数字基带传输系统

数字基带传输系统，数字基带信号及其频谱特性，基带传输系统的抗噪声性能，数字基带信号传输与码间串扰，部分响应和时域均衡。

数字基带传输系统

• 数字基带信号及其频谱特性
  • 数字基带信号
    • 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
    • 双极性波形
      • 优点：无直流分量（等概）、抗干扰能力较强
      • 应用：V.24、RS-232C接口标准和数字调制器中
    • • 与电平的极性有关，单极性或双极性波形为绝对码波形
    • 单归零码
      • 优点：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度码型
    • 双归零码
      • 有双极性和归零波形的特点
    • 差分波形（相对码波形）
      • 差分码波形代表的信息符号仅与相邻码元的电位变化有关，而与电平的极性无关，所以称这种码形为相对码波形
      • 特点：有相邻码元信号的电跳变/不变表示信息码元 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
    • 多电平波形
      • 特点：一个脉冲可携带多个比特
      • 优点：传码率一定时，多电平波形的传信率高
      • 应用：搞数据传输系统
  • 数字基带信号的表示式
    • 若各码元波形相同而电平取值不同，则可表示为：
      • TB —码元持续时间 g(t) —某种脉冲波形 s（t）随机脉冲序列 an第n个码元的电平取值 —随机量
    • 一般情况下：
      • sn(t)可以有N种不同的脉冲波形
  • 基带信号的频谱特性
    • 目的：信号带宽；位定时分量、直流分量等 方法：相关函数 ——功率谱密度；由功率谱密度的定义式
    • 思路： 公式分解转变
    • 稳态波 v(t)
    • 交变波 u(t）
    • v(t)的功率谱密度-Pv( f )
    • u(t)的功率谱密度-Pu( f )
    • s(t ) =u(t)+v(t) 的功率谱密度-Ps( f )
• 基带传输de常用码型
  • 选码原则
    • 无直流分量，且低频分量小； 定时信息丰富； 功率谱主瓣宽度窄； 受信源统计特性的影响； 有自检能力； 编、译码简单；
  • 几种常用的传输码型
    • AMI码、 HDB3——1B1T码 双相码、 CMI码——1B2B码 块编码
  • AMI 码（传号交替反转码）
    • 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
    • 举例：信 码： 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 AMI码：+1 0 0 -1+1 0 0 0 0 0 0 0 –1+1 0 0 –1 +1
  • HDB3码（3阶高密度双极性码）
    • 编码规则：(1) 连“ 0 ”个数不超过3个时，遵循AMI的编码规则； (2)连“0 ”个数超过3个时，将每4个连0000化作一小节，用“000V ”代替，其中V（取值+1或-1）应与前一个相邻的非“0 ”脉冲极性相同。记为V+或V-，称为破坏脉冲。 (3)相邻V码的极性必须交替出现（确保无直流）。当V码取值能满足(2)不能满足(3)时，则将0000用B+00V+ 或 B-00V-替代。B的取值与后面一个V脉冲一致， B称为调节脉冲。 (4)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
    • 举例：信码 1000 1 00 1 000 0 1 000 0 1 1 0 00 0 1 1 HDB3码 -1000+1 00-1 000V- +1 000V+ -1+1 B-00V- +1 -1
  • 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
    • 信码 1 1 0 1 0 0 1 0 双相码 10 10 01 10 01 01 10 01
  • 差分双相码
    • 差分曼彻斯特(Differential Manchester)码是用码元的起始位置有无跳变来分别表示信息码 的“0”或“1”。编码规则： (1)“0”用码元起始无电平跳变表示； (2)“1”用码元起始有电平跳变表示；（也可以正好相反） (3) 码元开始处是否存在跳变——确定信码； (4) 在码元中间总有电平跳变——用于同步。
  • CMI 码（传号反转码）
    • 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
  • 块编码
    • 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；
