数字基带传输概述

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1、5.1 数字基带传输概述5.2 数字基带信号及其频谱特性5.3 基带传输的常用码型5.4 基带脉冲传输与码间串扰5.5 无码间串扰的基带传输特性5.6 无码间串扰基带系统的抗噪声性能5.7眼图5.8 均衡技术5.9 部分响应系统第 5 章 数字基带传输系统返回主目录第5 章 数字基带传输系统 5.1数字基带传输概述 数字基带信号包含丰富的低频分量，甚至直流分量的 数字信号，称之为数字基带信号。来自数据终端的原始数据 信号，都是数字基带信号。 数字基带传输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。对于大多数信道，如各种无线信

2、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，把频谱搬移到高载处 才能在信道中传输，我们把这种传输称为数字频带（调制或 载波）传输。 一、基带传输系统研究的意义：1、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；2、数字基带传输中包含频带传输的许多基本问题，也就是 说，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；3、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。基带传输系统的基本结构如图 5 - 1 所示。它主要由信 道信号形成器、信道、接收滤波器和抽样判决器组成。为了 保证系统可靠有序地工作，还应有同步系统。 图 5 -1数字基带

3、传输系统图 5- 1 中各部分的作用简述如下： 信道信号形成器基带传输系统的输入是由终端设备或编码器产生的脉冲序列，它往往不适合直接送到信道中传输。道信号形成器的作用就是把原始基带信号变换成信适合于信道传输的基带信号，这种变换主要是通过码型变换和波形变换来实现的， 其目的是与信道匹配， 便于传输，减小码间串扰，利于同步提取和抽样判决。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。另外信道还会进入噪声。 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。 接收滤波器它的主要作用是滤除带外噪声，对信道特

4、性均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决。 抽样判决器它是在传输特性不理想及噪声背景下，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。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，这一点将在第11章中详细讨论。 图 5 - 2 给出了图 5 - 1 所示基带系统的各点波形示意图 。 图5-2 基带系统个点波形示意图图中：(a)是输入的基带信号，这是最常见的单极性非归零信号；(b)是进行码型变换后的波形； (c)对(a)而言进行了码型及波形的变换，是一种适合在信道 中传输的波形； (d)是信道输出信号，显然由于

5、信道频率特性不理想，波形发 生失真并叠加了噪声；(e)为接收滤波器输出波形, 与(d)相比，失真和噪声减弱；(f)是位定时同步脉冲; (g)为恢复的信息，其中第4个码元发生误码，误码的原因：一、是信道加性噪声二、是传输总特性（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。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。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， 这两点也正是本章讨论的重点。 5.2数字基带信号及其频谱特性5.2.1数字基带信号 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

6、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，下面就以矩 形脉冲为例介绍几种最常见的基带信号波形。 1. 单极性不归零波形 如图 5 - 3（a）所示单极性不归零波形，这是一种最简单、 最常用的基带信号 形式。这种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，有直流分量，脉冲之间无间隔。另外位同 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。 2. 双极性不归零波形 如图 5 - 3(b)所示，在双极性不归零波形中。脉冲的正、

7、负电平分别对应于二 进制代码1、0，由于它是幅度相等极性相反的双极性波形，特点： 故当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 0，因而不受信道特性变化的影响，抗干扰能力 也较强。故双极性波形有利于在信道中传输。 图 5 3 几种常见的基带信号波形3. 单极性归零波形（见图 5 - 3(c)） 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。 单极性归零波形可以直接提取定 时信息，是其他波形提取位定时信号时需要采用的一种过渡波 形。 4. 双极性归零波形 如图 5 - 3(d)所示它是双极性波形

8、的归零形式，每个码元内的脉冲都回到零点平，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 如图 5 - 3(e)所示。 这种波形不是用码元本身的电平表示消息代码， 而是用 相邻码元的电平的跳变和不变来表示消息代码，图中，以电 平跳变表示1，以电平不变表示0，当然上述规定也可以反过 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 ，又称它为相对码波形，而相应地称前面的单极性或双极性 波形为绝对码波形。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波相位模 糊问题。 6. 多电平波形用多于一

9、个二进制符号对应一个脉冲。这种波形统称为 多电平波形或多值波形。由于这种波形的一个脉冲可以代表 多个二进制符号， 故在高数据速率传输系统中，采用这种信 号形式是适宜的。 数字基带信号的数学式表示：消息代码的电波形并非一定是矩形的， 还可是 其他形式。但无论采用什么形式的波形，数字基带信号都可 用数学式表示出来。 若数字基带信号中各码元波形相同而 取值不同，则可用s(t)= ang(t-nTs) (5.2 - 1) 表示。式中，an是第n个信息符号所对应的电平值（0、 1 或-1、1等），由信码和编码规律决定；Ts为码元间隔；g(t) 为某种标准脉冲波形，对于二进制代码序列，若令g1(t)代表

