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1、第 6 章 数 字 基 带 传 输 系 统,主要内容： 数字基带信号的频谱结构 基带信号传输的常用码型 码间干扰的基本概念 奈奎斯特第一准则 奈奎斯特第二准则 时域均衡的基本概念 抗噪声性能的分析方法,重点： 基带信号的频谱特征 常用码型的规则和选择方法 奈奎斯特准则的应用 时域均衡器,6.1 引言,6.2 数字基带信号及其频谱特性,6.3 基带传输的常用码型,6.4 数字基带信号传输与码间串扰,6.5 无码间串扰的基带传输特性,6.7 部分响应系统,6.6 无码间干扰基带系统的抗噪声性能,6.8 时 域 均 衡,6.1 引 言,基带信号定义：未经调制处理的数字信号,基带系统的任务：将原始基带
2、信号变换成有效的信道基带信号，完成无失真传输。,信道信号形成器,接收滤波器,抽样判决器,信 道,原生基带脉冲,再生基带脉冲,基带系统框图：,6.2 数字基带信号及其频谱特性,6.2.1 基带信号波形,6.2.2 基带信号表达式,6.2.3 基带信号频谱,6.2.1 基带信号波形 （电气特征）,单极性非归零,单极性归零,双极性非归零,双极性归零,：码元宽度,特征：非归零和归零信号的码元宽度相同，但占空比不同，导致信号频谱不同。,原始波形,差分波形,差分波形 每个码元的电平不由自身状态决定，而与相邻码元电平值有关。规则： “1” - 相邻码元电平值 跳变“0” - 相邻码元电平值 保持,多值波形,
3、0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1,6.2.2 基带信号的数学表达式,由于二进制数字基带信号是随机脉冲信号，且码元波形可任意，需采用随机信号分析法。设 码元宽度为Ts ，则基带信号 S( t ) 可表示成,分别表示二进制两个状态的波形函数,其中：,、,0,t,0 1 0 0 1, 由随机信号理论知，S ( t ) 的功率谱密度函数PS()与截短信号ST ( t )的功率谱密度函数PST ()有关,ST ( t ) 是 S ( t ) 的截短信号要求：T = (2N+1)Ts N 足够大,6.2.3 基带信号的频谱,随机序列的谱分析 法一：由随机过程的相关函数着手，得功率谱。
4、法二：用脉冲出现概率描述。, 基带信号,取,随机过程的数字特征,法二：,随机过程的数字特征：,数学期望,方差,相关函数,协方差函数,令 ST ( t ) = 稳态波 交变波 （等效为广义直流和交流）= vT ( t ) + uT ( t ), vT ( t ) 是 ST ( t ) 的统计平均分量,0 1 1 0 0 0 1 0,= an g1 ( t-nTs) - g2( t-nTs ) , 对ST ( t )的谱分析又转化为对 vT ( t ) , uT ( t )的谱分析。再令T ，通过v ( t ) , u ( t )进而求得S ( t )的功率谱。,v( t ) 功率谱,u( t )
5、功率谱,结论：,S( t ) 功率谱,又 v( t ) = v( t+Ts ) 是周期信号,由傅氏变换知，必有,其中,v ( t ) 的功率谱,t=t-nTs,= ms,因为周期信号对应离散谱，根据频移特性,为离散谱,幅度谱,功率谱,结论1：,u ( t ) 的功率谱,代入,时移特性,又 | UT ( f ) |2 = UT ( f ) UT*( f ),讨论 E(aman), E an2 = p(1 - p) 2 + ( 1 p )p 2 = p( 1 p ) 代入得,当 m = n 时,当 mn 时, E am an = p2 (1- p2 ) + (1- p)2 p2 + 2 p (1-
6、 p) (- p ) (1- p) = 0, E | UT ( f )|2 = 0,讨论 E(aman), PUT ( f ) = E |UT ( f )|2 截短交变的功率谱,= p ( 1- p ) | G1 ( f )- G2 ( f ) | 2,为连续谱,交变波的功率谱与g1(t),g2(t)的频谱出现概率有关，是连续谱。 稳态波的功率谱与g1(t),g2(t)的频谱出现概率有关，是离散谱。,特征：,结论2：, ST ( t ) = vT ( t ) + uT ( t ), Ps() = Pv() + Pu(),单边谱：,S( t ) 的功率谱,双边谱：,单极性非归零信号功率谱,双极性
7、非归零信号功率谱,Sa (m fsTs ) 在 f = m fs 处为零点( m0 ), g1( t ) = 0 g2( t ) = g( t ) G 1( f ) = 0 G 2( f ) = G( f ) g( t ),设 g( t ) 为矩形脉冲，且 p = 1/ 2 G( f ) = Ts Sa ( f Ts ),单极性非归零信号功率谱,频谱图,特征：包含离散谱和连续谱,令 g1( t ) = - g2( t ) = g( t ) 双极性矩形脉冲,结论：随机脉冲序列的功率谱包括:1）连续谱Pu( f ) 2）离散谱Pv( f )无论 g1( t ) 与 g2( t ) 的形式， Pu(
