数据信号的传输

, , , , , ,*,*,数据通信原理,方莉,北京邮电大学信通院,Tel：，Email：,课程简介,第一章 概述,第二章 数据信号传输,第三章 差错控制,第四章 数据交换,第五章 通信协议,第六章 数据通信网,目录,2,第二章 数据信号传输,数据信号的传输是数据通信的基础。,数据信号的传输有三种方式：,基带传输,频带传输,数字传输,3,第二章 数据信号传输,第一节 数据信号及特性描述,第二节 数据信号的基带传输,第三节 数据信号的频带传输,第四节 数据信号的数字传输,4,第一节 数据信号及特性描述,基带传输中设计或选择信号码型时要求,不含直流分量，且高频分量和低频分量要少,便于定时与同步信息地提取,编码方案对信源透明,码型具有一定抗噪声性能,码型具有较高的编码,码型没有或者只有很小的误码增值,码型变换设备要简单可靠,5,第一节 数据信号及特性描述,数据终端产生的数据信息是以 “0”、“1”组成的随机序列，它用,不同形式的电信号,表示，从而构成不同形式的,数据信号,；,本节将介绍,NRZ码、 RZ码、双极性码、双极性归零码、差分码,等编码规则、频谱组成、特点及应用等。,主要内容,1.1 基带信号,1.2 数据序列功率谱特性,6,1.1 基带信号,数据序列的电信号表示,图3-1（a,b,c,d） 常用数据序列形式,7,1.1 基带信号,数据序列的电信号表示,差分信号：利用相对于前一个码元电平是否改变来表示“1”或“0”。,图3-1(f) 常用数据序列形式,8,1.1 基带信号,单极性不归零(NRZ)码,编码规则：高电平表示1码，零电平表示0码；波形如下：,特点及应用：,发送能量大有利于提高收端信噪比,带宽窄但直流和低频成分大；,不能提取同步信号,判决电平不易稳定,一般用于,设备内部和短距离通信,中。,9,1.1 基带信号,单极性归零(RZ)码,编码规则：,高电平表示1码，零电平表示0码,； 电平的持续时间,比码元周期,T,b,小，其波形如下,占空比：,/T,b,，典型的取值是,/T,b,=50%,特点及应用：,具有单极性码的大多特点但带宽增大，,可以直接提取同步信息；,一般用于设备内部和短距离通信中。,10,1.1 基带信号,双极性不归零码,编码规则：用正电平表示“1”，负电平表示“0”，,特点及应用：,发送能量大有利于提高收端信噪比,无直流但低频成份大,不能提取同步信号,判决电平容易稳定，无需线路接地,11,1.1 基带信号,双极性归零码,编码规则：用正电平表示“1”，负电平表示“0”，电平的持续时间,比码元周期,T,b,小，其波形如下：,占空比：,/,T,b,，典型的取值是,/,T,b,=50%,特点及应用：,具有双极性码的优点,比较容易提取同步信息；,12,1.1 基带信号,差分码,编码规则：差分码是用相邻两个电平变化与否表示“1”和“0” ：,特点及应用：,即使传输过程中所有电平都发生了反转，接收端仍能正确判决；,是数据传输系统中的一种常用码型；,13,1.1 基带信号,例1：已知二进制数据序列为1010110，以矩形脉冲为例，画出双极性归零信号的波形图（设=T/2）。,1 0 1 0 1 1 0,14,1.1 基带信号,例2：已知二进制数据序列为1100101，以矩形脉冲为例， 画出,差分信号,的波形图（,假设“1”电平改变，“0”电平不变；初始电平为0,）。,1 1 0 0 1 0 1,15,1.2 数据序列功率谱特性,频谱是描述信号的频域特性。,研究基带信号的频谱结构是十分必要的；,通过谱分析，可以了解信号需要占据的,频带宽度,，所包含的,频谱分量,，有无直流分量，有无定时分量等；,针对信号的谱特点来选择相,匹配的信道,，以及确定是否可以从信号中,提取定时信号,。,16,1.2 数据序列功率谱特性,基带信号的频谱特性,确知信号,傅氏变换,频谱,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。用,随机过程的理论,来分析。