数字基带传输系统

介绍了数字基带信号及其频谱特性、基带传输的常用码型，数字基带信号传输与码间串扰、无串扰的基带传输特性、基带传输系统的抗噪声性能、眼图、部分响应与时域均衡

数字基带传输系统

• 引言
  • 系统的特征
    • 直接传输基带信号、不含调制解调器
  • 基带传输系统的组成
    • 信道：给基带信号提供传输通道。 发送滤波器，即信道信号形成器∶ 作用∶原始基带信号→适合于信道传输的基带信号目的∶匹配信道，减小码串，利于同步提取。 接收滤波器∶ 作用∶滤除带外噪声，对信道特性均衡，目的∶使输出的基带波形有利于抽样判决。 抽样判决器∶ 作用∶对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，目的∶确定发送信码序列，再生基带信号。 同步提取∶ 提取用于抽样的位定时脉冲。
  • 基带传输系统各点波形
• 数字基带信号及其频谱特性
  • 六种基本信号波形
    • （a ）单极性波形
      • —-特点∶极性单一、有直流分量和低频分量。—— 应用∶设备内部和数字调制器中。
    • （b）双极性波形
      • ——优点∶无直流分量（等概）、抗扰能力较强。——应用∶V.24、RS-232C接口标准和数字调制器中。
    • （c）单归零码
      • ——特点∶从中可直接提取位定时信号，——应用∶作为其他码型提取同步时钟的过渡码型
    • （d）双归零码
      • 一它兼有双极性和归零波形的特点
    • （e）差分波形（相对码波形）
      • ——特点∶用相邻码元电平的跳变/不变表示信码元。传号差分（1变，0不变）空号差分（0变，1不变——优点∶可以消除设备初始状态不确定性带来的影响。
    • (f)多电平波形
      • ——特点∶一个脉冲可携载多个比特信息。——优点∶传码率一定时，多电平波形的传信率高 ——应用∶高数据速率传输系统。
      • 四电平波形：00——+3E 01—— +E 10—— - E 11—— -3E
  • 表达式
    • 若各码元波形相同而取值不同，则可表示为：
      • s(t)随机脉冲序列 an 第n个码元的电平取值  TB码元持续时间 g(t)某脉冲波形
    • 一般情况下：
  • 基带信号的频谱特性PSD
    • 目的
      • 信号带宽
      • 位定时分量、直流分量等
    • 方法
      • 由功率谱密度的定义式
    • 思路
  • 稳态波v（t）——周期信号
    • 随机序列s(t)的统计平均分量，每个码元统计平均波形相同：
    • 功率谱密度
  • 交变波u（t）
    • 功率谱密度
  • s(t ) =u(t)+v(t) 的功率谱密度---Ps( f )
    • 双边谱
    • 单边谱
• 基带传输的常用码型
  • 选码原则
    • ①无直流分量，且低频分量小；
    • ②定时信息丰富；
    • ③功率谱主瓣宽度窄；
    • ④不受信源统计特性的影响；
    • ⑤有自检能力
    • ⑥编、译码简单。
  • 几种常见的传输码型
    • AMI 码
      • 编码规则
        • “1” —— +1、-1交替 “0” —— 0
      • 特点
        • 不含直流分量，低频成分少
        • 三电平
        • 编译码电路简单，有宏观自检能力
      • 缺点
        • 信码有长连0串时，难以获取定时信息。
      • 应用
        • PCM24路基群（北美系列）1.544Mb/s的线路码型。
    • HDB3码
      • 编码规则
        • 连“0”个数不超过3个时，遵循AMI的编码规则
        • 连“0”个数超过3个时，将第4个“0”改为非“0”脉冲，记为V+或V-，称为破坏脉冲
        • 相邻V码的极性必须交替出现（确保无直流）
        • V码的极性应与前一个非“0”脉冲的极性相同，否则，将0000更改为B+00V+ 或 B-00V- 。B称为调节脉冲
        • V码之后的传号码极性也要交替
      • 特点
        • 除保持了AMI码的特点之外，还将连“0”码限制在 3 个以内，有利于位定时信号的提取。
      • 应用
