铁道通信-数字信号的基带传输PPT课件

1、单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,4.1,数字基带传输,4.2,基带传输的常用码型,4.3,基带传输系统的组成,4.4,码间干扰,4.5,眼图,4.6,时域均衡,数据信号的基带传输,4.1,数字基带传输,数字基带传输的定义,研究基带传输系统的意义,一、数字基带传输的定义,来自数据终端的原始数据信号,，,往往包含丰富的低频分量，甚至直流分量，因而称之为,数字基带信号,。如计算机输出的二进制序列，电传机输出的代码，或者是来自模拟信号经数字化处理后的,PCM,码组，,M,序列等等都是数字信号。,直接传输数字基带信号,，,称为,数字基带传输,。如在某些具有低通特性的有线信道中，特别是传输距离不太远的情况下，可以直接传输数字基带信号。,数字基带信号经过载波调制，把频谱搬移到高载处才能在信道中传输,，,这种传输称为,数字频带（,调制或载波,）传输,。,大多数信道是带通型的，如各种无线信道和光信道，则必须进行数字频带传输。,二、研究基带传输系统的意义,目前，虽然在实际应用场合，数字基带传输不如频带传输那样广泛，但对于基带传输系统的研究仍是十分有意

2、义的。,1,、在利用对称电缆构成的近程数据通信系统广泛采用了基带传输方式；,2,、随着数字通信技术的发展，基带传输方式也有迅速发展的趋势，它不仅用于低速数据传输，而且用于高速数据传输,;,3,、数字基带传输中包含频带传输的许多基本问题，也就是说，基带传输系统的许多问题也是频带传输系统必须考虑的问题；,4,、任何一个采用线性调制的频带传输系统可等效为基带传输系统来研究。,4.2,常用基带信号,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,：,F,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；,F,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；,F,传输码型应具有误码检测能力；,F,码型变换设备简单、易于实现,；,F,误码增殖要小；,1,、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,T,b,t

3、,0,1,1,0,1,1,0,0,1,1,0,E,判决电平,特点及应用,:,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；,不能提取同步信号,判决电平不易稳定,一般用于设备内部和短距离通信中。,2,、双极性不归零波形,在双极性不归零波形中。,脉冲的正、负电平分别对应于二进制代码,1,、,0,，由于它是幅度相等极性相反的双极性波形，故当,0,、,1,符号等可能出现时无直流分量。这样，恢复信号的判决电平为,0,，因而不受信道特性变化的影响，抗干扰能力也较强。故,双极性波形有利于在信道中传输,。,t,0,1,1,0,1,1,0,0,1,1,0,E,-E,T,b,判决电平,特点及应用,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,3,、单极性归零波形,（,RZ,）,单极性归零波形与单极性不归零波形的区别是有电脉冲宽度小于码元宽度，每个有电脉冲在小于码元长度内总要回到零电平,，所以称为归零波形。,单极性归零波形可以直接提取定时信息,，是其他波形提取位定时信号时需要采用的一种过渡波形。,t,0,1,1,0,1,1,0,0,1,1,0,

4、E,T,b,判决电平,占空比：,/T,b,，典型的取值是,/T,b,=50%,特点及应用：,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。,4,、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。,t,0,1,1,0,1,1,0,0,1,1,0,E,特点及应用：,具有双极性码的优点,比较容易提取同步信息,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,b,n,5,、差分码,差分码又可以分为两种：,传号码和空号码,：传号码是指相邻两个电平变化表示为,1,，如果不变表示为,0,。其中,1,用高电平来表示，,0,用低电平来表示。实际上他们的运算就是异或运算。而空号码则是相反的。,特点及应用,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,6,、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

5、变换为传输码的,+1,、,-1,、,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。,t,0,1,1,0,1,1,0,0,1,1,0,E,7,、三阶高密度双极性（,HDB3,）码：,编码规则：,（,1,）按,AMI,码编码；,（,2,）用,000V,替代长连零小段,0000,，,V,的极性与前一个非零码的极性相同；,（,3,）检查,V,码是否极性交替。若不交替，把当前的,000V,用,B00V,代替，,B,的极性与前一个非零符号的极性相反；加,B,后，则后边所有非零符号反号。,检查,HDB3,码正确与否,，一看,“,1,”,与,B,合起来极性是否交替，二看,V,码是否交替，两者都交替则编码正确。,示例动画演示,例：,信息流：,0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0,第一步：,0+1 0 0 0 0-1+1 0 0 0 0 0-1+1-1 0,第二步：,0+1 0 0 0+V-1+1 0 0

6、 0+V 0-1+1-1 0,第三步：,0+1 0 0 0+V-1+1-B 0 0-V 0+1-1+1 0,t,+1,0,0,+1,0,+v,-1,0,-B,0,0,-v,0,+1,-1,+1,0,破坏脉冲,补救脉冲,练习：,1 000 0 1 000 0 1 1 000 0 11,特点：,编码比较复杂，但译码却比较简单,除保持了,AMI,码的优点外，还增加了使连,0,串减少到至多,3,个的优点，这对于定时信号的恢复是十分有利的。,缺点：,HDB3,码若产生一个误码，可能造成假,4,连,0,，译码端会引起多于一个的误码，即,HDB3,码有误码增殖。,译码：,（,1,）检测,V,码并识别,B00V,和,000V,；两个同极性码后一个为,V,码；,（,2,）用,0000,取代,B00V,或,000V,；,（,3,）全波整流还原成单极性码。,编码规则：,“,1”,用高低电平表示，“,0”,用低高电平表示；,8,、曼彻斯特码：,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,9,、传号反转码：,4.3,基带传输系统的组成,基带传输系统的模型如图所示：,码型变换

