现代通信原理与技术chp

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,数字信号的基带传输系统,3、掌握对传输码的主要要求及,AMI、HDB3,码的编译码。,2、了解数字基带信号的波形和数学表示式，理解其功率谱表示式，能计算基带信号的带宽,。,1、掌握数字基带系统方框原理，理解系统工作过程 。,1,5、,了解无码间串扰条件下码元速率、带宽和频带利用率之间的关系。,6、了解无码间串扰时基带误码率分析方法及其分析结论 。,7、理解眼图的作用、主要参数的意义和观察眼图的方法。,4、理解码间串扰的概念，掌握无码间串扰条件下传输特性及判断有、无码间串扰的方法。,2,第,1,节 数字基带传输系统的组成,一、组成框图,脉 冲 形 成 器,发 送 滤 波 器,信 道,接 收 滤 波 器,抽 样,判 决,时钟提,取电路,码 元,再 生,定时脉冲,噪声,3,二、各部分的作用,1、 脉冲形成器,输入 通常为二进制码元序列,1 0 1 1 0 1,:,k,d,脉冲形成器作用：将二进制数字序列,适合信道传输的各种码型。,4,脉冲形成器输出：,其中,第 个输入码元为“1”码,第 个输入码元为“0”码,适合信道传输的脉冲波形,2 发送滤波器,作用：将脉冲形成器输出矩形脉冲 更,适合信道传输的较为平滑的波形（如升余弦脉,冲波形）,5,3 信道,数字基带信号的传输信道是有线信道，如,电缆，明线等。,信道中噪声 ：均值为0的加性高斯白噪声。,4 接收滤波器,作用,滤除带外噪声,对接收信号进行波形均衡以利于抽样判决,5 抽样判决和码元再生,6,6 定时脉冲和时钟提取电路,定时脉冲：保证有序工作。,时钟提取电路：从接收信号中提取发送端时钟,作为接收端定时脉冲。,数字基带传输系统各点波形示意图：,对均衡后的输出波形在规定时刻抽取样值，与,判决电平进行比较以确定发送信号是“1”还是,“0”并恢复。,7,1 0 0 1 1 0,1 0 0 1 1 0,8,一、对传输码的要求：,、传输码型中无直流成分，且过高频、过低频成份尽量小。,2、有利于定时信号的提取。,3、具有一定的误码检测能力。,4、码型变换设备简单，易实现。,5、误码增值要小。,6、光纤中不传输三电平码,。,第,2,节 数字基带信号的码型和波形,9,二、数字基带信号的常用码型,1 、单极性矩形码,编码规则,“1”,幅度为,A,的正脉冲,“0”,0 电平,A,1 0 1 1 0,特点：,（1）有直流成分,（2） 无法提取同步信息,10,（3）接收端判决电平为,A,/,2，,稳定性差，抗,干扰能力弱。,（4） 传输时要求信道必须一端接地。,单极性矩形码通常用在收发终端内。,2、双极性矩形码,编码规则,“1”,幅度为,A,的正脉冲,“0”,幅度为,-,A,的负脉冲,A,1 0 1 1 0,-,A,11,3 、单极性归零码,编码,规则,“0”,0 电平,“1”,幅度为,A，,脉宽 的正脉冲,A,1 0 1 1 0,特点：包含定时同步信息。,若 称半占空码,占空比,特点：,（1） “0”“1”等概率时无直流成分。,（2） 接收端判决电平为0，稳定性好。,12,4 、双极性归零码,编码,规则,“1”,幅度为,A，,脉宽 的正脉冲,“0”,幅度为-,A，,脉宽 的负脉冲,A,1 0 1 1 0,-,A,特点：（1）“0”“1”等概时无直流成分；,（2） 接收端全波整流后可提取定时时钟。,13,5 、差分码（相对码）,用相邻码元极性变化表示“0”“1”码，,如规定：,相邻码元极性变化 “1”,相邻码元极性不变 “0”,A,1 0 1 1 0,-,A,参考电平,说明：0 时刻之前码元参考电平不同则波形不同,14,6 、极性交替转换码（,AMI,码）,编码,规则,“1”,幅度为,A,的正负脉冲，交替使用,“0”,0 电平,二进制脉冲序列,三电平序列（伪三进制）,【例】：将下列二进制码元序列变换成,AMI,码,解：,+,1,-,1 0,+,1 0 0,-,1,+,1 0,-,1,+,1 0 0 0,AMI,码：,注意：“+1”表示正脉冲；“-1”表示负脉冲,输入码元序列： 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0,15,特点：,（1） “0”“1”不等概时也无直流成分，且,高，低频分量小。