《通信原理-06数字基带传输.ppt

1、序言（一）数字基带信号 数字基带传输（二）研究数字基带传输的意义（一）数字基带信号 数字基带传输 来自数据终端的原始数据信号，如计算机输出的来自数据终端的原始数据信号，如计算机输出的二进制序列，或者是来自模拟信号经数字化处理后的二进制序列，或者是来自模拟信号经数字化处理后的PCM码组等都是数字信号。码组等都是数字信号。这些信号往往包含丰富的这些信号往往包含丰富的低频分量低频分量，甚至，甚至直流分量直流分量，因而称之为，因而称之为数字基带信号数字基带信号。在某些具有低通特性的有线信道中，特别是传输在某些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，数字基带信号可以直接传输，距离不太远的

2、情况下，数字基带信号可以直接传输，我们称之为我们称之为数字基带传输数字基带传输。而大多数信道，如各种无。而大多数信道，如各种无线信道和光信道，线信道和光信道，则是带通型的，则是带通型的，数字基带信号必须数字基带信号必须经过载波调制，把频谱搬移才能在信道中传输，我们经过载波调制，把频谱搬移才能在信道中传输，我们把这种传输称为把这种传输称为数字频带传输（数字调制）数字频带传输（数字调制）。（二）研究数字基带传输的意义 目前，虽然在实际应用场合，数字基带传输不如目前，虽然在实际应用场合，数字基带传输不如频带传输那样广泛，但对于基带传输系统的研究仍频带传输那样广泛，但对于基带传输系统的研究仍是十分有意

3、义的。是十分有意义的。l一一是因为在利用对称电缆构成的近程数据通信系是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；统广泛采用了这种传输方式；l二二是因为数字基带传输中包含频带传输的许多基是因为数字基带传输中包含频带传输的许多基本问题，也就是说，基带传输系统的许多问题也是本问题，也就是说，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；频带传输系统必须考虑的问题；l三三是因为任何一个采用线性调制的频带传输系统是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。可等效为基带传输系统来研究。图 6-1 数字基带传输系统 6.1 数字基带传输系统的构成 基带传

4、输系统的基本结构如图基带传输系统的基本结构如图 6-1 所示。它主要由所示。它主要由信道信道信号形成器信号形成器、信道信道、接收滤波器接收滤波器和和抽样判决器抽样判决器组成。为组成。为了保证系统可靠有序地工作，还应有了保证系统可靠有序地工作，还应有同步系统同步系统。码型编码m(t)发滤波器信道收滤波器抽样判决码型译码m(t)m1(t)m2(t)r(t)m3(t)m0(t)位同步器n(t)cp(t)信道信号形成器agedcbf图4-2 基带系统各点波形示意图产生误码的原因：产生误码的原因：l一是信道加性噪声；一是信道加性噪声；l二是基带系统传输总特性（包括收、发滤波器和信二是基带系统传输总特性（

5、包括收、发滤波器和信道的特性）不理想引起的道的特性）不理想引起的波形延迟波形延迟、展宽展宽、拖尾拖尾等等畸变，畸变，使码元之间相互串扰使码元之间相互串扰。此时，实际抽样判决。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。时刻的串扰值及噪声。显然，接收端能否正确恢复信息，在于能否显然，接收端能否正确恢复信息，在于能否有效有效地抑制噪声和减小码间串扰地抑制噪声和减小码间串扰，无码间干扰传输正是无码间干扰传输正是本章讨论的重点。本章讨论的重点。6.2 数字基带传输码型和功率谱特性数字基带传输码型和功率谱特性 6.2.1

6、数字基带信号的基本码型数字基带信号的基本码型 数字基带信号用数字信息的电脉冲表示。数字基带信号用数字信息的电脉冲表示。数字数字信息的表示形式信息的表示形式称为数字基带信号称为数字基带信号的码型码型，相应的，相应的电脉冲形状电脉冲形状称为数字基带信号的称为数字基带信号的波形波形。数字基带信号的波形有很多，常见的有矩形脉数字基带信号的波形有很多，常见的有矩形脉冲、三角波、高斯脉冲和升余弦脉冲等。最常用的冲、三角波、高斯脉冲和升余弦脉冲等。最常用的是是矩形脉冲矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成和变换。，因为矩形脉冲易于形成和变换。数字基带信号常见的码型数字基带信号常见的码型1.单极性不归零码单极性不归零

