通信原理课件：第6章_数字基带传输系统_Part1.ppt

电子信息工程学院通信原理1第第6 6章章 数字基带传输系统数字基带传输系统v学习目标：学习目标：§数字基带传输系统及各部件作用；数字基带传输系统及各部件作用；§基带信号波形和频谱特点；基带信号波形和频谱特点；§基带传输码型的编译及其特点；基带传输码型的编译及其特点；§码间串扰和奈奎斯特第一准则；码间串扰和奈奎斯特第一准则；§理想低通传输特性和奈奎斯特带宽；理想低通传输特性和奈奎斯特带宽；§余弦滚降特性；余弦滚降特性；§无码间串扰基带系统的抗噪声性能；无码间串扰基带系统的抗噪声性能；§眼图电子信息工程学院通信原理2第第6 6章章 数字基带传输系统数字基带传输系统v第第6-76-7章将讨论数字信号的传输问题章将讨论数字信号的传输问题数字信号的传输方式数字信号的传输方式基带传输基带传输 频带传输频带传输 基带传输：基带传输：无需调制信号近距离传输传输信道为低通型传输无需调制信号近距离传输传输信道为低通型传输的编码波形是适宜信道的脉冲序列功率谱为低通型的编码波形是适宜信道的脉冲序列功率谱为低通型信源信源格式化格式化编编码码器器发送发送滤波器滤波器信信道道接收接收滤波器滤波器判决判决再生再生译译码码器器受受信信者者噪声源噪声源数字基带系统基带脉冲传输基带脉冲传输1 0 1 1 0 1t1 0 1 1 0 1tt电子信息工程学院通信原理3第第6 6章章 数字基带传输系统数字基带传输系统v概述概述§数字基带信号数字基带信号 －－ 未经调制的数字信号。

它所占据的未经调制的数字信号它所占据的频谱是从零频或很低频率开始的频谱是从零频或很低频率开始的§数字基带传输系统数字基带传输系统 －不经载波调制而直接传输数字基－不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统，常用于传输距离不太远的情况下带信号的系统，常用于传输距离不太远的情况下§数字带通传输系统数字带通传输系统 －包括调制和解调过程的传输系统－包括调制和解调过程的传输系统§研究数字基带传输系统的原因研究数字基带传输系统的原因：：•近程数据通信系统中广泛采用近程数据通信系统中广泛采用•基带传输方式也有迅速发展的趋势基带传输方式也有迅速发展的趋势•基带传输中包含带通传输的许多基本问题基带传输中包含带通传输的许多基本问题•任何一个采用线性调制的带通传输系统，可以等效任何一个采用线性调制的带通传输系统，可以等效为一个基带传输系统来研究为一个基带传输系统来研究 电子信息工程学院通信原理4第第6 6章章 数字基带传输系统数字基带传输系统 6 6.1 .1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 6 6.2.2 基带传输的常用码型基带传输的常用码型 6 6.3.3 数字基带信号传输与码间串扰数字基带信号传输与码间串扰 6 6.4.4 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性 6 6.5.5 基带传输系统的抗噪声性能基带传输系统的抗噪声性能 6 6.6.6 眼图眼图 6 6.7.7 部分响应和时域均衡部分响应和时域均衡 电子信息工程学院通信原理56.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 — 6.1.16.1.1 数字基带信号数字基带信号 v6.1.1 6.1.1 数字基带信号数字基带信号§几种基本的基带信号波形几种基本的基带信号波形 电子信息工程学院通信原理6–单极性波形单极性波形：电脉冲之间无间隔，极性单一：电脉冲之间无间隔，极性单一»优点：易于用优点：易于用TTLTTL、、CMOSCMOS电路产生；电路产生；»缺点：有直流分量，要求传输线路具有直流传输能力，因而不缺点：有直流分量，要求传输线路具有直流传输能力，因而不适应有交流耦合的远距离传输，只适用于计算机内部或极近距适应有交流耦合的远距离传输，只适用于计算机内部或极近距离的传输。

