第6章 数字基带传输系统

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1、通信原理,第6章 数字基带传输系统,新疆师范大学物理与电子工程学院,主讲人：赵忠华 13319801893 108757488,本章内容,本章在了解数字基带信号的特性（包括波形、码型和频谱特性）的基础上，重点研究如何设计基带传输总特性，以消除码间干扰；如何有效地减小信道加性噪声的影响，以提高系统抗噪声性能。 然后介绍一种利用实验手段方便地估计系统性能的方法眼图，并提出改善数字基带传输性能的两个措施：部分响应和时域均衡。,重点： 1、 常用数字基带信号码型； 2、无码间干扰的条件 3、抗噪声性能分析 4、均衡器。 难点： 1、基带信号的频谱特征分析； 2、眼图的画法 。,本章内容,章节目录,来自

2、数据终端的原始数据信号，都是数字信号。这些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。 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，数字基带信号可以直接传输，称之为数字基带传输。 而大多数信道则是带通型的，数字基带信号必须经过载波调制，把频谱搬移到高频处才能在信道中传输，把这种传输称为数字频带（调制或载波）传输。,什么是基带传输系统？ 信号不经过载波调制和解调而直接进行传输 着重解决怎样设计系统的传输特性以实现基带信号的成功传输。 研究数字基带传输系统的原因。 （1）近程数据通信系统中广泛采用； （2）基带传输中包含带通传输的许多基本问题； （3）任何一

3、个采用线性调制的带通传输系统，可以等效为一个基带传输系统来研究。,数字基带传输系统,基带传输系统的基本结构主要由信道信号形成器、信道、接收滤波器和抽样判决器组成。 为了保证系统可靠有序的工作，还包括同步系统。,变换成适合于信道传输的基带信号,由终端设备或编码器产生的脉冲序列,允许基带信号通过的媒质,除带外噪声，使输出的基带波形有利于抽样判决,对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号,基带系统各点波形示意图,6.1 数字基带信号及其频谱特性,数字基带信号是指数字信息的电波形表示，它是用不同的电平或脉冲来表示相应的消息代码。 数字基带信号（以下简称为基带信号）的类型有很多，常见的有

4、矩形脉冲、三角波、高斯脉冲和升余弦脉冲等。最常用的是矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成和变换。,6.1.1 数字基带信号,1、单极性不归零波形 信号脉冲的零电平和正电平分别对应着二进制代码0和1。 特点：极性单一，判决电平不易稳定；有直流分量；脉冲之间无间隔；位同步信息包含在电平的转换之中，当出现连0序列时没有位同步信息。,应用：一般用于设备内部和短距离通信中。,2、双极性不归零波形 脉冲的正负电平分别对应于二进制代码1、0。 特点：当0、1符号等可能出现时无直流分量；恢复信号的判决电平为零；抗干扰能力也较强。故双极性波形有利于在信道中传输。,应用：ITU-T的V.24接口标准，EIA的RS-23

5、2C接口标准。,3、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。,占空比=/Ts ， 典型的取值/Ts=50%,特点：具有单极性不归零码的大多特点但带宽增大；可以直接提取同步信息。,4、双极性归零波形 它是双极性波形的归零形式。每个码元内的脉冲都回到零电平，即相邻脉冲之间必定留有零电位的间隔。 它除了具有双极性不归零波形的特点外，还有利于同步脉冲的提取。,5、差分波形 用相邻码元的电平的跳变和不变来表示消息代码。以电平跳变表示1，电平不变表示0，也可以反过来。 由于差分波形是以相邻脉冲电平的相对变化来表示代码

6、，因此称它为相对码波形，而相应地称前面的单极性或双极性波形为绝对码波形。,特点：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。,6、多电平波形 上述各种信号都是一个二进制符号对应一个脉冲。实际上还存在多于一个二进制符号对应一个脉冲的情形。这种波形统称为多电平波形或多值波形。 若令两个二进制符号00对应+3E，01对应+E，10对应-E，11对应+3E，则所得波形为4电平波形。,课堂练习：P174 （1）,目的：,6.1.2 基带信号的频谱特性,(1)确定数字基带信号的带宽； (2)确定序列中是否有位定时分量、直流分量、主瓣宽度等。,设g1(t)表示“0”码，g2(t)表示“1”码。

