1、1,通信原理,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),2,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),概述 數(shù)字基帶信號 未經(jīng)調(diào)制的數(shù)字信號，它所占據(jù)的頻譜是從零頻或很低頻率開始的。 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng) 不經(jīng)載波調(diào)制而直接傳輸數(shù)字基帶信號的系統(tǒng)，常用于傳輸距離不太遠的情況下。 數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng) 包括調(diào)制和解調(diào)過程的傳輸系統(tǒng) 研究數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的原因： 近程數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中廣泛采用 基帶傳輸方式也有迅速發(fā)展的趨勢 基帶傳輸中包含帶通傳輸?shù)脑S多基本問題 任何一個采用線性調(diào)制的帶通傳輸系統(tǒng)，可以等效為一個基帶傳輸系統(tǒng)來研究。,3,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),6.1 數(shù)字基帶信號及其頻譜特性 6.1.1 數(shù)字基帶信號 幾種基本的基帶信號

2、波形,4,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),單極性波形：該波形的特點是電脈沖之間無間隔，極性單一，易于用TTL、CMOS電路產(chǎn)生；缺點是有直流分量，要求傳輸線路具有直流傳輸能力，因而不適應(yīng)有交流耦合的遠距離傳輸，只適用于計算機內(nèi)部或極近距離的傳輸。 雙極性波形：當“1”和“0”等概率出現(xiàn)時無直流分量，有利于在信道中傳輸，并且在接收端恢復(fù)信號的判決電平為零值，因而不受信道特性變化的影響，抗干擾能力也較強。,5,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),單極性歸零(RZ)波形：信號電壓在一個碼元終止時刻前總要回到零電平。通常，歸零波形使用半占空碼，即占空比為50%。從單極性RZ波形可以直接提取定時信息。 與歸零波形相對應(yīng)

3、，上面的單極性波形和雙極性波形屬于非歸零(NRZ)波形，其占空比等于100。 雙極性歸零波形：兼有雙極性和歸零波形的特點。使得接收端很容易識別出每個碼元的起止時刻，便于同步。,6,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),差分波形：用相鄰碼元的電平的跳變和不變來表示消息代碼 ，圖中，以電平跳變表示“1”，以電平不變表示“0”。它也稱相對碼波形。用差分波形傳送代碼可以消除設(shè)備初始狀態(tài)的影響。 多電平波形：可以提高頻帶利用率。圖中給出了一個四電平波形2B1Q。,7,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),NRZ( = Ts)基帶信號的帶寬為BS = 1/ = fs ； RZ( = Ts / 2)基帶信號的帶寬為BS = 1/

4、= 2fs 。其中fs = 1/Ts ，,8,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),6.2 基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型 對傳輸用的基帶信號的主要要求: 對代碼的要求：原始消息代碼必須編成適合于傳輸用的碼型； 對所選碼型的電波形要求：電波形應(yīng)適合于基帶系統(tǒng)的傳輸。 前者屬于傳輸碼型的選擇，后者是基帶脈沖的選擇。這是兩個既獨立又有聯(lián)系的問題。本節(jié)先討論碼型的選擇問題。,9,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),6.2.1 傳輸碼的碼型選擇原則 不含直流，且低頻分量盡量少； 應(yīng)含有豐富的定時信息，以便于從接收碼流中提取定時信號； 功率譜主瓣寬度窄，以節(jié)省傳輸頻帶； 不受信息源統(tǒng)計特性的影響，即能適應(yīng)于信息源的變化； 具有內(nèi)在的檢錯

5、能力，即碼型應(yīng)具有一定規(guī)律性，以便利用這一規(guī)律性進行宏觀監(jiān)測。 編譯碼簡單，以降低通信延時和成本。 滿足或部分滿足以上特性的傳輸碼型種類很多，下面將介紹目前常用的幾種。,10,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),6.2.2幾種常用的傳輸碼型 AMI碼：傳號交替反轉(zhuǎn)碼 編碼規(guī)則：將消息碼的“1”(傳號)交替地變換為“+1”和“-1”，而“0”(空號)保持不變。 例： 消息碼： 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 AMI碼： 0 -1 +1 0 0 0 0 0 0 0 1 +1 0 0 1 +1 AMI碼對應(yīng)的波形是具有正、負、零三種電平的脈沖序列。,11,第6章 數(shù)字基帶傳輸系

