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那么信号中的很多能量就会失去,信噪比会降低,使误码增加,而且还会给临近信道带来很强的干扰。
因此,在基带传输中要对数字信号进行某种处置以适应传输信号特性。
⑵改变编码码型
改变编码码型是基带数字处置的一种常常利用方式,它是把符号“1”,“0”转移成多种传输码型,使码流的频谱向中频集中。
如图所示:
图中归零码(RZ)用有脉冲表示“1”、无脉冲表示“0”;
非归归零NRZ-L高电平表示“1”,低电平表示“0”;
NRZ-M用有电平转变表示“1”(包括由低电平跳变成高
信息码元11000110
RZ
NRZ-L
NRZ-M
NRZ-S
双相码-L
双相码-M
双相码-S
Miller
各类传输码型
电平或由高电平变成低电平)无电平转变表示“0”;
而NRZ-S则相反,它是以电平交替转变来表示“0”,电平不跳变表示“1”。
以上几种码都是利用电平的关系来表示原来的二进制符号。
双相标志码本身带有同步信息,每隔一个周期就会有一次电平转换,很容易患到解码时钟,但所需要的带宽大。
双相码-L将每一个周期分为前后两个部份,低电平在前,高电平在后表示“1”,低电平在后高电平在前表示“0”;
双相码-M与前一比特符号有关,每比特前半周期电平总与前一比特后半周期的电平不同,本周期内用两状态相同表示“1”,不相同表示“0”。
比较这几种码型可以看出,不同的编码方式具有不同的频谱特性。
一般来讲,码流中相邻两个电平转换之间的最大距离越小,高频上限频率就越高。
密勒(Miller)码是对双相码的改良,其编码方式是“1”在比特周期中心发生电平转换,紧接在“1”后面的“0”就不发生电平转换,紧接在“0”后面的“0”在比特周期开始的边界上发生电平转换,这样即便在连“1”或连“0”时,电平转换最快也要在一个周期以后,最慢在两个周期后也必然会发生电平转换(101),因此,这种编码的高频分量和低频分量都很低。
⑶改变脉冲波形
改变脉冲波形达到直流分量为零的目的,以适应数字通道的传输特性。
⑷利用随机序列进行扰码
用增加冗余的方式控制码流的频谱特性,如减少码流的最大游程长度就可以够降低码流的最低低频分量。
⑸减少冗余码
利用随机序列进行扰码,使(0)和
(1)的个数大体相同,对线路传输可大体去除直流分量,且有必然的加扰、加密性。
⑹时域均衡器
当码间干扰很严重时,基带传输系统不能正常工作,可以加接均衡器进行校正。
均衡器有频域均衡和时域均衡两类。
频域均衡器利用可调滤波器的频率特性来补偿系统的频率特性,时域均衡器则利用波形补偿法交已失真的波形加以校正,使输入端取样时刻上有码间干扰的波形变换成无码间干扰的响应波形。
1.3数字信号的载波传输与数字调制技术
许多实际的传输信道(如光纤、微波和卫星信道),都是带通信道,只允许必然频率范围的信号在其中传输,无法传输具有低通特性的基带信号。
因此,需要把基带信号调制到必然的载波上,交载波送入信道去传输,这就是数字信号的载波转输。
数字信号的常见调制方式
⑴幅移键控(ASK)
幅移键控(ASK)是数字信号振幅调制中的一种典型调制方式,二进制的ASK方式又叫通断键控。
实际上相当于一个门电路,1码开门,0码不开门。
门电路
基带s(t)
f(t)
cosω。
t载频f。
⑵频移键控(FSK)
基带信号1,0码别离控制两个载频信号fc1,fc2与两个相乘器,其中一个相乘器的控制信号是通过倒相器输出的二进制基带信号。
相乘器是一个门电路,FSK信号可以为是两个交替的ASK波形合成的。
⑶相移键控
二进制数字信号基码对载波进行调相,分为绝对移相PSK(IPSK)和相对移相DPSK(IDPSK)两种形式。
绝对移相是利用载波信号的不同相位去传输数字信号的1码和0码。
载波0相位对应基带信号的1码;
载波Π相位对应基带信号的0码。
相对移相是利用载波信号的相位关系去传输数字信号的1码和0码。
当数字信号为1码时,载波相位移相Π。
