第六章 数字基带传输系统1.doc

第六章 数字基带传输系统学习目标 通过对本章的学习，应该掌握以下要点：Ø 数字基带传输系统结构及各部件作用；Ø 6种基带信号波形和频谱特性；Ø 基带传输码型的编译及其特点；Ø 码间串扰和奈奎斯特第一准则；Ø 理想低通传输特性和奈奎斯特带宽；Ø 余弦滚降特性及关系；Ø 第I类和第IV类部分响应系统；Ø 无码间串扰基带系统的抗噪声性能；Ø 眼图和均衡的概念6.1 内容提要6.1.1 数字基带传输系统(1) 数字基带信号：基频、取值离散的信号，如来自计算机、电传机等数据终端的信号，或者是模拟信号经数字化处理后的PCM信号等2) 数字基带传输系统：不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统，其基本结构如图6-1所示图6-1 数字基带传输系统框图图6-1中各部件的功能如下：发送滤波器：即信道信号信道形成器，产生适合于信道中传输的基带信号波形信道：基带信号传输媒介（通常为有线信道）介入的噪声是均值为零的高斯白噪声接收滤波器：接收有用信号，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：对接收滤波器的输出波形进行抽样、判决和再生（恢复基带信号）同步提取：从接收信号中提取用来抽样的未定时脉冲。

6.1.2 数字基带信号及其频谱特性 1. 数字基带信号与消息代码相对应的电波形（多种）图6-2给出了几种基本的基带信号波形图6-2 几种基本信号波形图6-2（a）单极性波形：用正和零电平脉冲分别表示代码“0”和“1”特点：极性单一，易于产生缺点：有直流和丰富的低频分量，不适应有交流耦合的远距离传输；且抽样判决电平与信号幅度有关，且易受信道特性变化的影响图6-2（b）双极性波形：用正、负电平脉冲分别表示代码“1”和“0”特点：等概时无直流，有利于传输，且判决电平为零值，不受信道特性变化的影响图6-2（c）单极性归零波形：单极性波形的归零形式它含有丰富的位定时信息，因而是其他码型提取位同步信息时常采用的一种过渡波形图6-2（d）双极性归零波形：兼有双极性和归零波形的特点注①归零（RZ）：脉冲宽度<码元宽度当占空比（）为50%时，信号带宽加倍②非归零（NRZ）波形：脉冲宽度=码元宽度，即占空比（）为100%，如图6-2（a）和（b）所示③图6-2（a）、（b）（c）和（d）中4种波形均属于绝对码波形，它们的消息代码与本码元的电位或极性一一对应图6-2（e）差分波形：以相邻脉冲电平的相对变化来表示代码，因而也称相对码波行。

特点：可以消除设备初始状态的影响，特别是在相位调制系统中（参见第七章）可用于解决载波相位模糊问题差分波形可分为：传号差分波（“1”表示相邻电平跳变，而“0”不变），如图6-2（e）所示；空号差分波（“0”表示相邻电平跳变，而“1”不变）图6-2（f）多电平波形多电平波形的一个脉冲对应多个二进制码，故在波特率（传输带宽）一定时，比特率提高了，如四进制码的比特率是二进制码的2倍数字基带信号通常是一个随机的脉冲序列若其各码元波形相同而电平取值不同，则可表示为 （6.1-1）式中，是第个码元所对应的电平值（随机量）；为码元持续时间；为某种脉冲波形一般情况下，数字基地信号可表示为 （6.1-2） 2. 基带信号的频谱特性数字基带信号s(t)的频谱特性可以用功率谱密度来描述设二进制随机信号为 (6.1-3)其中 =则s(t)的功率谱密度为()=+ (6.1-4)式中，为码元速率；和分别为(t)和(t)的傅里叶变换。

式(6.1-4)告诉我们以下结论：（1）二进制随机信号的功率谱密度包括连续谱（第一项）和离散谱（第二项）2）连续谱总是存在的，因为实际中≠谱的形状取决于(t)和(t)的频谱及概率3）离散谱通常也存在，但对于双极性信号(t)=-(t)，且等概（P=1/2）时离散谱消失 （4）通常，根据连续谱可以确定信号的带宽；根据离散谱可以确定随即序列是否有直流分量和位定时分量这也正是我们分析频谱的目的 应该指出，在以上的分析中没有限定(t)和(t)的波形因此，式(6.1-4)也可用来计算数字调制信号的功率谱作为示例，图6-3中画了图6-2中4种波形在等概率（=1/2）条件下的功率谱密度 图6-3 二进制基带信号的功率谱密度讨论：（1）方波谱（第1个零点）带宽等于脉冲宽度的倒数1/NRZ（=）信号带宽为=1/=2其中=1/，是位定时信号的频谱，它在数值上与码元速率相等2）单极性NRZ信号没有定时分量，只有直流分量；单极性RZ信号含有直流、以及的基次谐波项等概的双极性信号没有离散谱6.1.3 基带传输的常用码型1. 选码原则（1）不含直流，且低频分量少；（2）含有丰富的定时信息；（3）功率谱主瓣宽度窄，以节省传输频带；（4）不受信源统计特性的影响；（5）具有宏观自检能力；（6）编译码简单，以降低通信延时和成本。