6、統(tǒng),AMI碼的優(yōu)點：沒有直流成分，且高、低頻分量少，編譯碼電路簡單，且可利用傳號極性交替這一規(guī)律觀察誤碼情況；如果它是AMI-RZ波形，接收后只要全波整流，就可變?yōu)閱螛O性RZ波形，從中可以提取位定時分量 AMI碼的缺點：當原信碼出現(xiàn)長連“0”串時，信號的電平長時間不跳變，造成提取定時信號的困難。解決連“0”碼問題的有效方法之一是采用HDB碼。,12,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),HDB3碼：3階高密度雙極性碼 它是AMI碼的一種改進型，改進目的是為了保持AMI碼的優(yōu)點而克服其缺點，使連“0”個數(shù)不超過3個。 編碼規(guī)則： （1）檢查消息碼中“0”的個數(shù)。當連“0”數(shù)目小于等于3時，HDB3碼與AMI

7、碼一樣，+1與-1交替； （2）連“0”數(shù)目超過3時，將每4個連“0”化作一小節(jié)，定義為B00V，稱為破壞節(jié)，其中V稱為破壞脈沖，而B稱為調(diào)節(jié)脈沖； （3）V與前一個相鄰的非“0”脈沖的極性相同(這破壞了極性交替的規(guī)則，所以V稱為破壞脈沖)，并且要求相鄰的V碼之間極性必須交替。V的取值為+1或-1；,13,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),（4）B的取值可選0、+1或-1，以使V同時滿足（3）中的兩個要求； （5）V碼后面的傳號碼極性也要交替。 例： 消息碼： 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 l 1 AMI碼： -1 0 0 0 0 +1 0 0 0 0

8、 -1 +1 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 +1 HDB碼： -1 0 0 0 V +1 0 0 0 +V -1 +1-B 0 0 V +B 0 0 +V -l +1 其中的V脈沖和B脈沖與1脈沖波形相同，用V或B符號表示的目的是為了示意該非“0”碼是由原信碼的“0”變換而來的。,14,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),HDB3碼的譯碼： HDB3碼的編碼雖然比較復(fù)雜，但譯碼卻比較簡單。從上述編碼規(guī)則看出，每一個破壞脈沖V總是與前一非“0”脈沖同極性(包括B在內(nèi))。這就是說，從收到的符號序列中可以容易地找到破壞點V，于是也斷定V符號及其前面的3個符號必是連“0”符號，從而恢復(fù)4個連“0”碼，再

9、將所有-1變成+1后便得到原消息代碼。,15,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),雙相碼：又稱曼徹斯特（Manchester）碼 用一個周期的正負對稱方波表示“0”，而用其反相波形表示“1”。 “0”碼用“01”兩位碼表示，“1”碼用“10 ”兩位碼表示 例： 消息碼： 1 1 0 0 1 0 1 雙相碼： 10 10 01 01 10 01 10 優(yōu)缺點： 雙相碼波形是一種雙極性NRZ波形，只有極性相反的兩個電平。它在每個碼元間隔的中心點都存在電平跳變，所以含有豐富的位定時信息，且沒有直流分量，編碼過程也簡單。缺點是占用帶寬加倍，使頻帶利用率降低。,16,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),差分雙相碼 為了解決

10、雙相碼因極性反轉(zhuǎn)而引起的譯碼錯誤，可以采用差分碼的概念。雙相碼是利用每個碼元持續(xù)時間中間的電平跳變進行同步和信碼表示（由負到正的跳變表示二進制“0”，由正到負的跳變表示二進制“1”）。而在差分雙相碼編碼中，每個碼元中間的電平跳變用于同步，而每個碼元的開始處是否存在額外的跳變用來確定信碼。有跳變則表示二進制“1”，無跳變則表示二進制“0”。,17,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),密勒碼：又稱延遲調(diào)制碼 編碼規(guī)則： “1”碼用碼元中心點出現(xiàn)躍變來表示，即用“10”或“01”表示。 “0”碼有兩種情況： 單個“0”時，在碼元持續(xù)時間內(nèi)不出現(xiàn)電平躍變，且與相鄰碼元的邊界處也不躍變， 連“0”時，在兩個“0”

