Transcript 第六章数字基带信号传输

第六章 数字基带信号传输
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7
6.8
数字基带传输系统
数字基带信号
码间干扰及无码间干扰的条件
部分响应基带传输系统
数字基带传输系统抗噪声性能分析
眼图
均衡
位同步
本章教学基本要求
掌握：
1. 几种常用传输码型的编码方案
2. 无码间干扰时域、频域条件
3. 会判断、会画基带信号波形图
理解：
数字基带信号频谱特性
了解：
眼图与时域均衡
6.1 数字基带传输系统
数字基带传输系统：不使用调制和解调装置而直接传
输数字基带信号的系统。
信码序列
基带信号
形成
信道
接收
滤波器
抽样判决
信码
n(t)
其中，基带信号形成用来产生适于信道传输的基带
信号；信道是允许基带信号通过的媒质；接收滤波器
用来接收信号和尽可能排除信道噪声和其他干扰；抽
样判决则是在噪声背景下用来判定与再生基带信号。
再生中继设备：基带信号的接收、整形、再发送装置。
可有效地防止噪声积累，提高通信的可靠性。
6.2 数字基带信号
6.2.1 数字基带信号常用波形
(1) 单极性二进制：不归零（NRZ）；归零（RZ）
(2) 双极性二进制：不归零；归零
(3) 差分波形：电位改变“1”，不变“0”
(4) 多电平波形
占空比：
差分码波型：
6.2.2 数字基带信号的码型
传输码型选择原则：码型的频谱适合信道，时钟易
找：
a. 码型频谱中无直流分量，低频成分尽量小。
b. 尽量减小码型频谱的高低成份。
c. 码型频谱中含有定时钟信息。
d. 码型具有一定的检错能力。
e. 码型变换的设备简单，易实现。
信号交替反转码（AMI码）
a.编码原则：二进制“0” 编为“0”
二进制“1” 交替变为“+1”“-1”
b.例：NRZ 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1
AMI 1 0-1 1 0 0 0 0 0-1 0 1-1
c.功率谱
d.优点：
Ⅰ) 没有直流分量，低频成份少，高频成份少。
Ⅱ) 过高的高频少。
Ⅲ) 有检错能力。
Ⅳ) 虽没有成份，但有成份，便于提取。
缺点：Ⅰ) 连“0”码多时，不利于定时提取，造成时
钟漂移。
三阶高密度双极性码（HDB3码）
a .特点：保持了AMI码所有的优点，克服了其
缺点。
但有误码增值的现象。
b.编码原则
将连“0”码个数控制在3个以内，超出3个时，每4
连零用取代节（000V或B00V）代替。V，B：附加
传号码
（1）连“0”码个数不超过3个时，仍按AMI码处理，
（2）遇到连“0”为4个以上时，每4个为一组，用取
代节000V或B00V代替。V的与前面的信号同极性，
之后传号交替反转，V本身也极性交替。
（3）当V不满足极性交替时，即相邻V之间有偶数
个“1”，就用B00V代替，B和前面的传号码反极性。
c.例1：
NRZ： 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1
HDB3：1 0-1 0 0 0 V-0 0 0V-0-1 0 0 0 V-1
B+00V+
例2：NRZ： 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1
HDB3：1 0 1 0 0 0 V B 0 0 V 0 1 0 0 0 V
1 0-1 0 0 0 V-B+0 0V+0-10 0 0 V例3：NRZ：
1010000010000 11101000001
HDB3：
1 0-1 0 0 0V-0 1 0 0 0V+-1+1-10+1B-0 0V-0 1
d. 解码识别
1) V与前相邻传号同极性。
2) B与V有相对关系：V前面第三位是传号
V前面第三位是零号
B码；
0码。
（7）多元码
M>2，M=2n
6.2.3 数字基带信号的频谱特征
(1) 单个矩形波形的频谱
(2) 随机脉冲序列的谱分析
双边功率密度
单边功率密度
结论：①和的频谱有关，和出现的频率有关。
②和波形有关。
③包含离散谱和连续谱。
6.3 码间干扰及无码间干扰的条件
6.3.1 数字基带信号传输
图6-7 基带信号的接收与再生
其中（b）波形失真，（c）位定时点，（d）是整
形后的脉冲序列。
1、波形畸变（频带限制引起）
2、加性噪声干扰（本节暂不考虑）
6.3.2 码间干扰
系统中各部分如下：
1、发送滤波器：也叫信道信号形基带形成滤波器H(ω)
成器，用来产生适合于信道产生的基带信号。
2、信道传输受到的影响：发送滤波器输出的基带信号
送入信道，基带信号在传输过程中受到两个因素的影响。
