第5章 数字基带传输系统.ppt

5.1 数字基带传输概述￿￿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串扰￿￿5.5 无码间串扰的基带传输特性5.6 无码间串扰基带系统的抗噪声性能5.7 眼图￿￿5.8 均衡技术￿￿5.9 部分响应系统第 5 章 数字基带传输系统返回主目录第5 章 数字基带传输系统￿￿ 数字基带信号------5.1 数字基带传输概述 ￿来自数据终端的原始数据信号l计算机输出的二进制序列l电传机输出的代码lPCM码组，ΔM序列l ……这些信号往往包含丰富的低频分量，甚至直流分量在 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，它们可以直接传输， 故称为数字基带传输l 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；l 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；l 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基带传输系统的研究：而大多数信道，如各种无线信道和光信道， 则是带通 型的， 数字基带信号必须经过载波调制，把频谱搬移 到高载处才能在信道中传输，这被称为数字频带（调 制或载波）传输。

￿图 5 -1数字基带传输系统基带传输系统主要由信道信号形成器、信道、接收 滤波器和抽样判决器组成为了保证系统可靠有序 地工作，还应有同步系统 它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 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 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码型变换和波形变换来 实现的，其目的是与信道匹配，便于传输，减小 码间串扰，利于同步提取和抽样判决￿信道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而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 ￿接收滤波器滤除带外噪声，对信道特性均衡，使输出的基带 波形有利于抽样判决抽样判决器 ￿图5-2 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。

在上例中，第4个码元发生误码，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）不理想引起的波形延迟、展宽、拖 尾等畸变，使码元之间相互串扰此时，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 ￿5.2 数字基带信号及其频谱特性5.2.1 数字基带信号数字基带信号是指消息代码的电波形，它是用不同的电平或脉冲来表示相应的消息代码数字基 带信号(以下简称为基带信号)的类型有很多，常见的有矩形脉冲、三角波、高斯脉冲和升余弦脉冲等最常用的是矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成和 变换 图 5 –3 几种常见的基带信号波形1. 单极性不归零波形￿特点是极性单一，有直流分量，脉冲之间无间隔另 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 2. 双极性不归零波形特点是无直流分量这样，恢复信号的判决电平为 0 ，因而不受信道特性变化的影响，抗干扰能力也较强 故双极性波形有利于在信道中传输 3. 单极性归零波形￿￿单极性归零波形可以直接提取定时信息，是其他波形 提取位定时信号时需要采用的一种过渡波形。

4. 双极性归零波形￿￿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 5. 差分波形 ￿￿由于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 ￿6. 多电平波形￿￿是多于一个二进制符号对应一个脉冲的情形，适合 于高数据速率传输系统第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；(5.2 - 1)数字基带信号二进制代码序列(5.2 - 2)码元间隔；某种标准脉冲波形；------------------随机的脉冲序列5.2.2 基带信号的频谱特性￿￿通过谱分析，可以了解信号需要占据的频带宽 度，所包含的频谱分量，有无直流分量，有无定时 分量等这样，才能针对信号谱的特点来选择相匹 配的信道，以及确定是否可从信号中提取定时信号 ￿数字基带信号是随机的脉冲序列，没有确定的 频谱函数，所以只能用功率谱来描述它的频谱特性 由随机过程的相关函数去求随机过程的功率(或能 量)谱密度比较复杂。

一种比较简单的方法是以随机 过程功率谱的原始定义为出发点，求出数字随机序 列的功率谱公式 图 5 –4 随机脉冲序列示意波形稳态波v(t)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g1(t)、g2(t)的概率加权平均，且每个码元 统计平均波形相同5.2 - 3)(5.2 - 4)(5.2 - 5)(5.2 - 9)(5.2 - 10)(5.2 - 11)1. v(t)的功率谱密度Pv(f)(5.2 - 12)(5.2 - 5)(5.2 - 13)(5.2 - 14)根据离散谱可以确定随机序列是否包含直流分量 (m=0)和定时分量(m=1) 2. u(t)的功率谱密度Pu(f)￿(2.2 - 15) (5.2 - 15) (5.2 - 17)(5.2 - 18)(5.2 - 19)(5.2 - 20)(5.2 - 21)(5.2 - 22)(5.2 - 23)交变波的的功率谱Pu(f)是连续谱，它与g1(t)和g2(t)的 频谱以及出现概率P有关根据连续谱可以确定随机 序列的带宽 (5.2 - 24)3. s(t)=u(t)+v(t)的功率谱密度Ps(f) (5.2 - 25)(5.2 - 26)随机脉冲序列的功率谱密度可能包含连续谱Pu(f)和离散谱Pv(f)。