11、碼的邊界處出現(xiàn)電平躍變，即00”與“11”交替。,18,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),例：圖(a)是雙相碼的波形； 圖(b）為密勒碼的波形；若兩個“1”碼中間有一個“0”碼時，密勒碼流中出現(xiàn)最大寬度為2Ts的波形，即兩個碼元周期。這一性質(zhì)可用來進行宏觀檢錯。 用雙相碼的下降沿去觸發(fā)雙穩(wěn)電路，即可輸出密勒碼。,19,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),CMI碼：CMI碼是傳號反轉(zhuǎn)碼的簡稱。 編碼規(guī)則：“1”碼交替用“1 1”和“0 0”兩位碼表示；“0”碼固定地用“01”表示。 波形圖舉例：如下圖(c) CMI碼易于實現(xiàn)，含有豐富的定時信息。此外，由于10為禁用碼組，不會出現(xiàn)3個以上的連碼，這個規(guī)律可用來宏觀

12、檢錯。,20,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),塊編碼：塊編碼的形式：有nBmB碼，nBmT碼等。 nBmB碼：把原信息碼流的n位二進制碼分為一組，并置換成m位二進制碼的新碼組，其中m n。由于，新碼組可能有2m 種組合，故多出(2m -2n )種組合。在2m 種組合中，以某種方式選擇有利碼組作為可用碼組，其余作為禁用碼組，以獲得好的編碼性能。 例如，在4B5B編碼中，用5位的編碼代替4位的編碼，對于4位分組，只有24 = 16種不同的組合，對于5位分組，則有25 = 32種不同的組合。 為了實現(xiàn)同步，我們可以按照不超過一個前導(dǎo)“0”和兩個后綴“0”的方式選用碼組，其余為禁用碼組。這樣，如果接收端出現(xiàn)

13、了禁用碼組，則表明傳輸過程中出現(xiàn)誤碼，從而提高了系統(tǒng)的檢錯能力。 雙相碼、密勒碼和CMI碼都可看作lB2B碼。 優(yōu)缺點：提供了良好的同步和檢錯功能，但帶寬增大,21,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),nBmT碼：將n個二進制碼變換成m個三進制碼的新碼組，且m n。 例：4B3T碼，它把4個二進制碼變換成3個三進制碼。顯然，在相同的碼速率下，4B3T碼的信息容量大于1B1T，因而可提高頻帶利用率。,22,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),6.3 數(shù)字基帶信號傳輸與碼間串擾 6.3.1數(shù)字基帶信號傳輸系統(tǒng)的組成 基本結(jié)構(gòu) 信道信號形成器（發(fā)送濾波器）：壓縮輸入信號頻帶，把傳輸碼變換成適宜于信道傳輸?shù)幕鶐盘柌ㄐ巍?/p>

14、,23,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),信道：信道的傳輸特性一般不滿足無失真?zhèn)鬏敆l件，因此會引起傳輸波形的失真。另外信道還會引入噪聲n(t)，并假設(shè)它是均值為零的高斯白噪聲。 接收濾波器： 它用來接收信號，濾除信道噪聲和其他干擾，對信道特性進行均衡，使輸出的基帶波形有利于抽樣判決。 抽樣判決器：對接收濾波器的輸出波形進行抽樣判決，以恢復(fù)或再生基帶信號。 同步提取：用同步提取電路從接收信號中提取定時脈沖,24,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),基帶系統(tǒng)的各點波形示意圖,輸入信號,碼型變換后,傳輸?shù)牟ㄐ?信道輸出,接收濾波輸出,位定時脈沖,恢復(fù)的信息,25,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),碼間串擾 兩種誤碼原因： 碼