离的传输 –双极性波形双极性波形：：»优点：当优点：当“1 1”和和“0 0”等概率出现时无直流分量，有利于在信等概率出现时无直流分量，有利于在信道中传输，并且在接收端恢复信号的判决电平为零值，因而不道中传输，并且在接收端恢复信号的判决电平为零值，因而不受信道特性变化的影响，抗干扰能力也较强受信道特性变化的影响，抗干扰能力也较强 6.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 — 6.1.16.1.1 数字基带信号数字基带信号 电子信息工程学院通信原理7–单极性归零单极性归零(RZ, Return-to-Zero)(RZ, Return-to-Zero)波形波形：信号电压在一个码元终：信号电压在一个码元终止时刻前总要回到零电平止时刻前总要回到零电平 通常，归零波形使用半占空码，即通常，归零波形使用半占空码，即占空比占空比为为50%50%从单极性归从单极性归零波形可以直接提取定时信息零波形可以直接提取定时信息 与归零波形相对应，上面的单极性波形和双极性波形属于与归零波形相对应，上面的单极性波形和双极性波形属于非归非归零零(NRZ, NonReturn-to-Zero)(NRZ, NonReturn-to-Zero)波形波形，其占空比等于，其占空比等于100100％。

％–双极性归零波形双极性归零波形：兼有双极性和归零波形的特点使得接收端很：兼有双极性和归零波形的特点使得接收端很容易识别出每个码元的起止时刻，容易识别出每个码元的起止时刻，便于同步便于同步6.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 — 6.1.16.1.1 数字基带信号数字基带信号 电子信息工程学院通信原理8–差分波形差分波形：用相邻码元的电平的跳变和不变来表示消息代码，以：用相邻码元的电平的跳变和不变来表示消息代码，以电平跳变表示电平跳变表示“1 1”，以电平不变表示，以电平不变表示“0 0” 它也称它也称相对码波形相对码波形用差分波形传送代码可以消除设备初始用差分波形传送代码可以消除设备初始状态的影响（主要是相位调制系统）状态的影响（主要是相位调制系统）–多电平波形多电平波形：可以提高频带利用率可以提高频带利用率 图中给出了一个四电平波形图中给出了一个四电平波形6.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 — 6.1.16.1.1 数字基带信号数字基带信号 电子信息工程学院通信原理9•数字基带信号的表示式：数字基带信号的表示式：式中，式中，a an n －－ 第第n n个码元所对应的电平值个码元所对应的电平值（可能多个）（可能多个） T Ts s －－ 码元持续时间码元持续时间 g g( (t t) ) －某种脉冲波形－某种脉冲波形（不一定矩形）（不一定矩形） 思考：不同基带波形的思考：不同基带波形的a an n 和和g g( (t t) )一般情况下，数字基带信号可表示为一随机脉冲序列：一般情况下，数字基带信号可表示为一随机脉冲序列：式中，式中，s sn n(t)(t)可以有可以有N N种不同的脉冲波形。

种不同的脉冲波形 6.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 — 6.1.16.1.1 数字基带信号数字基带信号 电子信息工程学院通信原理10§6.1.2 6.1.2 基带信号的频谱特性基带信号的频谱特性•数字基带信号数字基带信号 随机脉冲序列随机脉冲序列 随机过程分析随机过程分析 功率谱密度功率谱密度•设一个二进制的随机脉冲序列如下图所示：设一个二进制的随机脉冲序列如下图所示： 6.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 — 6.1.6.1.2 2 频谱特性频谱特性 电子信息工程学院通信原理11图中图中T Ts s －－ 码元宽度码元宽度 g g1 1( (t t) )和和g g2 2( (t) t) －－ 分别表示消息码分别表示消息码“0 0”和和“1 1”，为任意波形为任意波形–设序列中任一码元时间设序列中任一码元时间T Ts s内内g g1 1( (t t) )和和g g2 2( (t)t)出现的概率分别为出现的概率分别为P P和和(1-(1-P)P)，且认为它们的出现是统计独立的，则该序列可表示为，且认为它们的出现是统计独立的，则该序列可表示为式中式中 6.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 — 6.1.6.1.2 2 频谱特性频谱特性 电子信息工程学院通信原理12求求s(t)s(t)功率谱功率谱Ps(f)Ps(f)的思路：的思路：1. 1. 把把s(t)s(t)分解成分解成稳态波稳态波v(t)v(t)和和交变波交变波u(t) u(t) 2. 2. 求稳态波求稳态波v(t)v(t)的功率谱密度的功率谱密度Pv(f)Pv(f)周期函数周期函数->->傅里叶级数傅里叶级数->->功率谱密度功率谱密度 3. 3. 求交变波求交变波u(t)u(t)的功率谱密度的功率谱密度Pu(f)Pu(f)功率谱密度的定义。

