第6章 数字基带传输-发送端问题

1、 第第6章章 数字基带传输系统数字基带传输系统 广西大学广西大学 计算机与电子信息学院计算机与电子信息学院 515 常侃常侃 Email: 本章内容本章内容 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 6.2 基带信号的常用码型基带信号的常用码型 6.3 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 6.4 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性 6.5 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 眼图眼图 6.7 部分响应和时域均衡部分响应和时域均衡 6.0 引入引入基本概念基本概念 Q1：什么是数字信号？：什么是数字信号？ 时间上和幅值上离散的

2、信号。时间上和幅值上离散的信号。 Q2：数字信号有何好处？：数字信号有何好处？ 1.传输无噪声积累传输无噪声积累 2.可进行检错纠错，差错可控可进行检错纠错，差错可控 3.不同种类信号集中传输、存储容易，易于集成不同种类信号集中传输、存储容易，易于集成 4.易于加密，易于进行信号处理易于加密，易于进行信号处理 6.0 引入引入基本概念基本概念 数字基带传输系统定义：数字基带传输系统定义： 无调制解调器的数字传输系统。无调制解调器的数字传输系统。 研究基带传输系统意义：研究基带传输系统意义： 1.实际工程中有此系统；实际工程中有此系统； 2.数字基带系统中的许多概念，可应用于数字已调系统；数字基

3、带系统中的许多概念，可应用于数字已调系统； 3.数字频带系统可以等效为基带传输系统来研究。数字频带系统可以等效为基带传输系统来研究。 无线通信、长距离有线传输需要调制解调；无线通信、长距离有线传输需要调制解调； 中短距离有线通信无需调制，但应严格按照基带传输系统的中短距离有线通信无需调制，但应严格按照基带传输系统的 有关原则来设计，例如局域网通信、无线通信中的终端机与有关原则来设计，例如局域网通信、无线通信中的终端机与 发射机较远的情况等。发射机较远的情况等。 小范围（如室内）通信，通过小范围（如室内）通信，通过RS232等接口芯片即可传输信息，等接口芯片即可传输信息， 无需严格按照基带传输设

4、计原则来设计。无需严格按照基带传输设计原则来设计。 6.0 引入引入数字基带传输系统的应用数字基带传输系统的应用 数字终端机无线发射机无线接收机数字终端机 基带传输 基带传输 6.0 引入引入基本结构基本结构 原理图原理图 码型编码码型编码：将信源编码为适合传输的码型：将信源编码为适合传输的码型 发滤波器发滤波器：将：将m(t)变为适合于信道传输的波形：变为适合于信道传输的波形：1. 将将m(t)中的中的 高频成分滤掉，限制进入信道信号的带宽；高频成分滤掉，限制进入信道信号的带宽；2. 防止防止ISI 6.0 引入引入基本结构基本结构 接收滤波器：接收滤波器： 1. 令抽样判决器的输入信号无码

5、间串扰；令抽样判决器的输入信号无码间串扰；2. 滤除带外噪声。滤除带外噪声。 位同步器：位同步器： 提取位同步信号，提取位同步信号，cp(t)的频率等于码速率，上升沿与接收的频率等于码速率，上升沿与接收 信号的最大值对齐。信号的最大值对齐。 抽样判决器：抽样判决器： 再生数字基带信号，可能有误码。再生数字基带信号，可能有误码。 码型译码：码型译码：使输出码型符合收终端的要求。使输出码型符合收终端的要求。 6.0 引入引入传输中的误码传输中的误码 误码原因：误码原因： 1. 码间串扰码间串扰 2. 噪声噪声 3. 位同步信号相位抖动位同步信号相位抖动 码间串扰原因：码间串扰原因： 发送滤波器、接

