通信原理第6章数字基带传输系统

6.1数字基带信号及其频谱特性6.2基带传输常用码型6.3基带脉冲传输与码间串扰6.4无码间串扰的基带传输特性6.5无码间串扰基带系统的抗噪声性能6.6眼图6.7部分响应和时域均衡学习重点本章思考第6章数字基带传输系统21、数字通信系统中两个重要变换：消息（离散的或连续的）与数字基带信号间的变换。（由发收终端设备完成）数字基带信号与信道信号间的变换。（由调制解调器完成）6.1数字基带信号及其频谱特性6.1.1数字基带信号传输概述32、数字基带信号：数字基带信号是数字信息的二进制（或多进制）的脉冲序列表示，用不同的波形和脉冲表示相应的消息。基带信号往往包含丰富的低频分量，甚至直流分量。例如：计算机输出的二进制序列PCM码组，ΔM序列41、数字基带传输：数字基带传输是在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，直接传输基带信号。2、数字频带传输：数字频带传输是将数字基带信号经过载波调制，把频谱搬移到高频处在带通型信道（如各种无线信道和光信道）中传输。基带传输系统模型5图6.1–1数字基带传输系统数字基带信号信道匹配滤波器抽样判决器同步提取干扰数字基带信号波形变换器发送滤波器均衡器信道信号形成器6（1）信道信号形成器把原始基带信号变换成适合于信道传输的基带信号，这种变换主要是通过波形变换和发送滤波器来实现的。3、数字基带传输系统各部分功能：波形变换的目的是与信道匹配，进行码型变换及波形变换。码型变换将二进制脉冲序列变为双极性码；波形变换减小码间串扰，利于同步提取和抽样判决。发送滤波器的目的主要是平滑波形。7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。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。（2）信道8（3）匹配滤波器、均衡器匹配滤波器用来尽可能排除信道噪声和其它干扰；均衡器对信道特性均衡，消除信道冲激响应对信号的干扰，使输出的基带波形有利于抽样判决。9抽样判决器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。（4）抽样判决器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。图6.1-2基带系统个点波形示意图(a)基带信号；(b)码型变换后；(c)对(a)进行了码型及波形的变换，适合在信道中传输的波形；(d)信道输出信号，波形发生失真并叠加了噪声；(e)接收滤波器输出波形,与(d)相比，失真和噪声减弱；(f)位定时同步脉冲；(g)恢复的信息。11在图6.1-2中，第4个码元开始发生误码。误码的原因：信道加性噪声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。显然，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。12因为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；因为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；因为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。研究基带传输系统的原因13基带数字信号的要求有利于提高系统的频带利用率。基带信号的编码应尽量使频带压缩，使编码后所使用的数字信号的速率尽量低。尽量减少直流、甚低频及高频分量。（基带传输系统中有时有隔直流的变压器耦合，不利于直流、甚低频分量的传输，在传输中会丢失，接收时产生波形失真；过多高频分量会引起话路之间的“串话”。14误码扩散少,一个信号出错不延伸到其他信号。尽量不出现长“0”和长“1”。无法提取定时信号，使同步被破坏。能够检测信号质量，对噪声和码间串扰具有较强的抵抗力和自检能力。编译码设备简单。提高码元同步分量，才能保证同步提取电路稳定可靠的工作。156.1.2数字基带信号波形及码型数字基带信号(以下简称为基带信号)的波型有很多,常见的有:矩形脉冲三角波高斯脉冲余弦脉冲6.1.2.1数字基带信号常见波型最常用的是矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成和变换。161、矩形脉冲（重点）2T2TsEt202)(TtTtEtSs图6.1.2-1矩形脉冲波形示意图时域特性数字基带信号常见波型17TEsωT4T2T2T4频带宽度T1B图6.1.2-2矩形脉冲频谱图第一个过零点2T频带宽度1Bf2T矩形脉冲频域特性：)2()()2()(TSaTESSatDsF频域特性182、三角波2Tt02Tt)Tt21(E)t(Ss2T2TsEt矩形波21图6.1.2-3三角形脉冲波形示意图192TEsωT8T4T4T8频带宽度T2B图6.1.2-4三角波频谱图4T第一个过零点2Bf2T频带宽度三角波频域特性：206.1.2.2数字基带信号常见码型数字基带信号常见码型有：单极性不归零码（NRZ）双极性不归零码单极性归零码（RZ）双极性归零码差分码多进制脉冲211、单极性不归零码（NRZ）“1”码“0”码有信号，用正电平表示无信号，用零电平表示数字基带信号常见码型（1）编码规则22二进制信号1100010101+E图6.1.2-5NRZ波形示意图0判决电平0.5E（2）单极性不归零码波形23极性单一有直流分量（波形的电平平均值不为0）脉冲之间无间隔(脉冲宽度=码元宽度）判决电平为0.5E（3）单极性不归零码的特点:24“1”码“0”码用正电平表示用负电平表示2、双极性不归零码（1）编码规则251100010101+E-E二进制信号图6.2-6双极性不归零码波形示意图判决电平0（2）双极性不归零码波形26无直流分量（1、0等概率出现时）脉冲之间无间隔信号的判决电平为0抗干扰能力较强（3）双极性不归零码的特点:273、单极性归零码（RZ）“1”码“0”码前半个T/2内用正电平表示，后半周期回归至零用零电平表示脉冲宽度比码元宽度窄，每个正脉冲都会回到零电位。