,随机信号,复杂变换,功率谱,17,1.2 数据序列功率谱特性,数字基带信号的一般表达式,假设“,1”,用,g,1,(,t,),表示， “,0”,用,g,2,(,t,),表示，数字信号的波形如下图所示：,18,1.2 数据序列功率谱特性,假设在一个码元周期,T,b,内“,1”,出现的概率为,P,，“,0”,出现的概率为,1-,P,，其中：,a,n,是第,n,个脉冲的相对幅度，其取值与所用码型有关，,对于单极性信号有：,对于双极性信号：,19,1.2 数据序列功率谱特性,随机数据序列信号的功率谱密度表达式,：,f,s,=1/,T,s,，符号速率,；,G,1,(,f,)和,G,2,(,f,)分别为,g,1,(,t,)和,g,2,(,t,)的傅氏变换，频谱；,式中的第一项表示,连续谱,，由其可以确定,信号的带宽,；,第二项是,离散谱,，由其可以判断信号,有无直流分量,以及是否包含,同步信息,。,20,1.2 数据序列功率谱特性,连续谱,：由于g,1,(t)和g,2,(t)不可能完全相同，所以其对应的频谱G,1,(,f,)G,2,(,f,)，故,连续谱部分总是存在的,。,离散谱,:与信号码元出现“1”，“0”的概率和信号脉冲形状有关，在某些情况下,可能没有离散谱分量,。,21,1.2 数据序列功率谱特性,数据序列功率谱特性结论：,随机数字基带信号的功率谱通常包括,离散谱和连续谱,两部分；,不论是,连续谱还是离散谱,都与基本脉冲,g(t),的频谱,P(f),、及基带信号的形式、统计特性有关；,22,1.2 数据序列功率谱特性,例：设,g,1,(t),为幅度A、宽度为T的,矩形脉冲,，,g,2,(t),则为幅度,-,A、宽度为T的,矩形脉冲,。,则有,G,1,(f)=-G,2,(f)=G(f),当P1/2时的功率谱密度为：,此时只有连续谱。,23,几种典型随机数据信号序列的功率谱密度,1) 双极性归零序列,设出现“1”，“0”的概率都是 1/2，脉冲宽度为,，幅度为A。,考虑g,1,(t)=-g,2,(t)，,=T/2，其,功率谱密度,为：,24,几种典型随机数据信号序列的功率谱密度,1) 双极性归零序列,f,4/T,2/T,0,-2/T,-4/T,P,(f),25,几种典型随机数据信号序列的功率谱密度,2) 双极性不归零序列,设出现“1”，“0”的概率都是 1/2，脉冲宽度,T，幅度为A。,考虑g,1,(t)=-g,2,(t)，,其功率谱密度为,：,f,2/T,1/T,0,-1/T,-2/T,P,(f),26,几种典型随机数据信号序列的功率谱密度,3) 单极性归零序列,设出现“1”，“0”的概率都是1/2，,“1”码发g,2,(t),信号波形，脉冲宽度为,=0.5T，,“0”码发0,。,其功率谱密度为：,27,几种典型随机数据信号序列的功率谱密度,3)单极性归零序列,f,4fs,2fs,0,-2fs,-4fs,P(f),单极性归零码,=T/2,28,几种典型随机数据信号序列的功率谱密度,4)单极性不归零序列,f,2fs,fs,0,-fs,-2fs,P(f),单极性不归零码功率谱密度,29,部分码型的功率谱结构如下图所示 ：,1.2 数据序列功率谱特性,30,数据序列功率谱特性总结：,1）单极性码既有连续谱，也有离散谱；,双极性码只有连续谱，没有离散谱。,2）不归零码连续谱第一个零点为1/T=,f,s,；,归零码连续谱第一个零点为2/T=2,f,s,；,3,）,=T/2,时，连续谱第一个零点为1/,。,1.2 数据序列功率谱特性,31,功率谱分析的意义：,根据功率谱，可知道信号功率主要集中在哪个频率范围内，这样就可以考虑系统应有的,带宽,；,单极性信号的功率谱含有,离散谱,，因此接收端如设法将这一部分提取出来，就可得到所需的,码元同步信息,；,1.2 数据序列功率谱特性,32,小结,一、数据序列,电信号表示,功率谱基本公式,几种数据序列功率谱的特点,二、数据信号传输的基本方法,基带传输、频带传输、数字数据传输,33,