1、第二章 数据信号的传输,2.1 数据信号及特性描述,2.1.1数据序列的电信号表示 图2-1给出常用的一些数据信号形式。,图(a)为单极性不归零信号,即NRZ信号。 (b)为单极性归零信号,即RZ信号。 (c)为双极性不归零序列 (d)为双极性归零序列。 (e)所示为伪三进制序列。(f)所示为差分信号序列,或称相对码序列。例题：,2.1.2基带数据信号的频谱特性 1. 基带数据信号的一般表示式（确知信号、随机信号）令g1(t)代表二进制数据符号的“0”,g2(t)代表“1”,码元的时间间隔为T。假设数据序列出现“0”,“1”概率分别为P和1-P,且认为它们的出现彼此统计独立,则基带数据信号可表
2、示为,2. 基带数据信号的功率谱密度,（某频率处单位频带的平均功率） (1) 基本分析 利用随机信号的分析方法可得随机数据信号序列的功率谱密度表示式为,离散谱,连续谱,分析,几种数据序列的功率谱密度 （1）双极性归零序列 功率谱密度为（2）双极性不归零序列 功率谱密度为（3）单极性归零序列 功率谱密度为,几种常见序列的功率谱,几种常见序列的功率谱,数据序列的功率谱归纳,单极性码：既有连续谱，也有离散谱 双极性码：只有连续谱 不归零码：连续谱的第一个零点fs 归零码：连续谱的第一个零点2 fs 连续谱的第一个零点都是,2.2 数据信号的基带传输,2.2.1 基带数据传输构成模型 基带传输系统的基
3、本原理框图,如图2-6所示。,基带传输系统的基本原理框图,！波形形成,图2-6,对形成网络的要求,2.2.2 理想低通网络波形形成，奈奎斯特第一准则 假定图2-6中1-2点的系统传输特性是理想低通传输特性，如图2-7所示。,图2-7 理想低通传输特性其传递函数可表示为,据信号与传输理论可知，网络对单位冲激脉冲的响应，就是网络传递函数的傅立叶反变换，即=,主瓣,后尾,前导,图2-8 理想低通网络单位冲激脉冲的响应,响应的波形,如用冲激脉冲序列加到低通滤波器的输入，则按叠加定理，每个冲激脉冲在滤波器输出都产生一个如图2-8的波形。,无符号间干扰的条件,例题,满足条件时， 无码间干扰,奈氏第一准则,
4、如系统等效网络具有理想低通特性，且截止频率为fN时，则该系统中允许的最高码元速率为2 fN ，这时系统输出波形在峰值点上不产生符号间干扰。,理想低通形成网络的特点,满足奈氏第一准则（无符号间干扰） 频带利用率达2Bd/Hz的极限 波形“尾巴”衰减较慢对定时脉冲的精度要求较高 物理上不可实现,2.2.3 具有幅度滚降特性的低通网络波形形成,一、滚降低通特性 (这种缓变过渡特性称为滚降特性),讨论频带利用率,无符号间干扰条件,可以证明，幅度特性以C点（ fN,1/2）（！）为中心呈奇对称，则其输出响应波形在抽样判决点无码间干扰（即满足奈氏第一准则）或： 只要是按奇对称条件所构成滚降特性低通网络，其
5、冲激脉冲响应的前导和后尾仍是每隔 T 时间经过零点，从而满足按间隔 T 的取样间隔取样不产生码间干扰的要求。,续,二、升余弦滚降低通,升余弦滚降低通幅频特性,其中只画出正频域部分。,通常，采用较多的是升余弦形状的幅频特性,升余弦幅频特性网络的冲激响应，波形特点,滚降低通形成网络的特点,2.2.4 部分响应形成系统,概念：是一种可实现的传输系统，它允许存在一定的、受控的码间干扰，而在接收端可以加以消除，这样的系统既能使频带利用率提高到理论上的最大值，又可近似地物理实现。这类系统称为部分响应形成系统。,形成思路,如果形成波形采用两（几）个在时间错开的波形相加，如系统的冲激响应为,合成波的分母将出现
6、t2项，使波形衰减加快。,一、第一类部分响应形成系统（余弦低通） 分析思路,（1）给出h(t)公式,（2）画出方框图,第一类部分响应形成系统（余弦低通）的幅频特性 如图2-17所示。,上述的 特性称为余弦低通特性。并从式(2-19)和图(2-17)可以看出系统带宽,则可有,。,时延为,（4） h(t)特性,h(t)特性,h(t)波形的特点,误码扩散,（5）,例,解,讨论,特点,二 第四类部分响应形成系统（正弦低通）,（3） 推导 H（f）,(4) h(t)波形的特点,例题,2.2.5 数据序列的扰乱与解扰,1. 扰乱与解扰的作用及基本原理所谓扰乱,就是将输入数据序列按某种规律变换成长周期序列,
