《数字通信原理与技术》课件第6章.ppt

1、第 6 章 数字信号的基带传输 第第 6 6 章章 数字信号的基带传输数字信号的基带传输 6.1数字基带信号的常用码型数字基带信号的常用码型 6.2数字基带传输系统数字基带传输系统 6.3无码间串扰的基带传输系统无码间串扰的基带传输系统 6.4基带数字信号的再生中继传输基带数字信号的再生中继传输 6.5眼图眼图 6.6时域均衡时域均衡 6.7部分响应技术部分响应技术 6.8数字信号的最佳接收数字信号的最佳接收 第 6 章 数字信号的基带传输 6.1数字基带信号的常用码型数字基带信号的常用码型 在实际基带传输系统中，并非所有原始基带数字信号都能在信道中传输，例如，有的信号含有丰富的直流和低频成分

2、，不便于提取同步信号；有的信号易于形成码间串扰等。因此，基带传输系统首先面临的问题是选择什么样的信号形式，包括确定码元脉冲的波形及码元序列的格式(码型)。为了在传输信道中获得优良的传输特性，一般要将信码信号变化为适合于信道传输特性的传输码(又叫线路码)，即进行适当的码型变换。第 6 章 数字信号的基带传输 传输码型的选择，主要考虑以下几点：(1)码型中低频、高频分量尽量少。(2)码型中应包含定时信息，以便定时提取。(3)码型变换设备要简单可靠。(4)码型具有一定检错能力，若传输码型有一定的规律性，则就可根据这一规律性来检测传输质量，以便做到自动监测。(5)编码方案对发送消息类型不应有任何限制，

3、适合于所有的二进制信号。这种与信源的统计特性无关的特性称为对信源具有透明性。(6)低误码增殖。(7)高的编码效率。第 6 章 数字信号的基带传输 1.单极性不归零单极性不归零(NRZ)码码 传输码型的选择，主要考虑以下几点：(1)码型中低频、高频分量尽量少；(2)码型中应包含定时信息，以便定时提取；(3)码型变换设备要简单可靠；(4)码型具有一定检错能力，若传输码型有一定的规律性，则就可根据这一规律性来检测传输质量，以便做到自动监测第 6 章 数字信号的基带传输 (5)编码方案对发送消息类型不应有任何限制，适合于所有的二进制信号。这种与信源的统计特性无关的特性称为对信源具有透明性；(6)低误码

4、增殖；(7)高的编码效率。第 6 章 数字信号的基带传输 图 6 1 数字基带信号码型(a)单极性(NRZ)码；(b)双极性(NRZ)码；(c)单极性(RZ)码；(d)双极性(RZ)码；(e)差分码；(f)交替极性码(AMI)；(g)三阶高密度双极性码(HDB3)；(h)分相码；(i)信号反转码(CMI)第 6 章 数字信号的基带传输 (1)发送能量大，有利于提高接收端信噪比；(2)在信道上占用频带较窄；(3)有直流分量，将导致信号的失真与畸变；且由于直流分量的存在，无法使用一些交流耦合的线路和设备；(4)不能直接提取位同步信息；(5)接收单极性NRZ码的判决电平应取“1”码电平的一半。1.1

5、.单极性不归零单极性不归零(NRZ)(NRZ)码码 如图6-1(a)所示。此方式中“1”和“0”分别对应正电平和零电平，或负电平和零电平。在表示一个码元时，电压均无需回到零，故称不归零码。它有如下特点：第 6 章 数字信号的基带传输 2.双极性不归零双极性不归零(NRZ)码码 (1)从统计平均角度来看，“1”和“0”数目各占一半时无直流分量，但当“1”和“0”出现概率不相等时，仍有直流成份；(2)接收端判决门限为0，容易设置并且稳定，因此抗干扰能力强；(3)可以在电缆等无接地线上传输。此编码中，“1”和“0”分别对应正、负电平，如图6-1(b)所示。其特点除与单极性NRZ码特点(1)、(2)、

