；译码：有变化为译码：有变化为“1”，没变化为，没变化为“0”。特点：即使接收端收到的码元极性与发特点：即使接收端收到的码元极性与发送端完全相反，也能正确地进行判决。送端完全相反，也能正确地进行判决。7/9/20248第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理 6.AMI码码 这种码型实际上把二进制脉冲序列变为三这种码型实际上把二进制脉冲序列变为三电平的符号序列，其优点如下：电平的符号序列，其优点如下：（1）在）在“1”、“0”码不等概率情况下，码不等概率情况下，也无直流成分，对具有变压器或其它交流隅合也无直流成分，对具有变压器或其它交流隅合的传输信道来说，不易受隔直特性的影响。的传输信道来说，不易受隔直特性的影响。（2）若接收端收到的码元极性与发送端的完）若接收端收到的码元极性与发送端的完全相反，也能正确判决。全相反，也能正确判决。（3）便于观察误码情况。）便于观察误码情况。7/9/20249第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理 7.HDB3码码 AMI码有一个重要缺点，即它可能出现码有一个重要缺点，即它可能出现长的连长的连0串，会造成提取定时信号的困难。串，会造成提取定时信号的困难。HDB3码的编码规则为：码的编码规则为：（1）先把消息代码变成）先把消息代码变成AMI码；码；（2）当出现）当出现4个或个或4个以上连个以上连0码时进行码时进行处理，即引入破坏码处理，即引入破坏码V和补信码和补信码 ；而原来；而原来的二进制码元序列中所有的二进制码元序列中所有的的“1”码称为信码，称为信码，用符号用符号B表示。表示。7/9/202410第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理 信码信码B与破坏符号与破坏符号V的正负必须满足如下的正负必须满足如下两个条件：两个条件：B码和码和V码各自都应始终保持极性交替码各自都应始终保持极性交替变化的规律，以便确保编好的码中没有直流变化的规律，以便确保编好的码中没有直流成分；成分；V码必须与前一个码必须与前一个码码（信码（信码B）同极）同极性，以便和正常的性，以便和正常的AMI码区分开来。如果这码区分开来。如果这个条件得不到满足，那么应该在四个个条件得不到满足，那么应该在四个连“0”码的第一个的第一个“0”码位位置上加一个与置上加一个与V码同极性的码同极性的补信码，用符号表示，并做调整。补信码，用符号表示，并做调整。7/9/202411第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理例如：例如：(a)代码：代码：0 1 0000 1 1000 0 0 101(b)AMI码：码：0+1 0000 -1+1000 0 0-10+1(c)加加V：0+1000V+-1+1000 V+0-10+1(d)加补信码加补信码 0+1000V+-1+1 0 0 V-0+10 -1(e)HDB3：0+1000+11+1-10 0-1 0+10 1 HDB3码的译码却比较简单，同时它对定码的译码却比较简单，同时它对定时信号的恢复是极为有利的。时信号的恢复是极为有利的。HDB3是是CCITT推荐使用的码之一。推荐使用的码之一。7/9/202412第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理 8.Manchester码码 该码又称为数字双相码或分相码。其特点该码又称为数字双相码或分相码。其特点是每个码元用两个连续极性相反的脉冲来表示。是每个码元用两个连续极性相反的脉冲来表示。如如“1”码用正、负脉冲表示，码用正、负脉冲表示，“0”码用负、码用负、正脉冲表示，正脉冲表示，以太网采用分相码作为线路传输以太网采用分相码作为线路传输码。码。9.CMI码码 其编码规则为：其编码规则为：“1”码交替用码交替用“00”和和“11”表示；表示；“0”码用码用“01”表示。表示。10.多进制码多进制码（具体情况见书（具体情况见书p89）7/9/202413第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理 4.1.3 数字基带信号功率谱数字基带信号功率谱 不同形式的数字基带信号具有不同的频不同形式的数字基带信号具有不同的频谱结构，分析数字基带信号的频谱特性，以谱结构，分析数字基带信号的频谱特性，以便合理地设计数字基带信号。便合理地设计数字基带信号。可以证明，随机脉冲序列双边功率谱为可以证明，随机脉冲序列双边功率谱为：7/9/202414第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理结论：结论：（1）随机脉冲序列功率谱包括两部分：连）随机脉冲序列功率谱包括两部分：连续谱（第一项）和离散谱（第二项）。续谱（第一项）和离散谱（第二项）。