黑大《通信原理》第六章.

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1、第6章 数字基带传输系统 61 数字基带信号及其频谱特性 62 基带传输的常用码型 63 数字基带信号传输与码间串扰 64 无码间串扰的基带传输特性 65 基带传输系统的抗噪声性能 6 6 眼图 67 部分响应和时域均衡 未经调制的数字信号所占据的频谱是从零频或很低频率开始， 称为数字基带(baseban)信号。 在某些具有低通特性的有线信道中， 特别是在传输距离不太远的情况下， 基带信号可以不经过载波调制而直接进行传输。 不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统， 称为数字基带传输系统。 把包括调制和解调过程的传输系统称， 为数字带通（或频带）传输系统。 研究基带传输系统的意义： 第一，在利

2、用对称电缆构成的近程数据通信系统中广泛采用了 这种传输方式； 第二，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， 而且还用于高速数据传输； 第三，基带传输中包含带通传输的许多基本问题， 基带传输系统的许多问题也是带通传输系统必须考虑的问题； 第四，任何一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。 61 数字基带信号及其频谱特性 611 数字基带信号 数字基带信号是数字信息的电波形表示， 可以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。 以矩形脉冲为例， 几种基本的基带信号波形 1单极性

3、波形 用正电平和零电平分别对应二进制码“1”和“0”； 特点是电脉冲之间无间隔，极性单一； 缺点是有直流分量。 单极性波形 单极性归 零波形 差分波形 双极性波形 双极性归 零波形 多电平波形 2双极性波形 用正、负电平的脉冲分别表示二进制代码“1”和“0”。 当“1”和“0”等概率出现时无直流分量。 3单极性归零波形 归零(Returntozero，RZ)波形是指它的有电脉冲宽度小 于码元宽度Ts， 即信号电压在一个码元终止时刻前总要回到零电平. 通常，归零波形使用半占空码，即占空比（/Ts）为50%， 从单极性RZ波形可以直接提取定时信息。 单极性波形和双极性波形属于非归零(Nonretu

4、mtozero， NRZ)波形， 其占空比/Ts =100。 4双极性归零波形 相邻脉冲之间存在零电位的间隔， 使得接收端很容易识别出每个码元的起止时刻， 使收发双方能保持正确的位同步。 5差分波形(相对码波形) 用相邻码元的电平的跳变和不变来表示消息代码， 而与码元本身的电位或极性无关。 例以电平跳变表示“1”，以电平不变表示“0”。 用差分波形传送代码可以消除设备初始状态的影响。 6多电平波形 一个四电平波形2B1Q（两个比特用四级电平中的一级表示 ） 单个脉冲的波形并非一定是矩形的。 可以是高斯脉冲、升余弦脉冲等其他形式。 若表示各码元的波形相同而电平取值不同， 二进制数字基带信号为 为

5、第n个码元所对应的电平值（0，+1或-1，+1等） 它是一个随机量 为码元持续时间为某种脉冲波形 基带信号 都是一个随机的脉冲序列 一般数字基带信号表示为 有N种不同的脉冲波形 612基带信号的频谱特性 通过频谱分析，确定信号占据的频带宽度， 信号谱中的直流分量、位定时分量、主瓣宽度和谱滚降衰减速度 等信息。 由于数字基带信号是一个随机脉冲序列， 没有确定的频谱函数， 只能用功率谱来描述它的频谱特性。 设一个二进制的随机脉冲序列 g1(t)和g2(t)分别表示消息码“0”和“1”，Ts为码元宽度。 s(t)的双边功率谱密度 单边的功率谱密度 连续谱 离散谱 例6-1求单极性NRZ和RZ矩形脉冲