6、(4)相同外，还有以下特点：第 6 章 数字信号的基带传输 3.单极性归零单极性归零(RZ)码码 如图6-1(c)所示。在传送“1”码时发送1个宽度小于码元持续时间的归零脉冲；在传送“0”码时不发送脉冲。其特征是所用脉冲宽度比码元宽度窄，即还没有到一个码元终止时刻就回到零值，因此，称其为单极性归零码。脉冲宽度与码元宽度Tb之比/Tb叫占空比。单极性RZ码与单极性NRZ码比较，除仍具有单极性码的一般缺点外，主要优点是可以直接提取同步信号。此优点虽不意味着单极性归零码能广泛应用到信道上传输，但它却是其它码型提取同步信号需采用的一个过渡码型。即它是适合信道传输的，但不能直接提取同步信号的码型，可先变

7、为单极性归零码，再提取同步信号。第 6 章 数字信号的基带传输 4.4.双极性归零双极性归零(RZ)(RZ)码码双极性归零码构成原理与单极性归零码相同，如图6-1(d)所示。“1”和“0”在传输线路上分别用正和负脉冲表示，且相邻脉冲间必有零电平区域存在。因此，在接收端根据接收波形归于零电平便知道1比特信息已接收完毕，以便准备下一比特信息的接收。所以，在发送端不必按一定的周期发送信息。可以认为正负脉冲前沿起了启动信号的作用，后沿起了终止信号的作用,因此，可以经常保持正确的比特同步。即收发之间无需特别定时，且各符号独立地构成起止方式，此方式也叫自同步方式。此外，双极性归零码也具有双极性不归零码的抗

8、干扰能力强及码中不含直流成分的优点。双极性归零码得到了比较广泛的应用。第 6 章 数字信号的基带传输 5.5.差分码差分码差分码是利用前后码元电平的相对极性来传送信息的，是一种相对码。对于“0”差分码，它是利用相邻前后码元电平极性改变表示“0”，不变表示“1”。而“”差分码则是利用相邻前后码元极性改变表示“1”，不变表示“0”，如图6-1(e)所示。这种方式的特点是，即使接收端收到的码元极性与发送端完全相反，也能正确地进行判决。上面所述的NRZ码、RZ码及差分码都是最基本的二元码。第 6 章 数字信号的基带传输 6.6.交替极性交替极性(AMI)(AMI)码码AMI是交替极性(Alternat

9、e Mark Inversion)码。这种码名称较多，如双极方式码、平衡对称码、信号交替反转码等。此方式是单极性方式的变形，即把单极性方式中的“0”码仍与零电平对应，而“”码对应发送极性交替的正、负电平，如图6-1(f)所示。这种码型实际上把二进制脉冲序列变为三电平的符号序列(故叫伪三元序列)，其优点如下：(1)在“1”、“0”码不等概率情况下，也无直流成分，且零频附近低频分量小。因此，对具有变压器或其他交流耦合的传输信道来说，不易受隔直特性影响。第 6 章 数字信号的基带传输(2)若接收端收到的码元极性与发送端完全相反，也能正确判决。(3)只要进行全波整流就可以变为单极性码。如果交替极性码是

10、归零的，变为单极性归零码后就可提取同步信息。北美系列的一、二、三次群接口码均使用经扰码后的AMI码。第 6 章 数字信号的基带传输 7.三阶高密度双极性三阶高密度双极性(HDB3)码码前述AMI码有一个重要的缺点，即连“0”码过多时提取定时信号困难。这是因为在连“0”时AMI输出均为零电平，连“0”码这段时间内无法提取同步信号，而前面非连“0”码时提取的位同步信号又不能保持足够的时间。为了克服这一弊病可采取几种不同的措施。例如，将发送序列先经过一扰码器，将输入的码序列按一定规律进行扰乱，使得输出码序列不再出现长串的连“0”或连“1”等规律序列，在接收端通过去扰恢复原始的发送码序列。有一种广泛为

11、人们接受的解决办法，即采用高密度双极性码。HDB3码就是一系列高密度双极性码(HDB1、HDB2、HDB3等)中最重要的一种。第 6 章 数字信号的基带传输 其编码原理是：先把消息变成AMI码，然后检查AMI的连“0”情况，当无3个以上连“0”串时，这时的AMI码就是HDB3码。当出现4个或4个以上连“0”情况，则将每4个连“0”小段的第4个“0”变换成“”码。这个由“0”码改变来的“”码称为破坏脉冲(符号)，用符号V表示，而原来的二进制码元序列中所有的“”码称为信码，用符号B表示，下面(a)、(b)、(c)分别表示一个二进制码元序列、相应的AMI码以及信码B和破坏脉冲V的位置。当信码序列中加

