通信原理(1)

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1、第五章：模拟调制系统,5.1 引言 5.2 数字基带信号的码型和波形 5.3 数字基带信号的功率谱密度 5.4 数字基带信号的传输与码间串扰 5.5 码间串扰基带传输系统的抗噪声性能分析 5.6 最佳基带传输系统 5.7 眼图 5.8 改善数字基带系统性能的措施,5.1 引言,数字信号的传输需要解决的主要问题是：在规定的传输速率下，有效地控制符号间干扰，具有抗加性高斯白噪声的最佳性能以及形成发、收两端的位定时同步。因而如何保证准确地传输数字信号是数字通信系统要解决的关键问题。数字信号的传输可分为基带传输和频带传输两种方式。 信源发出的数字信号未经调制或频谱变换，直接在有效频带与信号频谱相对应的

2、信道上传输的通信方式称为数字信号的基带传输。为了适应信道传输特性而将数字基带信号进行调制，即将数字基带信号的频谱搬移到某一载频处，变为频带信号进行传输的方式称为频带传输。,图 5-1数字基带传输系统,数字基带传输系统的输入端通常是码元速率为RB，码元宽度为Ts的二进制（也可为多进制）脉冲序列，用符号 dk表示。 一般终端设备（如电传机、计算机）送来的“0”、“1”代码序列为单极性码，如图5-2（a）波形所示。后面我们将见到这种单极性代码由于有直流分量等原因并不适合在基带系统信道中传输。 脉冲形成器的作用是把单极性码变换为双极性码或其它形式适合于信道传输的、并可提供同步定时信息的码型，如图5-2

3、（b）所示的双极性归零码元序列d(t)。脉冲形成器也称为码型变换器。,脉冲形成器输出的各种码型是以矩形脉冲为基础的，这种以矩形脉冲为基础的码型往往低频分量和高频分量都比较大，占用频带也比较宽，直接送入信道传输，容易产生失真。发送滤波器的作用是把它变换为比较平滑的波形gT(t)，如图5-2（c）所示的波形为升余弦波形。 基带传输系统的信道通常采用电缆、架空明线等。由于信道中存在噪声n(t)和信道本身传输特性的不理想，使得接收端得到的波形yT(t)与发送波形gT(t)具有较大的差异，如图5-2（d）所示。 接收滤波器的作用是滤除带外噪声并对已接收的波形均衡，以便抽样判决器正确判决。接收滤波器的输出

4、波形y(t)如图5-2（e）所示。,抽样判决器首先对接收滤波器输出的信号y(t)在规定的时刻进行抽样，获得抽样值序列y(kTS) ，然后对抽样值进行判决，以确定各码元是“1”码还是“0” 码。抽样值序列y(kTS)见图5-2（g）所示。 码元再生电路的作用是对判决器的输出“0”、“1”进行原始码元再生，以获得图5-2（h）所示与输入波形相应的脉冲序列 。 同步提取电路的任务是从接收信号中提取定时脉冲cp，供接收系统同步使用。 对比图5-2（a）、（h）中的 与dk 可以看出，传输过程中第4个码元发生了误码。产生该误码的原因之一是信道加性噪声，之二是传输总特性（包括收、发滤波器和信道的特性）不理

5、想引起的波形畸变，使码元之间相互串扰，从而产生码间干扰。,图5-2 数字基带传输系统各点波形,5.2 数字基带信号的码型和波形,对传输用的基带信号的主要要求有两点：（1）对各种码型的要求，期望将原始信息符号编制成适合于传输用的码型；（2）对所选码型的电波形要求，期望电波形适宜于在信道中传输。前一问题是传输码型的选择；后一问题是基带波形的选择。这两个问题既有独立性又相互联系。基带信号的码型类型很多，常见的有单极性码、双极性码、AMI码、HDB3码和CMI码等。适合于信道中传输的波形一般应为变化较平滑的脉冲波形。为了简便起见，本节将以矩形脉冲为例来介绍基带信号的码型。,5.2.1 数字基带信号的码