7、码(NRZ)2.双极性不归零码双极性不归零码(BNRZ)3.单极性归零码单极性归零码(RZ)4.双极性归零码双极性归零码(BRZ)5.差分码差分码（相对码）（相对码）6.AMI码（传号交替反转码）码（传号交替反转码）7.HDB3码（三阶高密度双极性码）码（三阶高密度双极性码）8.曼彻斯特及差分曼彻斯特码曼彻斯特及差分曼彻斯特码应用：电路内部、近距离传输时设备之间、过渡码型。0 1 0 1 1 0 0 1+E 0)(单极性NRZ1.单极性不归零码(NRZ)(1)含有低频和直流成分（一般有线信道低频传输特性比较差）。(2)不能直接提取位定时信息。2.双极性不归零码（BNRZ)0 1 1 0 0 1

8、01+E-E(1)不含直流成分，不需要接地的电缆来传输。(2)出现连0或连1时，不能提取位定时信息。应用：V系列接口和RS-232C接口标准。3.单极性归零码（RZ）0 1 0 1 1 0 0 1+E 0 TT占空比可直接提取位定时信息。带宽比不归零码带宽要宽。正向脉冲表示“1”，负向脉冲表示“0”。正向脉冲和负向脉冲都在码元间隔时间内返归到零。0 1 0 1 1 0 0 1+E-E 4.双极性归零码（BRZ）“1”“0”等概时，无直流分量携带丰富的定时信息 用相邻脉冲的极性变化与否来表示二进制码元“1”或“0。例如：“1”-相邻码元电平发生改变，“0”-相邻码元电平不改变。+E 01 1 0

9、 1 1 0 0 15.差分码(相对码）101 001 0 0绝对码ak相对码bk1变0不变0变1不变【例6-1】求数字信息序列1010110的差分码。1010110t0bTbT2bT3bT4bT5bT601100100t参考信号nanb例5.2.1图 绝对码与差分码示意图0bTbT2bT3bT4bT5bT66.AMI码（传号交替反转码）AMI码编码规则：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：7.HDB3码（三阶高密度双极性码）码（三阶高密度双极性码）HDB3是改进的AMI码，它克服了AMI码的缺陷而保留了其合理性能，被CCITT

10、推荐使用。1.取代变换:将4个连0码用000V或100V代替，000V:相邻V码中间有奇数个1时，100V:相邻V码中间有偶数1码。2.加符号:给1码、V码加符号。原则是，V码的符号与前一个1码的符号相同、1码的符号交替变化（V码的符号交替变化）1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 l 1代码：+1 0 0 0+V-1 0 0 0-V+1-1+1 0 0+V-l+1HDB3码:1 0 0 0 V 1 0 0 0 V 1 1 1 0 0 V 1 1+1 0 0 0+1-1 0 0 0-1+1-1+1 0 0+1-l+1【例例6-2】求序列1011000001000000

11、00对应的HDB3码。1 0 1 1 0 11 0 1 11 0 0 V0 10 0 0 V1 0 0 V-0 +-+0 0 +0 -0 0 0 -+0 0 +例 5.2.2 图（a)输 入 的 二 进 制 序 列（b)用 特 殊 序 代 替 0000（c)编 码 输 出 序 列0 0 0 00 0 0 00 0 0 00 11 0 1 1123456789101112131415161718t0bTbT2【例例6-3】求二进制序列0010000110000000001的HDB3码。0 0 0 V1 0 0 V1 0 0 V+0 0 +例 5.2.3 图（a)输 入 的 二 进 制 序 列（b

