第六章 数字基带传输系统

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缺点:占用带宽加倍,使频带利用率降低。
应用:数据终端设备近距离传输,局域网中的传输码型。
4)密勒码(Miller码)
密勒码又称延迟调制码,它是双相码的一种变形。
编码规则:“1”→“10”或“01”(应使相邻信码之间的电平不跳变);“0”→“00”或“11”(应使两个“0”信码之间的电平跳变)。
特点:二电平,连“0”或连“1”个数不超过4个(两个码元周期)
讨论:
(1)方波谱(第1个零点)带宽等于脉冲宽度的倒数1/ 。NRZ( = )信号带宽为 =1/ =2 。其中 =1/ ,是位定时信号的频谱,它在数值上与码元速率 相等。
(2)单极性NRZ信号没有定时分量,只有直流分量;单极性RZ信号含有直流、 以及 的基次谐波项。等概的双极性信号没有离散谱。
6.1.3基带传输的常用码型
(6.1-4)
式中, 为码元速率; 和 分别为 (t)和 (t)的傅里叶变换。
式(6.1-4)告诉我们以下结论:
(1)二进制随机信号的功率谱密度包括连续谱(第一项)和离散谱(第二项)。
(2)连续谱总是存在的,因为实际中 ≠ 。谱的形状取决于 (t)和 (t)的频谱及概率P。
(3)离散谱通常也存在,但对于双极性信号 (t)=- (t),且等概(P=1/2)时离散谱消失。
眼图和均衡的概念。
6.1内容提要
6.1.1数字基带传输系统
(1)数字基带信号:基频、取值离散的信号,如来自计算机、电传机等数据终端的信号,或者是模拟信号经数字化处理后的PCM信号等。
(2)数字基带传输系统:不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统,其基本结构如图6-1所示。
基带脉冲基带脉冲
输入输出
噪声
(4)通常,根据连续谱可以确定信号的带宽;根据离散谱可以确定随即序列是否有直流分量和位定时分量。这也正是我们分析频谱的目的。
应该指出,在以上的分析中没有限定 (t)和 (t)的波形。因此,式(6.1-4)也可用来计算数字调制信号的功率谱。
作为示例,图6-3中画了图6-2中4种波形在等概率(P=1/2)条件下的功率谱密度。
图6-1数字基带传输系统框图
图6-1中各部件的功能如下:
发送滤波器:即信道信号信道形成器,产生适合于信道中传输的基带信号波形。
信道:基带信号传输媒介(通常为有线信道)。介入的噪声n(t)是均值为零的高斯白噪声。
接收滤波器:接收有用信号,滤除带外噪声,对信道特性均衡,使输出的基带波形有利于抽样判决。
抽样判决器:对接收滤波器的输出波形进行抽样、判决和再生(恢复基带信号)。
第六章数字基带传输系统
学习目标
通过对本章的学习,应该掌握以下要点:
数字基带传输系统结构及各部件作用;
6种基带信号波形和频谱特性;
基带传输码型的编译及其特点;
码间串扰和奈奎斯特第一准则;
理想低通传输特性和乃奎斯特带宽;
余弦滚降特性α-η及关系;
第I类和第IV类部分响应系统;
无码间串扰基带系统的抗噪声性能;
同步提取:从接收信号中提取用来抽样的未定时脉冲。
6.1.2数字基带信号及其频谱特性
1.数字基带信号
与消息代码相对应的电波形(多种)。图6-2给出了几种基本的基带信号波形。
图6-2(a)单极性波形:用正和零电平脉冲分别表示代码“0”和“1”。特点:极性单一,易于产生。缺点:有直流和丰富的低频分量,不适应有交流耦合的远距离传输;且抽样判决电平与信号幅度有关,且易受信道特性变化的影响。
滚降带来的好处是:滚降系数 越大, 的拖尾衰减越快,对位定时精度要求越低。代价是系统带宽增大,频带利用率降低。
余弦滚降系统的带宽为 (6.1-18)
无ISI的最高频带利用率为 = (6.1-19)
(6.1-20)
由图6-8或式(6.1-15)可知, 时,就是理想低通特性; 时,是升余弦频谱特性,这时 可表示为
注①归零(RZ):脉冲宽度 <码元宽度 。当占空比( )为50%时,信号带宽加倍。
②非归零(NRZ)波形:脉冲宽度 =码元宽度 ,即占空比( )为100%,如图6-2(a)和(b)所示。