（1）受到信道特性的影响，使信号产生畸变；
（2）被加性噪声叠加，使信号产生随机畸变。
因此，在接收端需设置一个接收滤波器。
3、接收滤波器：作用有两个，
（1） 抑制带外噪声，
（2） 均衡、调整信号波形，减小信号畸变，提高系
统的可靠性。
4、识别电路：作用有两个，
（1） 限幅、整形
（2） 抽样判决，要在最佳时刻、用最佳门限判决。
注意：这里还需要有一个良好的同步系统，用来产生
抽样判决器所需要的定时脉冲。
我们将发送滤波器，信道，接收滤波器合在一起
称为基带形成滤波器。其传递函数为：
（6-16）
经H（ω)传输后收到的波形x(t)为：式（6-15）用式
（6-17）变换后得到式（6-18），式中前面一项为第k
个码元的取样判别部分，后面一项为码间干扰。
定义：在本码判决时刻，有其它码元影响。
码间干扰产生的原理：由于基带系统是低通限带系统
（在通频带某一位置完全截止），它的冲激响应必定
具有无限长的拖尾，从而对其他码元的取样时刻产生
干扰。它与信道的加性噪声无关，与传输特性有关。
6.3.3 无码间干扰的条件：
1、理想低通信号
1）时域条件:
式（6-19）
即本码判决时刻不为零，其它抽样点上均为零。
2）频域条件：
式（6-26）
奈奎斯特第一准则：若信号的符号（码元）间隔为Tb,
则不产生码间干扰的极限传输速率为每赫带宽每秒2个
符号，即2(Baud/Hz)，对二进制，为2bit/Hz.s。
通俗地讲：理想低通滤波器的截止频率若为(f0/2) ,不
产生码间干扰时的最高码元速率为f0。
定义：若LPF的截止频率为(f0/2)，则称：
f0/2为奈奎斯特频带,
f0称为奈奎斯特速率,
Tb称为奈奎斯特间隔。
频带利用率：单位频带内的传码率。式（6-22）
结论：具有理想低通传输特性的系统能够实现无码间
干扰，且能够达到性能极限。
缺点：系统响应h(t)有“拖尾”，衰减慢，定时捎有偏
差
即会产生严重的码间干扰。
2、升余弦信号
把锐截止变成缓慢截止，这样的滤波器就是物理可实
现的。
1）时域特性:
式（6-30）
波形按t的负3次方衰减，衰减速度快。
2）频域特性：
式（6-27）（6-28）
图6-10
3）传输指标：
升余弦系统的奈奎斯特带宽为0.5Tb（码元宽度为Tb
时），频带利用率为 式（6-28） 1(Baud/Hz)。
实际系统采用升余弦滚降信号：图6-11、式（631）、式（6-32）， α为滚降系数（0≤α≤1），当
α=0时为理想低通信号。
6.4 部分响应基带传输系统
1.目的：
减小理想状况的拖尾现象，同时提高实际状况的
频带利用率，而采取的降低码间干扰的措施之一。
2.概念：
有控制地在某些码元的抽样时刻引入码间干扰，
而在其余码元的抽样时刻无码间干扰，那么就能使频
带利用率提高到理论上的最大值，同时拖尾小，有可
以降低对定时精度的要求。这种波形称为部分响应波
形，利用部分响应波形进行传送的基带传输系统称为
部分响应系统。
6.5 数字基带传输系统抗噪声性能分析
本节不考虑码间干扰，只考虑高斯白噪声。
设双极性信号波形的电平为±A，系统总误码率为：
（6-45）
根据式（6-52），误码率与判决门限Vd有关，选择不同
的Vd可获得不同的误码率。
最佳判决门限：将使总误码率为最小的判决门限。根据
式（6-57）、式（6-58），当P(0)=P(1)=0.5时， Vd =0。
对双极性信号：误码率为 式（6-55）
对单极性信号：误码率为 式（6-56）
在相同S/N下，单极性信号的误码率大于双极性信号。
6.6 眼图
1）利用实验手段方便估计系统性能的一种测量
方法。即从示波器显示的图形上，观察出码间干
扰和噪声的影响，从而估计出系统性能的优劣程
度。
2）做眼图的步骤：
（1）选择分段周期T0=nTB，n取整数;
（2）以T0为周期分段；
（3）在一个周期内重叠；
（4）用斜线标眼。
6.7 均衡
在基带系统中插入一种可调的滤波器（也可不
调），来减小码间干扰的影响。这种起补偿作用的滤
波器统称为均衡器。横向滤波器可以实现时域均衡，
横向滤波器网络的功能是将均衡器输入端抽样时刻上
有码间干扰的响应波形变成抽样时刻上无码间干扰的
响应波形。
无限长的横向滤波器可以消除抽样时刻上的码间
干扰，但物理上不可实现。
有限长的横向滤波器是物理上可实现的，可以减
小抽样时刻上的码间干扰，但不能完全消除。
均衡的均衡效果可以用峰值畸变准则和均方畸变
准则来衡量。
峰值畸变准则定义为：
1
D 
y0
均方畸变准则定义为：
2
1

2
y0


k  
yk
(6-73)


k  
yk2
(6-74)
6.8 位同步
6.8.1 外同步
6.8.2 自同步