6、收滤波器、信道合成的总传输特性不理想，发送滤波器、接收滤波器、信道合成的总传输特性不理想， 导致前后码元畸变、展宽，出现长拖尾，互相影响。导致前后码元畸变、展宽，出现长拖尾，互相影响。 本章内容本章内容 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 6.2 基带信号的常用码型基带信号的常用码型 6.3 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 6.4 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性 6.5 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 眼图眼图 6.7 部分响应和时域均衡部分响应和时域均衡 6.1.1 数字基带信号数字基带信号 理想的基带信

7、号波形理想的基带信号波形 1. 无直流分量，因为直流分量不适合远距离传输；无直流分量，因为直流分量不适合远距离传输； 2. 有离散分量，可提取同步信号；有离散分量，可提取同步信号； 3. 抽样判决门限与信号功率无关；抽样判决门限与信号功率无关； 4. 频带利用率高频带利用率高 6.1.1 数字基带信号数字基带信号 单极性不归零码波形单极性不归零码波形NRZ（Non Return Zero） 1. 用正电平和零电平分别表示二进制用正电平和零电平分别表示二进制“1”和和“0” 2. 脉冲宽度脉冲宽度等于码元宽度等于码元宽度Ts，占用带宽为，占用带宽为Rs； 3. 适合板卡级传输，但不宜长距离传输，

8、原因有适合板卡级传输，但不宜长距离传输，原因有 1）有直流有直流，一般信道难于传输零频附近的频率分量；，一般信道难于传输零频附近的频率分量； 2）收端判决，）收端判决，门限与信号功率有关门限与信号功率有关，不方便；，不方便； 3）无离散分量，无离散分量，不能直接提取位同步信号。不能直接提取位同步信号。 6.1.1 数字基带信号数字基带信号 双极性不归零波形双极性不归零波形 1. 用正负电平分别表示二进制码用正负电平分别表示二进制码“1”和和“0” 2. 占用带宽占用带宽Rs； 3. “0” 和和 “1” 等概出现时无直流分量；等概出现时无直流分量； 4. 无离散分量无离散分量，不能直接提取位同

9、步；，不能直接提取位同步； 5. 抽样判决电平为抽样判决电平为0； 6. 在在RS-232接口（串口）标准中采用此波形接口（串口）标准中采用此波形 6.1.1 数字基带信号数字基带信号 单极性归零波形（单极性归零波形（RZ） 1. 脉冲宽度脉冲宽度小于码元宽度小于码元宽度Ts ，通常占空比（，通常占空比（ / Ts ）50%， 带宽带宽2Rs； 2. 有直流分量；有直流分量； 3. 有离散分量，有离散分量，可直接提取定时信息；可直接提取定时信息； 4. 抽样判决电平不为抽样判决电平不为0； 5. 一般是其他波形提取同步信息时常用的一种过渡波形一般是其他波形提取同步信息时常用的一种过渡波形 6.

10、1.1 数字基带信号数字基带信号 双极性归零波形双极性归零波形 1. 功率谱功率谱无直流分量和离散分量无直流分量和离散分量； 2. 占用带宽为占用带宽为2Rs ； 3. 恢复信号的判决电平为恢复信号的判决电平为0； 4. 码元起止时刻容易识别（前沿代表起，后沿代表终），码元起止时刻容易识别（前沿代表起，后沿代表终）， 因此发送端不必按照一定的周期发送。因此实际中有一因此发送端不必按照一定的周期发送。因此实际中有一 定的应用。定的应用。 6.1.1 数字基带信号数字基带信号 差分波形差分波形 1. 与脉冲本身电位和形状无关（相对码），采用前后符号与脉冲本身电位和形状无关（相对码），采用前后符号

11、的异同来表示的异同来表示0或或1； 2. 可消除设备初始状态影响，解决可消除设备初始状态影响，解决PSK相位模糊问题。相位模糊问题。 3. 产生方式：先做差分编码，后采用双极性产生方式：先做差分编码，后采用双极性/单极性波形单极性波形 差分编码：差分编码： 原始序列：原始序列： 1 0 1 1 0 0 1 差分编码：差分编码： 0 1 1 0 1 1 1 0 1nnn bba 6.1.1 数字基带信号数字基带信号 多电平波形（多电平波形（MPAM信号）信号） 1. K比特二进制转成一个比特二进制转成一个M进制的电平符号（进制的电平符号（M=2k）；）； 2. 与二进制比与二进制比提高频带利用率