• 数字基带信号传输与码间串扰
  • 数字基带信号传输系统组成
    • • 信道信号形成器（发送滤波器）
        • 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，减少码串，利于同步提取
      • 信道
        • 给基带信号提供传输通道
      • 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
      • 误码原因：信道噪声；码间干扰
        • 产生码间干扰的原因：系统传输总特性不理想
  • 数字基带信号传输的定量分析
• 部分响应和时域均衡
  • 改善系统性能的两种措施
  • 第Ⅰ类 部分响应系统
    • 频谱结构
      • Nyquist带宽：
        • Nyquist速率： （无ISI的 最高波特率）
      • 无ISI的最高频带利用率:
    • 实现方法
  • 第Ⅳ类 部分响应系统
  • 缺点：当输入数据为L进制时，相关编码电平数要超过L； 第一，四类部分响应信号的电平数为（2L-1）因此，部分响应系统的抗噪声性能变差
  • 时域均衡
    • 目的
      • 消除或减小码间串扰（ISI）
    • 方法
      • 频域均衡 和 时域均衡
    • 均衡原理
    • 时域均衡——是一种减小ISI的信号处理或滤波技术
• 眼 图
  • 估计和调整系统性能的一种实验方法
  • 何谓眼图
    • 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，示波器是显示的图形很像人的眼睛——故名“眼图”
  • 优点
    • 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 可指示接收滤波器的调整，以减少ISI
  • 显示
    • “眼睛”张开的大小反应了ISI的强弱 “眼睛”大，且眼图端正，表示ISI小；反正ISI大
    • 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
    • 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
• 无码间串扰的基带传输特性
  • 消除码间串扰的基本思想
  • 无码间串扰的条件
    • 无ISI的时域条件
      • 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
      • 检验或设计H(w)能否消除码间串扰的理论依据
  • 检验或设计H(w)能否消除码间串扰的理论依据
    • 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
      • 对于带宽为 B=1/2TB(Hz) 的理想低通传输特性， 令RBmax = 1/TB 为奈奎斯特速率（最高），RB为系统实际传码率，T为真实码元间隔
        • 当发送序列速率 RB = RBmax 时（T = TB） ，无ISI。 当发送序列速率 RB > RBmax 时（T < TB） ，无法使用。 当发送序列速率 RB < RBmax 且 nRB = RBmax （ T = n TB） ，无ISI。 当发送序列速率RB < RBmax ，且不能被Rbmax整除时，有ISI，但可以用。 小结： 即无ISI的码元传输速率 RB <= RBmax ，且RBmax=nRB
      • 存在问题
        • 特性陡峭 不易实现； 响应曲线尾部收敛慢，摆幅大，对定时要求严格
      • 解决方案：对|H(w)|在fn处按“寄对称”条件进行“圆滑/滚降”
      • h(t)在t = kTB (k  0)时有周期为TB的零点，当发送序列的时间间隔 为TB时（即以码元速率RB=1/ TB Baud 速率传输时），在抽样时刻t = kTB时间点上抽样， 就能实现无码间串扰。 理想低通系统的带宽——奈奎斯特带宽 fN= 1/2TB (Hz) （最小） 无ISI的最高码元速率——奈奎斯特速率 RB=1/ TB = 2 fN ( Baud ) 即奈奎斯特带宽为fN的基带信道，每秒最多传输2 fN个符号。 fN=0.5 RB 无ISI条件下，基带系统所能达到的最高频带利用率： η=RB/B=2 (Baud/Hz) 理想低通传输特性无法实现，实际中常采用升余弦滚降特性。
    • 余弦滚降特性
      • 滚降系数
      • 余弦滚降特性 与 时域响应
      • 几种滚降特性 和 响应曲线
        • 升余弦滚降
      • 特点：特性容易实现；响应曲线尾部收敛快，摆幅小，对定时要求严格 代价：带宽增加，频率利用率n降低