7、使之具有足够的随机性。经过扰乱的数据序列通过系统传输后,在接收端还要还原成原始数据序列,这就需要在接收端进行扰乱的逆过程一一解扰。最有效的数据序列扰乱方法是用一个随机序列与输入数据序列进行逻辑加,这样就能把任何输入数据序列变换为随机序列。扰乱器与解扰器原理如图2-25所示。 2.实用的扰乱器与解扰器图2-26 (a)给出一个扰乱器原理图,图2-26(b)为相应的解扰器。图中经过一次移位,在时间上延迟一个码元时间,用运算符号D表示。,2.2.6 基带传输中的时域均衡 1. 时域均衡的作用时域均衡的思路是消除接收的时域信号波形的取样点处的码间干扰,并不要求传输波形的所有细节都与奈氏准则所要求的理想
8、波形完全一致。,2.时域均衡的基本原理 时域均衡器主要是由横截滤波器构成,它是由多级抽头迟延线、可变增益电路和求和器组成的线性系统,图2-28 时域均衡器基本构成结构图,时域均衡的目标：调整各增益加权系数，使得除n=0以外的yn值为零，,例题,2.2.7 数据传输系统的眼图,在实际工作中通常采用观察眼图的方法来衡量这种畸变的严重程度。所谓眼图,就是把示波器的扫描周期调整到码元(符号)间隔 T 的整数倍,在这种情况下示波器荧光屏上就能显示出一种由多个随机码元波形所共同形成的稳定图形,类似于人眼,因此称为数据信号的眼图。图2-27所示是二电平信号的眼图。,意义：衡量信号的传输质量,2.2.9 基带
9、传输的最佳化和系统性能分析,发送滤波器和接收滤波器的最佳分配所谓最佳化就是要在有噪声条件下,发送滤波器和接收滤波器不仅满足形成滤波器特性的要求,又能使接收滤波器的输出有最大信噪比,以保证系统误码率最小,传输可靠性最高。可以证明,如考虑引入信道噪声是均值为零的高斯白噪声,则最佳化的条件简化为,2 基带传输的误码性能分析,误码率与信噪比成反比,基带传输小结,2.3 数据信号的频带传输,频带传输又称调制传输。电话网传输信道是带通型信道，通带范围是3003400,带通型信道不适合于直接传输基带信号，需要对基带信号进行调制以实现频谱搬移使信号频带适合于信道频带。,2.3.1频带传输系统的构成频带传输系统
10、与基带传输系统的区别在于在发送端增加了调制，在接收端增加了解调，以实现信号的频带搬移，调制和解调合起来称为Modem。,1点功率谱,1点信号叫基带数据信号,发送低通的三种情况,实际发送低通一般采用此情况,调制,(以调幅为例),发送带通、接收带通、解调,讨论,2.3.2数字调幅以基带数据信号控制一个载波的幅度，称为数字调幅，又称幅移键控，简写为ASK。 1. ASK信号及功率谱分析图2-35所示是数字调幅系统基本构成框图，这里的调制信号是经过基带形成的数据序列。,图2-35 数字调幅系统基本构成框图,功率谱,实际中只用正频域,若假设无发送低通，调制后的功率谱,讨论,ASK波形,2 数字调幅分类,
11、3. 正交幅度调制,两路抑制载频（相位正交）的双边带幅度调制，,图2-45 正交幅度调制信号产生和解调原理图,功率谱,即,参图2-45，基带信号加高次产物,（2）表示方法,A,B二元码共有四种组合，即00，01，11，10。这四种组合所对应的相位矢量关系如图2-44 (b)所示。 下面我们是用矢量表示QAM信号。,星座表示法 图2-47 正交调幅信号产生电路方框图及星座图如果只画出矢量端点，则如图2-44 (b)所示，称为 QAM的星座表示。如星座图上有四个星点，则称为4QAM。,(3) QAM的频带利用率 QAM方式的主要特点是有较高的频带利用率。现在来分析如何考虑MQAM的频带利用率，这里
12、的M为星点数。,几个关系,MQAM的频带利用率为,讨论,例,解,2.3.3数字调相以基带数据信号控制载波的相位，称为数字调相，又称相移键控，简写为PSK。,1. PSK信号及功率谱密度,按PSK的基本定义可画出如图2-49所示数据信号与PSK信号的对应波形。图中2-49 (a)是信号序列；2-49 (b)是未调载波信号 ，2-49(c)为二相绝对调相信号，记为2PSK；2-49 (d)为二相对调相信号，或称差分调相信号，记为2DPSK。,矢量图,波形,波形,此例为A方式，且绝对：“0”-，“1”-0； 相对： ：“0”- ，“1”-0,例,相对调相与绝对调相的关系：an的相对调相就是Dn绝对调