,（2） 采用归零码形式，在接收端经全波整流,可提取同步信息。,（3） 具有一定检错能力。,（4） 输入码元序列在出现长“0”时（连“0”,数 4个）易丢失同步信息。,应用:,64,Kbit/s,接口,缺点：,如二进制序列中，连“0”码过多，,AMI,变换后,仍是连“0”过多，不利于定时信的提取。,16,2）,HDB,3,码的编码规则,1）优点：,可将连 0 限制在三个以内，克服了,AMI,码的对连 0 个数无法控制的缺点。,保留了,AMI,码的所有优点。,连 0码大于或等于4个时，每4个码分为一组，按下列规则变换,：,连 0小于4个时，与,AMI,码相同,7,、 码 三阶高密度双极性码,17,（ 3）“,1”码、“,B”,码满足正负交替，,“,V”,码独自正负交替,。,（4）“,V”,码极性与前,1,“,B”,码同极性,。,说明,：“1”，“,B”，“V”,码传输中都为“1”码。,例如：110011000001,000,V 000V 000V,步骤,：（,1）,4个连0用“000,V”,取代。0000 000,V,（ 2）,当相邻两个破坏点,V,之间有偶数个1时，后面,的000,V B00V,18,1）,11000,V0001000V011000V01,2）,11000,V0001000V011B00V01,3）,设第一个,B,码为,B,+,，,前一个,V,码为,V,+,B,+,B-000V-000B,+,000V+0B-B,+,B-00V-0B,+,4）,+1-1000-1000+1000+10-1+1-10+1,图,：,半占空波形,例如：110011000001,000,V 000V 000V,19,3）,HDB3,码译码原理,（1）,检出,V,码，识别,B00V,或000,V,。,（,用编码（,4）,）,（3）,全波整流还原成单极性码。,应用：,PCM,一次群、二次群、三次群的接口码型,。,（2）,用4个连“0”取代取代节：,B00V,或000,V 0000,8 、成对选择三进码（,PST,码）,二进制脉冲序列,三电平序列（三进制）,编码,规则,“01”,“0+”、“0-”，交替使用（正负模式,）,“10”,“+0”、“-0”，交替使用（正负模式,）,“00”,“-+”、,“11”,“+-”、,20,（1）,CMI,（,传号反转码）,a、,形成规则：,“0” “01”表示,“1” “11”和“00”交替表示,9、,mBnB,码,定义：,分组码，把输入信码流中每,m,比码分,一组，然后变换为,n,比特，且,nm。,例： 1 0 1 0 0 1 1,11 01 00 01 01 11 00,类似的码型有：,双相码（,Manchester,码），,密勒码（,Miller,码），,传号反转码（,CMI,码）等,。,21,b、,特点：,b,）,无直流分量，波形变化繁。,c、,应用,：,PCM,四次群（139.246,Mbit/s）,的接口码型。,正常情况下：“10”不能出现在波形中；连,续的“00”或“11”不可能出现,a）,具备检测错误能力,0、1成对出现,便于恢复定时信号,22,（2）双相码 (,BPH,码),110，001 1,B/2B,码，易于同步提取,A,1 0 1 1 0,BPH,-,A,1 0 1 0 0,A,-,A,（3）密勒码,“1”,“01”、“10”交替,“0”,单0不变；双0： “00”、“11”交替,23,第,3,节 数字基带信号的频谱分析,解决问题,信号频谱分布，信号带宽等,信号中是否含有直流分量,信号中是否含有定时同步信息,一、随机脉冲序列的波形和一般表达式,1、波形,设,“0”,“1”,24,2 、数学表示式,设出现“1”码概率为,P，,出现“0”码概率为1,-,P，,则二进制数字序列的表示式为：,其中：,概率,P,概率 1,-,P,3、将 分成稳态项和交变项,稳态项和交变项的划分方法如图,25,1 0 0 1 0 1 1,26,（1） 稳态项 ：随机脉冲序列中的平均分量,在 时间间隔内：,平均值,=,（2） 交变项 ： 