6、型,不同形式的码型信号具有不同的频谱结构，实际中必须合理地设计选择数字基带信号码型，使数字信号能在给定的信道中传输。我们将适于在信道中传输的基带信号码型称为线路传输码型。 为适应信道的传输特性及接收端再生恢复数字信号的需要，基带传输信号码型设计应考虑如下一些原则： （1）对于频带低端受限的信道传输，线路码型中不含有直流分量，且低频分量较少。 （2）便于从相应的基带信号中提取定时同步信息。 （3）信号中高频分量尽量少，以节省传输频带并减少码间串扰。 （4）所选码型应具有纠错、检错能力。 （5）码型变换设备要简单，易于实现。,1 单极性不归零（NRZ）码 设消息代码由二进制符号“0”、“1”组成，

7、则单极性不归零码如图5-3（a）所示。这里，基带信号的零电位及正电位分别与二进制符号的“0”及“1”一一对应。可见，它是一种最简单的常用码型。 2、双极性不归零（NRZ）码 图5-3（b）所示的代码是双极性不归零（NRZ）码，其特点是数字消息用两个极性相反而幅度相等的脉冲表示。其与单极性码比较有以下优点： （1）从平均统计角度来看，消息“1”和“0”的数目各占一半，所以无直流分量。 （2）接收双极性码时判决门限电平为零，稳定不变，因而不受信道特性变化的影响，抗噪声性能好。 （3）可以在电缆等无接地的传输线上传输。,3、单极性归零（RZ）码 单极性归零码是在传送“1”码时发送一个宽度小于码元持续

8、时间的归零脉冲，而在传送“0”码时不发送脉冲，如图5-3（c）所示。设码元间隔为Ts，归零码宽度为 ，则称 为占空比。 4、双极性归零（RZ）码 双极性归零码的构成与单极性归零码一样，如图5-3（d）所示。这种码型除了具有双极性不归零码的一般特点以外，还可以通过简单的变换电路变换为单极性归零码，从而可以提取同步信号。因此双极性归零码得到广泛的应用。 5、差分码 这种码型的特点是把二进制脉冲序列中的“1”或“0”反映在相邻信号码元相对极性变化上，是一种相对码。,6、多值波形（多电平波形） 前述各种信号都是一个二进制符号对应一个脉冲。实际上还存在多个二进制符号对应一个脉冲的情形。这种波形统称为多值

9、波形或多电平波形。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值波形，如图5-3（f）所示。由于这种波形的一个脉冲可以代表多个二进制符号，故在高速数据传输中，常采用这种信号形式。,图5-3 几种基本的数字基带信号码型,二、传输码型 并不是所有的基带信号码型都适合在信道中传输，往往是根据实际需要进行选择。下面我们介绍几种常用的适合在信道中传输的传输码型。 1 、AMI码AMI码的全称是传号交替反转码。这是一种将消息中的代码“0”（空号）和“1”（传号）按如下规则进行编码的码：代码“0”仍为0；代码“1”交替变换为+1、-1、+1、-1、。例如：

10、,AMI码的优点是：不含直流成分，低频分量小； 编译码电路简单，便于利用传号极性交替规律观察误码情况。鉴于这些优点，AMI码是ITU建议采用的传输码型之一。AMI码的不足是，当原信码出现连“0”串时，信号的电平长时间不跳变，造成提取定时信号的困难。解决连“0”码问题的有效方法之一是采用HDB3码。 2、HDB3码 HDB3码的全称是3阶高密度双极性码，它是AMI码的一种改进型，其目的是为了保持AMI码的优点而克服其缺点， 使连“0”个数不超过3个。其编码规则如下： （1）当信码的连“0”个数不超过3时，仍按AMI码的规则编码，即传号极性交替；,（2）当连“0”个数超过3时，出现4个或4个以上连

11、“0串时，”则将每4个连“0”小段的第4个“0”变换为非“0”脉冲，用符号V表示，称之为破坏脉冲。而原来的二进制码元序列中所有 的 “1”码 称为信码，用符号B表示。当信码序列中加入破坏脉冲以后，信码B与破坏脉冲 V 的正负极性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，以确保编好的码中没有直流成分； V 码必须与前一个非零符号码（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，那么应该将四连“0”码的第一个“0”码变换成与V 码同极性的补信码，用符号 B表示，并做调整，使 B 码和 B码合起来保持条件中信码（含B 及 B）极性交替变换