10、“0”，g2(t)代表“1”，则g1(t-nTs), 表示符号“0”g2(t-nTs), 表示符号“1” 由于an是一个随机量。因此，通常在实际中遇到的基带 信号s(t)都是一个随机的脉冲序列。 一般情况下， 数字基带信号可用随机序列表示 ， 即ang(t-nTs)=s(t)= sn(t) 5.2.2基带信号的频谱特性一、频谱特性分析的内容1、信号需要占据的频带宽度2、信号所包含的频谱分量3、信号有无直流分量4、信号有无定时分量二 、频谱特性分析的意义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。 三、频谱特性分析的方法以随机过程功率谱的原始定义为出发点，求出数字随机

11、序列的功率谱公式设二进制的随机脉冲序列如图 5 - 4（a）所示，其中，假设g1(t) 表示“0”码，g2(t) 表示“1”码。g1(t)和g2(t)在实际中可以是任意的脉冲，但为了便于在图上区分，这里我们把g1(t)画成宽度为Ts的方波，把g2(t)画成宽度为Ts的三角波。现在假设序列中任一码元时间Ts内g1(t)和g2(t)出现的概率分别为P和1-P，且认为它们的出现是统计独立的，则s(t)可用式(5.2 - 2)表征，即s(t)= sn(t) 其中 图 5 4 随机脉冲序列示意波形g1(t-nTs), 以概率P出现g2(t-nTs), 以概率(1-P)出现 (5.2 - 4)sn(t)=

12、为了使频谱分析的物理概念清楚，推导过程简化，我们可以把s(t)分解成稳态波v(t)和交变波u(t)。所谓稳态波，即是随机序列s(t)的统计平均分量，它取决于每个码元内出现g1(t)、 g2(t)的概率加权平均，且每个码元统计平均波形相同，因此可表示成 v(t)= Pg1(t-nTs)+(1-P)g2(t-nTs)= vn(t) (5.2 - 5) 其波形如图 5 - 4(b)所示， 显然v(t)是一个以Ts为周期的周期函数。 交变波u(t)是s (t)与v(t)之差， 即 u(t)=s (t)-v(t) (5.2 - 6) 其中第n个码元为 un(t)=sn(t)-vn(t) (5.2 - 7

13、)于是 u(t)= un(t) (5.2 - 8)其中, un(t)可根据式(5.2 - 4) 和(5.2 - 5)表示为 g1(t-nTs)-Pg1(t-nTs)-(1-P)g2(t-nTs)=(1-P)g1(t-nTs)-g2(t-nTs), 以概率Pg2(t-nTs)-Pg1(t-nTs)-(1-P)g2(t-nTs)=-Pg1(t-nTs)-g2(t-nTs), 以概率(1-P)或者写成 un(t)=ang1(t-nTs)-g2(t-nTs) (5.2 - 9)其中 an=1-P, 以概率Pan= -P, 以概率(1-P) (5.2 - 10) 显然，u(t)是随机脉冲序列 ，图 5

14、- 4（c）画出了u(t)的一 个实现。下面我们根据式(5.2 - 5)和式(5.2 - 8)， 分别求出稳态波 v(t)和交变波u(t)的功率谱，然后根据式(5.2 - 6)的关系，将 两者的功率谱合并起来就可得到随机基带脉冲序列s(t)的频谱 特性。 un(t)=1. v(t)的功率谱密度Pv(f)由于v(t)是以Ts为周期的周期信号，故v(t)= Pg1(t-nTs)+(1-P)g2(t-nTs) 可以展成傅氏级数 v(t)= Cmej2mfst (5.2 - 11)式中 Cm= (5.2 - 12) 由于在（-Ts/2，Ts/2）范围内（相当n=0）, v(t)=Pg1(t)+(1-P)g2(t)，所以又由于Pg1(t)+(1-P)g2(t)只存在（-Ts/2，Ts/2）范围内， 所以上式的积分限可以改为从-到，因此式中再根据周期信号功率谱密度与傅氏系数Cm的关系式，有可见稳态波的功率谱Pv(f)是冲击强度取决|Cm|2的离散 线谱，根据离散谱可以确定随机序列是否包含直流分量（ m=0）和定时分量(m=1)。 2. u(t)的功率谱密度Pu(f)u(t)是功率型的随机脉冲序列，它的功率谱密度可采用截短函数和求统计平均的方法来求，参照第2章中的功率谱密度的原始定义式（2.2 - 15），有Pu(f)= 其中UT(f)