当载波相位为0码时,载波相位不变。
⑷QPSK调制原理
QPSK又叫做四相移相键控调制,Q代表正交,PSK代表二相调制。
四相键移是一种四进制的相移键控,每一个码元包括两个二进制信息。
为此,在四相调相器的入口,通常要对输入的二进制信息码序进行分组,二个码元分成一组,这样就有00,01,10,11四种组合,每种组合代表一个四进制符号,然后就可以够用四种不同的载波相位(0,∏/2,3∏/2或∏/4,3∏/4,5∏/4,7∏/4)去表征它。
由两个二进制码组成的码元称为双比特码元,前一个比特用A代表,后一个比特用B代表,每一对AB就是一个双比特码组。
因此,在QPSK调相器的输入端需要将二进制码变成双比特码元的串并变换,
⑸QAM调制原理
多相调制靠增加载波调相的相位来提高信息的传输速度,但调相波的包络是等幅的。
换句话说,已调相波矢量的端点都限制在一个原点上。
正交调幅(QAM)是幅度调制和相位调制的结合,既调幅又调相。
若是让ai,bi本身取不同的值,所作的处置就是正交振幅调制(QAM)。
图4(a)是16QAM和32QAM的星座图。
由图可见,在同相轴和正交轴上的幅度电平再也不是2个而是4个(16QAM)和6个(32QAM)所能传输的数码率也将是原来的4倍和5倍。
16QAM信号的调制和解调,是正交调幅方式,用两路正交的4电平振幅键控信号叠加而成。
64QAM调制采用6电平方式,所以传输的数码率是原来的6倍,例如原模拟电视一个频道8MHz带宽内,利用64QAM调制传输数字信号,可以传输数码率为7*6=42Mbps。
但并非能无穷制地通过增加电平级数来增加传输数码率,因为随着电平数的增加,电平间的距离减小,噪声容限减小,同时噪声条件下误码增加。
1.4数据通信基础
1.4.1大体概念
1信息、数据和信号
通信是为了互换信息。
信息的载体可以是数字、文字、语言、图形和图象,常称之为数据。
或说,数据是具有必然含义的字母、数字和符号的组合。
信息则是数据的集合、含义和解释。
数据和信息的概念是相对的。
在数据传送之前,要将数据调制成适合于传输的电磁(高频)信号。
所以,信号是数据或信息的电磁波表示形式。
数据可分为模拟数据与此数字数据,信号也可分为模拟信号与数字信号。
2数据信息及信息编码
具有必然编码、格式和位长要求的数字信息称为数据信息。
在数据通信中,数据信息是多种多样的,有的按信源编码,有的按计算机的确良要求编码。
可是,无论采用哪一种信息格式,一次通信中通信两边必需采取相同的数据信息格式。
信息编码是把原始信息(传送的报文或控制信息)转换成适合于传输、存储和处置的,按必然编码规则排列的二进制数字。
信息编码除有编码格式要求外,还有比特数和位数的要求。
3信道
传输信息的通路称为信道,信道可以分为二种,传输模拟信息(信号)的信道称为模拟信道,传输数字信息的信道称为数字信道。
物理信道则表示两点之间的物理通路,逻辑信道表示两点之间的逻辑通路或连接。
4带宽
信道所能传送信号弹的频率宽度。
数字信号本身频谱的宽度,决定了传输信道的最小频带宽度。
5传输速度
传输速度是衡量数字信道传输能力的主要指标,它又分码元速度(或称波特率)与信息速度(或称比特率)。
携带数据信息的符号单元叫做码元,码元的单位是波特(Baud),一个码元所携带的信息量,由码元所取的离散值个数决定。
对于二进制码元来讲,每一个码元的信息量为1比特。
信息传输速度又称为比特传输速度,简称比特率,它是单位时间内信道上传送信息的数量,单位是比特/秒(b/S)。
符号传输速度又称码元传输速度,简称波特率,是指单位时间内信号波形的变换次数。
比特率与波特率是两个不同的概念,二者在数量上的关系是:
R=B㏒2N(b/S)
式中R为比特率,B为波特率,N为n比特的符号数。
当N=2时,R=B,则信息速度与码元速度相等。
当N=28=256=8B,则信息速度是码元速度的8倍。
Byte(缩写B)是数据通信中1字节的单位,通常8比特为1字节。