12、)用 特 殊 序 列 代 替0000（c)编 码 输 出 序 列0 0 0 00 0 0 00 0 0 01 10 0 1 0 10 0 11 1 0 10 0 +0 0 0 +-+-0 0 -0 -12345678910111213141516171819t0bTbT2第一个取代变换可以为000V，也可以为100V第一个非零码元（1码或V码）的符号可正可负注意无特殊说明时HDB3码译码根据V码与前一个1码符号相同+1 0 0 0+1 -1 0 0 0 0 +1 0 0+1 -0 0 0 0试求HDB3码对应的原二进制信息代码。HDB3:+1-1 0+1 0 0 0+1 0 0-1 0 0+1

13、-1 0 0-1 0+1原信息码：1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1+1-1 0+1 0 0 0+1 0 0-1 0 0+1-1 0 0-1 0+1【例例6-4】HDB3码的波形如图（a）所示。求原信息序列。12345678910111213141516171819t0bTbT212345678910111213141516171819t0bTbT2000V V100V100V12345678910111213141516171819t0bTbT20000 000000000(a)(b)(c)(d)0010000110000000001例5.2.4

14、图 8、曼彻斯特与差分曼彻斯特码曼彻斯特与差分曼彻斯特码曼彻斯特曼彻斯特差分曼彻斯特差分曼彻斯特 6.2.2 数字数字基带信号的频谱特性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，有无直频带宽度，所包含的频谱分量，有无直流分量，有无定时分量流分量，有无定时分量等。数字基带信号是随机的脉冲序列随机的脉冲序列，没有确定的频谱函数，所以只能用功率谱功率谱来描述它的频谱特性。部分码型的功率谱结构如下图所示：(a)单极性不归零码(b)单极性归零码(c)AMI码和HDB3码 (d)双极性码 基带信号的频谱基带信号的频谱基带信号的频谱特性基带信号的频谱特性（1）随机数字

15、信号序列功率谱包括：连续谱和离散谱。（2）连续谱总是存在，而离散谱某些情况下可能没有。（3）脉冲宽度为 s，带宽为 HZ。（4）脉宽越宽，能量集中的范围越小，反之能量集中的范围越大。1 6.2.3 数字数字基带传输线路码型的要求基带传输线路码型的要求 不同码型的数字基带信号具有不同的频谱特性，因此要合理设计码型使数字基带信号适合于给定信道的传输特性。基带系统对数字基带信号的码型有什么要求呢？码型应具有下列主要特性：码型应具有下列主要特性：(1)(1)频谱中不应有直流分量，低频分量与高频分量也要小。频谱中不应有直流分量，低频分量与高频分量也要小。(2)(2)要求数字基带信号中含有位定时分量，便于

16、位定时信号的要求数字基带信号中含有位定时分量，便于位定时信号的提取。提取。(3)(3)码型具有一定检错能力。码型具有一定检错能力。(4)(4)低误码增殖、高编码效率。低误码增殖、高编码效率。(5)(5)要求编、译码设备简单。要求编、译码设备简单。6.3 无码间干扰的数字基带传输系统无码间干扰的数字基带传输系统6.3.1 数字基带传输模型构成数字基带传输模型构成 为经过了码型变换的单位冲激序列，码元间隔为 ，有：发送滤波器信道接收滤波器)(fHT)(fHc)(fHR)(fH)(td)(ty图5.4.1 数字基带传输系统的数学模型)(tn)()()()(fHfHfHfHRCTkbkkTtatd)(

17、)()()()(tnkTthatyRkbk)(tdbT6.3.2 码间干扰码间干扰)()()(tnkTthatyRkbk)()()(000tmTnkTtmThatmTybRkbbkb)()()()(0000tmTnkTtmThathatmTybRmkkbbkmb第m个码元的取样判决时刻为：)(0tmTb第m个码元在取样瞬间所取的值其他码元在取样瞬间取值的总和，即码间干扰噪声在取样瞬间的值1.码间干扰H()-hh码间干扰2.码间干扰产生的原因：信道的特性不理想3.消除码间干扰的方法设计无码间干扰的系统满足无码间干扰的速率奈氏第一准则码间干扰 所谓所谓码间干扰码间干扰是由于系统传输总特性（包括是由

