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1、1,第五章 数字基带传输系统,5.1 引言 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干扰5.5 无码间串扰的基带传输特性5.6 部分响应系统 5.7 基带传输系统的抗噪声性能 5.8 眼图 5.9 时域均衡,2,5.1 引言,数字信息可以来自数据终端的原始数字代码，或者来自模拟信号经数字化处理后的脉冲编码信号。 数字信息可以直接用数字代码序列表示和传输，或根据情况进行编码，并选用一组取值有限的离散波形表示。 数字基带（baseband）信号：未调制的数字信号，频谱位于零频附近。,3,数字基带传输系统：不经过载波调制和解调过程，直接在信道中传输数字基带
2、信号。 数字频带（带通）传输系统：数字基带信号经载波调制，频谱搬移后在信道中传输。,4,数字基带传输系统基本结构如图51所示。,图 5 -1数字基带传输系统,信道信号形成器、信道、接收滤波器、抽样判决器以及同步系统组成。信道信号形成器产生适合于信道传输的基带信号；信道是允许基带信号通过的媒质；接收滤波器接收信号、尽可能排除信道噪声和其他干扰；抽样判决器在噪声背景下用来判定与再生基带信号；同步系统保证系统有序可靠工作。,cp(t),r(t),5,信道信号形成器：基带传输系统的信源是由终端设备或编码器产生的脉冲序列，这个脉冲序列不一定适合直接在信道中传输。信道信号形成器的作用就是把原始基带信号变换
3、成适合于信道传输的基带信号，变换主要是通过码型变换和波形变换来实现， 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。,cp(t),r(t),6,码型变换：将信源或信源编码输出的码型（通常为单极性不归零码NRZ）变为适合于信道传输的码型。波形变换：将适合在信道中传输的码型再变为适合在信道中传输的波形，如滤掉高频成分，限制进入信道的信号带宽。,7,信道：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。,8,接收滤波器
4、：使进入抽样判决器的信号无码间串扰，滤除带外噪声。同步提取：提取位同步信号，抽样脉冲cp(t)的频率等于码速率，上升沿与r(t)的最大值对齐。,9,抽样判决器：再生数字基带信号，抽样判决器的输出一般为NRZ码，可能有误码。误码原因：1）码间串扰 2）噪声3）位同步信号相位抖动,10,基带传输不如频带传输应用广泛但对基带传输的研究仍有意义，因为： 近程数据通信系统广泛采用基带传输。 基带传输方式在迅速发展。目前不仅用于低速数据传输，还用于高速数据传输。 频带传输里也同样存在基带传输问题，即，基带传输中包含频带传输的基本问题。 线性调制的频带传输系统可等效为基带传输系统。,11,本章讨论的内容：
5、数字基带信号的波形，传输码型，频谱； 基带系统的频率特性，码间串扰，误码率； 部分响应，时域均衡。重点与难点： 设计基带系统总传输特性，消除码间串扰； 有效减少信道加性噪声影响，提高系统抗噪声性能。,12,5.2.1数字基带信号数字基带信号：数字信息的电波形表示，用不同的电平或脉冲来表示相应的消息代码。基带信号的类型很多，矩形脉冲、三角波、高斯脉冲和升余弦脉冲等。矩形脉冲最常用，因为矩形脉冲易于形成和变换。以矩形脉冲为例介绍几种最常见的基带信号波形。,5.2 数字基带信号及其频谱特性,13,1. 单极性不归零码波形（NRZ）单极性不归零波形是最简单常用的基带信号波形。这种信号脉冲的零电平和正电
6、平分别对应着二进制代码0和1，或者说，它在一个码元时间内用脉冲的有或无来对应表示0或1码。特点：极性单一，有直流分量，脉冲之间无间隔，脉冲宽度等于码元宽度Ts。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。,14,此波型不宜传输。因为：1）有直流分量，一般信道难于传输零频附近的 频率分量。2）收端判决门限电平与信号功率有关，受信道特性变化影响，不方便。3）不能直接用来提取位同步信号，因NRZ连0序列中不含有位同步信号频率成分。4）要求传输线路有直流传输能力，即有一根需要接地。此波形只适用于计算机内部或极近传输。,15,2. 双极性不归零码波形（BNRZ）脉冲的正、负电平分
7、别对应于二进制代码1、0。特点：当0、 1符号等概出现时无直流分量（幅度相等、极性相反的双极性波形） 。 接收端判决电平为 0，不受信道特性变化的影响，抗干扰能力较强。双极性波形有利于在信道中传输。,16,3. 单极性归零波形（RZ）单极性归零波形与单极性不归零波形的区别在于脉冲宽度小于码元宽度，电脉冲宽度码元宽度 Ts，每个脉冲都回到零电位，称为归零波形。 可以直接单极性归零波形中提取定时信息，其他波形提取位定时信号时采用这种过渡波形。,Ts,17,4. 双极性归零码波形双极性波形的归零形式，每个码元内的脉冲都回到零电平，即相邻脉冲之间必定留有零电位的间隔。兼有双极性波形和归零波形的特点，还
8、有利于同步脉冲的提取。,18,5. 差分波形信息符号0和1反映相邻代码码元电平的相对变化（不用码元本身的电平或极性表示消息代码） ，即符号1表示电平跳变， 符号0表示电平不变，或反之。 差分波形以相邻脉冲电平的相对变化来表示代码，又称相对码波形，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，在相位调制系统中用于解决载波相位模糊问题。,19,6. 多电平波形多个二进制符号对应一个脉冲码元，称为多电平波形或多值波形。 例如， 若令两个二进制符号00对应+3E，01对应+E，10对应-E，11对应+3E，则所得波形为4电平波形。这种波形的一个脉冲可以代表
