《現(xiàn)代通信技術(shù)》課件第四章 數(shù)字信號(hào)基帶傳輸系統(tǒng)

學(xué)習(xí)目的與要求：

掌握模數(shù)字信號(hào)基帶傳輸?shù)母拍睢⒛康囊约皩?shí)現(xiàn)方式。重點(diǎn)與難點(diǎn)內(nèi)容：數(shù)字基帶傳輸?shù)亩x、常用碼型及功率譜碼間串?dāng)_的定義、無(wú)碼間串?dāng)_的傳輸系統(tǒng)眼圖的概念及觀測(cè)方法時(shí)域均衡的原理及應(yīng)用信道編碼規(guī)則差錯(cuò)控制編碼的控制及糾錯(cuò)方式、線性分組碼的編碼及特點(diǎn)2024/5/191主要內(nèi)容4.1數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)4.2數(shù)字基帶傳輸?shù)拇a型4.3無(wú)碼間串?dāng)_的基帶傳輸系統(tǒng)4.4眼圖4.5均衡技術(shù)4.6差錯(cuò)控制編碼2024/5/1924.1數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)圖4-1數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)2024/5/1934.1數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)（1）信道信號(hào)形成器（發(fā)送濾波器）其功能是產(chǎn)生適合于信道傳輸?shù)幕鶐盘?hào)波形。（2）信道即允許基帶信號(hào)通過(guò)的媒質(zhì)，通常為有線信道，如雙絞線、同軸電纜等。（3）接收濾波器用來(lái)接收信號(hào)，盡可能濾除信道噪聲和其他干擾，對(duì)信道特性

進(jìn)行均衡，使輸出的基帶波形有利于抽樣判決。2024/5/1944.1數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)（4）抽樣判決器在傳輸特性不理想及噪聲背景下，在規(guī)定時(shí)刻（由定位時(shí)脈沖控制）對(duì)接收濾波器的輸出波形進(jìn)行抽樣判決，以恢復(fù)或再生基帶信號(hào)。（5）定時(shí)脈沖和同步提取用來(lái)抽樣的位定時(shí)脈沖依靠同步提取電路從接收信號(hào)中提取，位定時(shí)的準(zhǔn)確與否將直接影響判決效果。2024/5/1954.2數(shù)字基帶傳輸?shù)拇a型4.2.1數(shù)字基帶傳輸?shù)拇a型原則

原理上數(shù)字信息可以表示成一個(gè)數(shù)字代碼序列。例如，計(jì)算機(jī)中的信息是以約定的二進(jìn)制代碼“0”和“1”的形式存儲(chǔ)。但是，在實(shí)際傳輸中，為了匹配信道的特性以獲得令人滿意的傳輸效果，需要選擇不同的傳輸波形來(lái)表示“0”和“1”。

