通信第六章教程

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1、2019/11/12,1,第 6 章 数字信号的基带传输,我们知道，来自数据终端的原始数据信号，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过数字化处理后的PCM码组，M序列等等都是数字信号。这些信号往往包含丰富的低频分量，甚至是直流分量，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,2019/11/12,2,接传输，我们称之为数字基带传输。而大多数信道，如各种无线信道和光信道，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，我们把这种传输称之为数字频带（调制或载波）传输。,2019

2、/11/12,3,6.1 数字基带信号的码型,1、基本概念 （1）数字通信任务传输数字信息。,（2）数字信息来源 数据信号 模拟信号,引言,（3）数字信息表示数字序列,2019/11/12,4,（4）码元： 中每个单元即为码元。 取值：离散，如二进制 ； 电信号表示数字基带信号 其特点是：用信号（脉冲）的不同取值来表示码元不同取值，两者为一一对应关系。,（5）基带信号 由消息变换而来，未经过调制的信号；其特点是：频谱处于零频附近。,2019/11/12,5,（6）频带信号 基带信号经调制后的（已调）信号；其特点是：频谱集中于载频附近。,（7）数字基带信号 取值离散的基带信号。,（8）传输方式,

3、2019/11/12,6,2、数字基带传输系统,脉冲形成器的输入可以来自数字信源，或数字信源经信源编码、加密、信道编码后的输出。,2019/11/12,7,（1）码型编码：把原始代码变换成适合传输的码 型（又称传输码、线路码）是码码的变换 ，解决传输码型选择问题。,（2）发送滤波：（信道信号形成器）产生适合于 信道传输的基带信号。是码基带信号的变 换，解决基带脉冲选择问题。,（3）信道：基带信号传输媒介，且会加入噪声（ 加性高斯白噪声）,2019/11/12,8,（4）接收滤波：接收基带信号，并尽量滤除带外 干扰、噪声。,（5）抽样判决：在干扰、噪声背景下，判定、再 生数字基带信号。,（6）码

4、型译码：码型编码的反变换。,2019/11/12,9,6.1.1 数字基带信号的码型设计原则,（1）对传输频带低端受限的信道，线路传输码型 的频谱中应不含有直流分量。,（2）信号的抗噪声能力强。,（3）便于从信号中提取位定时信息。,（4）尽量减少基带信号频谱中的高频分量，以节 省传输频带并减少串扰。,（5）编译码的设备应尽量简单。,2019/11/12,10,6.1.2 二元码,数据在通信设备内部传输时，由于距离较短，工作环境相对稳定，通常采用最简单的数据传输方式，如：直接传输并行的二进制数或直接传输串行的二进制数据，这样效率很高，失真也小。但在长距离通信过程中就会受到它们的干扰。为了减少特定

5、传输介质中的传输损耗和抗干扰能力，需要将所传的数据进行编码。,2019/11/12,11,数字基带信号是指消息代码的电波形，它是用不同的电平或脉冲来表示相应的消息代码。数字基带信号的类型有很多，常见的有矩形脉冲、三角波、高斯脉冲和升余弦脉冲等。最常见的是矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成和变换，下面就以矩形脉冲为例介绍几种最常见的基带信号波形。,2019/11/12,12,二元码 幅度取值只有两种电平，分别对应于二进制码的1和0。,1、单极性非归零码（NRZ） 此种码型的编码规则为：对于数据传输代码中的“1”用A电平表示；“0”用零电平表示，在整个码元期间电平保持不变。,2019/11/12,13

6、,2、双极性非归零码（NRZ） 此种码型的编码规则为：对于数据传输代码中的“1”用正电平或负电平表示；对数据“0”用相反的电平表示，在整个码元期间电平保持不变。,2019/11/12,14,3、单极性归零码（RZ） 此种码型的编码规则为：数据代码中的每一个“1”都对应一个脉冲，可能是正脉冲也可能是负脉冲，脉冲宽度 比每位的传输周期T短，即脉冲提前回到零电位；数据“0”仍为零电平， 称为占空比，通常用半占空比。,2019/11/12,15,4、双极性归零码（RZ） 此种码型的编码规则为：对数据代码中的 “1”用一个正或负的脉冲来表示；数据“0”用相反的脉冲来表示，这两个脉冲的宽度都小于一位的传输

7、时间，即提前回到零电平。这种码有利于传输同步信号。,2019/11/12,16,5、差分码（相对码） 在差分码中，1和0分别用电平的跳变或不跳变来表示。在电报通信中，常把1称为传号，把0称为空号。若用电平跳变来表示1，称为传号差分码，记作NRZ（M）； 若用电平跳变表示0，则称为空号差分码，记作NRZ（S），差分码中电平只具有相对意义，所以又称为相对码。,2019/11/12,17,6、数字双相码（曼彻斯特码）（分组码） 此种码型的编码规则是：对于数据代码“1”用电平正跳变（或负跳变）来表示；数据代码“0”用与数据代码“1”相反的跳变来表示。这种跳变在一位数据传输时间内完成。所谓正跳变指的是一

8、位代码前半周期为低电平，后半周期为高电平；负跳变正好相反。一种规定是用10表示0，01表示1，00和11是禁用码组。,2019/11/12,18,这种码型的优点是：首先，每传输一位电压都存在一次跳变，有利于同步信号的提取；另外，每一位正电平或负电平存在的时间相同，若采用双极型码，可抵消直流分量，其缺点是：由于跳变的存在，编码后的脉冲频率为传输频率的2倍，多占用信道带宽。 这种码广泛应用于10M以太网和无线寻呼网中。,2019/11/12,19,7、密勒码 它是数字双相码的一种变形，数字双相码的上升沿正好对应于密勒码的跃变沿。,8、传号反转码（CMI） 它是一种双极性二电平非归零码。“1”交替的