例如：（1）编码规则281100010101+E二进制信号图6.1.2-7单极性归零码波形示意图0（2）单极性归零码波形29码元间隔明显:有利于同步时钟提取脉冲窄:有利于减少码元间波形干扰码元能量小、抗干扰能力差（3）单极性归零码的特点:30“1”码“0”码前半个T/2内用正电平表示，后半周期回归至零前半个T/2内用负电平表示，后半周期回归至零“1”码用正电平，“0”码用负电平表示，脉冲宽度比码元宽度窄，每个脉冲都回到零电位。例如：4、双极性归零码（1）编码规则31-E二进制信号1100010101E图6.1.2-8双极性归零码波形示意图（2）双极性归零码波形32双极性归零码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。（3）双极性归零码的特点：33差分波形是以相邻脉冲电平的相对变化来表示代码，因此称它为相对码波形，而相应地称前面的单极性或双极性波形为绝对码波形。例如：5、差分码（相对脉冲码）“1”码“0”码电平跳变电平不变绝对码（1）编码规则34绝对二进制码：1011100110图6.2-9相对码脉冲波形示意图-E+E（2）差分码波形35an:输入码差分码nnn1bab图6.1.2-10绝对码与相对码之间的变换原理anT延迟bnb1n编码abbn1nnbnT延迟cnb1n解码abbcn1nnn（3）差分码的生成36输入码an:1110010101差分码bn:1011100110（0）cn:1110010101bn波形:1011100110图6.1.2-11相对码脉冲波形示意图37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。（4）差分码的应用38脉冲波形的取值不是两值或三值，而是多值的。每种脉冲值代表N位二元代码。例如4进制电平脉冲，码元有0，1，2，3。每种值代表N=log2M=log24=2位二元码。+3E对应00，+E对应01，-E对应10，-3E对应11。6、多电平波形（多进制脉冲波形）（1）编码规则390010110001-3E-E+E+3E图6.1.2-124进值脉冲波形示意图（2）多电平波形示意40携带信息量大：适合于高数据速率传输系统提高了系统的频带利用率：M元码传输所需信道频带降为二元码的1/n倍,频带利用率提高为n倍。(n=log2M)抗干扰能力差：信息能量相同的情况下，抗干扰能力比二进制差。（3）多进制脉冲波形特点：41本节思考数字基带信号有哪些常见的波形？它们各有什么特点？数字基带信号有哪些常见的码形，它们各自的编码原则及特点。426.1.3基带信号的功率谱计算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、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。43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；nBns(t)ag(tnT)(6.1.3-1)1、数字基带信号：na码元间隔；BT某种基本码元脉冲波形；)(tg--------------实际中遇到的数字基带信号多是一个随机脉冲序列。若用g0(t)、g1(t)分别表示符号0和1单极性信号g0(t)=0、g1(t)=g(t)双极性信号g0(t)=-g(t)、g1(t)=g(t)44设一个二进制的随机脉冲序列如图6.1.3-1所示。应当指出的是，g0(t)、g1(t)可以是任意的脉冲，图中所示只是一个实现。g0(t)、g1(t)分别表示符号0和1，TB为码元宽度。2、随机脉冲序列的表示设g0(t)和g1(t)在TB内出现的概率分别为P,1-P,且它们的出现是统计独立的。图6.1.3–1随机脉冲序列示意波形g1(t＋4Ts)g0(t＋3Ts)g0(t＋2Ts)g1(t＋Ts)g(t)g0(t)g1(t－Ts)g0(t－2Ts)ttO－TB2TB2O－TB2－TBTB2TBv(t)tOu(t)(a)(b)(c)TB46nntsts)()((6.1.3-2)0Bn1Bg(tnT),Psg(tnT),1P概率(t)概率(6.1.3-3)则该二进制的随机脉冲序列可以由式6.1.3-2表示。其中47设截取时间T=(2N+1)TB,则s(t)可表示为：3、s(t)的功率谱密度Ps(ω)2TsTE[S()]P()limTNTnnNs(t)s(t)(6.1.3-4)式6.3-5变为2TsNBE[S()]P()lim(2N1)T(6.1.3-5)(6.1.3-6)48TTTs(t)v(t)u(t)将信号sT(t)看成由稳态波vT(t)和交变波uT(t)构成。vT(t)：稳态波。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g0(t)、g1(t)的概率加权平均。uT(t)：交变波。是随机序列s(t)的变动部分，它取决于g0(t)、g1(t)随机出现的情况。4、稳态波、交变波表达式49NTnnNNN0B1BnNnNN0B1BnNv(t)v(t)Pg(tnT)(1P)g(tnT)Pg(tnT)(1P)g(tnT)