数字通信原理第3章数字信号基带传输系统

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1、3.1 数字基带传输系统概述 3.2 数字基带信号脉冲波形及码型 3.3 基带信号的功率谱计算 3.4 基带传输常用码型 3.5 基带脉冲传输与码间串扰 3.6 无码间串扰的基带传输特性 3.7 无码间串扰基带系统的抗噪声性能 3.8 部分响应系统 3.9 眼图 3.10 均衡技术 学习重点 本章思考,第3章 数字信号基带传输系统,数字基带信号的特性,如何设计基带传输总特性,估计系统性能的实验手段,改善传输性能的措施,2,1、数字通信系统中两个重要变换： 消息（离散的或连续的）与数字基带信号间的变换。 （由发收终端设备完成）,数字基带信号与信道信号间的变换 。（由调制解调器完成）,3.1 数字

2、基带传输概述,3,2、数字基带信号：数字基带信号是从计算机中直接产生的，未经任何处理的二进制（或多进制）的脉冲序列信号。基带信号往往包含丰富的低频分量，甚至直流分量。,例如： 计算机输出的二进制序列 电传机输出的代码 PCM码组，M序列,3.1 数字基带传输概述,4,1、数字数字基带传输： 数字基带传输是在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，直接传输基带信号。,2、数字频带传输（由于大多数信道是带通型的）： 数字频带传输是将数字基带信号经过载波调制，把频谱搬移到高频处在带通型信道（如各种无线信道和光信道）中传输。 ,3.1.1 基带传输系统模型,5,虽然在实际应用中，基带传

3、输不如频带传输广泛，但仍然研究的原因：在利用对称电缆构成的近程数据通信系统广泛采用了这种传输方式；基带传输系统的许多问题也是频带传输系统必须考虑的问题；任何一个采用线性调制的频带传输系统可等效为基带传输系统来研究。,3.1.1 研究基带传输系统的原因,6,图 3.1 1 数字基带传输系统,3.1.2 基带传输系统模型,C(),GR(),7,（1）信道信号形成器,把原始基带信号变换成适合于信道传输的基带信号，这种变换主要是通过波形变换和发送滤波器来实现的。,3、数字基带传输系统各部分功能：,3.1.2 基带传输系统模型,波形变换的目的是与信道匹配，主要通过码型变换及波形变换实现。码型变换将二进制

4、脉冲序列变为双极性码；波形变换减小码间串扰，利于同步提取和抽样判决。 发送滤波器的目的主要是平滑波形。,8,信道是允许基带信号通过的媒质，通常为有线信道，如市话电缆、架空明线等。信道的传输特性通常不满足无失真传输条件，甚至是随机变化的。信道还会进入噪声。在通信系统的分析中，常常把噪声n(t)等效，集中在信道中引入。,（2） 信道,3.1.2 基带传输系统模型,9,（3） 匹配滤波器、均衡器,匹配滤波器用来尽可能排除信道噪声和其它干扰；均衡器对信道特性均衡，消除信道冲激响应对信号的干扰，使输出的基带波形有利于抽样判决。,3.1.2 基带传输系统模型,10,抽样判决器在传输特性不理想及噪声背景下，

5、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。,（4） 抽样判决器,3.1.2 基带传输系统模型,用来抽样的位定时脉冲则依靠同步提取电路从接收信号中提取 位定时的准确与否将直接影响判决效果。,图3.1-2 基带系统个点波形示意图,(a)基带信号；(b)码型变换后；(c)对(a)进行了码型及波形的变换，适合在信道中传输的波形；(d)信道输出信号，波形发生失真并叠加了噪声；(e)接收滤波器输出波形, 与(d)相比，失真和噪声减弱；(f)位定时同步脉冲；(g)恢复的信息。,0,12,在图3.1-2中，第4、5个码元发生误码。误码的原因： 信道加性噪声 传输总