12、入破坏脉冲以后，信码B和破坏脉冲V的正负必须满足如下两个条件：第 6 章 数字信号的基带传输 第 6 章 数字信号的基带传输 (1)B码和V码各自都应始终保持极性交替变化的规律，以便确保编好的码中没有直流成分。(2)V码必须与前一个码(信码B)同极性，以便和正常的AMI码区分开来。如果这个条件得不到满足，那么应该在四个连“0”码的第一个“0”码位置上加一个与V码同极性的补信码，用符号B表示。此时B码和B码合起来保持条件(1)中信码极性交替变换的规律。第 6 章 数字信号的基带传输 根据以上两个条件，在上面举的例子中假设第一个信码B为正脉冲，用B+表示，它前面一个破坏脉冲V为负脉冲，用V-表示。

13、这样根据上面两个条件可以得出B码，B码和V码的位置以及它们的极性，如(d)所示。(e)则给出了编好的HDB3码。表中+1表示正脉冲，-1表示负脉冲。HDB3码的波形如图6-1(g)所示。是否添加补信码B还可根据如下规律来决定：当(c)中两个V码间的信码B的数目是偶数时，应该把后面的这个V码所表示的连“0”段中第一个“0”变为B，其极性与前相邻B码极性相反，V码极性作相应变化。如果两V码间的B码数目是奇数，就不要再加补信码B了。第 6 章 数字信号的基带传输 在接收端译码时，由两个相邻同极性码找到V码，即同极性码中后面那个码就是V码。由V码向前的第 3 个码如果不是“0”码，表明它是补信码B。把

14、V码和B码去掉后留下的全是信码。把它全波整流后得到的是单极性码。第 6 章 数字信号的基带传输 HDB3编码的步骤为：首先从信息码流中找出四连“0”，使四连“0”的最后一个“0”变为“V”(破坏码)。然后使两个“V”之间保持奇数个信码B；如果不满足，使四连“0”的第一个“0”变为补信码B，若满足，则无需变换。最后使B连同B按“+1”、“-1”交替变化，同时V也要按“+1”、“-1”规律交替变化，且要求V与它前面的相邻的B或者B同极性。解码的步骤为：首先找V，从HDB3码中找出相邻两个同极性的码元，后一个码元必然是破坏码V。然后找B，V前面第三位码元如果为非零，则表明该码是补信码B。最后将V和B

15、还原为“0”,将其他码元进行全波整流，即将所有“+1”、“-1”均变为“1”，这个变换后的码流就是原信息码。第 6 章 数字信号的基带传输 HDB3的优点是无直流成分，低频成分少，即使有长连“0”码时也能提取位同步信号。缺点是编译码电路比较复杂。HDB3是CCITT建议欧洲系列一、二、三次群的接口码型。第 6 章 数字信号的基带传输 8.PST8.PST码码PST码是成对选择的三进码。其编码过程是：先将二进制代码两两分组，然后再把每一码组编码成两个三进制数字(+、-、0)。因为两位三进制数字共有9种状态，故可灵活地选择其中的4种状态。表6-1列出了其中一种使用最广的格式。表表 6-1 PST码

16、码 第 6 章 数字信号的基带传输 为防止PST码的直流漂移，当在一个码组中仅发送单个脉冲时，即二进制码为10或01，两个模式应交替变换；而当码组为00或11时，+模式和-模式编码规律相同。例如：第 6 章 数字信号的基带传输 PST码能提供足够的定时分量，且无直流成分，编码过程也较简单。但这种码在识别时需要提供“分组”信息，即需要建立帧同步。前面介绍的AMI码、HDB3码和PST码中，每位二进制信码都被变换成1个三电平取值(+1、0、-1)的码，属于三电平码，有时把这类码称为1B1T码。第 6 章 数字信号的基带传输 在某些高速远程传输系统中，lB1T码的传输效率偏低。为此可以将输入二进制码

