数据通信原理 - 第二章 数据信号的传输

数据通信原理 11
2010/12/7
单极性码归零（RZ）码

编码规则：传送1时发送一个宽度小于码元 持续时间的归零脉冲，传送0时不发送脉冲。
E 0
1
1
1
0
1
0
0
1 Tb
1
0
判决 电平
t

占空比：τ /Tb ，典型的取值是τ /Tb=50%
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RZ码的特点


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。
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常用的基带信号


基带传输是数据通信中的基本传输方式， 数据终端只要经过简单的电平和码型变换 后就可以在信道中直接传输，主要应用在 局域网等短距离的数据传输中。 基带信号是代码的电表示形式，在实际基 带传输中并不是所有代码的电波形都能在 信道上传输，因此，选用传输码型应考虑 以下原则：
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对于单极性信号有：
对于双极性信号：
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信号对应的功率谱
Ps ( f ) f b P(1 P) |G1( f ) G2 ( f ) |2
n 2 | f [ PG ( nf ) ( 1 P ) G ( nf )] | ( f nf b ) b 1 b 2 b
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零点带宽

数据信号频谱主要能量是集中在第一个零 点之内的，当其旁瓣不足以引起信号失真 时，定义 fb 为信号的零点带宽。
P(f)
fb 零点 带宽
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f
4
百分比带宽
百分比带宽由下式来定义：
P( f )df % P( f )df 其中 fr 称为百分比带宽，可以取96%、

0
P( f )df
数据通信原理
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3dB带宽
3dB带宽又称半功率带宽，如下图所示：
信号频谱在 f0 处取最大值，
f 0 ( f1 , f 2 )且P( f1 ) P( f 2 ) P( f 0 ) / 2
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数据基带信号分析

常用的基带信号 基带信号的功率谱密度
(a) 单极性码
(b) 单极性归零码
P(f)
P(f)
AMI码 HDB3码
不归零码
τ/Tb=50%归零码 f 0 fb 2fb 3fb 4fb
(d) 双极性码
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f 0 0.5fb fb
(c) AMI码和HDB3码
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常见信号功率谱特点



单极性码：既有联系谱，也有离散谱 双极性码：只有连续谱，没有离散谱 不归零码：连续谱的第一个零点为fs 归零码：连续谱的第一零点为2fs 功率谱的意义：
数据通信原理
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基带传输系统各部件功能
码型变换器是将数据信号转换成更适合于信道传输的码型 发送滤波器进行信号波形转换 接收滤波器完成抑制带外噪声、均衡信号波形等功能，使其 输出波形更有利于抽样判决 同步系统作用是通过特定方法提取同步信息，并产生同步控 制信号 抽样判决器是在位同步脉冲的控制下对信号波形抽样，并按 照特定码型的判决规则恢复原始数据信号
n 2 | f [ PG ( nf ) ( 1 P ) G ( nf )] | ( f nf b ) b 1 b 2 b


S P( f )df 功率谱密度与信号平均功率的关系：
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信号的带宽

信号带宽是信号频谱的宽度，也就是信号 的最高频率分量与最低频率分量之差。实 际上，带宽是衡量信号频带宽度的一个量， 它表示我们通过测量仪器可以感受到的频 率范围，也就是说，一个信号在频域看上 去有多宽。

掌握传输某一数据信号所需要的基带宽度 可以了解如何从接受数据信号序列中提取接收 端需要的码元定时信息。
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基带传输系统的模型
基带波形形成网络H(ω) c d 发送 接收 信道 滤波器 滤波器 噪声
DTE
a
码型 b 变换器
e
抽样 判决器
CP
f
DTE
同步系统
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0 0 fr
98%、99%等值，其含义是，在该带宽范围 内信号的功率占总功率
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矩形等效带宽
对于具有在零点或中心频率处取最大值频 谱结构的信号，如下图所示，可以定义矩 形等效带宽BC 。
P(f) P0 f 矩形等 效带宽
其含义为：
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P0 BC

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”，所以又称为相对码记作bn
绝对码an
A 1 1 0 0 1 0 1 1 t
传号码
0 -A A
空号码
0 -A
t
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
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fb=1/Tb，数值上等于码元速率RB G1(f)和G2(f)分别为g1(t)和g2(t)的傅氏变换
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
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部分码型的功率谱
P(f) P(f) τ/Tb=50% f 0 fb 2fb 0 fb 2fb 3fb 4fb f
消除码间干扰的数学模型
经过上面分析，可以得出当h(t)满足下式时就可以 消除码间干扰
1 h[t0 (k n)Tb ] 0
k n kn
令k-n=k’，因为函数与自变量符号无关，所以 把k’记作k， 并设传输时延t0=0得到式 ：
1 h(kTb ) 0
k 0 k 0
s(t )
n
an g (t nTb )

其中
g1 (t nTb ) 以概率P出现 g (t ) g 2 (t nTb ) 以概率1 P出现
码元 1 “1” an 码元 0 “0” 码元 1 “1” an 码元 1 “0”
噪声
位同步脉冲
只需要对H(ω )作合理设计，在抽样判决器前就可 以得到理想的波形。对于双级性二元码an的可能值为 A 。所以可以写成
d (t )
n
an (t nTb )

基带传输系统的简化模型
图中H(ω )，可看作传输频带有限的网络或系统。 由于整个传输频带是有限的，所以从H(ω )输入端 送入该网络的冲激脉冲，到H(ω )的输出信号已不 再是冲激脉冲，而是展宽了的脉冲，且带有噪声。 取样判决电路的作用是恢复发端的数码，由于存 在噪声，恢复的数码可能有错。