③图6-2(a)、(b)(c)和(d)中4种波形均属于绝对码波形,它们的消息代码与本码元的电位或极性一一对应。
图6-2(e)差分波形:以相邻脉冲电平的相对变化来表示代码,因而也称相对码波行。特点:可以消除设备初始状态的影响,特别是在相位调制系统中(参见第七章)可用于解决载波相位模糊问题。
(6.1-11)
该条件成为奈奎斯特(Nyquist)第一准则(无ISI的频域条件)。它为我们提供了检验一个给定的传输特性H(ω)能否消除码间串扰的一种方法。
式(6.1-11)的物理意义是:将H(ω)在ω轴上以 为间隔切开,然后分段沿ω轴平移到( )区间内,将它们进行叠加,其结果应当为一常数(不必一定是 )这一过程可以归述为:一个实际的H(ω)特性若能等效成一个理想(矩形)低通滤波器,则可实现无码间串扰。
无ISI的最高码元速率为 =2 (B)-------------奈奎斯特速率
无ISI的最高频带利用率为 (6.1-14)
这是在无ISI条件下,基带系统所能达到的极限情况。
但是,理想低通系统不是和实际应用,原因之一是理想矩形特性是不能物理实现的;之二是其冲激响应的尾部衰减较慢(与t成反比),这不利于减小位定时误差的影响。
2)HD 码(3阶高密度双极型码)
它是AMI码的一种改进,改进的目的是为了保持AMI码的优点而克服其缺点,使连“0”个数不超过3个。例如:
消息码:1 0 00 01 0 0 0 0 11 00 0 0 0 0 0011
HD 码:-1 0 0 0 +1 0 0 0 -1+1 0 0 0 0 -1+1
特点:保留了AMI码的优点,且连“0”个数不超过3,有利于定时信息的提取。
由于 是随机的,要想通过各项相互抵消使码间干扰为0是不可能的。但是,只要基带传输系统地冲激响应波形h(t)仅在本码元的抽样时刻上有最大值,并在其他码元的抽样时刻上均为0,则可消除码间串扰。因此,在抽样时刻 (这里假设延时 )上, 应满足下式
(6.1-10)
式(6.1-10)称为无ISI的时域条件。
这时,h(t对应的基带传输总特性H(ω)应满足
消息码:01 1 0 0 0 0 0 0 0 11 0 01 1‥‥
AMI码:0 -1 +1 0 0 0 0 0 0 0 -1 +1 0 0 -1 +1‥‥
特点:无直流,且高、低频分量小;编译码简单;具有宏观检错能力(利用传号极性交替这一规律);以三电平(正、负、零)波形传输。
缺点:长连“0”时难以获取定时信号。
2.无ISI的基带传输特性
1)理想低通系统
理想体统系统的传输特性为 (6.1-12)
冲激响应为 (6.1-13)
如图6-6所示,h(t)在 时具有周期性零点。当发送序列以 波特的速率进行传输时,则在抽样时刻 上不存在码间串扰。若以高于 波特的码元速率传送时,将存在码间串扰。
该系统的带宽为 (Hz)-------------------记为 (奈奎斯特带宽)
6.1.4基带传输和码间干扰
1.数字基带传输
数字基带传输模型如图6-4所示。
{ }发送滤波器传输信道接收滤波器{ }
n(t)
图6-4数字基带传输系统模型
设输入序列{ }所对应的数字基带信号为
(6.1-5)
基带传输系统的总传输特性为H(ω)= (ω) (ω) (ω)(6.1-6)
单位冲激响应为 (6.1-7)
为了使基带脉冲传输获得足够小的误码率,必须最大限度地减小ISI和噪声的影响。由于ISI和信道噪声产生的机理不同,所以对这两个问题可分开讨论。首先在不考虑噪声时,研究如何消除ISI;然后在无ISI情况下,研究系统的抗噪声性能。
6.1.5无ISI的基带传输特性
1.无ISI的条件
由式(6.1-9)可知,若想消除码间串扰,应使
第I类部分响应系统如图6-9所示。
相关编码的作用是为了形成预期的响应波形和频谱结构,是系统的频带利用率达到2B/Hz,且系统时间相应衰减快,降低对定时精度的要求。
差分波形可分为:传号差分波(“1”表示相邻电平跳变,而“0”不变),如图6-2(e)所示;空号差分波(“0”表示相邻电平跳变,而“1”不变)。
图6-2(f)多电平波形。多电平波形的一个脉冲对应多个二进制码,故在波特率(传输带宽)一定时,比特率提高了,如四进制码的比特率是二进制码的2倍。
数字基带信号通常是一个随机的脉冲序列。若其各码元波形相同而电平取值不同,则可表示为