MPEG-2规定传输流(TS)由188字节组成固定长度的包,而ATM信元由53字节组成。
因此,MPEG-2TS包为188B,ATM信元为53B。
6过失率
过失率又称误码率,误码率的大小主要由传输系统的特性和信道质量来决定。
通过选择好的传输信道和精心设计传输系统包括引入纠错编码,可以降低系统误码率。
7信道延迟
信号从信源传送到信宿端所需要的时间,它与距离和传播速度及中间结点的处置时间有关。
1.4.2数据通信系统的组成
按功能划分,任何一个数据通信系统都是由数据终端设备、数据电路和计算机中心组成。
数据终端设备包括输入、输出设备和传输控制器。
数据电路包括数据通信设备和传输线路。
计算机的作用是对数据通信系统进行控制,对数据信号进行搜集与处置。
它包括中央处置装置和通信控制器。
1.4.3数据通信进程
数据通信进程一般分五步。
1数据通信链路的联通
2成立通信线路
3传输与控制信息
4结束数据链路的连接
5拆线
1.4.4数据传输的通信方式
1二线制和四线制
一对通信线路连接起来进行信息传输的方式称为二线制。
若是通信线路由两对线路组成,称为四线制。
2全双工与半双工
能同时收发数据或信息的称为全双工。
若是在时间上交替进行数据或信息的收发,则称为半双工。
若是数据或信息只能朝一个方向传输,则称为单工或单向传输。
3并行传输与串行传输
4同步传输与异步传输
同步是数据通信中的一个重要问题。
同步的实现方式是在通信两边设置时钟发生器,二者的初始频率比较接近,通信进程中,接收端的时钟频率和起始位置按照发送端的时钟来校准。
同步传输要求通信两边的时钟在每一名上维持严格同步,接收端只需判断数据块的第一个字符的第一名,并知道数据长度和传输速度,就可以够正确接收和识别字符。
异步传输也称为起止式同步方式。
它每次送一个字符,而且字符之间没有固定的时间关系,可以距离几秒,乃至几小时发送多个数据。
因此,异步传输方式必需在每发送一个字符时在在通信两边从头成立同步。
异步传输时同步是在每一个发送字符之前设置起始位,以告知接收端信息传输即将开始。
接收端按照此起始位状态启动接收时钟,保证收发同步。
1.4.5数据通信媒体
分有线和无线两大类,双绞线、同轴电缆、光纤是常常利用的三种有线传输媒体。
1双绞线
常见的有电话双绞线,3类线,5类线等,3类线传输速度可达10MB/S,5类线传输速度可达100MB/S。
2同轴电缆
分基带同轴电缆(50Ω同轴电缆)和宽带同轴电缆(75Ω同轴电缆)。
其主要特性如下:
特性阻抗:
有75Ω和50Ω两种。
有线电视系统中都采用损耗最小的75Ω电缆。
利用中若是阻抗严重失配,会引发多重反射,造成重影或失真。
衰减特性:
频率升高损耗将增大。
温度特性:
随温度升高而增大。
其他特性:
屏蔽性能要好,结构反射损耗要大,机械性能要好,防水防潮性能要好。
3光纤
光纤传输特性主要有两个,即衰减特性与色散特性。
光纤的衰减主要由吸收损耗、散射损耗及幅射等因素引发。
吸收损耗是光波在传输进程中由纯石英材料引发的本征吸收损耗和杂质引发的非本征吸收损耗,散射及幅射是指被传输的光波向包层之外泄露或朝逆方向返回造成逆传输方向的损耗。
1310µ
m波长衰减值为0。
35dB/Km,1550µ
m波长衰减值为dB/Km。
光纤的弯曲半径不能小于30cm。
色散是光纤的另一个重要特性,所谓色散,是指输入信号中包括的不同频率或不同模式的光在光纤中传播的速度不同,不同时抵达输出端,使输出波形展宽变形,形成失真的现象。
单模光纤的色散由材料色散和结构色散相加而成。
由于纤芯材料的折射率随波长转变而引发的色散称为材料色散。
结构色散取决于折射率、相对折射率、纤芯直径及波长等,它的数值通常小于材料色散。
光的调制方式:
电信号对光源的调制方式有内调制和外调制两大类。
内调制又可分为幅度调制、频率调制和数字调制三种。
外调制是为了改善直接调制引发的附加频率调制现象,而研制的一种光调制器。
1.4.6多路复用与多址方式