數(shù)字基帶信號(hào)可用不同形式的電脈沖出現(xiàn)，電脈沖的存在形式稱為碼型。2024/5/1964.2.1數(shù)字基帶傳輸?shù)拇a型原則數(shù)字信號(hào)用電脈沖表示的過(guò)程稱為碼型編碼或碼型變換，由碼型還原為原來(lái)數(shù)字信號(hào)的過(guò)程稱為碼型譯碼。對(duì)傳輸用的基帶信號(hào)主要有以下兩個(gè)方面的要求：（1）對(duì)代碼的要求：原始消息代碼必須編成適合于傳輸用的碼型。（2）對(duì)所選碼型的電波要求：電波形應(yīng)適合于基帶系統(tǒng)的傳輸。2024/5/1974.2.1數(shù)字基帶傳輸?shù)拇a型原則碼型選擇原則：（1）不含直流，且低頻分量盡量少；（2）應(yīng)含有豐富的定時(shí)信息，以便于從接收碼流中提取定時(shí)信號(hào)；（3）功率譜主瓣寬度窄，以節(jié)省傳輸頻帶；（4）不受信息源統(tǒng)計(jì)特性的影響，即能適應(yīng)于信息源的變化；（5）具有內(nèi)在的檢錯(cuò)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(jìn)行宏觀監(jiān)測(cè)；（6）編譯碼簡(jiǎn)單，以降低通信延時(shí)和成本。2024/5/1984.2.2常用碼型圖4-2單極性和雙極性不歸零碼2024/5/1991、單極性不歸零碼信號(hào)脈沖的零電平和正電平分別對(duì)應(yīng)著二進(jìn)制代碼0和1，或者說(shuō)，它在一個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)用脈沖的有或無(wú)來(lái)對(duì)應(yīng)表示1或0碼。在表示一個(gè)碼元時(shí)，電壓均無(wú)需回到零，故稱為非歸零碼。2、雙極性不歸零碼在雙極性不歸零碼中，脈沖的正、負(fù)電平分別對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制代碼1、0，如圖4-2(b)所示，由于它是幅度相等極性相反的雙極性波形，故當(dāng)0、1符號(hào)等概率出現(xiàn)時(shí)無(wú)直流分量。4.2.2常用碼型2024/5/19104.2.2常用碼型圖4-3單極性和雙極性歸零碼2024/5/19113、單極性歸零碼在傳送“1”碼時(shí)發(fā)送1個(gè)寬度小于碼元持續(xù)時(shí)間的歸零脈沖，在傳送“0”碼時(shí)不發(fā)送脈沖。其特征是所用脈沖寬度比碼元寬度窄，即還沒(méi)有到一個(gè)碼元終止時(shí)刻就回到零值，因此，稱其為單極性歸零碼。4、雙極性歸零碼每個(gè)碼元內(nèi)的脈沖都回到零點(diǎn)，即相鄰脈沖之間必定留有零電位的間隔。它除了具有雙極性不歸零波形的特點(diǎn)外，還有利于同步脈沖的提取。4.2.2常用碼型2024/5/19124.2.2常用碼型AMI碼，即1碼通常稱為傳號(hào)，0碼則叫空號(hào)。AMI碼是傳號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼。其編碼規(guī)則是將二進(jìn)制消息代碼“1”交替地變換為傳輸碼的“+1”和“-1”，而“0”保持不變。圖4-4AMI編碼5、AMI碼2024/5/19134.2.2常用碼型6、HDB3碼代碼100001000011000011AMI碼-10000+10000-1+10000-1+1HDB3碼-1000-V+1000+V-1+1-B00-V+1-1圖4-5HDB3編碼2024/5/19144.2.2常用碼型7、曼徹斯特碼圖4-6曼徹斯特碼2024/5/19154.2.2常用碼型8、密勒碼9、CMA碼圖4-7數(shù)字雙相碼、密勒碼、CMI碼比較2024/5/19164.2.3數(shù)字基帶信號(hào)的功率譜數(shù)字基帶信號(hào)是隨機(jī)的脈沖序列，沒(méi)有確定的頻譜函數(shù)，所以只能用功率譜來(lái)描述它的頻譜特性。數(shù)字基帶信號(hào)的功率譜計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，一種比較簡(jiǎn)單的方法是以隨機(jī)過(guò)程功率譜的原始定義為出發(fā)點(diǎn)，求出數(shù)字隨機(jī)序列的功率譜公式。2024/5/19174.2.3數(shù)字基帶信號(hào)的功率譜圖4-8隨機(jī)脈沖序列波形

2024/5/19184.2.3數(shù)字基帶信號(hào)的功率譜圖4-9二進(jìn)制基帶信號(hào)的功率譜密度

（2）單極性基帶信號(hào)是否存在離散線譜取決于矩形脈沖的占空比，單極性歸零信號(hào)中有定時(shí)分量，可直接提取。2024/5/19194.3無(wú)碼間串?dāng)_的基帶傳輸系統(tǒng)4.3.1碼間串?dāng)_圖4-10碼間串?dāng)_2024/5/19204.3.1碼間串?dāng)_

2024/5/19214.3.2消除碼間串?dāng)_4-11消除碼間串?dāng)_原理

2024/5/19224.3.2消除碼間串?dāng)_4-12理想低通系統(tǒng)的傳輸特性和沖擊響應(yīng)234.3.3無(wú)碼間串?dāng)_的滾降系統(tǒng)圖4-13滾降特性構(gòu)成

2024/5/19244.3.3無(wú)碼間串?dāng)_的滾降系統(tǒng)圖4-14余弦滾降系統(tǒng)頻譜及響應(yīng)2024/5/1925