中的变化部分,27,在某一码元间隔（以 为例）内：,若 （出现概率为,P）,则,（以概率,P）,若 （出现概率为1,-,P）,则,（以概率1,-,P）,28,一般表达式：,其中：,概率,P,概率1,-,P,或写成,其中：,概率,P,概率1,-,P,29,二、数字基带信号的功率谱密度,1 的功率谱密度,周期信号，展开为傅立叶级数：,30,其中：,31,功率谱密度：,这是数字基带信号功率谱密度中的离散谱部分,32,2 的功率谱密度,为随机功率信号，在其上取截短函数,，其功率谱密度：,33,统计平均值：,当 时，有,概率,P,概率 1,-,P,34,当 时：,概率,P,2,概率（1,-,P）,2,概率,2,P（1,-,P）,35,这是数字基带信号功率谱密度中的连续谱部分,36,3 的功率谱密度,双边功率谱密度,37,单边功率谱密度：,三、功率谱密度各项的物理意义,码元重复频率,38,在单边功率谱密度表达式 中,第一项：,连续频谱,在数字基带信号中连续频谱总是存在的,第二项：,直流,成分,双极性码,且“0”，“1”等概即 时，该项为0 。,此时，数字基带信号中无直流成分。,39,第三项：,离散分量,离散分量决定数字基带信号中是否包含定时,同步信息。该项不为0时（特别是 分量不 为,0时），接收端可从接收码中提取出同步脉冲。,单极性矩形归零码中离散频谱不等于0。,40,例：试求单极性归零码随机脉冲序列的,功率谱密度。,【解】：,如图所示,“0”码,概率 1,-,P,“1”码,概率,P,41,代入功率谱密度表达式得：,若,（半占空码） ，则,42,若,（不归零码） ，则,其中有直流成分，但没有定时脉冲成分。,43,同理，可求出几种常用码型的功率谱密度,单极性升余弦,P=0。5,单极性不归零码,P=0。5,双极性归零码,P=0。5,AMI,码,双极性不归零码,P=0。5,单极性归零码,P=0。5,44,第,4,节 基带脉冲传输与码间串扰,一 、 码间串扰和噪声对数字通信的影响,1 、什么是码间串扰？,传 输,信 道,（带限传输系统）,码间串扰,：数字基带信号经信道传输时，由于,信道特性不理想（如传输带宽有限）等使输出,信号拖一条长长的“尾巴”，从而影响后面其,它码元的抽样判决结果。这种影响称作“,”。,45,2 、码间串扰和噪声对数字通信的影响,以传输数字信号 1 1 1 0 为例：,显然，在第四个码元抽样判决时刻,抽样值,=,码间串扰,：本码元判决时刻其它码元的影响,其中：,第四个码元抽样值,相邻码元在第四个码,元抽样点的码间串扰,第四个码元抽样点的噪声,46,双极性码判决电平取 0,若,则第四个码元判为“0”，判决正确，无误码,若,则第四个码元判为“1”,“ 误码 ”,结论：码间串扰和噪声将导致数字基带传输,系统误码率上升。,47,a,1,a,3,a,4,a,2,1 1 1 0,48,二 、码间串扰的数学分析,数字基带系统模型：,码型变换,抽样,判决,发送滤波器,接收滤波器,信道,周期性冲击序列,49,码型变换,双极性码,其中,第,n,个码元是“1”,第,n,个码元是“0”,数字基带信号,接收滤波器输出：,50,其中：,冲击响应,接收滤波器输出噪声,设第,K,个码元波形最大值时刻 抽样,51,式中：,第,K,个码元抽样值,码间串扰,噪声（随机）,52,三 、如何消除码间串扰,1 各项代数和等于0,2 前码元波形在后码元判决时刻已衰减到0,3 前码元波形在后码元,抽样时刻为0，其余,时刻可为任意值。,（如图所示）,53,第,5,节 无码间串扰的传输特性,一 无码间串扰传输系统冲击响应,无码间串扰条件分析,（常数）,设 ，上式可写成,54,令,再令 ，则得,无码间串扰条件,：,如 满足上式（见下图）。,55,二 、无码间串扰系统传输函数,系统传输函数,系统冲击响应,56,采用分段积分求和：,积分区间：,57,令,代入上式得：,1,2,=,b,b,T,i,kT,j,e,p,58,当上式的和一致收敛时，可以交换积分与求和,次序，即：,令等效传输函数,则,若 （常数），则,59,满足无码间,串扰条件,（常数）,无码间串扰时系统传输函数应满足,常数,称作“奈奎斯特第一准则”。,60,例考察下面两系统传输信号时是否会产生,码间串扰。