对于连续谱而言，由于代表数字信息的g1(t)及g2(t)不能完全相同，故G1(f)≠G2(f)， 因而Pu(f)总是存在的；而离散谱是否存在，取决g1(t)和g2(t)的波形及其出现的概率P ￿[例5–1] 对于单极性波形：若设(5.2 - 27)P=1/2：(5.2 - 28)(1)为单极性不归零矩形脉冲离散谱均为零，因而无定时信号离散谱中有直流分量图 5 –5 二进制基带信号的功率谱密度 (5.2 - 29) 带宽取决于连续谱，由单个码元的G(f)决定，第一 个零点在f=fs，因此带宽为Bs=fs2)为半占空归零矩形脉冲无离散谱离散谱中有直流分量有离散谱(5.2 – 30)单极性半占空归零信号的带宽为Bs=2fs[例5–2] 对于双极性波形：若设(5.2 – 31) P=1/2：(5.2 - 32)若为高为1，脉宽等于码元周期的矩形脉冲，则(5.2 - 33)a) 随机序列的带宽主要依赖单个码元波形的频谱函 数G1(f)或G2(f)，两者之中应取较大带宽的一个作 为序列带宽时间波形的占空比越小，频带越宽 通常以谱的第一个零点作为矩形脉冲的近似带 宽，它等于脉宽τ的倒数，即Bs=1/τ。

不归零脉冲 的τ=Ts，则Bs=fs；半占空归零脉冲的τ=Ts/2，则 Bs=1/τ=2fs b) 单极性基带信号是否存在离散线谱取决于矩形脉 冲的占空比，单极性归零信号中有定时分量，可 直接提取单极性不归零信号中无定时分量，若 想获取定时分量，要进行波形变换0、1等概的 双极性信号没有离散谱，也就是说无直流分量和 定时分量 ￿研究随机脉冲序列功率谱的意义：a) 可以根据它的连续谱来确定序列的带宽；b) 可以根据它的离散谱是否存在这一特点，明确能 否从脉冲序列中直接提取定时分量，以及采用怎 样的方法可以从基带脉冲序列中获得所需的离散 分量这一点，在研究位同步、载波同步等问题 时将是十分重要的 ￿c) 由于没有限定g1(t)和g2(t)的波形，因此式(5.2-25)不 仅适用于计算数字基带信号的功率谱，也可以用 来计算数字调制信号的功率谱事实上由式(5.2– 25)很容易得到二进制幅度键控(ASK)、相位键控 (PSK)和移频键控(FSK)的功率谱 ￿5.3 基带传输的常用码型在实际的基带传输系统中，并不是所有代码的电波形都能在信道中传输例如，前面介绍的含有直流分量和较丰富低频分量的单极性基带波形就不适宜在低频传输特性差的信道中传输，因为它有可能造成信号严重畸变。

又如，当消息代码中包含长串的连续 “1”或“0”符号时，非归零波形呈现出连续的固定电平，因而无法获取定时信息单极性归零码在传送连 “0”时，存在同样的问题因此，对传输用的基带信号主要有两个方面的要求： 1. 对代码的要求，原始消息代码必须编成适合于传 输用的码型； ￿2. 对所选码型的电波形要求，电波形应适合于基带系统的传输前者属于传输码型的选择， 后者是基带脉冲的选择这是两个既独立又有联系的问题 传输码(或称线路码)的结构将取决于实际信道特性 和系统工作的条件通常，传输码的结构应具有 下列主要特性： ￿1. 相应的基带信号无直流分量，且低频分量少；￿2. 便于从信号中提取定时信息； ￿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. 不受信息源统计特性的影响，即能适应于信息源 的变化； ￿5. 具有内在的检错能力，传输码型应具有一定规律 性，以便利用这一规律性进行宏观监测；￿6. 编译码设备要尽可能简单， 等等 1. AMI码￿￿￿ AMI码是传号交替反转码其编码规则是将二进制消息代码“1”(传号)交替地变换为传输码的“+1”和“-1”，而“0”(空号)保持不变。

例如：消息代码 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 …AMI码： +1 0 0 –1 +1 0 0 0 0 0 0 0 -1 +1 0 0 -1 +1… AMI码对应的基带信号是正负极性交替的脉冲序列，而0电位持不变的规律AMI码的优点：1. 由于+1与-1 交替，AMI码的功率谱中不含直流成分， 高、低频分量少，能量集中在频率为1/2码速处2. 位定时频率分量虽然为0，但只要将基带信号经全波 整流变为单极性归零波形，便可提取位定时信号 3. 此外，AMI码的编译码电路简单，便于利用传号极性 交替规律观察误码情况￿AMI码的不足：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图5-6 AMI 码和HDB3码的功率谱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： ￿a) 当信码的连“0”个数不超过3时，仍按AMI码的规则 编，即传号极性交替； ￿b) 当连“0”个数超过3时，则将第4个“0”改为与前面的 “1”同极性的脉冲，记为+V或-V，称之为破坏脉冲 。

相邻V码的极性必须交替出现，以确保编好的码 中无直流；c) 为了便于识别，V码的极性应与其前一个非“0”脉冲 的极性相同，否则，将四连“0”的第一个“0”更改为 与该破坏脉冲相同极性的脉冲，并记。