7、假设序列中任一码元时间T内g1(t)和g2(t)出现的概率分别为P和1-P，且出现是统计独立的，则随机序列s(t)可表示成：,将s(t)分解成稳态波v(t)和交变波u(t)。 稳态波是随机序列s(t)的统计平均分量，交变波是s(t)与v(t)之差。 其中第n个码元为,随机脉冲序列示意波形,稳态波,交变波,1、v(t)的功率谱密度 由于v(t)是以Ts为周期的周期信号，故,在(-Ts/2，Ts/2)范围内（即相当于n=0）,可以展成傅氏级数,又由于 只存在（-Ts/2,Ts/2）范围内，所以上式的积分限可以改为从-到 。,式中,稳态波的功率谱为离散谱,2、u(t)的功率谱密度 u(t)是功率型的

8、随机脉冲序列， 则 其中 是u(t)的截短函数的频谱函数 设T=(2N+1)Ts,现在先求出频谱函数,当m=n时，,当mn时，,由上计算可知式统计平均值仅在m=n时存在，即,结论：,交变波的功率谱是连续谱，它与g1(t)和g2(t)的频谱以及出现概率P有关。根据连续谱可确定随机序列的带宽。,可求得交变波的功率谱,单边谱,3、s(t)=u(t)+v(t)的功率谱密度 将 与 相加，可以得随机序列s(t)的双边功率谱密度为：,（1）随机脉冲序列的功率谱密度可能包含连续谱 和离散谱 。 （2）对于连续谱而言，由于代表数字信息的g1(t)及g2(t)不能完全相同，故G1(f)G2(f)，因而总是存在的

9、； （3）离散谱是否存在，取决于g1(t)和g2(t)的波形及其出现的概率。 双极性信号，且等概率出现时，则无离散谱。,结论：,P139：【例6-1】求单极性NRZ和RZ矩形脉冲序列的功率谱。 解：对于单极性波形可设g1(t)=0，g2(t)=g(t)，则随机脉冲序列的双边功率谱密度 等概率（P=1/2）时，上式简化为,因此功率谱Ps(f)中有直流分量 ；,（1）若表示“1”的波形g2(t)=g(t)为不归零矩形脉冲，即,其频谱函数为,当 时， 的取值情况为：,m0时,离散谱均为零，故无定时信号,随机序列的带宽取决于连续谱，实际由单个码元的频谱函数G(f)决定，该频谱的第一个零点在f=fs，因

10、此单极性不归零信号的带宽为Bs=fs，如图所示,m为奇数时， ，有离散谱，其中m=1时，有定时信号； m为偶数时， ，无离散谱。,（2）若表示“1”码波形g2(t)=g(t)为半占空归零矩形脉冲，即脉冲宽度 时，其频谱函数为,离散谱中含有直流分量,图6-3 (a)单极性信号的功率谱密度,P140：【例6-2】求双极性NRZ和RZ矩形脉冲序列的功率谱。 解：对于双极性波形：若设 g1(t)= - g2(t)=g(t)，则,“0” “1”等概率（P=1/2）时，上式变为,（1）若g(t)为高为1的NRZ矩形脉冲，那么,（2）若g(t)为高为1，半占空的RZ矩形脉冲，那么,=Ts/2,（1）随机序列