满足或部分满足以上特性的传输码型种类很多2. 几种常用的传输码型1）AMI码（传号交替反转码）编码规则：输入消息码为“1”（传号）时，AMI码交替地变换为“+1”和“-1”；输入信息码为“0”（空号）时，AMI码为“0”例如：消息码：0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1‥‥AMI码：0 -1 +1 0 0 0 0 0 0 0 -1 +1 0 0 -1 +1‥‥特点：无直流，且高、低频分量小；编译码简单；具有宏观检错能力（利用传号极性交替这一规律）；以三电平（正、负、零）波形传输缺点：长连“0”时难以获取定时信号2）HD码（3阶高密度双极型码）它是AMI码的一种改进，改进的目的是为了保持AMI码的优点而克服其缺点，使连“0”个数不超过3个例如：消息码： 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1HD码：-1 0 0 0 +1 0 0 0 -1 +1 0 0 0 0 -1 +1特点：保留了AMI码的优点，且连“0”个数不超过3，有利于定时信息的提取。

应用：A律PCM四次群以下的接口码型为HD码3）双相码（Manchester码）编码规则：“0”→“01”，“1” →“10”例如： 消息码： 1 1 0 0 1 0 1 双相码： 10 10 01 01 10 01 10特点：无直流；位定时信息丰富（因为每个码元的中心点都存在电平跳变）；可宏观检错（利用连码个数不超过2这一规律）；以双极性NRZ波形传输缺点：占用带宽加倍，使频带利用率降低应用：数据终端设备近距离传输，局域网中的传输码型4）密勒码（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：“1”→“10”或“01”（应使相邻信码之间的电平不跳变）；“0” →“00”或“11”（应使两个“0”信码之间的电平跳变）特点：二电平，连“0”或连“1”个数不超过4个（两个码元周期）应用：气象卫星、磁记录和低速基带数传机中5）CMI码（传好反转码）编码规则：“1”→“11”或“00”（交替反转），“0” →“01”特点：易于实现；无直流；富含定时信息；不会出现3个以上的连码（这个规律可用来实现宏观检错）。

应用：PCM四次群的接口码型，速率低于8.448Mb/s的光缆传输系统中6.1.4 基带传输和码间干扰 1. 数字基带传输数字基带传输模型如图6-4所示 图6-4 数字基带传输系统模型设输入序列｛｝所对应的数字基带信号为 （6.1-5）基带传输系统的总传输特性为 (6.1-6)单位冲激响应为 （6.1-7）是单个作用下，形成的输出波形因此在冲激脉冲序列d（t）作用下，接收滤波器的输出信号为 （6.1-8）式中，是加性噪声经过接收滤波器后输出的噪声 在第个码元的抽样时刻题上，抽样判决器对的抽样值为 （6.1-9）式中，第一项是第个接收码元波形的抽样值它是确定值的依据；第二项是除第个码元以外的其他码元波形在第个码元抽样时刻上的总和（代数和），它对当前码元的判决起着干扰的作用，所以称之为码间串扰值；第三项是噪声的样值。

2.码间串扰及产生原因码间串扰（InterSymbol Interference，ISI）是前面码元波形的拖尾蔓延到当前码元的抽样时刻上，从而对当前码元的判决造成干扰，如图6-5所示原因是由于系统传输总特性（包括收、发滤波器的信道的特性）不理想，导致码元的波形畸变、展宽和拖尾为了使基带脉冲传输获得足够小的误码率，必须最大限度地减小ISI和噪声的影响由于ISI和信道噪声产生的机理不同，所以对这两个问题可分开讨论首先在不考虑噪声时，研究如何消除ISI；然后在无ISI情况下，研究系统的抗噪声性能6.1.5 无ISI的基带传输特性1.无ISI的条件由式（6.1-9）可知，若想消除码间串扰，应使由于是随机的，要想通过各项相互抵消使码间干扰为0是不可能的但是，只要基带传输系统地冲激响应波形h(t)仅在本码元的抽样时刻上有最大值，并在其他码元的抽样时刻上均为0，则可消除码间串扰因此，在抽样时刻(这里假设延时)上，应满足下式 （6.1-10）式（6.1-10）称为无ISI的时域条件这时，对应的基带传输总特性应满足 （6.1-11）该条件成为奈奎斯特（Nyquist）第一准则（无ISI的频域条件）。

它为我们提供了检验一个给定的传输特性能否消除码间串扰的一种方法式（6.1-11）的物理意义是：将在轴上以为间隔切开，然后分段沿ω轴平移到（）区间内，将它们进行叠加，其结果应当为一常数（不必一定是）这一过程可以归述为：一个实际的特性若能等效成一个理想（矩形）低通滤波器，则可实现无码间串扰2.无ISI的基带传输特性1）理想低通系统理想体统系统的传输特性为 （6.1-12）冲激响应为 （6.1-13）如图6-6所示，在时具有周期性零点当发送序列以波特的速率进行传输时，则在抽样时刻上不存在码间串扰若以高于波特的码元速率传送时，将存在码间串扰 （a）传输特性 （b）冲激响应图6。