13、相 即：相对调相的本质就是相对码数据序列的绝对调相 an -Dn 以符号间隔为单位，载波相位改变,已知数据序列画波形或反之,数字调相信号功率谱密度就是载波频率为fc的抑制载波的双边带谱，与抑制载波的2ASK功率谱相同，也是双边带带宽。,2.二相调相信号的产生和解调 (1) 2PSK信号的产生和解调,图2-50 给出的是一种用相位选择法产生2 PSK信号的原理框图。,图2-50 2PSK信号的产生和解调,平方,二分频,讨论,倍频-分频法提取相干载波,(2)2DPSK信号的产生和解调, 2DPSK信号的产生,根据2DPSK信号和2PSK信号的内在联系，只要将输入的基带数据序列变换成相对序列，即差分
14、码序列，然后用相对序列去进行绝对调相，便可得到2DPSK信号。, 2DPSK信号的解调,2DPSK的解调通常采用极性比较法，极性比较法是对2DPSK信号先进行2PSK解调，然后用码变换器将差分码变为绝对码。在进行2PSK解调时，可能会出现“1”，“0”倒相现象，但变换为绝对码后的码序列是唯一的，即与倒相无关。,3.多相调相及频带利用率 (1)四相调相,四相调相，即4PSK，是用载波的四种不同相位来表征传送的数据信息。如前所述，在4PSK调制中，首先对输入的二进制数据进行分组，将二位数字编成一组，即构成双比特码元。k比特码元有2k种组合，即有2k种不同状态，故可以用m= 2k种不同相位或相位差来
15、表示，对于k=2, 则m22=4，故称为 四相调相。,（1）矢量图（相位变化规则）,我们把组成双比特码元的前一信息比特用A代表，后一信息比特用B代表，并按格雷码排列，以便提高传输的可靠性。按国际统一标准规定，双比特码元与载波相位的对应关系有两种，称为A方式和B方式，它们的对应关系如表2-1所示，它们之间的矢量关系如图2-53所示。,表2-1双比特码元与载波相位对应关系,例1,方法同二相调相，解：,例2,方法也同二相调相，解：,四相调相信号的产生与解调,解调： 与4QAM相同,4PSK信号可采用调相法产生，产生4PSK信号原理图如图2-54 (a)所示。,图2-54 4PSK信号产生原理图,推广
16、：多相调相的频带利用率。 多相调相的功率谱密度和频带利用率同MQAM，频带利用率为,区别：M=16；发送低通由带通完成,2.3.4 数字调频,用基带数据信号控制载波的频率，称为数字调频，又称频移键控(FSK)。 12FSK信号及功率谱密度 (1)2FSK信号二进制移频键控就是用二进制数字信号控制载波频率f1，当传送“1”码时输出频率 ；当传送“0”码时输出频率f0。,FSK波形,(2) 2FSK信号功率谱密度（相位不连续的）,2FSK信号的功率谱密度，是两个不抑制载波的2ASK信号的功率谱密度的合成,如图2-57所示。,图2-57相位不连续的2FSK信号的功率谱密度,讨论,例1,例2,解 ：占
17、用的频带宽度为,22FSK信号的产生和解调,(1)2FSK信号的产生2FSK信号的产生可用两个数字调幅信号相加的办法产生。如图2-58(a)所示，就是相位不连续的2FSK信号产生的原理图。,图2-58(a),图2-58(b) 2FSK信号的产生,图2-58 (b)为相位连续的2FSK信号产生的原理图,利用数据信号的“1”和“0”的电压的不同控制一个可变频率的电压控制振荡器以产生两个不同频率的信号f1和f0，这时两个频率变化时相位就是连续的。,频带传输小结,2、ASK信号的波形,三 数字调相-概念、分类,2.6 数据信号的数字传输,2.6.1数据信号数字传输的概念及特点在数字信道中传输数据信号称
18、为数据信号的数字传输，简称为数字数据传输。,所以，速率高,2、优点 （1）传输质量高 （2）信道传输效率高（速率高）,2.6.2数字数据传输的实现方式 1同步方式这里的“同步”是指数据终端设备DTE发出的数据信号和待接入的PCM信道的时钟是相互同步的，即DTE发出的数据信号在速率和时间上都受到PCM信道的时钟控制。 2异步方式如果DTE发出数据信号的时钟与PCM信道时钟是非同步的，即没有相互控制关系，则称为异步方式。,2.6.3数字数据的时分复用,原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。在通信网络中应用极为广泛。,数字数据的时分复用,为了提高信道利用率，在传输过程中一般采用多路复用的传输方式。所谓多路复用就是多个信号在同一条信道上传输。 时分：用不同的时间段来区分不同信源的信号。 数字数据传输中的时分复用：将多个低速的数据流合并成高速的数据流，而后在一条信道上传输。,（1）比特交织和字符交织 （2）速率适配,数字数据传输小结,