9、用00和11两位码表示；而“0”则固定的用01表示。 CMI码没有直流分量，10为禁用码组，可作宏观检测。,2019/11/12,20,数字基带信号码型 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),2019/11/12,21,6.1.3 三元码,三元码指的是用信号幅度的三种取值表示二进制码，三种幅度的取值为+A,0,-A或记作+1，0，-1。 三元码又称为准三元或伪三元码。,1、传号交替反转

10、码（AMI） 二进制码“0”用0电平表示，二进制码“1”交替地用+1和-1的半占空归零码表示。,2019/11/12,22,优点是：无直流成份，低频成份也少。 高频成份也少，节省传输频带。 码型功率谱中虽无定时钟频率 成份， 但是经过全波整流可将AMI码变换成单极 性半占空码，可含 成份，便于提取定 时钟成份。 具有一定的检错能力。,2019/11/12,23,AMI码广泛应用于PCM系统，它是CCITT建议采用的传输码型之一。 AMI码的缺点是二进制码序列中的“0”码变换后仍然是“0”码，如果原二进制码序列中连“0”码过多，这就不利于定时钟信息的提取，为了克服这一缺点，引出了HDB3码。,2

11、019/11/12,24,2、n阶高密度双极性码 n阶高密度双极性码记作HDBn，应用最广泛的是HDB3码。 HDB3码保留了AMI码所有的优点，还可将连“0”码限制在3个以内，克服了AMI码如果长连“0”过多对提取定时钟不利的缺点。HDB3码的功率谱与AMI码类似。,2019/11/12,25,HDB3编码规则如下： 二进制码序列中的“0”码在HDB3码中仍编为0码，但当出现四个连“0”码时，用取代节000V或B00V代替，取代节中V码、B码均代表“1”码，它们可正可负（ ）。,2019/11/12,26,当两个相邻V脉冲之间的原始传号数为奇数时，采 用000V取代节，若为偶数时，采用B00

12、V取代节。 a.各取代节之间的V码要极性交替出现； b.V码要与前一个传号码的极性相同。,HDB3码序列中的传号码（包括“1”码、V码和B码） 除了V码外要满足极性交替出现的原则。,2019/11/12,27,V码破坏了传号码极性交替出现的原则，所以叫破坏点；而B码未破坏传号码极性交替出现的原则，叫非破坏点。,3、BNZS码,2019/11/12,28,6.1.4 多元码,当数字信息中有M种符号时，称为多元码，相应地要用M种电平表示它们。M元码也称为多元码。 与二元码传输相比，在码元速率相同情况下，它们的传输带宽是相同的，但是多元码的信息传输速率提高到 倍。,2019/11/12,29,6.2

13、 数字基带信号的功率谱,在研究基带传输系统时，对于基带信号频谱的分析是十分必要的。由于基带信号是一个随机脉冲序列，故我们面临的是一个随机序列的谱分析问题。,随机脉冲序列的谱分析，根据实际给定条件的不同，应采用不同的方法。在第2章中介绍的由随机过程的相关函数去求功率（或能量）谱密度的,2019/11/12,30,方法就是一种典型的分析平稳随机过程的方法。这里我们准备介绍另一种分析方法，因为这种方法对于数字随机序列的谱分析比较简明和方便。,下面采用分解的方法，即令随机信号 ，式中 为稳态波，是 的统计平均分量（数学期望），它对应于离散谱； 为交变波，是 的交变分量，它对应于连续谱。,2019/11

14、/12,31,随后，分别求得 、 的功率谱密度 ，并把它们相加，就得到 （式6-17）。尽管如此，整个推导过程亦不甚简单，且 公式很长。,设一个二进制的随机脉冲序列如图6-7（a）所示，这里 和 分别表示符号的“1”和“0”， 为每一码元的宽度。,2019/11/12,32,现在假设序列中任一码元 时间内， 和 出现的概率分别P为1-P和，且认为它们的出现是互不依赖的（统计独立）。,该随机过程可以表示为,（6-1）,式中：,（6-2）,2019/11/12,33,对于任意的随机信号 ，都可以将其分解为两部分，一部分为稳态分量 ，另一部分为随机分量 ，即,（6-3）,先分别求出这两个分量的功率谱

15、，然后就可以求出 的功率谱。,2019/11/12,34,最后得：,（6-17）,由式（6-17）可以得出以下几点：,2019/11/12,35, 式（6-17）仅仅适用于“二进制”，不能用于AMI、 HDB3等三进制以及其他多进制码信号。, 二进制随机信号的功率谱密度包括连续谱（第一 项）和离散谱（第二项）两部分。,连续谱总存在，仅当 时，连续谱才消 失，但此时不能进行通信。,2019/11/12,36,离散谱通常也总是存在，仅当双极性等概时才会消 失。,在分析时，对 未加限制，因而式（6-17 ）不仅可用于二进制基带信号，亦可用于二进制调 制信号。,2019/11/12,37,通常，二进制信息1和0是等概的，即P=1/2。这时式（6-17）可简化为：,（6-18）,2019/11/12,38,令,（对应于NRZ：高为1，宽 为的矩形脉冲）,令,（对应于RZ：高为1，宽 为的矩形脉冲）,注意：若矩形脉冲高为A，则只要在 式中乘上 即可。,2019/11/12,39,（1）单极性NRZ矩形脉冲,（2）双极性NRZ矩形脉冲,2019/11/12,40,（3）单极性RZ矩形脉冲（ ）,（4）双极性RZ矩形脉冲（ ）,2019/11/12,41,它们的功率谱如下图：,由以上分析可以看出，随机脉冲序列的功率谱密度可能包括两个部分：连续谱 及离散谱 。对于连续谱而言，代表数字信息的