功率谱密度的定义4. Ps(f) = Pv(f) + Pu(f)4. Ps(f) = Pv(f) + Pu(f)6.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 — 6.1.6.1.2 2 频谱特性频谱特性 电子信息工程学院通信原理13–把把s s( (t t) )分解成分解成稳态波稳态波v v( (t t) )和和交变波交变波u u( (t t) ) –稳态波稳态波——随机序列随机序列s s( (t t) )的统计平均分量，它取决于每个码元内的统计平均分量，它取决于每个码元内出现出现g g1 1( (t t) )和和g g2 2( (t) t) 的概率加权平均，可表示成的概率加权平均，可表示成 由于由于v v( (t t) )在每个码元内的统计平均波形相同，故在每个码元内的统计平均波形相同，故v v( (t t) )是以是以T Ts s为周期为周期的周期信号的周期信号 6.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 — 6.1.6.1.2 2 频谱特性频谱特性 电子信息工程学院通信原理14交变波交变波u u( (t t) )是是s s( (t t) )与与v v( (t t) )之差，即之差，即于是于是式中，式中， 或写成或写成其中其中显然，显然， u u( (t t) )是一个随机脉冲序列。

是一个随机脉冲序列 6.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 — 6.1.6.1.2 2 频谱特性频谱特性 电子信息工程学院通信原理15•v v( (t t) )的功率谱密度的功率谱密度P Pv v( (f f) )由于由于v v( (t t) )是以为是以为T Ts s周期的周期信号，故周期的周期信号，故可以展成傅里叶级数可以展成傅里叶级数式中式中由于在（由于在（-T-Ts s/2/2，，T Ts s/2/2）范围内，）范围内，所以所以 6.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 — 6.1.6.1.2 2 频谱特性频谱特性 电子信息工程学院通信原理16又由于又由于只存在于（只存在于（- -T Ts s/2/2，，T Ts s/2/2）范围内，所以上式的积分限可以改为从）范围内，所以上式的积分限可以改为从 - -  到到  ，因此，因此其中其中于是，根据周期信号的功率谱密度与傅里叶系数的关系式（于是，根据周期信号的功率谱密度与傅里叶系数的关系式（P28 P28 式式2.2-482.2-48，，2.2-502.2-50）得到的功率谱密度为（）得到的功率谱密度为（1/Ts=fs1/Ts=fs））稳态波的功率谱是离散的谱线，根据离散谱线可以确定随机序列稳态波的功率谱是离散的谱线，根据离散谱线可以确定随机序列是否包含直流分量（是否包含直流分量（m=0m=0）和定时分量（）和定时分量（m=1m=1））6.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 — 6.1.6.1.2 2 频谱特性频谱特性 电子信息工程学院通信原理17•u u( (t t) )的功率谱密度的功率谱密度P Pu u( (f f) ) 由于是一个功率型的随机脉冲序列，它的功率谱密度可采用由于是一个功率型的随机脉冲序列，它的功率谱密度可采用截短函数和统计平均的方法来求。

截短函数和统计平均的方法来求 式中式中 U UT T ( (f f) ) －－ u u( (t t) )的截短函数的截短函数u uT T( (t t) )所对应的频谱函数；所对应的频谱函数； E E －－ 统计平均统计平均 T T －－ 截取时间截取时间，设它等于（，设它等于（2 2N N +1+1）个码元的长度，即）个码元的长度，即 T T = (2 = (2N N +1) Ts+1) Ts式中，式中，N N 是一个足够大的整数此时，上式可以写成是一个足够大的整数此时，上式可以写成 6.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 — 6.1.6.1.2 2 频谱特性频谱特性 电子信息工程学院通信原理18现在先求出现在先求出u uT T( (t t) )的频谱函数的频谱函数故故其中其中6.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 — 6.1.6.1.2 2 频谱特性频谱特性 电子信息工程学院通信原理19于是于是其统计平均为其统计平均为因为当因为当m m = = n n时时所以所以6.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 — 6.1.6.1.2 2 频谱特性频谱特性 电子信息工程学院通信原理20当当m m   n n时时所以所以由以上计算可知，式由以上计算可知，式的统计平均值仅在的统计平均值仅在m m = = n n时存在，故有时存在，故有 6.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 — 6.1.6.1.2 2 频谱特性频谱特性 电子信息工程学院通信原理21将其代入将其代入即可求得即可求得u u ( (t t) )的功率谱密度的功率谱密度上式表明，交变波的功率谱上式表明，交变波的功率谱P Pu u ( (f f) )是连续谱，它与是连续谱，它与g g1 1( (t t) )和和g g2 2( (t t) )的的频谱以及概率频谱以及概率P P有关。