18、于系统传输总特性（包括收、发滤波器和信道的特性）不理想（系统具有收、发滤波器和信道的特性）不理想（系统具有带限性），导致前后码元的波形畸变、展宽，并带限性），导致前后码元的波形畸变、展宽，并使波形出现很长的拖尾，蔓延到当前码元的抽样使波形出现很长的拖尾，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。码间时刻上，从而对当前码元的判决造成干扰。码间干扰严重时，会造成错误判决。干扰严重时，会造成错误判决。6.3.3 基带系统的无码间干扰传输特性基带系统的无码间干扰传输特性（1）理想低通传输特性（2）余弦滚降传输特性1.1.理想低通传输特性理想低通传输特性)(fHABB00f)(thAB2

19、B23B22B21B21B22B23t)(tytB24B23B22B210B21B22理想低通传输系统输出信号 最高码元传输速率为：2B（Baud）传输带宽为：B（Hz）最高频带利用率为：HzBaud/2若某理想低通系统的频带宽度为B(Hz)，则该系统无码间干扰时的最高传输速率为2B(波特)Nyquist速率。理想低通传输系统nB2最小码元间隔为：（s）Bn2奈奎斯特间隔奈奎斯特频带利用率奈氏第一准则B21奈奎斯特速率理想低通系统在实际应用中存在两个问题：(1)物理实现极为困难；(2)h(t)的“尾巴”很长，衰减很慢，当定时存在偏差时，可能出现严重的码间干扰。2、余弦滚降传输特性、余弦滚降传输

20、特性11)(fHeq)(fHffW)1(WWW)1(WW00两大区域：水平区、滚降区滚降区域对应三个重要点：开始滚降点开始滚降点 滚降必经点滚降必经点C 滚降截止点滚降截止点Nf-10.5，NfNf1NfB 1Nff宽奈奎斯特带扩展量余弦滚降传输特性余弦滚降传输特性BaudnWRs2HzBaudWRs/12)1(max0HzBaud/21HzBaud/1无码间干扰速率：无码间干扰速率：最大频带利用率：最大频带利用率：当当 时，频带利用率为时，频带利用率为 对应于理想低通传输特性；对应于理想低通传输特性；当当 时，频带利用率为时，频带利用率为 对应于升余弦传输特性。对应于升余弦传输特性。图 4-

21、9余弦滚降系统(a)传输特性;（b）冲激响应H()Ts010.750.5OW12W1f(a)h(t)00.50.751t14W112W112W114W1(b)1滚降特性系统的冲激响应a越大，越大，拖尾幅度衰减越快，对定时精度要求越低，拖尾幅度衰减越快，对定时精度要求越低，但是频带利用率也越低。但是频带利用率也越低。频带利用率频带利用率ZHBd/12越大，该系统冲激响应波形衰减越快；频带利用率越低。21ZHsbitM/log122【例例1】某系统的传输特性如图所示。求此系统某系统的传输特性如图所示。求此系统的所有无码间干扰传输速率及最大频带利用率。的所有无码间干扰传输速率及最大频带利用率。例5.

22、5.1图 直线滚降（梯形）传输特性)(fH)(Hzf01000W3000110003000HzW 20002/)30001000(.),Baud (nnnWRs 3 2 1 40002BaudRs4000maxHzBaudBRs/33.130004000maxmax练习1：基带传输系统，其形成系统特性如图所示。求：（1）若符合奈氏第一准则，那么奈氏速率、奈氏间隔各为多少？（2）采用四电平传输时，数据传信速率为多少？频谱利用率为多少bit/(sHz)？滚降系数是多少？练习2：某基带传输系统具有滚降系数为 的余弦滚降传输特性，若系统传输16进制码元，最高的码元传输速率 ，求该系统的信息传输速率、系

23、统的带宽及频带利用率。35.0 Baud Rs 1200max【例例2】设由发送滤波器、信道及接收滤波器组成设由发送滤波器、信道及接收滤波器组成的数字基带系统的传输特性为的数字基带系统的传输特性为H(f)，若要求以，若要求以 2/Ts波特的速率进行数据传输，试检验下图各种波特的速率进行数据传输，试检验下图各种H(f)是否满足无码间干扰条件？是否满足无码间干扰条件？例 5.5.2 图)(fH)(H zf1sT10(d)(fH)(H zf1sT210(a)sT21)(fH)(H zf1sT230(b)sT23)(fH)(H zf1sT20(c)sT2sT1带宽（等效带宽）：无码间干扰的码元传输速率

