数字基带传输技术

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1、第4章 数字基带传输系统,引言 从本章起，侧重讨论数字通信的基本原理及有关技术问题。 定义：数字通信系统可分为数字基带传输系统和数字频带传输系统。两者的主要区别在于是否存在载波调制和解调装置。 意义：在实际使用的数字通信系统中基带传输没有频带传输那样广泛，但：在利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； 频带传输系统中同样存在着基带信号传输问题； 如果把调制与解调过程看作是广义信道的一部分，则任何数字传输系统均可等效为基带传输系统。,第4章 数字基带传输系统,4.1 数字基带信号码型 4.2 基带系统的脉冲传输与码间干扰 4.3 无码间串扰的基带传输系统 4.4 无码间串扰基

2、带系统的抗噪声性能 4.5 眼图 4.6 时域均衡原理 4.7 部分响应系统,4.1 数字基带信号码型,4.1.1 数字基带信号的码型设计原则 数字基带信号：就是消息代码的电脉冲表示电波形。 问题：在实际基带传输系统中，并非所有的原始数字基带信号都能在信道中传输，例如：含有丰富直流和低频成分的基带信号就不适宜在信道中传输，因为它有可能造成信号严重畸变； 如果代码出现长时间的连“0”符号，不利于准确提取同步信息；易于形成码间干扰；抗噪声性能差，Ud不易设定。 实际的基带传输系统还可能提出其它要求，从而导致对基带信号也存在各种可能的要求。,归纳起来，对传输用的基带信号的要求主要有两点： （1）对各

3、种代码的要求，期望将原始信息符号编制成适合于传输用的码型；（2）对所选的码型的电波形的要求，期望电波形适宜于在信道中传输。 本节讨论前一问题。,传输码（常称为线路码）的结构将取决于实际信道的特性和系统工作的条件。概括起来，在设计数字基带信号码型时应考虑以下原则： （1）码型中应不含直流或低频分量尽量少 ;（2）码型中高频分量尽量少 ;（3）码型中应包含定时信息 ;（4）码型具有一定检错能力 ;（5）编码方案对发送消息类型不应有任何限制，即能适用于信源变化 ;（6）低误码增殖; （7）高的编码效率；（8）编译码设备应尽量简单。,1. 单极性非归零（NRZ）码,主要特点： （1）有直流分量，在有些

4、信道中不易传输 ；（2）不能直接提取位同步信息；（3）抗噪性能差；（4）波形之间无间隔，易产生码间干扰；（5）传输时需一端接地。,4.1.2 数字基带信号的常用码型,单极性：基带信号的“0，正”电平分别与二进制符号“0，1”一一对应。 非归零：Ts,2. 双极性非归零波形(NRZ),特点： 可能无直流分量。易于传输。 波形之间无间隔。 不能直接提取同步信息。 抗噪性能好：判决门限为0，易设置且稳定。 无需一端接地。,双极性：基带信号的“负，正”电位分别与二进制符号“0，1”一一对应。,3. 单极性归零（RZ）波形,特点： 有直流分量。 波形之间有间隔，码间干扰小。 可直接提取同步信息,但信号能

5、量减小。是其它码型提取同步信号需采用的一个过渡码型。 抗噪性能差。 需一端接地。,归零：Ts有电脉冲宽度比码元宽度窄，每个脉冲都回到零电位。,4. 双极性归零（RZ）波形,特点： 可能无直流分量。 波形之间有间隔。 可直接提取同步信息,但信号能量减小。 抗噪性能好。 无需一端接地,可以在电缆等无接地线上传输。,具有抗干扰能力强及码中不含直流成分的优点，应用比较广泛。,5. 差分波形(相对码波形) -利用相邻码元的电平变化传递信息。,规则： 遇“1”相邻码元电平变化；遇“0”相邻码元电平不变化。（反之亦可）,特点：波形在形式上与单极性或双极性波形相同，但代表的信息符号与码元本身电位或极性无关，而