11、的带宽依赖单个码元波形的频谱函数G1(f)或G2(f)，两者中应取较大带宽的作为序列带宽。时间波形的占空比越小，频带越宽。 以功率谱的第一个零点作为矩形脉冲的近似带宽，它等于脉宽的倒数，即 。不归零脉冲的 ,则 ； 半占空归零脉冲的 ，则 。其中 ，是位定时信号频率，在数值上与码速率RB相等。,结论：,（2）单极性基带信号是否存在离散线谱取决于矩形脉冲的占空比。单极性归零信号中有定时分量，可直接提取。单极性不归零信号中无定时分量，若想获取定时分量，要进行波形变换。 0、1等概率的双极性信号没有离散谱，也就是说无直流分量和定时分量。 综上分析，研究随机脉冲序列功率谱的意义： （1）可以根据它的连

12、续谱来确定序列的带宽； （2）明确能否从脉冲序列中直接提取定时分量，以及采用怎样的方法可以从基带脉冲序列中获得所需的离散分量。,6.2 基带传输的常用码型,含有直流分量和较丰富低频分量的单极性基带波形不宜在低频传输特性差的信道中传输。 连“1”或连“0”时，非归零波形呈现出连续的固定电平，而无法获取定时信息。,对传输用的基带信号主要有两个方面的要求： （1）原始消息代码必须编成适合于传输用的码型（传输码型的选择）； （2）电波形应适合于基带系统的传输（基带脉冲的选择）。,传输码（或称线路码）的结构将取决于实际信道特性和系统工作的条件。通常，传输码的结构应具有以下主要特性。 a.无直流分量，低频

13、分量小； b.定时分量fs易于提取； c.高频分量小； d.不受信源统计特性的约束； e.自检、编码、译码简单。,6.2.1 常用传输码型,1、AMI码传号交替反转码 编码规则：二进制消息代码“1”（传号）交替地变换为传输码的“+1”和“-1”，而“0”（空号）保持不变 消息代码： 0 1 0 1 1 0 0 0 1 AMI码： 0 +1 0 -1 +1 0 0 0 1,特点：,1）优点： a.频谱中不含直流分量； b.高、低频成分少； c.编译码电路简单，有检错功能。 2）缺点： a.原信码出现连“0”串时，电平长时间不跳变； b.出现三电平；,AMI码是CCITT建议采用的传统码型之一。,

14、2、HDB3码3阶高密度双极性码 保持AMI码的优点而克服其缺点，使连“0”个数不超过3个。 编码规则： （1）先按AMI码的规则编码； （2）当连“0”个数超过3，将第4个“0”改为非“0”脉冲，记为+V或-V（破坏脉冲），即将“0000 ”变为“000V ”； 相邻V码的极性必须交替出现，确保编好的码中无直流分量。,（3）V码的极性应与前一个非“0”脉冲的极性相同，若不同，或相邻的两个V码极性相同时，将四连零“0000”更改为“B00V”； B码（调节脉冲）符号和前一个非0码符号相反；即保证B与V同极性且与前一个非零码元极性相反。 （4）综合检查： 保证B码与原“1”码满足极性正负交替出现

15、； 保证没有四个连零； 保证所有的V码与前一个非V码同极性； 保证所有的V码正负极性交替出现。,【例6-3】 将二进制信息 1000 0100 0011 0000 0000 11编为HDB3码 解： 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 AMI: 1 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 -1 加V: 1 0 0 0 V+ -1 0 0 0 V- 1 -1 0 0 0 V+ 0 0 0 V- 1 -1 加B: 1 0 0 0 V+ -1 0 0 0 V- 1 -1 B+ 0 0 V+ B- 0 0 V- 1 -1,v脉冲和B脉冲与1脉冲波形相同，用V或B的目的是为了示意是将原信码的“0”变换成“1”码。 虽然编码规则比较复杂，但译码却比较简单。每一个破坏符号V总是与前一非0符号同极性。 HDB3码保持了AMI码的优点外，还将连“0”码限制在3个以内，有利于位定时信号的提取。 HDB3码是应用最广泛的码型，A律PCM四次群以下的接口码型均为HDB3码。,图6-4 AMI码和HDB3码的功率谱,【例6-4】将信息 1011 0000 0001 1000 001编为HDB3码 解： 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0