12、提高频带利用率（波特率相同则带宽相同）（波特率相同则带宽相同） ： A. 相同比特率下，波特率降低（相同比特率下，波特率降低（B降低）；降低）； B. 相同波特率下，比特率提高（相同波特率下，比特率提高（R提高）；提高）； 3. 可用于可用于D/A转换器中转换器中 离散谱的作用：离散谱的作用：提取定时信息进行同步提取定时信息进行同步 6.1.2 数字基带信号的频谱特性数字基带信号的频谱特性 分析功率谱密度的意义：分析功率谱密度的意义： 1. 确定序列带宽；确定序列带宽； 2. 提取定时分量，分析是否有直流分量提取定时分量，分析是否有直流分量 随机信号的时域表示随机信号的时域表示 第第n个码元的

13、平均值：个码元的平均值： 稳态项：稳态项： 交变项：交变项： 6.1.2 数字基带信号的频谱特性数字基带信号的频谱特性 ( )( ) n s ts t 1 2 (),1 ( ) (), 10 n g tnTsp s t g tnTsp 码 码 12 ( )()(1)() nss v tpg tnTp g tnT )()1 ()()()( 21 nTstgpnTstpgtVtV n ( )( )( )( )( ) nn u ts tV ts tV t l稳态项和交变项的分析稳态项和交变项的分析 6.1.2 数字基带信号的频谱特性数字基带信号的频谱特性 其中：其中： 1. 稳态项稳态项V(t)为周

14、期信为周期信 号，具有离散谱。号，具有离散谱。 2. 交变项交变项u(t)为随机信为随机信 号，具有连续谱号，具有连续谱。 1. 总功率谱密度按照下式计算：总功率谱密度按照下式计算： 2. 稳态项稳态项是周期性的功率信号，其功率谱密度可以由是周期性的功率信号，其功率谱密度可以由通信通信 原理原理2.2.4节公式（节公式（2.2-48）计算出）计算出 3. 交变项交变项是随机信号，其功率谱密度按照是随机信号，其功率谱密度按照通信原理通信原理3.2.4 节公式（节公式（3.2-15）计算）计算 随机信号的功率谱密度（双边）随机信号的功率谱密度（双边） 6.1.2 数字基带信号的频谱特性数字基带信号

15、的频谱特性 svu ppp 2 12 ( )() (1)()() vssss p ffpG mfp G mffmf 2 12 ( )(1)( )( ) us pff pp GfGf 注意：不同教材中此部分内容的推导过程可能不同。注意：不同教材中此部分内容的推导过程可能不同。 1. 总的功率谱密度：总的功率谱密度： 2. 其中，其中， 为为交变项中的连续谱交变项中的连续谱，一定，一定 存在；存在；时间波形占空比越小，占用频带宽度越宽。时间波形占空比越小，占用频带宽度越宽。 3. 其余部分为其余部分为稳态项稳态项中的离散谱中的离散谱，不一定存在。，不一定存在。 随机信号的功率谱密度（单边）随机信号

16、的功率谱密度（单边） 6.1.2 数字基带信号的频谱特性数字基带信号的频谱特性 22 2 1212 2 2 12 1 ( )2(1)( )( )(0)(1)(0)( ) 2()(1)()() sss ssss m pff pp G fGffpGp Gf fpG mfp G mffmf 2 12 2(1)( )( ) s f pp GfGf 1. 不存在离散谱的条件：不存在离散谱的条件： 2. 不存在离散谱的情况举例不存在离散谱的情况举例： A. 双极性信号在信号的先验概率相等时；双极性信号在信号的先验概率相等时； B. 单极性信号的占空比为单极性信号的占空比为1时（有直流分量无离散分量）时（有