24、：最高码元传输速率：）（ZHB.),Baud (nnBRs 3 2 12BaudBRs2max6.4 数字基带传输系统性能及处理数字基带传输系统性能及处理 滤波器部件不理想或信道特性的变化引起H(f)特性改变，会使系统性能降低。计算由于这些因素所引起的误码率非常困难，尤其在码间干扰和噪声同时存在码间干扰和噪声同时存在的情况下，系统性能的定量分析更是难以进行在的情况下，系统性能的定量分析更是难以进行。一个有效的实验方法是观察接收信号的眼图眼图。眼图是指利用实验手段方便地估计和改善（通过调整）系统性能时在示波器上观察到的一种图形。基带信号波形及眼图10110100110Ts眼图(a)(b)101t

25、t(c)(d)眼图的“眼睛”张开得越大，且眼图越端正，表示码间干扰越小,反之，表示码间干扰越大。眼图照片（a）（b）眼图的模型 斜边噪声容限信号失真过零点失真最佳判决门限限电平最佳判决时刻 当存在噪声时当存在噪声时，眼图的线迹变成了比较模糊的带状的线，噪声越大，线条越宽，越模糊，“眼睛”张开得越小。(1)最佳抽样时刻应是“眼睛”张开最大的时刻；(2)眼图斜边的斜率决定了系统对抽样定时误差的灵敏程度：斜率越大，对定时误差越灵敏；(3)图中倾斜阴影带与横轴相交的区间表示了接收波形零点位置的变化范围，即过零点畸变，它对于利用信号零交点的平均位置来提取定时信息的接收系统有很大影响；(4)图的阴影区的垂

26、直高度表示信号的畸变范围；(5)抽样时刻上,上下两阴影区的间隔距离之半为噪声的容限,噪声瞬时值超过它就可能发生错误判决；(6)图中央的横轴位置对应于判决门限电平。均衡均衡 时域均衡：利用均衡器产生的时间波形去直接校正已畸变的波形,使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应满足无码间干扰条件(高速数据传输)。频域均衡：从校正系统频率特性出发，使基带系统的总特性满足无码间干扰条件(低速数据传输)。均衡可减少码间干扰的影响。基带系统中使用可调(或不可调)滤波器可以校正或补偿系统特性,减小码间干扰的影响,这种滤波器称为均衡器。时域均衡相加Nc1c1c0cNcsTsTsTsT)(ty)(tx)(sNTtx)(

27、sNTtx(a)均衡器原理图)(txtsTsT2sTsT2)(tytsTsT2sTsT2(b)(c)（(b)输入波形 c)输出波形扰乱及解扰扰乱及解扰 所谓扰码，是将输入任意的所谓扰码，是将输入任意的短周期序短周期序列列信号或信号或全全“0”（“1”）序列按照某种规序列按照某种规律变换（扰乱）为律变换（扰乱）为长周期序列长周期序列，且且“0”、“1”为等概率，前后独立的随机序列为等概率，前后独立的随机序列，使，使之具有足够的随机性。之具有足够的随机性。经过扰码扰乱的数据序列通过系统传经过扰码扰乱的数据序列通过系统传输后，在接收端要还原成原始数据序列，输后，在接收端要还原成原始数据序列，这就需要

28、在接收端进行这就需要在接收端进行扰码的逆过程扰码的逆过程解扰码，即解扰。解扰码，即解扰。扰码的用途（1）防止发送功率谱密度中因有固定谱线）防止发送功率谱密度中因有固定谱线而易干扰其它系统。而易干扰其它系统。（2）有利于数据接收设备中的定时恢复。）有利于数据接收设备中的定时恢复。（3）有利于自适应均衡器的工作。）有利于自适应均衡器的工作。本章小结（一）数字基带信号的码型（一）数字基带信号的码型（9种）种）（二）无码间干扰的基带传输系统（二）无码间干扰的基带传输系统（2个）个）（三）基带信号的功率谱、眼图、均衡、扰乱（三）基带信号的功率谱、眼图、均衡、扰乱练习1、在、在HDB3中每当出现中每当出现