6、序列的功率谱。 例6-2求双极性NRZ和RZ矩形脉冲序列的功率谱。 (1)二进制基带信号的带宽主要依赖单个码元波形的频谱函数 G1(f)和G2(f)。 时间波形的占空比越小， 占用频带越宽。 a)NRZ(=Ts)基带信号的带宽为 例6-1 例6-2 b) RZ(=Ts/2)基带信号的带宽为 是位定时信号的频率， 它在数值上与码元速率RB相等。 (2)基带信号是否存在离散线谱取决于矩形脉冲的占空比、波 形的概率。 62 基带传输的常用码型 对传输用的基带信号主要要求。 （1）对代码的要求：原始消息代码必须编成适合于传输用的码 型； （2）对所选码型的电波形要求：电波形应适合于基带系统的传 输。

7、621传输码的码型选择原则 传输码（或称线路码） （1）不含直流，且低频分量尽量少； （2）应含有丰富的定时信息，以便于从接收码流中提取定时信 号； （3）功率谱主瓣宽度窄，以节省传输频带； （4）不受信息源统计特性的影响，即能适应于信息源的变化； （5）具有内在的检错能力，即码型应具有一定规律性， 以便利用这一规律性进行宏观监测。 （6）编译码简单，以降低通信延时和成本。 满足或部分满足 622 几种常用的传输码型 1AMI码 AMI(Alternative Mark Inversion)码 传号交替反转码， 其编码规则: 将消息码的“1”（传号）交替地变换为“1”和“1”， “0”（空号）

8、保持不变。 消息码： 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 AMI码： 0 -1 +10 00 00 00 -1 +1 0 0 -1 +1 AMI码对应的波形是具有正、负、零三种电平的脉冲序列。 优点是，没有直流成分，且高、低频分量少， 能量集中在频率为1/2码速处； 编解码电路简单， 且可利用传号极性交替这一规律观察误码情况； 缺点是，当原信码出现长连“ 0”串时， 信号的电平长时间不跳变， 造成提取定时信号的困难。 2HDB3码 HDB3(3nd Order High Density Bipolar)码 三阶高密度双极性码。 它是 AMI码的一种改进型。 a)编码

9、规则是： （1）检查消息码中“0的个数。 当连“0”数目小于等于3时，HDB3码与AMI码一样； （2）当连“0”数目超过3时， 将每4个连“0”化作一小节，定义为B00V， 称为破坏节， 其中V称为破坏脉冲，而B称为调节脉冲； （3）V与前一个相邻的非“0脉冲的极性相同， 并且要求相邻的V码之间极性必须交替； （4）B的取值可选0、+1或-1，以使V同时满足（3）中的两 个要求； （5）V码后面的非“0脉冲极性也要交替。 消息码： 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 AMI码：-1 0 0 0 0 +1 0 0 0 0 -1 +1 0 0

10、0 0 0 0 0 0 -1 +1 -1 0 0 0 -V +1 0 0 0 +V -1 +1 -B 0 0 V +B 0 0+V -1 +1 HDB3：-1 0 0 0 -1 +1 0 0 0 +1 -1 +1 -1 0 0 1 +1 0 0 +1 -1 +1 b)解码 每一个破坏脉冲V总是与前一非“0”脉冲同极性（包括B在内） 。 找到破坏点V， 断定V符号及其前面的三个符号必是连“0”符号， 再将所有-1变成+1后便得到原消息代码。 为1B1T码 3双相码 曼彻斯特（Manchester）码。 它用一个周期的正负对称方波表示“0”，而用其反相波形表示 “1”。 例编码规则：“0”码用“0

11、1”两位码表示，“1”码用“10”两位 码表示， 例如： 消息码： 1 1 0 0 1 0 1 双相码：10 10 101001 0101 双相码波形是一种双极性NRZ波形。 它在每个码元间隔的中心点都存在电平跳变， 所以含有丰富的位定时信息，且没有直流分量，编码过程也简单。 缺点是占用带宽加倍，使频带利用率降低。 4差分双相码 在差分双相码编码中， 每个码元中间的电平跳变用于同步， 而每个码元的开始处是否存在额外的跳变用来确定信码。 有跳变则表示二进制“1”，无跳变则表示二进制“0”。 5密勒码 密勒（Miller）码又称延迟调制码，它是双相码的一种变形。 它的编码规则如下： “1”码用码元