15、間串擾 信道加性噪聲 碼間串擾原因：系統(tǒng)傳輸總特性不理想，導(dǎo)致前后碼元的波形畸變并使前面波形出現(xiàn)很長的拖尾，從而對當前碼元的判決造成干擾。 碼間串擾嚴重時，會造成錯誤判決，如下圖所示：,26,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),6.3.2 數(shù)字基帶信號傳輸?shù)亩糠治?數(shù)字基帶信號傳輸模型 假設(shè)：an 發(fā)送濾波器的輸入符號序列，取值為0、1或-1，+1。 d (t) 對應(yīng)的基帶信號,27,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),總傳輸特性 設(shè)信道的傳輸特性為C()，接收濾波器的傳輸特性為GR () ，則基帶傳輸系統(tǒng)的總傳輸特性為 其單位沖激響應(yīng)為,28,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),接收濾波器輸出信號 式中，nR(t)是加

16、性噪聲n(t)經(jīng)過接收濾波器后輸出的噪聲。 抽樣判決：抽樣判決器對r(t)進行抽樣判決 例如，為了確定第k個碼元 ak 的取值，首先應(yīng)在t = kTs 時刻上對r(t)進行抽樣，以確定r(t)在該樣點上的值。由上式得,29,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),第一項ak h(0)是第k個接收碼元波形的抽樣值，它是確定ak 的依據(jù)； 第二項（項）是除第k個碼元以外的其它碼元波形在第k個抽樣時刻上的總和（代數(shù)和），它對當前碼元ak的判決起著干擾的作用，所以稱之為碼間串擾值。由于ak是以概率出現(xiàn)的，故碼間串擾值通常是一個隨機變量。 第三項nR(kTS)是輸出噪聲在抽樣瞬間的值，它是一種隨機干擾，也會影響對第k

17、個碼元的正確判決。,30,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),此時，實際抽樣值不僅有本碼元的值，還有碼間串擾值及噪聲，故當r (kTs)加到判決電路時，對ak取值的判決可能判對也可能判錯。例如，在二進制數(shù)字通信時， ak的可能取值為“0”或“1”，若判決電路的判決門限為Vd ，則這時判決規(guī)則為： 當 r (kTs + t0 ) Vd時，判ak為“1” 當 r (kTs + t0 ) Vd時，判ak為“0”。 顯然，只有當碼間串擾值和噪聲足夠小時，才能基本保證上述判決的正確,31,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),6-9題 某基帶傳輸系統(tǒng)接收濾波器輸出信號的基本脈沖為如圖P6-4所示的三角形脈沖。 （1）求該基帶

18、傳輸系統(tǒng)的傳輸函數(shù) （2）假設(shè)信道的傳輸函數(shù) ，發(fā)送濾波器和接收濾波器具有相同的傳輸函數(shù)，即 ，試求這時 或 的表示式。,32,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),6.4 無碼間串擾的基帶傳輸特性 本節(jié)先討論在不考慮噪聲情況下，如何消除碼間串擾；下一節(jié)再討論無碼間串擾情況下，如何減小信道噪聲的影響。 6.4.1 消除碼間串擾的基本思想 由上式可知，若想消除碼間串擾，應(yīng)使 由于an是隨機的，要想通過各項相互抵消使碼間串擾為0是不行的，這就需要對h(t)的波形提出要求。,33,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),在上式中，若讓h (k-n)Ts 在Ts、2Ts 等后面碼元抽樣判決時刻上正好為0，就能消除碼間串擾，如下圖所示： 這就是消除碼間串擾的基本思想。,34,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),6.4.2 無碼間串擾的條件 時域條件 如上所述，只要基帶傳輸系統(tǒng)的沖激響應(yīng)波形h(t)僅在本碼元的抽樣時刻上有最大值，并在其他碼元的抽樣時刻上均為0，則可消除碼間串擾。也就是說，若對h(t)在時刻t = kTs抽樣，則應(yīng)有下式成立 上式稱為無碼間串擾的時域條件。 也就是說，若h(t)的抽樣值除了在t = 0時不為零外，在其他所有抽樣點上均為零，就不存在碼間串擾。,35,第6章 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng),頻域條件 根據(jù)h (t)和H()之間存在