6、特性（包括收、发滤波器和信道的特性）不理想引起的波形延迟、展宽、拖尾等畸变，使码元之间相互串扰。,3.1.2 基带传输系统模型,实际抽样判决值不仅有本码元的值，还有其他码元在该码元抽样时刻的串扰值及噪声。显然，接收端能否正确恢复信息，在于能否有效地抑制噪声和减小码间串扰。,13,3.1.3 基带数字信号的要求,有利于提高系统的频带利用率。基带信号的编码应尽量使频带压缩，使编码后所使用的数字信号的速率尽量低。,尽量减少直流、甚低频及高频分量。（基带传输系统中有时有隔直流的变压器耦合，不利于直流、甚低频分量的传输，在传输中会丢失，接收时产生波形失真；过多高频分量会引起话路之间的“串话”。,14,误

7、码扩散少,一个信号出错不延伸到其他信号。,尽量不出现长“0”和长“1”。无法提取定时信号，使同步被破坏。,能够检测信号质量，对噪声和码间串扰具有较强的抵抗力和自检能力。,编译码设备简单。,提高码元同步分量，才能保证同步提取电路稳定可靠的工作。,3.1.3 基带数字信号的要求,15,3.2 数字基带信号波形及码型,数字基带信号(以下简称为基带信号)是消息代码的电波形，使用不同的电平或脉冲表示相应消息代码。基带信号波型有很多，常见的有： 矩形脉冲 三角波 高斯脉冲 余弦脉冲,3.2.1数字基带信号常见波型,最常用的是矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成和变换。,16,1、矩形脉冲（重点）,图3.2-1

8、矩形脉冲波形示意图,时域特性,3.2.1数字基带信号常见波型,假设矩形脉冲宽度为T，幅度为ES,17,3.2.1数字基带信号常见波型,矩形脉冲频域特性：,18,图3.2-2 矩形脉冲频谱图,第一个过零点,频带宽度,3.2.1数字基带信号常见波型,19,2、 三角波,图3.2-3 三角形脉冲波形示意图,3.2.1数字基带信号常见波型,时域特性,20,3.2.1数字基带信号常见波型,三角波频域特性：,第一个过零点,频带宽度,21,图3.2-4 三角波频谱图,3.2.1数字基带信号常见波型,22,3.2 数字基带信号波形及码型,常用信号傅立叶变换表,傅立叶变换基本性质,附录,求信号实际带宽：时域信号

9、-矩形脉冲宽度-带宽=1/脉冲宽度频域信号-第一个过零点-f,23,3.2.2 数字基带信号常见码型,数字基带信号常见码型有： 单极性不归零码（NRZ） 双极性不归零码 单极性归零码（RZ） 双极性归零码 差分码 多进制脉冲,24,1、 单极性不归零码（NRZ）,“1”码,“0”码,有信号，用正电平表示,无信号，用零电平表示,3.2.2 数字基带信号常见码型,（1）编码规则,25,二进制信号,+E,图3.2-5 NRZ波形示意图,0,判决电平,0.5E,（2）单极性不归零码波形,3.2.2 数字基带信号常见码型,26,极性单一 有直流分量（波形的电平平均值不为0） 脉冲之间无间隔(脉冲宽度=码

10、元宽度） 判决电平为0.5E,（3）单极性不归零码的特点:,3.2.2 数字基带信号常见码型,27,“1”码,“0”码,用正电平表示,用负电平表示,2、 双极性不归零码,（1）编码规则,3.2.2 数字基带信号常见码型,28,+E,-E,二进制信号,图3.2-6 双极性不归零码波形示意图,判决电平,0,（2）双极性不归零码波形,3.2.2 数字基带信号常见码型,29,无直流分量 脉冲之间无间隔 信号的判决电平为0 抗干扰能力较强,（3）双极性不归零码的特点:,3.2.2 数字基带信号常见码型,30,3、 单极性归零码,“1”码,“0”码,前半个T/2内用正电平表示，后半周期回归至零,用零电平表