12、中心点出现跃变来表示，即用“10”或“01”表示。 “0”码有两种情况： 单个“0”时，在码元持续时间内不出现电平跃变，且与相邻 码元的边界处也不跃变， 连“0”时，在两个“0”码的边界处出现电平跃变，即“00”与“ 11”交替。 若两个“1”码中间有一个“0”码时，密勒码流中出现最大宽度为 2Ts的波形， 6CMI码 CMI（Coded Mark Inversion）码 传号反转码 其编码规则是：“1”码交替用“11”和“00”两位码表示； “0”码固定地用“01”表示， CMI码易于实现，含有丰富的定时信息。 1B2B码 7块编码 为了提高线路编码性能，需要某种冗余来确保码型的同步和 检错

13、能力。 块编码的形式 nBmB码例4B5B编码 nBmB码提供了良好的同步和检错功能， 所需的带宽随之增加。 nBmT码如4B3T码 63 数字基带信号传输与码间串扰 631数字基带信号传输系统的组成 （1）信道信号形成器（发送滤波器）。 功能是产生适合于信道传输的基带信号波形。 其输入传输码（通常是矩形脉冲），其频谱很宽，不利于传输。 把传输码变换成适宜于信道传输的基带信号波形。 （2）信道。 是允许基带信号通过的媒质。 其传输特性一般不满足无失真传输条件。 还会引人噪声n(t)，并假设它是均值为零的高斯白噪声。 （3）接收滤波器。 尽可能滤除信道噪声和其他干扰， 使输出的基带波形有利于抽样

14、判决。 （4）抽样判决器。 在规定时刻（由位定时脉冲控制） 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。 （5）定时脉冲和同步提取。 从接收信号中提取定时脉冲， 位定时的准确与否将直接影响判决效果。 数字基带 传输系统 基带脉 冲输入 信道 输入 信道 输出 接收滤波 器输出 位定时同 步脉冲 误码 造成错误判决的原因 码间串扰(InterSymbol Interference，ISI) 加性噪声 632数字基带信号传输的定量分析 二进制时，an取值为0，1或-1，+1。 对应的基带信号（发送滤波器的输入） gT(t)是单个(t)作用下形成的发送基本波形， 即发送滤波器的冲激响

15、应。 发送滤波器产生的输出信号 设发送滤波器的传输特性为 基带传输系统的总传输特性 其单位冲激响应 在冲激脉冲序列d(t)作用下， 接收滤波器输出信号 nR(t)是加性噪声n(t)经过接收滤波器后输出的噪声 在第k个时刻样点的值(t0是信道和接收滤波器所造成的延迟) 是第k个接收码元波形的抽样值 是除第k个码元以外的其他码元波形在 第k个抽样时刻上的总和（代数和）， 它对当前码元ak的判决起着干扰的作用， 称之为码间串扰值， 码间串扰值通常是一个随机变量 是输出噪声在抽样瞬间的值， 它是一种随机干扰 若判决电路的判决门限为Vd， 判决规则为： 当 时，判ak为“1”； 当 时，判ak为“0”；

16、 只有当码间串扰值和噪声足够小时， 才能基本保证上述判决的正确； 否则，有可能发生错判，造成误码。 为使基带脉冲传输获得足够小的误码率， 必须最大限度地减小码间串扰和随机噪声的影响。 64 无码间串扰的基带传输特性 先讨论在不考虑噪声情况下，如何消除码间串扰 6.2.1消除码间串扰的基本思想 若想消除码间串扰，应使 由于an是随机的，要想通过各项相互抵消使码间串抗为0是不行的 a）前一个码元的 波形到达后一个码 元抽样判决时刻已 经衰减到0， 这样的波形不易实 现 b）让h(t)在Ts+t0、 2Ts+t0、 3Ts+t0 等后面码元抽样判决时刻上 正好为 0， 就能消除码间串扰 6 4 2无码间串扰的条件 1)无码间串扰的时域条件 若对h(t