多路复用与多址方式二者的相同点是利用一条信道同时传输多个信号;
不同点是多路复用是物理信道的复用,而多址通信是射频信道的复用。
多路复用和多址方式都包括三个工作进程:
多个信号的复合,复合信号在信道上的传输和信号的分离或分割。
信号分割是用信号之间参量不同来实现的。
在光纤传输中利用光波的频率、波长等参量不同进行分割,于是就有波分复用(WDM)、频分复用(FDM)、时分复用(TDM)、空分复用(SDM)和副载波复用(SCM)。
2.有线电视广播信道编码与调制规范(GY/T170-2001)简介
有线数字电视广播信道编码与调制规范是国家广电行业的标准,编号为GY/T170-2001,自2001年7月1日起实施。
该标准等效采用国际电信联盟ITU-TJ83建议书《电视、声音和数据业务有线分派的数字多节目系统》,并参考了国际电工委员会ICE60728-9《电视和声音信号的有线分派系统》第9部份“用于数字以调信号的有线分派系统接口”。
该标准规定了有线数字电视广播系统的帧结构、信道编码和调制,以MPEG-2系统层为基础,加上适当的前向误码纠错(FEC)技术,提出了与卫星传送相协调的有线数字电视广播系统标准。
1.有线数字电视广播系统的组成
2.有线数字电视广播系统的组成如图1所示
3.由图1可知,它包括两个部份,即CATV前端和综合解码接收机(IRD,也称机顶盒)。
为了使各类传输方式尽可能兼容,除通道调制外,大部份处置电路均与卫星数字电视广播信道编码与调制标准(GB/T17700-1999)相同,即有相同的帧结构,相同的伪随机序列扰码,相同的RS纠错,相同的卷机交织。
图1中各部份作用如下。
有线前端
基带接口:
来自本地数据I
MPEG-2节目源,分派时钟888mm去RF有线信道
链路,再复用等Q
有线IRD
来自RFI数据
有线信道mm8888
Q时钟
图1有线数字电视广播系统组成框图
基带接口与同步:
该单元能使数据结构与信号格式相适配,信号帧结构应与含同步字节的MPEG-2传送层一致。
SYNCI转变和随机化:
该单元按照MPEG-2帧结构将SYNCI字节进行反转,同时为实现频谱成型,对数据流进行随机化处置。
RS编码器:
该单元利用截断的RS(204,188)编码,对每一个以随机化的传送包进行处置,产生一个误码保护包。
一样,对同步字节本身也利用这种编码。
卷机交织器:
该单元完成一个深度I=12字节的误码保护包的卷机交织,同步字节的周期维持不变。
字节转变到m比特符号:
该单元将交织器产生的字节变换为QAM符号。
差分编码:
该单元对每一个符号的两个最高有效位(MSBs)进行差分编码、从而取得旋转不变的星座图。
基带成形:
该单元将通过差分编码的m比特符号映射为I,Q信号,在QAM调制前,对I,Q信号进行升余弦平方根滚降滤波。
QAM调制与物理接口:
该单元对信号进行QAM调制。
随后,将QAM已调信号通过IF或RF接口送至射频信道。
有线数字电视接受:
依照上述调制处置,系统接收设备要完成信号逆处置,从而取得基带信号。
2.MPEG-2传送层
有线数字电视传送采用GB/T中规定的MPEG-2传送层,见图2。
MPEG-2数据传送层由188个字节的包组成,其中,包头的一个字节用于同步,另三个字节用于业务识别、加扰和控制信息,随后是164字节的MPEG-2数据或附加数据。
188字节
4字节184字节
传送流
比特数811113224
图2MPEG-2传送码流结构
3.帧结构
帧的组成结构基于MPEG-2传送包结构。
该系统的帧结构如图3所示。
4.信道编码
为知足有线数字电视广播误码保护要求,利用基于RS码编码的FEC与卫星传送系统的不同,有线传送不利用卷机编码,而利用字节交织来实现抗突发编码保护。
1)频谱成形随机化
系统输入码流为MPEG-2传送MUX包,包长为固定长度,总长188字节,其中包括一个同步字节(即47HEX)。
发送端的处置顺序始终是从同步字节(即01000111)的MSB(即开始。