8、 f ) 总是存在 ( G1( f )G2 ( f ) ) 当g1(t)与g2(t)为双极性脉冲时 Pv( f ) = 0 ( p = 1/2 ),双极性非归零信号功率谱,特征：只有连续谱,推论,频谱图,NRZ：,RZ：,双极性非归零：,双极性归零：,推论：双极性信号，,与t 无关，且 0k1,则 Pv( f ) =0 Ps( f ) 中只有连续谱，没有离散谱,频谱特性不仅反映功率谱的计算，还可以根据离散谱是否存在判断能否从 S( t ) 中提取需要的定时信息。 频谱特征对于位同步，载波同步问题的研究起着重要作用。,假设 v ( t ) = 0,证明：,6.3 基带传输的常用码型,传输码的功率
9、谱结构特性：,2、便于提取定时时钟以便接收机实现同步控制,1、无直流、很少的低频分量和高频分量1） 以便实现远端供电 2） 信道为低频型带通,3、不受信息源统计特性的影响,4、易于实现,5、具有一定的检错能力,不同的码型具有不同的功率谱结构，须根据信道的传输特性来选择,密勒码（Miller）,AMI码,HDB3码,PST码,CMI码,曼彻斯特码（Manchester）,6、信号带宽尽量小,AMI 码：传号交替反转码,规则： 代码 “1”（传号） - 传输码 交替为 “+1”、“-1”“0”（空号） - 传输码 “0”,例：消息代码： 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1AMI 码： +1 0
10、 0 1 +1 0 0 0 1 +1,特点：,1）无直流分量，低频成分很小。,2）当出现长串连 “0” 时，提取定时时钟困难。,AMI 波形,代码 波形,3）三进制码，实现简单,HDB3 码：三阶高密度双极性码（改进的 AMI 码）,规则：代码 “1”（传号）- 传输码 交替为“+1”、“-1”“0”（空号）- 传输码 “0” ；破坏点V 处为“+1” 或 “-1”,破坏点 V 的规则：1）每 4 个连 “0” 小段的第4 位是破坏点 V2）+V、- V 交替出现3）V 的极性与连 “0” 串前的非 0 符号的极性相同4）当相邻 V 符号之间有偶数个非 0 符号时，必须将后面连 “0” 小段
11、的第一位换成 B ，B 符号的极性与相邻前一非 0 符号的极性相反，V 的极性同 B ， V 后面的非 0 符号极性从 V 开始调整。,例,AMI 波形,代码波形,HDB3 波形,特点：,1）每一个破坏点V 的极性总是与前一个非 0 符号的极性相同。B 也视为非 0 符号。,2）只要找到破坏点V ，就可判断其前面必为3 个连 0 符号。,3）利于提取定时时钟。,PST 码： 选择三进码,规则：,1）将二进制代码分组，2 个码元为一组，共 4 种状态。 2）每组用选定的两位三进制数字表示（三进制数字为 +、-、0 ，两两组合共 9 种状态， 选其中4 种有电位变化的状态 ）,例：,代码 0 1
12、0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0, 模式 0 + - + + - - 0 + 0 + - - +, 模式 0 - - + + - + 0 0 + - - +,、 模式交替使用以使直流分量为0。,特点：,1）无直流分量，提供定时时钟,2）需建立帧同步，以提供分组信息,曼彻斯特码：双相码 （Manchester）,例：,消息代码 1 1 0 0 1 0,双相码 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1,特点： 1） 提供定时分量 2） 只有两个电平值 3） 码元宽度压缩一倍，信号带宽增加一倍4）代码的中点出现跳变,规则： 代码 “1”（传号）- 传输码 “10”“0”（空号）-
13、 传输码 “01”,密勒码：（Miller）延迟调制码。双相码的变形。,规则：代码 “1”（传号）- 传输码 “10” 或 “01”“0”（空号）- 传输码 “00” 或 “11”,说明：1）代码 “1” 对应的传输码中点必出现跳变，因而要求连续“1”之间不出现跳变2）代码 “0”对应的传输码中点必不出现跳变，因而要求连续“0”之间出现跳变3）代码 “1” 与代码 “0”之间不跳变,特点： 1） 提供定时分量 2） 码元宽度比双相码大，信号带宽降低,例,代码波形,双相码波形,密勒码波形,例：,例：消息代码 1 1 0 1 0 0 1 0,CMI 码 11 00 01 11 01 01 00 0
14、1,特点：定时信息丰富（电平跳变点多）,该码被推荐为PCM 四次群的接口码型。,CMI 码： 传号反转码,规则：代码 “1”（传号）- 传输码 “11” 或 “00”“0”（空号）- 传输码 “01”,说明：代码 “1” 对应的传输码 “11” 、 “00”交替出现,6.4 数字基带信号传输与码间串扰,6.4.1 基带脉冲传输特点,6.4.2 定量分析,6.4.1 基带脉冲传输特点,发送端：形成原生基带信号并将其送入信道。,接收端：为抑制噪声，加接收滤波器，并用判决识别电路从接收信号中获得再生基带信号。,原生基带信号与再生基带信号之间不可避免地存在差异,存在差异的原因：1）系统传输性能不理想 2）加性噪声影响3）抽样点偏离（同步性能不好引起）,系统传输性能不理想引入的差异称为码间串扰,再生基带信号,再生信号波形,6.4.2 定量分析,设 发送an为冲激符号序列,令 h( t ) H()= GT() C() GR() 基带传输特性,Ts ：码元宽度,分析：识别判决电路,r ( t ) 通过识别判决电路，生成再生基带信号序列 an ,识别判决电路的抽样时刻通式为 kTs+ t0 （ 令 t0 =0 ）根据 r ( kTs ) 的值判断，生成 akTs若 akTs 与发送信号相应的 akTs 相同则正判，反之误判。,