17、分成若干位一组，然后用较少位数的三元码来表示，以降低编码后的码速率，从而提高频带利用率。4B3T码型是lB1T码型的改进型，它把4个二进制码变换成3个三元码。显然，在相同的码速率下，4B3T码的信息容量大于1B1T，因而可提高频带利用率。4B3T码适用于较高速率的数据传输系统，如高次群同轴电缆传输系统。第 6 章 数字信号的基带传输 9.9.双相（双相（Biphase CodeBiphase Code）码）码双相码又称数字分相码或曼彻斯特（Manchester）码。它的特点是每个二进制代码分别用两个具有不同相位的二进制代码来取代。如“1”码用10表示，“0”码用01表示，如图6-1(h)所示。

18、该码的优点是无直流分量，最长连“0”、连“1”数为2，定时信息丰富，编译码电路简单。但其码元速率比输入的信码速率提高了一倍。双相码适用于数据终端设备在中速短距离上传输。如以太网采用分相码作为线路传输码。第 6 章 数字信号的基带传输 双相码当极性反转时会引起译码错误，为解决此问题，可以采用差分码的概念，将数字双相码中用绝对电平表示的波形改为用相对电平变化来表示。这种码型称为差分双相码或差分曼彻斯特码。数据通信的令牌网即采用这种码型。第 6 章 数字信号的基带传输 10.10.密勒密勒(Miller)(Miller)码码 密勒(Miller)码又称延迟调制码，它是双相码的一种变形。编码规则如下：

19、“1”码用码元持续中心点出现跃变来表示，即用10和01交替变化来表示。“0”码有两种情况：单个“0”时，在码元持续内不出现电平跃变，且与相邻码元的边界处也不跃变；连“0”时，在两个“0”码的边界处出现电平跃变，即00和11交替。密勒码的波形如图6-1（i）所示。若两个“”码中间有一个“”码时，密勒码流中出现最大宽度为2Ts的波形，即两个码元周期。这一性质可用来进行误码检错。第 6 章 数字信号的基带传输 11.11.传号反转传号反转(CMI)(CMI)码码CMI是传号反转（Coded Mark Inversion）码。其编码规则是：当为“0”码时，用01表示，当出现“1”码时，交替用00和11

20、表示。图 6-1(j)给出CMI码的编码波形。它的优点是没有直流分量，且有频繁出现波形跳变，便于定时信息提取，具有误码监测能力。CMI码同样有因极性反转而引起的译码错误问题。由于CMI码具有上述优点，再加上编、译码电路简单，容易实现，因此，在高次群脉冲码调制终端设备中广泛用作接口码型，在速率低于8448 kbs的光纤数字传输系统中也被建议作为线路传输码型。国际电联(ITU)的G.703建议中，也规定CMI码为PCM四次群的接口码型。日本电报电话公司在32 kbs及更低速率的光纤通信系统中也采用CMI码。第 6 章 数字信号的基带传输 12.12.差分模式反转差分模式反转(DMI)(DMI)码码

21、DMI码是差分模式反转(Differential Model Inversion)码。它也是一种1B2B码，其变换规则是：对于输入二元码0，若前面变换码为01或11，则DMI码为01；若前面变换码为10或00，则DMI码为10。对于输入二元码1，则DMI码00和11交替变化。其波形如图 6-1（k）所示。第 6 章 数字信号的基带传输 随编码器的初始状态不同，同一个输入二元码序列，变换后的DMI码有两种相反的波形，即把图 6-1（k）波形反转，也代表输入的二元码。DMI码和差分双相码的波形是相同的，只是延后了半个输入码元。因此，若输入码是0、1等概率，前后独立，则DMI码的功率谱密度和差分双相

22、码的功率谱密度相同。DMI码和CMI码相比较，CMI码可能出现 3 个连“0”或 3 个连“1”，而DMI码的最长连“0”或连“1”为2个。第 6 章 数字信号的基带传输 上面介绍的双相码、CMI码、DMI码等属于1B2B码。1B2B码还可以有其他变换规则，但功率谱有所不同。用2个比特代表1个二元码，线路传输速率增高一倍，所需信道带宽也要增大，但却换来了便于提取定时,低频分量小,迅速同步等优点。可把1B2B码推广到一般的mBnB码，即m个二元码按一定规则变换为n个二元码，mn。适当地选取m，n值，可减小线路传输速率的增高比例。双相码、CMI码、DMI码和Miller码也都是二电平码，下面介绍多