MPEG-2传送复用器输出端的数据应按图4所示的结构进行随机化,这样即可与GB/T17700-1999中的卫星系统相兼容,又保证了时钟恢复有足够的二电平过渡。
伪随机二进制序列(PRBS)生成多项式如下:
1+X14+X14
(a)MPEG-2传送复用包
PRBS周期=1503字节
(b)随机化后的传送包:
同步字节和随机化序列R
204字节
(c)里德-所罗门(RS)(204,188,T=8)误码保护数据包
(d)交织帧:
交织深度I-12字节
Sync1=没有随机化的逐比特取反同步字节
Syncn=没有随机化的同步字节,n=2,3,…8
图3帧结构
初始化程序
图4随机化与去随机的原理框图
在每8个传送包的开始处将PRBS寄放器进行初始化,即将序列“00”装入PRBS寄放器,参见图4。
为了向解扰器提供一个初始化信号,将每组8个传送包中的第一个传送包的MPEG-2同步字节由47-HEX逐比特取发转换为B8-HEX。
以上处置进程传送复用适配。
PRBS生成器输出的第一个比特加到被取反的MPEG-2同步字节(即B8HEX)后面的第一个字节的第一名(即MSB)上。
为实现其他传送包的同步,在后续的7个传送包的MPEG-2同步字节期间,PRBS继续工作,但无输出,使这些字节不被加扰。
这样,PRBS序列的周期应是1503字节。
当调制器无输入比特流时随机化处置仍要进行,而且当输入比特流与MPEG-2传送流格式(即1个同步字节+187个字节数据包)不兼容时,该处置也要进行。
这就避免了调制器发射未经调制的载波。
2)RS编码
在能量扩散随机化处置以后,采用截断的RS(204,188,T=8)编码生成一个误码保护数据包,见图3(c),RS(204,188,T=8)是由原始的RS(255,239,T=8)截断而取得的。
数据包同步字节,不论是未反转的(即47HEX)仍是已经逐比特去取反的(即B8HEX),也都要进行RS编码处置。
码生成多项式:
域生成多项式:
截断的RS码可以通过在(255,239)编码器输入的信息字节之前加51个全为0字节的方式来实现。
在RS编码进程完成后,这些空字节将被去掉。
3)卷积交织
对误码保护数据包进行深度为I=12的卷积交织处置如图5所示,其结果是生成一个交织帧,见图3(d)。
卷积交织处置深度为I=12。
交织帧由彼此交迭的误码保护数据包组成而且界定于已取反或没有取反的MPEG-2同步字节(借此维持204字节的周期)。
交织器由12分支组成,由输入开关周期性地把输入字节流接入各路输入。
每一路是深度为M·
j个单元的先入先出(FIFO)移位寄放器,(其中M=17=N/I,N=204=误码保护帧
长度,I-12=交织深度,j=分支号)。
每一个FIFO单元大小为一个字节,而且输入与输出的开关应同步。
为实现同步,同步字节和逐比特取反的同步字节老是通过交织器的“0”分支(相应于零延时)。
注:
原理上,去交织器和交织器类似,可是分支号是相反的(即j=0对应于最大延时)。
去交织器的同步可由将第一个识别到同步字节输出到“0”号分支实现。
图5RS(204,188)编码时的卷积交织器与去交织器原理图
5.字节到符号的映射
经卷积交织后,要进行字节到符号的准确映射。
对于不同级别的QAM调制,映射的符号数不同。
在任何情况下,符号Z的MSB都应取字节V的MSB。
相应地,该符号的下一个有效位应取字节的下一个有效位。
2m-QAM调制情况下,该处置将k个字节映射到n个符号,例如:
8k=m*n
64-QAM情况下的处置在图6中有详细说明(这里m=6,k=3,n=4)。
自交织器输出(字节)
字节V
字节V=1
字节V=2
B7b6b5b4b3b2
b1b0
b7b6b5b4b3
B2b1b0
B7b6
b5b4b3b2b1b0
至差分编码器(6比特符号)
MSB
LSB
符号Z
符号Z+1
符号Z+2
符号Z+3
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