图6-2(b)双极性波形:用正、负电平脉冲分别表示代码“1”和“0”。特点:等概时无直流,有利于传输,且判决电平为零值,不受信道特性变化的影响。
图6-2(c)单极性归零波形:单极性波形的归零形式。它含有丰富的位定时信息,因而是其他码型提取位同步信息时常采用的一种过渡波形。
图6-2(d)双极性归零波形:兼有双极性和归零波形的特点。
(6.1-21)
其冲激响应为
(6.1-22)
其波形的尾部衰减较快(与 成反比),这有利于减小ISI和位定时误差的影响。但这种系统所占频带是理想低通系统的2倍,因而频带利用率为1Baud/Hz。
3)部分响应系统
部分响应技术是通过有控制的在某些码元的抽样时刻引入码间干扰(在接收端加以消除),从而达到2Baud/Hz的理想频带利用率并使波形尾巴振荡衰减加快的目的。当然,这些优点是以牺牲可靠性为代价的。目前常用的部分响应系统是第I类和第IV类。
1.选码原则
(1)不含直流,且低频分量少;
(2)含有丰富的定时信息;
(3)功率谱主瓣宽度窄,以节省传输频带;
(4)不受信源统计特性的影响;
(5)具有宏观自检能力;
(6)编译码简单,以降低通信延时和成本。
满足或部分满足以上特性的传输码型种类很多。
2.几种常用的传输码型
1)AMI码(传号交替反转码)
编码规则:输入消息码为“1”(传号)时,AMI码交替地变换为“+1”和“-1”;输入信息码为“0”(空号)时,AMI码为“0”。例如:
(6.1-1)
式中, 是第n个码元所对应的电平值(随机量); 为码元持续时间;g(t)为某种脉冲波形。一般情况下,数字基地信号可表示为
(6.1-2)
2.基带信号的频谱特性
数字基带信号s(t)的频谱特性可以用功率谱密度来描述。
设二进制随机信号为
(6.1-3)
其中 =
则s(t)的功率谱密度为 ( )= +
应用:A律PCM四次群以下的接口码型为HD 码。
3)双相码(Manchester码)
编码规则:“0”→“01”,“1”→“10”。例如:
消息码:1 1 0 0 1 0 1
双相码:10 10 01 01 10 01 10
特点:无直流;位定时信息丰富(因为每个码元的中心点都存在电平跳变);可宏观检错(利用连码个数不超过2这一规律);以双极性NRZ波形传输。
2)余弦滚降系统
在实际中常采用余弦滚降特性(见示意图6-7),其传输函数为
(6.1-15)
冲激响应为 (6.1-16)
其中, 为滚降系数,用于描述滚降程度。它定义为 (6.1-17)
式中, 为奈奎斯特带宽; 是超出奈奎斯特带宽的扩展量。
显然, .对应不同的 有不同的滚降特性和冲激响应(图6-8)。根据奈奎斯特第一准则,只要H( )在滚降段中心频率处(与奈奎斯特带宽 相对应)呈奇对称的振幅特性,则必然可以实现无码间串扰传输。
应用:气象卫星、磁记录和低速基带数传机中。
5)CMI码(传好反转码)
编码规则:“1”→“11”或“00”(交替反转),“0”→“01”。
特点:易于实现;无直流;富含定时信息;不会出现3个以上的连码(这个规律可用来实现宏观检错)。
应用:PCM四次群的接口码型,速率低于8.448Mb/s的光缆传输系统中。
H(t)是单个 作用下,H( )形成的输出波形。因此在冲激脉冲序列d(t)作用下,接收滤波器的输出信号为
(6.1-8)式中, 是加性噪声n(t)经过接收滤波器后输出的噪声。
在第k个码元的抽样时刻题 上,抽样判决器对r(t)的抽样值为
(6.1-9)
式中,第一项 是第k个接收码元波形的抽样值它是确定 值的依据;第二项
是除第k个码元以外的其他码元波形在第k个码元抽样时刻上的总和(代数和),它对当前码元 的判决起着干扰的作用,所以称之为码间串扰值;第三项 是噪声的样值。
2.码间串扰及产生原因
码间串扰(InterSymbolInterference,ISI)是前面码元波形的拖尾蔓延到当前码元的抽样时刻上,从而对当前码元的判决造成干扰,如图6-5所示。原因是由于系统传输总特性(包括收、发滤波器的信道的特性)不理源自文库,导致码元的波形畸变、展宽和拖尾。
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