23、电平码，也就是多进制码。第 6 章 数字信号的基带传输 13.13.多进制码多进制码上面介绍的是用得较多的二进制代码，有时还会用到多进制代码。图6-2(a)、(b)分别画出了两种四进制代码波形。图 6-2(a)只有正电平(即0、1、2、3四个电平)，而图 6-2(b)是正负电平(即+3、+1、-1、-3四个电平)均有的。采用多进制码的目的是在码元速率一定时可提高信息速率。第 6 章 数字信号的基带传输 图 6-2 四进制代码波形 第 6 章 数字信号的基带传输 6.2 数字基带传输系统数字基带传输系统 6.2.1 数字基带系统的基本组成数字基带系统的基本组成 图图 6 3 数字基带传输系统方框

24、图数字基带传输系统方框图 数字基带传输系统的基本框图如图6-3所示，它通常由脉冲形成器、发送滤波器、信道、接收滤波器、抽样判决器与码元再生器组成。第 6 章 数字信号的基带传输 图6-4给出了基带传输系统各点的波形。显然，传输过程中第4个码元发生了误码。前已指出，误码的原因是信道加性噪声和频率特性不理想引起的波形畸变。其中频率特性不理想引起的波形畸变，使码元之间相互干扰。此时实际抽样判决值是本码元的值与几个邻近脉冲拖尾及加性噪声的叠加。这种脉冲拖尾的重叠，并在接收端造成判决困难的现象叫码间串扰(或码间干扰)，下面先对数字基带系统进行数学分析，然后再讨论怎样的基带传输特性才会无码间串扰。第 6

25、章 数字信号的基带传输 图64基带传输系统各点的波形 第 6 章 数字信号的基带传输 6.2.2码间串扰和噪声对误码的影响码间串扰和噪声对误码的影响在图64中,二进制码“1”和“0”经过码形变换和波形变换后,分别变成了宽度为Tb正的升余弦波形和负的升余弦波形,如图64(c)gT(t)波形所示。如果经过信道不产生任何失真和延迟,那么接收端应在它的最大值时刻t=Tb/2时刻判决。下一个码元应在t=3Tb/2时刻判决,由于第一个码元在第二个码元判决时刻已经为零,对第二个码元判决不会产生任何影响。但在实际信道中,信号会产生失真和延迟,信号的最大值出现的位置也会发生延迟,信号波形也会拖得很宽。假设这时对

26、码元的抽样判决时刻出现在信号最大值的位置t=t1时刻,那么对下一个码元判决时刻应选在t=t1+Tb,如图65(a)所示。第 6 章 数字信号的基带传输 从图中可以看出,在t=t1+Tb时刻,第一码元的波形还没有消失,这样就会造成对第二码元的判决。当波形失真比较严重时,可能出现前面几个码元的波形同时串到后面,对后面某一个码元的抽样判决产生影响。这种影响就叫做码间串扰,也叫码间干扰。第 6 章 数字信号的基带传输 假设图 6-5（a）传输的一组码元为 1110，现在考察前三个“1”码对第四个“0”在其抽样判决时刻产生的码间串扰的影响。如果前三个“1”码在 t=（t1+3Tb）时刻产生码间串扰分别为

27、 a1，a2，a3，第四个码（“0”）在 t=（t1+3Tb）时刻的值为 a4。那么，当 a1+a2+a3+a40 时判为“1”，这就是错判，要造成误码。第 6 章 数字信号的基带传输 如果考虑噪声的影响，那么码间串扰和噪声一起也将会影响最终的抽样判决结果。图 6-5（b）是随机噪声的一个实现，在 t=（t1+3Tb）时刻，a1+a2+a3+a40，造成错误判决。当然噪声也可能使本来a1+a2+a3+a40 的错误判决，变为 a1+a2+a3+a4+n（t1+3Tb）f(s2/y)，取 s1；否则取s2。按此准则判决的接收机称为理想接收机，如图 6-34 所示。第 6 章 数字信号的基带传输 图636理想接收机 第 6 章 数字信号的基带传输 根据概率论知识,可得 111222()(/)(/)()()(/)(/)()f sf syf y sf xf sf syf y sf x 上式与最小差错概率准则公式完全相同,所以最大后验概率准则与最小差错概率准则等效。由前面的分析可知,最小差错概率接收机、最小均方误差接收机、最大输出信噪比接收机、最大后验概率接收机的性能是相同的。