（2）当）当 、p及及 给定后，随机给定后，随机脉冲序列功率谱就确定了。脉冲序列功率谱就确定了。下面，以矩形脉冲构成的基带信号为例，下面，以矩形脉冲构成的基带信号为例，通过几个有代表性的特例对式（通过几个有代表性的特例对式（4-3）的应用）的应用及意义做进一步的说明。及意义做进一步的说明。p91 7/9/202415第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理4.2 基带系统的脉冲传输与码间干扰基带系统的脉冲传输与码间干扰 4.2.1 数字基带系统的工作原理数字基带系统的工作原理 7/9/202416第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理7/9/202417第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理4.2.2 基带传输系统的码间串扰基带传输系统的码间串扰 传输过程中第传输过程中第4个码元发生了误码，产生个码元发生了误码，产生该误码的原因就是信道加性噪声和频率特性。该误码的原因就是信道加性噪声和频率特性。基带传输系统的数学模型如图所示：基带传输系统的数学模型如图所示：发送滤波器输入信号可以表示为：发送滤波器输入信号可以表示为：7/9/202418第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理 发送滤波器至接收滤波器总的传输特性为：发送滤波器至接收滤波器总的传输特性为：则由图可得抽样判决器的输入信号为：则由图可得抽样判决器的输入信号为：为了判定第为了判定第j个码元个码元aj的值，应在的值，应在 瞬瞬间对间对y(t)抽样。显然，此抽样值为：抽样。显然，此抽样值为：7/9/202419第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理 4.2.3 码间串扰的消除码间串扰的消除 从数学表示式看，只要从数学表示式看，只要即可消除码间干扰，但即可消除码间干扰，但ak是随机变化的，要是随机变化的，要想通过各项互相抵消使码间串扰为想通过各项互相抵消使码间串扰为0是不可能是不可能的。只能依靠系统冲激响应在采样点处为零。的。只能依靠系统冲激响应在采样点处为零。7/9/202420第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理 考虑到实际应用时，定时判决时刻不一考虑到实际应用时，定时判决时刻不一定非常准确，这样的尾巴拖得太长，当定时定非常准确，这样的尾巴拖得太长，当定时不准时，任一个码元都要对后面好几个码元不准时，任一个码元都要对后面好几个码元产生串扰，或者说后面任一个码元都要受到产生串扰，或者说后面任一个码元都要受到前面几个码元的串扰。因此对系统还要求适前面几个码元的串扰。因此对系统还要求适当衰减快一些，即尾巴不要拖得太长。当衰减快一些，即尾巴不要拖得太长。7/9/202421第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理4.3 无码间串扰的基带传输系统无码间串扰的基带传输系统 无码间串扰对基带传输系统冲激响应无码间串扰对基带传输系统冲激响应的要求概括如下：的要求概括如下：（1）基带信号经过传输后在抽样点上）基带信号经过传输后在抽样点上无码间串扰，也即瞬时抽样值应满足无码间串扰，也即瞬时抽样值应满足 （2）尾部衰减要快。）尾部衰减要快。7/9/202422第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理 经整理后无码间串扰的条件为：经整理后无码间串扰的条件为：可以找到很多能满足这个要求的系统，例如可以找到很多能满足这个要求的系统，例如 7/9/202423第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理 4.3.1 理想基带传输系统理想基带传输系统 理想基带传输系统的传输特性具有理想理想基带传输系统的传输特性具有理想低通特性，其传输函数为：低通特性，其传输函数为：相应的时域表达式为：相应的时域表达式为：7/9/202424第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理 如果信号经传输后整个波形发生变化，如果信号经传输后整个波形发生变化，但只要其特定点的抽样值保持不变，那么用但只要其特定点的抽样值保持不变，那么用再次抽样的方法，仍然可以准确无误地恢复再次抽样的方法，仍然可以准确无误地恢复原始信码。这就是奈奎斯特第一准则的本质。原始信码。这就是奈奎斯特第一准则的本质。7/9/202425第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理 输入序列若以的码元速率输入序列若以的码元速率1/Tb进行无码进行无码间串扰传输时，所需的最小传输带宽为间串扰传输时，所需的最小传输带宽为1/2Tb（Hz）,通常称通常称1/2Tb为奈奎斯特带宽。