如果对第k个码元抽样，抽样时刻为t0+kTb，则所得的 样值是：
y (t0 kTb )
n
an h[t0 (k n)Tb ] nR (t0 kTb )
改写上式，得：
y (t0 kTb ) ak h(t0 )
n , n k
an h[t0 (k n)Tb ] nR (t0 kTb )
极性交替（AMI）码
编码规则：消息代码0仍变换为传输码的0，而把 代码中的1交替地变换为传输码的 +1、-1、 „
E 0
1 1 1 0 1 0 0 1 1 0
t
特点：

无直流分量，且只有很小的低频成分； 从一个二进制符号序列变成了一个三进制符号序列； 编译码电路简单，并便于观察误码情况； 缺点：当它用来获取定时信息时，由于它可能出现长的连0 串，因而会造成提取定时信号的困难。
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系统各部分波形如下图所示
a:
1 0 1 1 1 0 1 t
数据序列 基带脉冲
b:
t Tb
c:
Tb
基带数据 信号的波形
t 受噪声和干
d:
e:
cp:
Tb
样值：
扰信号干扰的 波形 t 通过接收滤 波器滤波后接 收到的信号
t
抽样脉冲
t
抽样后样值
经抽样判决 器恢复的数据 基带信号
无码间干扰的频域特性
传输特性H(ω )和单位冲激响应h(t)是一对傅氏变 换对： 1 jt h(t ) H ( ) e d 2

第一项对应第k个码元的样值 第三项nR(t0+kTb)是抽样时刻噪声的样值 第二项是其它码元在第k个码元抽样时刻的样值即码
间干扰
通过设计h(t)的波形（即设计系统的传输特性H(ω )） 可以实现无码间干扰的传输，典型波形如下图所示
h(t) t h(t) t
t0
t0+Tb
t0
t0+Tb
t0+2Tb
数据信号的传输
华中科技大学计算机学院 李榕
信号的频谱
确知信号的频谱为其傅氏变换：
X ( ) x(t )e
jt
dt 或者 X ( f ) x(t )e j 2ft dt


随机信号的频谱常用其功率普密度表示：
Ps ( f ) f b P(1 P) |G1( f ) G2 ( f ) |2
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基带信号的编码原则

传输码型中应不含有直流分量，且低频分 量和过高频分量也不要太多； 传输码型中应含有定时时钟信息，以利于 收端定时时钟的提取； 传输码型应具有误码检测能力； 码型变换设备简单、易于实现； 误码增殖要小；
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单极性码不归零（NRZ）码

编码规则：1表示高电平，0表示低电平， 在整个码元期间电平保持不变
1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 t
判决 电平
E 0
Tb


发送能量大有利于提高收端信比 带宽窄但直流和低频成分大； 不能提取同步信息 判决电平不易稳定 一般用于设备内部和短距离通信中。
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f:
1
0
1
wenku.baidu.com
1
1
1*
1
t
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数据通信原理
码间干扰

码间干扰：由于系统的传输特性不理想， 致使码元波形畸变，引起前后码元相互干 扰的现象。
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数据通信原理
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基带传输系统的简化模型
s(t) 理想抽样

d(t)
H(ω)
y(t)
抽样判决
n
(t nTb )
18
基带信号的功率谱密度


单个脉冲信号的频谱可以通过傅氏变换求 出。 在数据通信中，传输的是一系列二进制脉 冲序列，那么在频域中怎样描述随机的二 进制脉冲序列呢？既然是随机的，就不能 用傅氏变换去描述，而必须使用"功率谱密 度"描述。
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二进制随机脉冲序列波形


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曼彻斯特码

编码规则： “1”用高低电平表示，“0” 用低高电平表示 ；
绝对码an 曼彻斯 0 特编码 -A 差分曼彻 斯特编码 0
A A
1
1
0
0
1
0
1
1
-A
特点及应用： 不含直流分量，定时信息丰富 具有编码冗余

极性反转时会引起译码错误
数据通信原理
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二进制随机脉冲序列具有随机性，无法画 出它的波形，只能画出某一时刻的样本： 数字信号的波形如下图所示，假设“1”用 g1(t)表示， “0”用g2(t)表示
g1(t) t s(t) t -3Tb/2 Tb 3Tb/2 g2(t) t
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二进制随机脉冲序列一般表达式
假设在一个码元周期Tb内“1”出现的概率为P， “0”出现的概率为1-P，
假设信道噪声为加性噪声记作n(t),经过系 统传输后输出为nR(t),则
y (t ) d (t ) h(t ) nR (t ) h(t )
n
an (t nTb ) nR (t )

n
an h(t nTb ) nR (t )
数据通信原理 14
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双极性码归零（BRZ）码

编码规则：构成原理与RZ相同，1—正，-1— 负，相邻脉冲间必有零电平存在。在接收端 根据接收波形归于零电平便可知1比特信息结 束。
E 0
1 1 1 0 1 0 0 1 1 0
t


具有双极性码的优点 比较容易提取同步信息
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数据通信原理
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双极性码不归零（BNRZ）码

编码规则： 1表示高电平，-1表示低电平，在整个码 元期间电平保持不变
1 1 1 0 1 0 0 1 1 0
E 0 -E
t
Tb
判决 电平


发送能量大有利于提高收端信比 无直流但低频成份大 不能提取同步信息 判决电平容易稳定，无需线路接地