6、仅与相邻码元的电位变化有关。 应用：收发端码元极性完全相反，也能正确判断。解决“倒”问题。,6. AMI码 全称是传号交替反转码。 规则：是单极性方式的变形，即把单极性方式中的“0”码仍与零电平对应，而“1”码对应发送极性交替的正、负电平 。,实际上把二进制脉冲序列变为三电平的符号序列，其优点： （1）在“1”、“0”码不等概率情况下，也无直流成分。（2）若收端收到的码元极性与发送的完全相反，也能正确判决。（3）便于观察误码情况。（4）编译码电路简单。是一种基本的线路码，得到广泛使用。 重要缺点：可能出现长的连0串，会造成提取定时信号的困难。,7. HDB3码 为了保持AMI码的优点而克服其缺

7、点 ，人们提出了许多种类的改进AMI码，其中广为接受的解决办法是采用高密度双极性码HDBn。三阶高密度双极性码HDB3码就是高密度双极性码中最重要的一种。,HDB3码的编码规则： （1）先把消息代码变成AMI码，当无3个以上连“0”码时，则该AMI码就是HDB3码。 （2）当出现4个或4个以上连0码时，则将每4个连“0”小段的第4个“0”变换成“非0”码。这个由“0”码改变来的“非0”码称为破坏符号V，而原来的二进制码元序列中所有的“1”码称为信码B表示。当信码序列中加入破坏符号以后，信码B与破坏符号V的正负必须满足如下两个条件： B码和V码各自都应始终保持极性交替变化的规律，以便确保编好的码

8、中没有直流成分； V码必须与前一个码（信码B）同极性，以便和正常的AMI码区分开来。如果这个条件得不到满足，那么应该在四个连“0”码的第一个“0”码位置上加一个与V码同极性的补信码B ，并做调整。使B码和码合起来保持条件中信码（含B及B ）极性交替变换的规律。,例如： （a）代码： 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 （b）AMI码： 0 +1 0 0 0 0 -1+1 0 0 0 0 0 -1 0+1 （c）加V： 0 +1 0 0 0 V+-1+1 0 0 0 V- 0 -1 0+1 （d）加补信码 0 +1 0 0 0 V+-1+1 0 0 V- 0 -1 0

9、+1 （e）调整 0 +1 0 0 0 V+-1+1 0 0 V- 0 +1 0 -1 （f）HDB3： 0 +1 0 0 0 +1 -1+1 -1 0 0 -1 0 +1 0 -1,例：一个极端的情况 an： 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 HDB3： B+ 0 0 V+ B- 0 0 V- B+ 0 0 V+ 0 +1 0 0 +1 -1 0 0 -1 +1 0 0 +1 0,HDB3码特点:1）无直流分量、低频分量小；2）连0串不会超过3个，对定时信号的恢复十分有利；3）编码复杂，译码简单。代价：三电平。,凡遇到 -1 0 0 0 -1 +1 0 0 0 +1 +1

10、0 0 +1 -1 0 0 -1 译成： 0 0 0 0,HDB3是CCITT推荐使用的码之一。,例： （f）HDB3： 0 +1 0 0 0 +1 -1+1 -1 0 0 -1 0 +1 0 -1 （a）代码： 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1,8. Manchester码 -又称双相码、分相码。是对每个二进制代码分别利用两个具有2个不同相位的二进制新码去取代的码。 编码规则： 1 1 0 (相位的一个周期方波) 0 0 1 ( 0 相位的一个周期方波),例: an： 1 0 1 1 0 0 1双相码：1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0以太网

11、采用分相码作为线路传输码。 二电平。 问题：？1B2B，,特点：1）无直流分量；2）连0串最多为2个；3）只使用两个电平；4）编、解码简单；5）占用带宽宽；6）含足够的定时信息。,例：an： 1 0 1 1 0 1CMI： 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0,特点: 1) 无直流分量；2) 连0串最多为3个(1.5个TS)；3) 二电平。跃变多，含丰富的定时信息。,9. CMI码 -传号反转码的简称。,编码规则：1 1 1或0 0，要交替0 0 1 固定 不同于AMI（传号交替反转）:用双码表示“1”、“0”；破坏连0；代价：二电平，1B2B。,例：四电平波形(与两个二进制符号对应