9、多个二进制符号， 在高数据速率传输系统中适宜采用这种信号形式。,20,信息代码与基带波形不是唯一对应（消息代码的电波形并非一定是矩形， 还可以是其他形式）。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。若数字基带信号中各码元波形相同而取值不同，则可用表示。式中：an是第n个信息符号所对应的电平值（0、 +1或 -1、+1等），是随机量，实际中遇到的基带信号都是一个随机的脉冲序列。 Ts是码元间隔。g(t)为某种脉冲波形。,21,对于二进制代码序列，若令g1(t)代表符号“0”，g2(t)代表符号“1”，则,22,5.2.2 基带信号的频谱特性,分析基带信号的频谱，可以了解信号带宽，有
10、无直流分量，有无位定时分量。这样才能针对信号谱特点选择匹配的信道，或根据信道的传输特性选择合适的信号形式或码型。数字基带信号是随机的脉冲序列，只能用功率谱来描述其频谱特性。由相关函数去求功率谱密度的方法计算比较复杂。一种比较简单的方法是以功率谱的原始定义出发，求出数字随机序列的功率谱公式。,23,设二进制的随机脉冲序列如图 5 - 4所示，其中，g1(t) 表示“0”码，g2(t) 表示“1”码。g1(t)和g2(t)可以是任意的脉冲，为了便于画图，把g1(t)、g2(t)画成三角波。,24,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
11、的，则s(t)可用式(5.2 - 2)表征，即其中：,(5.2 - 2),25,其中 是 的傅立叶变换，而 是s(t)的短截。即为了使频谱分析的物理概念清楚，推导过程简化，将sT(t)分解成稳态波vT(t)和交变波uT(t)。,s(t)的功率谱密度 为,(5.2 - 4),26,稳态波：是随机序列s(t)的统计平均分量，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：显然，vT(t)是一个以Ts为周期的确定的周期函数。,27,交变波uT(t)：是sT(t)与vT(t)之差,其中第n个码 元为 un(t)=sn(t)-vn(t) 可表示为：或
12、者写成 un(t)=ang1(t-nTs)-g2(t-nTs) 其中 an = 1-P, 以概率P-P , 以概率(1-P) 可见uT(t)是随机序列。,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),28,（1）求稳态波v(t) 的功率谱密度 稳态波是以Ts为周期的周期信号，每个码元都 相同，其第n个码元波形为可以将v(t)=vn(t) 展成傅氏级数其中，s=2/Ts是基波角
13、频率。,29,作变量代换，令=t-nTs，t =+nTs,系数：,30,31,把得到的Cm代回v(t)表达式得,对应的谐波功率谱为,32,（2）求交变波u(t) 的功率谱u(t)= ang1(t-nTs)-g2(t-nTs) 其截短交变波的频谱函数 为：,33,所以有：,其统计平均为：,34,当n=k时，由于 an= 1-P, 概率为P-P , 概率为(1-P) 所以：Ean ak = Eak2 =（1-P)2P+(-P)2(1-P) = P (1-P) 当nk时，由于(1-P)2, 概率为P2an ak = -P (1-P) , 概率为2P(1-P)P2 , 概率为(1-P)2 所以： Ea
14、nak =P2(1-P)2- P (1-P) P (1-P)+(1-P)2 P2 =0,35,其统计平均为：,36,设 uT(t) 及u(t)的功率谱密度的分别为则可得：,37,总的功率谱Ps(f)由v(t)的功率谱和u(t)的功率谱相加：,38,（1）对单极性波形，若设g1(t)=0，g2(t)=g(t),则(双边)功率谱为：,若0，1等概（P=1/2），可 简化为：,讨论：,39,若g(t)为矩形脉冲波形，则,则功率谱简化为：,40,（2）双极性波形，设g1(t)=-g2(t)=g(t)，则(双边)功率谱为：,若0，1等概（P=1/2）， 可简化为：,若波形为矩形脉冲波形，则,41,42,
15、总结： 各符号意义：在数值上等于码速率。p为符号“1”出现的概率，,43, 各项的物理意义：是交变项中的各种连续谱，一定存在。是稳态项中的直流分量，零频离散谱，不一定 存在是稳态项中的频率，为mfs的离散谱,44, 离散谱不存在的条件：即稳态项等于零 离散谱存在的条件：且G1(mfs)和G2(mfs)至少一个不为零,45, 相同波形二进制随机序列的功率谱密度： NRZ，BNRZ，RZ，BRZ都是此种信号,46, 离散谱的作用 存在离散谱时，可用窄带滤波器得到位同步信号,47,举例 1 ）NRZ码 有直流，无离散谱 mfs (m0),48,2 ）BNRZ码当p=1/2时无直流，p为任何值都无mf
16、s离散谱(m0),49,3）RZ码,50,4）BRZ码，当p=0.5时，无任何离散谱。可见，不能用滤波法从BRZ，BNRZ，NRZ中提取位同步信号，因为一般p=0.5时，都无离散谱。,51,5.3 基带传输的常用码型,变换器把数字基带信号变换成适合于基带信道传输的基带信号，称此变换器为数字基带调制器；相反，把信道基带信号变换成原始数字基带信号的变换器，称为基带解调器。合称为“基带调制解调器”。基带调制器设计中的首要问题就是本节要讨论的码型选择问题。,52,基带信号是信息代码的一种电波形式。实际的基带传输系统中，并不是所有的基带电波形都能在信道中传输。归纳起来，对传输用的基带信号的主要要求有两点：1）对各种代码的要求：期望将原始信息符号编制成适合于传输用的代码；2）对所选码型的电波形要求：适宜于在信道中传输。前一问题称为传输码型的选择；后一问题称为基带脉冲的选择。,