为奈奎斯特带宽。频带利用率是指码元速率和带宽的比值：频带利用率是指码元速率和带宽的比值：显然，理想低通传输函数具有最大的频显然，理想低通传输函数具有最大的频带利用率，其值为带利用率，其值为2Baud/Hz。但是，理想基。但是，理想基带传输系统实际上不可能得到应用。这是因带传输系统实际上不可能得到应用。这是因为首先物理不可实现的；其次，拖尾很大。为首先物理不可实现的；其次，拖尾很大。7/9/202426第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理 4.3.2 无码间串扰的等效特性无码间串扰的等效特性 经数学推导可以得到：经数学推导可以得到：要满足无码间串扰，则要求要满足无码间串扰，则要求 7/9/202427第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理 4.3.3 实用的无码间串扰基带传输特性实用的无码间串扰基带传输特性 理想冲激响应的尾巴衰减很慢的原因是理想冲激响应的尾巴衰减很慢的原因是系统的频率特性截止过于陡峭，进系统的频率特性截止过于陡峭，进行行“圆滑滑”处理可以减小拖尾，处理可以减小拖尾，通常被称通常被称为“滚降降”。而而滚降系数定义为：滚降系数定义为：7/9/202428第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理 滚降系数的不同可以得出结论：滚降系数的不同可以得出结论：（1）当）当 时，为时，为理想基理想基带传输系系统，h(t)的的“尾巴尾巴”按按1/t的规律衰减。当的规律衰减。当 时，时，“尾巴尾巴”的衰减速率比的衰减速率比1/t 大。大。（2）输出信号频谱所占据的带宽为：）输出信号频谱所占据的带宽为：一般情况下，一般情况下，=01时，时，频带利用率为，频带利用率为21Baud/Hz。可以看出。可以看出 越大，越大，“尾部尾部”衰减越快，但带宽越宽，频衰减越快，但带宽越宽，频带利用率越低。带利用率越低。7/9/202429第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理4.4 无码间串扰基带系统的抗噪声性能无码间串扰基带系统的抗噪声性能 码间串扰和噪声是影响接收端正确判码间串扰和噪声是影响接收端正确判决，从而造成误码的因素。本节来讨论噪决，从而造成误码的因素。本节来讨论噪声引起的误码率。声引起的误码率。7/9/202430第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理 若二进制基带信号为双极性，则在抽样若二进制基带信号为双极性，则在抽样时刻时刻x(t)的取的取值为：值为：7/9/202431第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理 设判决门限为设判决门限为Vd，则，则 ，判为，判为“1”码码 ，判为，判为“0”码码 可能出现两种判决错误：原可能出现两种判决错误：原“1”错判成错判成“0”或原或原“0”错判成错判成“1”，图中带，图中带“”的码元就是错码。下面分析由于信道加性噪的码元就是错码。下面分析由于信道加性噪声引起这种误码的概率，即误码率。声引起这种误码的概率，即误码率。设信道加性噪声为均值为设信道加性噪声为均值为0的高斯白噪声，的高斯白噪声，而接收滤波器又是一个线性网络，故判决电而接收滤波器又是一个线性网络，故判决电路输入噪声也是均值为路输入噪声也是均值为0的高斯噪声。的高斯噪声。7/9/202432第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理nR(t)的功率谱密度为：的功率谱密度为：方差（噪声平均功率）为：方差（噪声平均功率）为：nR(t)瞬时值的一维概率密度函数可表述为：瞬时值的一维概率密度函数可表述为：发送发送“1”“1”时均值为时均值为A，其一维概率密度函数，其一维概率密度函数为：为：7/9/202433第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理发送发送“0”时均值为时均值为-A，其概率密度函数为：，其概率密度函数为：它们相应的曲线如图所示：它们相应的曲线如图所示：7/9/202434第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理 噪声会引起两种误码概率噪声会引起两种误码概率：（1）发）发“1”错判为错判为“0”的概率的概率P(0/1)；（2）发）发“0”错判为错判为“1”的概率的概率P(1/0)；7/9/202435第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理基带传输系统总的误码率可表示为：基带传输系统总的误码率可表示为：在在A和和 一定的条件下，可以找到一个一定的条件下，可以找到一个使误码率最小的判决门限电平，这个门限电使误码率最小的判决门限电平，这个门限电平称为最佳门限电平。