,（,B）,（,A）,61,【解】：,（,A）,传输特性中,在,内为常数，无码间串扰,62,（,B）,传输特性中,在,内不为常数,存在码间串扰,63,三、几种常用的无码间串扰的传输特性,1、 码元速率，系统带宽和频带利用率,注意： ，但两者单位不同。,b,B,f,R,=,系统带宽,B：,传输特性的整个频率范围。,码元重复频率 （赫兹,Hz）,码元速率 （波特）,频带利用率：单位频带传输的码元速率,波特,64,2 、常用无码间串扰的传输特性,（1） 理想低通特性,传输系统带宽：,B,=,W,最大无码间串扰传输速率,频带利用率,65,（2 ）升余弦特性,传输系统带宽,B,=,2W,最大无码间串扰传输速率,频带利用率,66,（3）三角形特性,传输系统带宽,B,=,2W,最大无码间串扰传输速率,频带利用率,67,（4） 直线滚降特性,传输系统带宽,最大无码间串扰传输速率,频带利用率,68,（5） 余弦滚降特性,传输系统带宽,最大无码间串扰传输速率,频带利用率,69,3 无码间串扰传输系统的冲击响应,1。0,2。0,3。0,1。0,0,理想低通特性,直线滚降特性,升余弦特性,70,带宽,B,接收滤波器,抽 样,判 决,信道,噪声,误码,衡量指标：,误码率,一、接收信号的概率分布,第,6,节 基带传输系统的抗噪声性能,71,设信道噪声 ：加性高斯白噪声，单边,功率谱密度为,接收滤波器输出噪声 ：窄带高斯噪声，,其均值为0，方差 。,的一维概率密度函数,72,设信道中传输的是双极性码,发“1”码,发“0”码,接收,概率,密度,波形,73,二、接收端判决准则,若判决门限电平为 ，则,1 、对于“1”码,判为“1”码，判决正确,判为“0”码，判决错误,2 、对于“0”码,判为“1”码，判决错误,判为“0”码，判决正确,74,抽样判决和码元再生电路框图,接 收,滤波器,抽样,判决,1码发生器,0码发生器,三、误码率的计算,设发送端发“1”码的概率为 ，发“0”码,概率为 ，则总误码率,75,设判决门限电平为，则,双极性信号,76,当,x,V,d,， 判为“,0”,码,(,判决正确,),当,x,V,d,， 判为“,1”(,判决错误,) ,可见， 在二进制基带信号传输过程中， 噪声会引起两种误码概率： ,(1),发“,1”,错判为“,0”,的概率,P(0/1),：,P(x,V,d,)=,对“,0”,码,77,则可求得最佳门限电平,当,P(1)=P(0)=1/2,时,V,*,d,=0,双极性,基带传输系统总误码率为,78,发“1”码,发“0”码,接收,概率,密度,波形,2 、单极性信号,79,若发送端发送信号为单极性码,用与双极性码相同的方法可求得：,最佳门限电平,当条件下,同样的方法可推得：,80,误码率 与信噪比 之间关系曲线,1,10,-1,10,-4,10,-5,10,-6,10,-7,10,-8,10,-2,10,-3,-,5,0,5,10,15,20,二进制,双极性,二进制,单极性,81,第,7,节 眼 图,眼图：利用实验的方法估计和改善数字基带,传输系统性能时在示波器上观察到的类似人,眼睛一样的图形。,接 收,滤波器,垂直输入端,一、测试方法,接收滤波器输出接于,示波器垂直输入端,（,Y,输入端），调整,水平扫描周期，使之,与码元周期同步。,82,二 、如何根据眼图估计系统性能,1 无噪声，无码间串扰时的眼图,设用双极性升余弦脉冲表示“0”“1”码。,即,“1”,“0”,83,1 1 0 1 0 0 1 0,连“1”,码产生,连“0”码产生,“0”“1”交替码产生,84,特点：线段细且清晰。,说明：（1）,AMI,码没有连“1”码，但有连,“0”码，其眼图如下图（,A）,（2） 若示波器水平扫描周期= ，,则眼图如下图（,B）（,设 ）,（,A）,（,B）,85,2 有码间串扰，无噪声时的眼图,特点：线段不完全重合，,线迹较粗且不清晰。,“,眼睛小,”,3 有码间串扰，有噪声时的眼图,特点：模糊的带状线，,噪声越大，线条,越宽；码间串扰,越大，眼图越不,端正。,86,三 、眼图的模型,最佳抽样判决时刻,门限电平,噪声容限,对定时误差的灵敏度,抽样时刻,最大信号,畸变,过零点畸变,87,