12、) 00+3E 01+E10-E 11-3E,上面介绍的是用得较多的二进制代码，实际上还常用到多进制代码，其波形特点是多个二进制符号对应一个脉冲码元。,10. 多进制码,多进制码的目的是在码元速率一定时可提高信息速率有效性。 代价：？,实际上，组成基带信号的单个码元波形并非一定是矩形的。根据实际的需要，还可有多种多样的波形形式，比如升余弦脉冲、高斯形脉冲等。,4.1.3 数字基带信号功率谱 意义：不同形式的数字基带信号具有不同的频谱结构，分析数字基带信号的频谱特性，以便合理地设计数字基带信号； 或针对信号设计、选择信道。问题：在通信中，除特殊情况（如测试信号）外，数字基带信号通常都是随机脉冲序

13、列。故面临的是一个随机序列的谱分析问题。,对象：二进制随机脉冲序列。 假定：g1(t)表示“0”码; g2(t)表示“1”码。,表达式：,数字基带信号的时域表达式,2. 数字基带信号的功率谱,研究上式所确定的随机脉冲序列的功率谱密度，要用到概率论与随机过程的有关知识。可以证明，随机脉冲序列双边功率谱为：,其中:,讨论： （1）当g1(t)、g2(t) 、p及Tb 给定后，随机脉冲序列功率谱就确定了。（2）随机脉冲序列功率谱包括两部分：连续谱和离散谱。 意义：连续谱确定带宽；离散谱有无所需频率成分。（3）连续谱始终存在g1(t) g2(t)；离散谱不一定存在。 例：双极性、等概；（4）上述公式并

14、未约束g1(t) 、 g2(t)波形。有、无某个波形；、升余弦；可以不是基带波形，而是数字调制波形。,下面，以矩形脉冲构成的基带信号为例，通过几个有代表性的特例对式（4-3）的应用及意义做进一步的说明。例4.1 求单极性NRZ信号的功率谱，假定p=1/2。解 对于单极性NRZ信号，有,这里， g(t)为高度为1、宽度为Tb的全占空矩形脉冲。,则,代入式（4-3）并考虑到p=1/2 ，得单极性NRZ信号的功率谱密度为,讨论： （1）单极性NRZ信号的功率谱只有连续谱和直流分量。 （2）由离散谱仅含直流分量可知，单极性NRZ信号的功率谱不含可用于提取同步信息的 fb 分量。 （3）由连续分量可方便

15、求出单极性NRZ信号的功率谱的带宽近似为（Sa函数第一零点）：,（4）p1/2时，上述结论依然成立。 Why？,例4.2 求双极性NRZ信号的功率谱，假定p=1/2。解 对于双极性NRZ信号，有,则,代入式（4-3）并考虑到p=1/2 ，得双极性NRZ信号的功率谱密度为,讨论：（1）双极性NRZ信号的功率谱只有连续谱，不含任何离散分量。特别是不含可用于提取同步信息的 fb 分量。（2）双极性NRZ信号的功率谱的带宽同于单极性NRZ信号，为 ：,（3）p1/2时，双极性NRZ信号的功率谱将含有直流分量，其特点与单极性NRZ信号的功率谱相似。Why？,例4.3 求单极性RZ信号的功率谱，假定p=1/2。解 对于单极性RZ信号，有,这里， g(t)为高度为1、宽度为 的矩形脉冲，占空比为：,则,（一般Tb/为整数）,代入式（4-3）并考虑到p=1/2 ，得单极性RZ信号的功率谱密度为,讨论：（1）单极性RZ信号的功率谱不但有连续谱，而且在等处还存在离散谱。（2）由离散谱可知，单极性RZ信号的功率谱含可用于提取同步信息的分量。（3）由连续谱可求出单极性RZ信号的功率谱的带宽近似为：,