有关6.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 — 6.1.6.1.2 2 频谱特性频谱特性 电子信息工程学院通信原理22•s s( (t t) )的功率谱密度的功率谱密度P Ps s( (f f) )由于由于s s( (t t) = ) = u u( (t t) + ) + v v( (t t) )，所以将下两式相加：，所以将下两式相加：即可得到随机序列即可得到随机序列s s( (t t) )的功率谱密度，即的功率谱密度，即上式为双边的功率谱密度表示式如果写成单边的，则有上式为双边的功率谱密度表示式如果写成单边的，则有6.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 — 6.1.6.1.2 2 频谱特性频谱特性 电子信息工程学院通信原理23式中式中f fs s = 1/ = 1/T Ts s －码元速率；－码元速率； T Ts s - - 码元宽度（持续时间）码元宽度（持续时间） G G1 1( (f f) )和和G G2 2( (f f) )分别是分别是g g1 1( (t t) )和和g g2 2( (t t) )的傅里叶变换的傅里叶变换6.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 — 6.1.6.1.2 2 频谱特性频谱特性 电子信息工程学院通信原理24»二进制随机脉冲序列的功率谱二进制随机脉冲序列的功率谱P Ps s( (f f) )可能可能包含连续谱包含连续谱（第一项，（第一项，交变波的）交变波的）和离散谱和离散谱（第二项，稳态波的）。

第二项，稳态波的）»连续谱总是存在连续谱总是存在的，这是因为代表数据信息的的，这是因为代表数据信息的g g1 1( (t t) )和和g g2 2( (t t) )波波形不能完全相同，故有形不能完全相同，故有G G1 1( (f f) ≠ ) ≠ G G2 2( (f f) ) 谱的形状取决于谱的形状取决于g g1 1( (t t) )和和g g2 2( (t t) )的频谱以及出现的概率的频谱以及出现的概率P P»离散谱是否存在离散谱是否存在，，取决于取决于g g1 1( (t t) )和和g g2 2( (t t) )的波形及其出现的的波形及其出现的概率概率P P一般情况下，它也总是存在的，但对于双极性信号一般情况下，它也总是存在的，但对于双极性信号 g g1 1( (t t) ) = - = - g g2 2( (t t) = ) = g g( (t t) ) ，且概率，且概率P P=1/2=1/2（等概）时，则没有离散分（等概）时，则没有离散分量量 ( (f f - - mfmfs s) )6.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 — 6.1.6.1.2 2 频谱特性频谱特性 电子信息工程学院通信原理25•【例6-1】 求单极性求单极性NRZNRZ和和RZRZ矩形脉冲序列的功率谱。

矩形脉冲序列的功率谱解】对于单极性波形：若设对于单极性波形：若设g g1 1( (t t) = 0) = 0，， g g2 2( (t t) = ) = g g( (t t) ) ，将其代入下式，将其代入下式 可得到由其构成的随机脉冲序列的双边功率谱密度为可得到由其构成的随机脉冲序列的双边功率谱密度为 当当P P=1/2=1/2时，上式简化为时，上式简化为6.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 — 6.1.6.1.2 2 频谱特性频谱特性 电子信息工程学院通信原理26–讨论：讨论：»若表示若表示“1 1”码的波形码的波形g g2 2( (t t) = ) = g g( (t t) )为不归零为不归零（NRZNRZ）矩形脉冲，）矩形脉冲，即即 其频谱函数为其频谱函数为当当 f f = = mfmfs s 时：时：(i)(i)若若m m = 0 = 0，，G G(0) = (0) = T Ts s Sa Sa(0) (0)   0 0，故频谱，故频谱 P Ps s( (f f) )中有直流分量。