12、的规律。,3、PST码 PST码的全称是成对选择三进码。其编码规则是：先将二进制码元划分为2个码元为一组的码组序列，然后再把每一组编码成两个三进制码（+-0）。因为三进制数字共有9种状态，故可以灵活地选择其中的四种状态，表5.2-1列出了其中最为广泛适用的一种格式。为防止PST码的直流漂移，当在一个码组中仅发送单个脉冲时，两个模式应交替使用。 4、双相码 双相码又称Manchester码，即曼彻斯特码。它的特点是每个码元用两个连续极性相反的脉冲来表示。,5、密勒（Miller）码 密勒码又称延迟调制码，它是双相码的一种变形。编码规则如下：“1”码用“10”或“01”表示。“0”码分两种情形处理

13、：对于单个“0”时，用“11”或“00”表示。要求在码元持续时间内不出现跃变，且与相邻码元的边界处也不跃变；对于连“0”时，用“00”与“11”交替。要求在两个“0”码的边界处出现跃变。 6、CMI码 CMI 码是传号反转码的简称，其编码规则为： “1”码交替用“00”和“11”表示；“0”码用“01 ” 表示。CMI 码的优点是没有直流分量，且有频繁出现波形跳变，便于定时信息提取，具有误码监测能力。,5.2.2 基带波形的形成,在选择了合适的码型之后，尚需考虑用什么形状的波形来表示所选择的码型。上面介绍的各种常用码型都是以矩形脉冲为基础的，我们知道矩形脉冲由于上升和下降是突变的，其低频分量和

14、高频成分比较丰富，占用频带也比较宽。如果信道带宽有限，采用以矩形脉冲为基础的码型进行传输就不合适，而需要采用更适合于信道传输的波形，譬如采用变化比较平滑的以升余弦脉冲为基础的脉冲波形。这样就有一个如何由矩形脉冲形成所需要的传输波形的问题。本章后面几节将介绍的奈奎斯特准则的思想是将发送滤波器、信道、接收滤波器三者集中为一总的基带传输系统，进而对其基带传输系统的特性和接收响应的波形提出严格的要求，目的是消除在抽样判决时出现的码间干扰。,5.3 数字基带信号的功率谱密度,研究数字基带信号的频谱分析是非常有用的，通过频谱分析可以使我们弄清楚信号传输中一些很重要的问题。这些问题是，信号中有没有直流成分、

15、有没有可供提取同步信号用的离散分量以及根据它的连续谱可以确定基带信号的带宽。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列。因为，如果在数字通信系统中所传输的数字序列是确知的，则消息就不携带任何信息，通信也就失去了意义. 对于随机脉冲序列，由于它是非确知信号，不能用付氏变换法确定其频谱，只能用统计的方法研究其功率谱。对于其功率谱的分析在数学运算上比较复杂，因此，这里我们只给出分析的思路和推导的结果并对结果进行分析。,一、数字基带信号的数学描述1、波形 设一个二进制的随机脉冲序列如图5-4所示。这里g1(t)代表二进制符号的“0”，g2(t)代表二进制符号的“1”，码元的

16、间隔为Ts。应当指出的是，图中g1(t)和g2(t)可以是任意的脉冲；图中所示只是一个实现。,图5-4 基带随机脉冲序列及其分解波形,2、数学表达式 现假设随机脉冲序列在任一码元时间间隔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，则数字基带信号s(t)可由下式表示,其中,（5.3-1）,（5.3-2）,由于任何波形均可分解为若干个波形的叠加，考虑到要了解基带信号中是否存在离散频谱分量以便提供同步信息，而周期信号的频谱是离散的，所以可以认为s(t)是由一个周期波形v(t)和一个随机交变波形u(t)叠加而成。 即,（5.3-3）,二、数字基带信号的功率谱密度 由上面分析可知，可通过先求出v(t)和u(t)的功率谱密度，然后两者相加即可得到的功率谱密度。 1、稳态项v(t)的功率谱密度PV(f) 稳态项v(t)是周期为Ts的周期函数，可将其展开成指数形式的傅里叶级数，求出其系数Fn ，然后利用式（2.2-35）得到v(t)的功率谱PV(f)。经分析可得,式中,