11、示,脉冲宽度比码元宽度窄，每个正脉冲都会回到零电位。例如：,（1）编码规则,3.2.2 数字基带信号常见码型,31,+E,二进制信号,图3.2-7 单极性归零码波形示意图,0,（2）单极性归零码波形,3.2.2 数字基带信号常见码型,32,码元间隔明显:有利于同步时钟提取 脉冲窄:有利于减少码元间波形干扰 码元能量小、抗干扰能力差,（3）单极性归零码的特点:,3.2.2 数字基带信号常见码型,33,“1”码,“0”码,前半个T/2内用正电平表示，后半周期回归至零,前半个T/2内用负电平表示，后半周期回归至零,“1”码用正电平，“0”码用负电平表示，脉冲宽度比码元宽度窄，每个脉冲都回到零电位。例

12、如：,4、 双极性归零码,（1）编码规则,3.2.2 数字基带信号常见码型,34,-E,二进制信号,E,图3.2-8 双极性归零码波形示意图,（2）双极性归零码波形,3.2.2 数字基带信号常见码型,35,双极性归零码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。,（3）双极性归零码的特点：,3.2.2 数字基带信号常见码型,36,差分波形是以相邻脉冲电平的相对变化来表示代码，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。例如：,5、 差分码（相对脉冲码）,（1）编码规则,3.2.2 数字基带信号常见码型,37,绝对二进制码：1 0 1 1 1 0 0 1

13、1 0,图3.2-9 相对码脉冲波形示意图,-E,+E,（2）差分码波形,3.2.2 数字基带信号常见码型,38,图3.2-10 绝对码与相对码之间的变换原理,（3）差分码的生成,3.2.2 数字基带信号常见码型,39,输入码an: 1 1 1 0 0 1 0 1 0 1,差分码bn: 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0,（0）,cn: 1 1 1 0 0 1 0 1 0 1,差分码bn及波形: 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0,图3.2-11 相对码脉冲波形示意图,3.2.2 数字基带信号常见码型,40,用差分波形传送代码可以消除设备初始状态的影响，特别是在相位调制系统中用于解决载

14、波相位模糊问题。,（4）差分码的应用,3.2.2 数字基带信号常见码型,41,脉冲波形的取值不是两值或三值，而是多值的。每种脉冲值代表N位二元代码。例如4进制电平脉冲，码元有0，1，2，3。每种值代表N=log2M=log24=2位二元码。+3E对应00，+E对应01， -E对应10， -3E对应11。,6、 多电平波形（多进制脉冲波形）,（1）编码规则,3.2.2 数字基带信号常见码型,42,0 0 1 0 1 1 0 0 0 1,-3E,-E,+E,+3E,图3.2-12 4进值脉冲波形示意图,（2）多电平波形示意,3.2.2 数字基带信号常见码型,43,携带信息量大：适合于高数据速率传输

15、系统 提高了系统的频带利用率：M元码传输所需信道频带降为二元码的1/n倍,频带利用率提高为n倍。(n=log2M) 抗干扰能力差：信息能量相同的情况下，抗干扰能力比二进制差。,（3）多进制脉冲波形特点：,3.2.2 数字基带信号常见码型,44,本 节 思 考,3.2 数字基带信号波形及码型,数字基带信号有哪些常见的波形？它们各有什么特点？ 数字基带信号有哪些常见的码形，它们各自的编码原则及特点。,45,数字基带信号是随机的脉冲序列，没有确定的频谱函数，所以只能用功率谱来描述它的频谱特性。由随机过程的相关函数去求随机过程的功率(或能量)谱密度比较复杂。一种比较简单的方法是以随机过程功率谱的原始定义为出发点，求出数字随机序列的功率谱公式。,3.3 基带信号的功率谱计算,46,通过频谱分析，可以了解信号需要占据的频带宽度，所包含的频谱分量，有无直流分量，有无定时分量等。（重点掌握） 这样，才能针对信号谱的特点来选择相匹配的信道，以及确定是否可从信号中提取定时信号。,