7、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,输入的基带信号,码型变换后的波形,适合在信道中,传输的波形,信道输出信号,接收滤波器输出波形,位定时同步脉冲,恢复的信息,图,4-2,基带系统各点波形示意图,其中：,(a),是,输入的基带信号,，这是最常见的单极性非归零信号；,(b),是进行,码型变换后的波形,；,(c),对,(a),而言进行了码型及波形的变换，是一种,适合在信道中传输的波形,；,(d),是,信道输出信号,，显然由于信道频率特性不理想，波形发生失真并叠加了噪声；,(e),为接收滤波器输出波形,与,(d),相比，失真和噪声减弱；,(f),是位定时同步脉冲,;,(g),为恢复的信息,，其中第,4,，,5,个码元发生误码，误码的原因之一是,信道加性噪声,，之二是,传输总特性,（,包括收、发滤波器和信道的特性,）不理想引起的波形延迟

8、、展宽、拖尾等畸变，使码元之间相互串扰。此时，实际抽样判决值不仅有本码元的值，还有其他码元在该码元抽样时刻的串扰值及噪声。,显然，,接收端能否正确恢复信息，在于能否有效地抑制噪声和减小码间干扰,本章讨论的重点。,4.4,码间干扰,1,、,码间干扰的定义,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。,动画演示,但这样的波形不易实现，因为实际中的,h(t),波形有很长的,“,拖尾,”,，也正是由于每个码元,“,拖尾,”,造成对相邻码元的串扰，,但只要让它在,t,0,+T,s,，,t,0,+2Ts,等后面码元抽样判决时刻上正好为,0,，就能消除码间串扰，,如图 所示。这也是,消除码间干扰的基本思想,。,图 消除码间干扰原理,传输速率为,R,B,=1/,T,b,=,f,b,Baud,，信道带宽为,B=,f,b,/2,Hz,，所以频带利用率,r=R,B,/,B,=2 Baud/Hz,。,当系统的传输特性在奈氏带宽内是理想低通特性时，若发送端以其截至频率两倍的速率传输信号，接收端仍以间隔,T,b,在码元峰值处抽样就可以消除码间干扰，此时可以得到最大的频带利用率,2Bau

9、d/Hz,奈奎斯特第一准则,4.5,眼图,（一）,系统性能,实际的基带传输系统，其传输特性几乎不可能完全符合理想情况，因此码间干扰不可能完全避免。再加上噪声的存在，对系统性能的定量分析，就是想得到一个近似的结果也非常复杂。,实际工作中，常利用实验手段对系统性能进行估计,操作：,F,将示波器的垂直输入端跨接在基带传输系统接收滤波器的输出端，并将示波器的扫描周期调整为码元周期,/,间隔,T,b,的整数倍,示波器荧光屏上显示出由多个随机码元波形所共同形成的图形，类似于人眼，称为数据信号的,眼图,，以此来判决系统的传输质量,眼图给出了有关数据通信系统性能的大量信息。二进制码元简化的眼图模型如下：,动画演示,理想眼图的模型,（二）对眼图的分析,不存在符号间干扰和噪声时，眼图的迹线又细、又清晰，眼孔最大，说明传输质量好,存在符号间干扰和噪声时，眼图的迹线加粗，眼孔变小，说明传输质量下降,基带信号波形及眼图,图,(a),是接收滤波器输出的,无码间干扰的双极性基带波形,，用示波器观察它，并将示波器扫描周期调整到码元周期,Ts,，由于,示波器的余辉作用,，扫描所得的每一个码元波形将重叠在一起，形成如图,

10、(c),所示的,迹线细而清晰的大,“,眼睛,”,；,图,(b),是,有码间干扰的双极性基带波形,，由于存在码间干扰,此波形已经失真，示波器的扫描迹线就不完全重合,于是形成的,眼图迹线杂乱,“,眼睛,”,张开得较小，且眼图不端正,，如图,(d),所示。,对比图,(c),和,(d),可知,眼图的,“,眼睛,”,张开得越大，且眼图越端正，表示码间干扰越小,反之，表示码间干扰越大。,图,(a),和,(b),分别是二进制升余弦频谱信号在示波器上显示的两张眼图照片。图,(a),是在几乎无噪声和无码间干扰下得到的,而图,(b),则是在一定噪声和码间干扰下得到的。,图 眼图照片,4.6,时域均衡,均衡的必要性,实际通信时，由于难免存在滤波器的设计误差和信道特性的变化，系统总的传输特性会偏离设计时的理想特性，从而引起码间干扰，而导致系统性能的下降。理论和实践均证明，,在基带系统中插入一种可调（或不可调）的滤波器将能减小码间干扰的影响。这种起补偿作用的滤波器统称为均衡器。,均衡器的种类,:,时域均衡器频域均衡器,频域均衡,原理：利用幅度均衡器和相位均衡器来补偿传输系统的幅频和相频特性的不理想性，以达到所要

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