令平称为最佳门限电平。令当当P(1)=P(0)=1/2 时时 7/9/202436第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理这时，基带信号系统总的误码率为：这时，基带信号系统总的误码率为：这这就就是是双双极极性性、等等概概发发送送“1”码码和和“0”码码、且且在在最最佳佳判判决决门门限限电电平平下下，基基带带传传输系统总的误码率表示式。输系统总的误码率表示式。对于单极性信号，对于单极性信号，最佳门限电平为：最佳门限电平为：当当P(1)=P(0)=1/2 时：时：7/9/202437第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理基带信号系统总的误码率为基带信号系统总的误码率为：比较双极性信号与单极性信号可知：比较双极性信号与单极性信号可知：（1）在基带信号峰值相等、噪声均方根值）在基带信号峰值相等、噪声均方根值也相同时，单极性基带系统的抗噪性能不如也相同时，单极性基带系统的抗噪性能不如双极性基带系统。双极性基带系统。（2）在误码率相同条件下，单极性基带系）在误码率相同条件下，单极性基带系统需要的信噪功率比要比双极性高统需要的信噪功率比要比双极性高3dB。7/9/202438第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理 （3）在发送在发送“1”、“0”码等概情况下，码等概情况下，单极性基带系统的最佳判决门限电平随心到单极性基带系统的最佳判决门限电平随心到特性发生变化。特性发生变化。因此，数字基带系统多采用双极性信号因此，数字基带系统多采用双极性信号进行传输。进行传输。7/9/202439第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理4.5 眼图眼图 眼图就是用的实验方法宏观监测系统眼图就是用的实验方法宏观监测系统的性能。的性能。4.5.1 眼图的概念眼图的概念 眼图是指利用实验的方法估计和改善眼图是指利用实验的方法估计和改善（通过调整）传输系统性能时在示波器上（通过调整）传输系统性能时在示波器上观察到的一种图形。观察到的一种图形。从从“眼眼图”上可上可以观察出码间串扰和噪以观察出码间串扰和噪声的影响，从而估计系统优劣程度。声的影响，从而估计系统优劣程度。7/9/202440第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理4.5.2 眼图形成原理及模型眼图形成原理及模型 1.无噪声时的眼图无噪声时的眼图 7/9/202441第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理 眼图的眼图的“眼睛眼睛”张开的大小反映着码间张开的大小反映着码间串扰的强弱。串扰的强弱。“眼睛眼睛”张的越大，且眼图越张的越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小；反之表示码间串端正，表示码间串扰越小；反之表示码间串扰越大。扰越大。2.存在噪声时的眼图存在噪声时的眼图 当存在噪声时，观察到的眼图的线迹会当存在噪声时，观察到的眼图的线迹会变得模糊不清。若同时存在码间串扰，变得模糊不清。若同时存在码间串扰，“眼眼睛睛”将张开得更小。与无码间串扰时的眼图将张开得更小。与无码间串扰时的眼图相比，原来清晰端正的细线迹，变成了比较相比，原来清晰端正的细线迹，变成了比较模糊的带状线，而且不很端正。噪声越大，模糊的带状线，而且不很端正。噪声越大，线迹越宽，越模糊；码间串扰越大，眼图越线迹越宽，越模糊；码间串扰越大，眼图越不端正。不端正。7/9/202442第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理3.眼图的模型眼图的模型 7/9/202443第第4 4章章 数字基带传输系统数字基带传输系统现代通信系统原理（1）最佳抽样时刻在）最佳抽样时刻在“眼睛眼睛”张最大的时刻。张最大的时刻。（2）对定时误）对定时误差的灵敏度可由眼图斜边的差的灵敏度可由眼图斜边的斜率决定。斜率决定。（3）在抽样时刻上，眼图上下两分支阴影）在抽样时刻上，眼图上下两分支阴影区的垂直高度，表示最大信号畸变。区的垂直高度，表示最大信号畸变。（4）眼图中横轴位置应对应判决门限电平。）眼图中横轴位置应对应判决门限电平。（5）各相应电平的噪声容限。）各相应电平的噪声容限。（6）倾斜分支与横轴相交的区域的大小，表）倾斜分支与横轴相交的区域的大小，表示零点位置的变动范围。示零点位置的变动范围。7/9/202444谢谢！