29、 个连个连0码时，要用取代码时，要用取代节代替。节代替。2、设码元的速率为、设码元的速率为2.048Mb/s，则滚降系数时的传，则滚降系数时的传输带宽为输带宽为 ，时传输带宽为，时传输带宽为 。3、理想低通滤波器时的频谱利用率为、理想低通滤波器时的频谱利用率为 ，升余，升余弦滚降时的频谱利用率为弦滚降时的频谱利用率为 。4、在满足无码间干扰的条件下，频谱利用率最大可、在满足无码间干扰的条件下，频谱利用率最大可达到达到 。1、以下数字码型中，功率谱中含有时钟分量码型为（、以下数字码型中，功率谱中含有时钟分量码型为（）。）。ANRZ码码 BRZ码码CAMI码码 DHDB3码码2、以下可以消除或减小

30、码间干扰方法是（、以下可以消除或减小码间干扰方法是（）。）。A自动增益控制技术自动增益控制技术 均衡技术均衡技术C最佳接收技术最佳接收技术 量化技术量化技术3、在数字基带传输系统中，以下不能消除码间干扰系统传、在数字基带传输系统中，以下不能消除码间干扰系统传输特性为（输特性为（）。）。A理想低通特性理想低通特性 B升余弦滚降特性升余弦滚降特性C匹配滤波特性匹配滤波特性 D线性滚降特性线性滚降特性4、若以下传输特性是可实现的，并设数字信号的码若以下传输特性是可实现的，并设数字信号的码元速率为元速率为 ，则最适合于该数字信号传输的传，则最适合于该数字信号传输的传输特性为（输特性为（）。）。A BC

31、 DBf5、观察眼图应使用的仪表是（、观察眼图应使用的仪表是（）。）。A频率计频率计 B频谱分析仪频谱分析仪C示波器示波器 D扫频仪扫频仪 1、HDB3码除了保持码除了保持AMI码的优点之外，还增加了使连码的优点之外，还增加了使连“0”串减少到最多串减少到最多6个的优点，解决了个的优点，解决了AMI码遇到连码遇到连“0”串不能提取定时信号的问题，是串不能提取定时信号的问题，是CCITT推荐使用推荐使用的基带码之一。的基带码之一。（）2、对余弦滚降信号，其滚降系数取值越大，系统冲激响、对余弦滚降信号，其滚降系数取值越大，系统冲激响应波形衰减越快，滤波器实现越容易，但频带利用率应波形衰减越快，滤波

32、器实现越容易，但频带利用率越低；反之，滚降系数越小，冲激响应波形衰减就越越低；反之，滚降系数越小，冲激响应波形衰减就越慢，频带利用率则越高。慢，频带利用率则越高。（）3、时域均衡是直接从时间响应的角度出发，使包括、时域均衡是直接从时间响应的角度出发，使包括均衡器在内的整个系统冲激响应满足无码间串扰均衡器在内的整个系统冲激响应满足无码间串扰的条件。（的条件。（）4、有些数字基带信号的功率谱中不含有线谱分量。、有些数字基带信号的功率谱中不含有线谱分量。（）5在数字信号传输过程中，码间干扰的产生是由于在数字信号传输过程中，码间干扰的产生是由于传输通道中存在非线性。传输通道中存在非线性。（）6由于理想低通无法实现因而码间干扰总是存在。由于理想低通无法实现因而码间干扰总是存在。（）7、通过观察眼图可以判断码间干扰的影响大小。、通过观察眼图可以判断码间干扰的影响大小。（）8作为数字基带信号其功率谱中一定含连续谱分量。作为数字基带信号其功率谱中一定含连续谱分量。（）9所有单极性二元码的功率谱中都存在位定时分量。所有单极性二元码的功率谱中都存在位定时分量。（）