中有直流分量 (ii)(ii)若若m m为不等于零的整数，为不等于零的整数， 频谱频谱P Ps s( (f f) )中离散谱为零，因而无定时分量中离散谱为零，因而无定时分量 6.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 — 6.1.6.1.2 2 频谱特性频谱特性 电子信息工程学院通信原理27»若表示若表示“1 1”码的波形码的波形g g2 2( (t t) = ) = g g( (t t) )为半占空归零矩形脉冲，为半占空归零矩形脉冲，即即 脉冲宽度脉冲宽度  = = T Ts s /2 /2 时，其频谱函数为时，其频谱函数为当当 f f = = mfmfs s 时时，，(i)(i)若若m m = 0 = 0，，G G(0) = (0) = T Ts s Sa Sa(0)/2 (0)/2   0 0，故功，故功 率谱率谱P Ps s( (f f) )中有直流分量中有直流分量 (ii)(ii)若若m m为奇数，为奇数， 此时有离散谱，因而有定时分量（此时有离散谱，因而有定时分量（m=1m=1时）时） (iii)(iii)若若m m为偶数，为偶数， 此时无离散谱，功率谱此时无离散谱，功率谱P Ps s( (f f) )变成变成 6.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 — 6.1.6.1.2 2 频谱特性频谱特性 电子信息工程学院通信原理28–单极性信号的功率谱密度分别如下图中的实线和虚线所示单极性信号的功率谱密度分别如下图中的实线和虚线所示6.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 — 6.1.6.1.2 2 频谱特性频谱特性 矩形脉冲的频谱矩形脉冲的频谱——Sa(x)，功率谱，功率谱——Sa2(x)，周期性矩形脉冲，周期性矩形脉冲——出现离散谱出现离散谱电子信息工程学院通信原理29•【例6-2】 求双极性求双极性NRZNRZ和和RZRZ矩形脉冲序列的功率谱。

矩形脉冲序列的功率谱解】对于双极性波形：若设对于双极性波形：若设g g1 1( (t t) = - ) = - g g2 2( (t t) = ) = g g( (t t) ) ，则由，则由 式式 可得可得当当P P = 1/2= 1/2时，上式变为时，上式变为 6.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 — 6.1.6.1.2 2 频谱特性频谱特性 电子信息工程学院通信原理30–讨论：讨论：»若若g g( (t t) )是高度为是高度为1 1的的NRZ矩形脉冲，那么上式可写成矩形脉冲，那么上式可写成 »若若g g( (t t) )是高度为是高度为1 1的半占空的半占空RZ矩形脉冲，则有矩形脉冲，则有6.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 — 6.1.6.1.2 2 频谱特性频谱特性 电子信息工程学院通信原理31–双极性信号的功率谱密度曲线如下图中的实线和虚线所示双极性信号的功率谱密度曲线如下图中的实线和虚线所示矩形脉冲的频谱矩形脉冲的频谱——Sa(x)，功率谱，功率谱——Sa2(x)，周期性矩形脉冲，周期性矩形脉冲——出现离散谱出现离散谱连续谱减，离散谱加，双极性离散谱正负抵消连续谱减，离散谱加，双极性离散谱正负抵消6.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 — 6.1.6.1.2 2 频谱特性频谱特性 电子信息工程学院通信原理32•从以上两例可以看出：从以上两例可以看出：–二进制基带信号的带宽主要依赖单个码元波形的频谱函数二进制基带信号的带宽主要依赖单个码元波形的频谱函数G G1 1( (f f) )和和G G2 2( (f f) ) 。

时间波形的占空比越小，占用频带越宽若以谱的第时间波形的占空比越小，占用频带越宽若以谱的第1 1个零点计算，个零点计算， NRZ(NRZ(  = = T Ts s) )基带信号的带宽为基带信号的带宽为B BS S = 1/ = 1/  = f = fs s ；；RZ(RZ(  = = T Ts s / 2)/ 2)基带信号的带宽为基带信号的带宽为B BS S = 1/ = 1/  = = 2 2f fs s 其中f fs s = 1/= 1/T Ts s –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单极性NRZNRZ信号中没有定时分量，若想获取定时分量，要进行波信号中没有定时分量，若想获取定时分量，要进行波形变换；单极性形变换；单极性RZRZ信号中含有定时分量，可以直接提取它信号中含有定时分量，可以直接提取它0 0”、、“1 1”等概的双极性信号没有离散谱，也就是说没有直流等概的双极性信号没有离散谱，也就是说没有直流分量和定时分量分量和定时分量6.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 — 6.1.6.1.2 2 频谱特性频谱特性 电子信息工程学院通信原理33小结小结v6.1 6.1 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 §常见数字基带信号波形常见数字基带信号波形•单极性单极性NRZNRZ、双极性、双极性NRZNRZ、单极性、单极性RZRZ、双极性、双极性RZRZ、差、差分、多电平分、多电平§统一表达式统一表达式§频谱频谱。