        • A律PCM 四次群以下的线路接口码型
    • 双相码（曼彻斯特码）
      • 编码规则
        • “0 ”—— 01； “1” —— 10
      • 特点
        • 二电平（极性相反）;
        • 无直流分量;
        • 位定时信息丰富
        • 编译码电路简单
        • 连码个数不超过2个
      • 缺点
        • 带宽比原信码大1倍。
      • 应用
        • 局域网中的传输码型。
    • CMI码
      • 编码规则
        • “1”——1 1 、0 0 交替 “0”—— 01
      • 特点
        • 双极性二电平码，连码个数不超过3个。
      • 应用
        • A律PCM四次群的接口码型；
        • 速率低于8.448Mb/s的光缆传输系统中
    • nBmB码（m>n）
      • n位二进制码（原信码组） 种组合 2^n→m位二进制码（新码组） 种组合
      • 从2^m 种中选择许用码组，其余为禁用码组
      • 优点
        • 可提供良好的同步和检错功能
      • 代价
        • 所需的传输带宽随m增加
      • 通常选择m=n+1，如1B2B、4B5B、5B6B码等
    • nBmT码 (m≤n)
      • 4B/3T码，把4个二进制码变换成3个三元码， ——1B/1T码的改进型
      • 在相同的码速率下，4B/3T码的信息容量大于1B/1T，因而可提高频带利用率
      • 4B/3T码、8B/6T码等适用于高速数据传输系统，如高次群同轴电缆传输系统
• 数字基带信号传输与码间串扰
  • 系统组成与传输模型
    • 基带传输系统模型
    • 基带传输系统组成
    • 基带传输系统各点波形
  • 定量分析
    • 基带传输总特性
    • {an}对应的基带信号
    • 接收滤波器输出信号
• 部分响应和时域均衡
  • 第Ⅰ类部分响应系统
    • 当前码元只对下一个码元产生码间串扰
    • 若g(t)为传送信号的波形，且发送码元的间隔为TB
    • 则本码元的抽样值仅受前一码元的相同幅度样值的串扰。
    • 无ISI的最高频带利用率
  • 第Ⅳ类部分响应系统
    • 当前码元只对下下一个码元产生码间串扰
    • 注意
    • 缺点
• 眼图
  • 定义
    • 它是指用示波器在接收端观察到的一种图形;传输二进制信号波形时，示波器上显示的图形很像人的眼睛——故名"眼图"。 可从中观察ISI的大小和n(t)的强弱; 从而直观地评估系统性能的优劣; 还可指示接收滤波器的调整，以减小ISI。
  • 观察方法
    • 无ISI的情况——大“眼睛"，线迹细而清晰；有ISI的情况——小“眼睛”，且线迹杂乱。存在噪声时，眼图线迹变成了模糊的带状线；噪声越大，线条越宽、越模糊，“眼睛”张开的越小，甚至闭合。
• 基带传输系统的抗噪声性能
  • 二进制双极性基带系统的Pe
    • 分析模型
    • nR(t)特性
    • x(t)特性
    • 对于双极性基带信号，其抽样值为（+A,-A）,则合成波 x(t)=s(t)+nR(t) 在抽样时刻的取值为:
    • 误码率 Pe
      • 设判决门限为 Vd，判决规则:x(kTB) > Vd, 判为“1”码 ——错误 x(kTB)  Vd, 判为“0”码——正确
    • 双极性基带系统的总误码率 :（Pe的值取决于P(1)、P(0)、A、和Vd）
    • 最佳门限电平
      • 使Pe最小的判决门限电平
  • 二进制单极性基带系统的Pe
  • 对比
• 无码间串扰的基带传输特性
  • 时域条件
    • 含义： 本码元抽样时刻有值；其他码元抽样时刻均为0。
  • 频域条件
    • "切割，平移/对折，叠加" 理想LPF则以Re=1/Te的速率传输时，无码间串扰
  • H(w)的设计
    • 理想低通特性
      • 奈奎斯特带宽 （最窄带宽）
      • 奈奎斯特速率（无ISI的最高波特率）
      • 无ISI基带系统的最高频带利用率
    • 余弦滚降特性
      • 描述滚降程度