4.3.3無(wú)碼間串?dāng)_的滾降系統(tǒng)2024/5/19264.3.4部分響應(yīng)基帶傳輸系統(tǒng)圖4-15部分響應(yīng)波形及頻譜2024/5/1927由波形圖可知部分響應(yīng)信號(hào)具有如下特點(diǎn)：4.3.4部分響應(yīng)基帶傳輸系統(tǒng)（1）合成的部分響應(yīng)信號(hào)在相同進(jìn)制的條件下，其頻帶的利用率與理想低通特性傳輸系統(tǒng)的頻帶利用率相同。用部分響應(yīng)信號(hào)的脈沖波形作為系統(tǒng)的傳輸波形，當(dāng)以碼元寬度為間隔進(jìn)行判決時(shí)，只會(huì)在相鄰的兩個(gè)碼元之間發(fā)生串?dāng)_，其他判決時(shí)刻不會(huì)發(fā)生串?dāng)_。2024/5/19284.3.4部分響應(yīng)基帶傳輸系統(tǒng)

2024/5/19294.3.4部分響應(yīng)基帶傳輸系統(tǒng)（3）部分響應(yīng)雖然解決了理想低通特性的缺點(diǎn)，但它是以相鄰兩個(gè)碼元取樣時(shí)刻出現(xiàn)一個(gè)與接發(fā)端取樣值相同幅度的串?dāng)_為代價(jià)的。由于存在固定幅度的串?dāng)_，使部分響應(yīng)信號(hào)序列中出現(xiàn)了新的取樣值，稱為“偽電平”。這個(gè)偽電平會(huì)造成誤碼的擴(kuò)散，即一個(gè)碼元錯(cuò)判時(shí)，會(huì)造成后幾個(gè)碼元的錯(cuò)判。2024/5/19304.3.4部分響應(yīng)基帶傳輸系統(tǒng)圖4-16第I類(lèi)部分響應(yīng)系統(tǒng)組成2024/5/19314.4眼圖4.4.1眼圖的概念

2024/5/19324.4.2眼圖的形成原理及模型圖4-17基帶信號(hào)及其觀測(cè)眼圖2024/5/1933只要示波器掃描頻率和信號(hào)同步，不存在碼間干擾和噪聲時(shí)，每次重疊上去的跡線都會(huì)和原來(lái)的重合，這時(shí)的跡線既細(xì)又清晰；若存在碼間干擾，序列波形變壞，就會(huì)造成眼圖跡線雜亂，“眼皮”厚重，甚至部分閉合，噪聲越大，線條越寬，越模糊，“眼睛”張開(kāi)得越小。4.4.2眼圖的形成原理及模型2024/5/19344.4.2眼圖的形成原理及模型圖4-18標(biāo)準(zhǔn)眼圖模型2024/5/19354.4.2眼圖的形成原理及模型圖4-19實(shí)際眼圖2024/5/19364.5均衡技術(shù)時(shí)域均衡利用均衡器產(chǎn)生的時(shí)間波形去直接校正已畸變的波形，使包括均衡器在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)的沖激響應(yīng)滿足無(wú)碼間串?dāng)_條件。利用接收波形本身來(lái)補(bǔ)償以消除取樣點(diǎn)的符號(hào)干擾，提高判決的可靠性。頻域均衡是從校正系統(tǒng)的頻率特性出發(fā)，使包括均衡器在內(nèi)的基帶系統(tǒng)的總特性滿足無(wú)失真?zhèn)鬏敆l件；利用幅度均衡器和相位均衡器來(lái)補(bǔ)償傳輸系統(tǒng)幅頻特性和相頻特性的不理想，即保證傳輸系統(tǒng)對(duì)各頻率分量具有相同的傳輸系數(shù)和相同的傳輸時(shí)延，這樣就可消除符號(hào)間干擾。4.5.1均衡的概念2024/5/19374.5.2時(shí)域均衡的基本原理圖4-20可調(diào)橫向?yàn)V波器2024/5/1938

4.5.2時(shí)域均衡的基本原理2024/5/19394.6差錯(cuò)控制編碼

4.6.1信道編碼的基本概念

由于實(shí)際的通信信道存在干擾和衰落，在信號(hào)傳輸過(guò)程中將出現(xiàn)差錯(cuò)，例如在傳送的數(shù)據(jù)流中產(chǎn)生誤碼，從而使接收端產(chǎn)生圖像的跳躍、不連續(xù)、出現(xiàn)馬賽克等現(xiàn)象，故對(duì)數(shù)字信號(hào)必須采用糾、檢錯(cuò)技術(shù)，即糾、檢錯(cuò)編碼技術(shù)，以增強(qiáng)數(shù)據(jù)在信道中傳輸時(shí)抵御各種干擾的能力，提高系統(tǒng)的可靠性。對(duì)要在信道中傳送的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行的糾、檢錯(cuò)編碼就是信道編碼。

提高數(shù)據(jù)傳輸效率，降低誤碼率是信道編碼的任務(wù)。2024/5/19404.6.2差錯(cuò)控制編碼的控制方式圖4-21差錯(cuò)控制方式2024/5/19414.6.2差錯(cuò)控制編碼的控制方式（1）重發(fā)糾錯(cuò)（ARQ）這種方式在是發(fā)信端采用某種能發(fā)現(xiàn)一定程度傳輸差錯(cuò)的簡(jiǎn)單編碼方法對(duì)所傳信息進(jìn)行編碼，加入少量監(jiān)督碼元，在接收端則根據(jù)編碼規(guī)則對(duì)收到的編碼信號(hào)進(jìn)行檢查，一量檢測(cè)出有錯(cuò)碼時(shí)，即向發(fā)信端發(fā)出詢問(wèn)的信號(hào)，要求重發(fā)。發(fā)信端收到詢問(wèn)信號(hào)時(shí)，立即重發(fā)已發(fā)生傳輸差錯(cuò)的那部分信息，這樣不斷持續(xù)直到正確收到為止。2024/5/19424.6.2差錯(cuò)控制編碼的控制方式（2）前向糾錯(cuò)（FEC）這種方式是發(fā)信端將信息碼經(jīng)信道編碼后變成能夠糾正錯(cuò)誤的碼，然后通過(guò)信道發(fā)送出去；收信端收到這些碼組后，根據(jù)與發(fā)信端約定好的編碼規(guī)則，通過(guò)譯碼能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)并糾正因傳輸帶來(lái)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。前向糾錯(cuò)方式只要求單向信道。2024/5/19434.6.2差錯(cuò)控制編碼的控制方式（3）混合糾錯(cuò)（HEC）這種方式可以將少量糾錯(cuò)在接收端自動(dòng)糾正，而當(dāng)差錯(cuò)較嚴(yán)重，超出自行糾正能力時(shí)，就向發(fā)信端發(fā)出詢問(wèn)信號(hào)，要求重發(fā)。因此，“混合糾錯(cuò)”是“前向糾錯(cuò)”及“反饋糾錯(cuò)”兩種方式的混合。2024/5/19444.6.3糾錯(cuò)編碼原理

2024/5/1945

4.6.3糾錯(cuò)編碼原理2024/5/1946

4.6.3糾錯(cuò)編碼原理2024/5/1947數(shù)據(jù)信息1V2V3V4V數(shù)據(jù)編碼000110114.6.3糾錯(cuò)編碼原理表4-12位編碼表表4-23位編碼表數(shù)據(jù)信息1V2V3V4V××××數(shù)據(jù)編碼0000111011100010101001112024/5/1948

4.6.3糾錯(cuò)編碼原理結(jié)論2024/5/19494.6.4常用差錯(cuò)控制編碼1、奇偶校驗(yàn)碼

奇偶校驗(yàn)碼是通信中最常見(jiàn)的一種簡(jiǎn)單檢錯(cuò)碼，其編碼規(guī)則是：把信息碼先分組，形成多個(gè)許用碼組，在每一個(gè)許用碼組最后（最低位）加上一位監(jiān)督碼元即可。加上監(jiān)督碼元后使該碼組中1的數(shù)目為奇數(shù)的編碼稱為奇校驗(yàn)碼，為偶數(shù)的編碼稱為偶校驗(yàn)碼。根據(jù)編碼分類(lèi)，可知奇偶校驗(yàn)碼屬于一種檢錯(cuò)、線性、分組系統(tǒng)碼。2024/5/19504.6.4常用差錯(cuò)控制編碼2、正反碼表4-3正反碼檢糾錯(cuò)方法可能的情況校驗(yàn)碼組的組成錯(cuò)碼情況1全為“0”無(wú)錯(cuò)碼2有4個(gè)“1”，1個(gè)“0”信息碼中有一位錯(cuò)碼，其位置對(duì)應(yīng)校驗(yàn)碼組中“0”的位置3有4個(gè)“0”，1個(gè)“1”信息碼中有一位錯(cuò)碼，其位置對(duì)應(yīng)校驗(yàn)碼組中“1”的位置