17、直流分量无离散分量） 功率谱密度中的离散谱功率谱密度中的离散谱 6.1.2 数字基带信号的频谱特性数字基带信号的频谱特性 12 ()(1)()0 ss pG mfp G mf 2 12 ()(1)()0 ss pG mfp G mf G(f) ps(f) -fs 0 fs f -fs 0 fs f 1( )0 s G mf 对于单极性波形：若设对于单极性波形：若设g1(t) = 0， g2(t) = g(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=1/2时，上式简化为时，上式简化为 【例例6-1】 求

18、单极性求单极性NRZ和和RZ矩形脉冲序列的功率谱。矩形脉冲序列的功率谱。 6.1.2 数字基带信号的频谱特性数字基带信号的频谱特性 22 ( )(1)( )(1) ()() SSSSS m Pff PP G ffP G mffmf 2 21 )()()1 ()()()(fGfGPPffPfPfP Svus m SSSS mffmfGPmfPGf)()()1 ()( 2 21 m SSSSS mffmfGffGffP)()( 4 1 )( 4 1 )( 2 2 2 l 若表示若表示“1”的波形是的波形是NRZ矩形脉冲，则矩形脉冲，则 6.1.2 数字基带信号的频谱特性数字基带信号的频谱特性 si

19、n ( )() S SSS S f T G fTT Saf T f T G(f) ps(f) -fs 0 fs f -fs 0 fs f 当当 f = mfs 时：若时：若m = 0，G(0) 0，故频谱，故频谱Ps(f)中中有直流分量有直流分量 而而 ，所以，所以Ps(f)中中没有离散分量没有离散分量 0)()(nSaTmfG SS l 若表示若表示“1”的波形是的波形是RZ矩形脉冲，且为半占空比，则矩形脉冲，且为半占空比，则G(f) 的频谱函数为的频谱函数为 6.1.2 数字基带信号的频谱特性数字基带信号的频谱特性 ( )() 22 SS Tf T G fSa 当当 f = mfs 时：若

20、时：若m = 0，G(0) 0，故频谱，故频谱Ps(f)中中有直流分量有直流分量 当当m为奇数时，为奇数时，Ps(f)中有中有离散离散 谱分量；谱分量； 当当m为偶数时，为偶数时，Ps(f)中没有中没有离离 散谱分量散谱分量。 对于双极性波形：若设对于双极性波形：若设g1(t) = - g2(t) = g(t) ，则由式子，则由式子 可得可得 当当P=1/2时，上式简化为时，上式简化为 【例例6-2】 求双极性求双极性NRZ和和RZ矩形脉冲序列的功率谱。矩形脉冲序列的功率谱。 6.1.2 数字基带信号的频谱特性数字基带信号的频谱特性 22 ( )4(1)( )(21) ()() SSSSS m

21、 Pff PP G ffPG mffmf 2 21 )()()1 ()()()(fGfGPPffPfPfP Svus m SSSS mffmfGPmfPGf)()()1 ()( 2 21 2 )()(fGffP SS 画出画出 得到得到 6.1.2 数字基带信号的频谱特性数字基带信号的频谱特性 2 )()(fGffP SS 本章内容本章内容 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 6.2 基带信号的常用码型基带信号的常用码型 6.3 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 6.4 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性 6.5 基带传输系统的抗噪声性能

22、基带传输系统的抗噪声性能 6.6 眼图眼图 6.7 部分响应和时域均衡部分响应和时域均衡 用于线缆连接（短距离传输）的场合。如交换机到卫星传用于线缆连接（短距离传输）的场合。如交换机到卫星传 输设备，网卡与输设备，网卡与Hub，路由器到传输设备等。，路由器到传输设备等。 通常期望数字信号具有以下特性：通常期望数字信号具有以下特性： 1. 不含直流不含直流 2. 丰富的定时信息丰富的定时信息 3. 功率谱主瓣宽度小，节省带宽功率谱主瓣宽度小，节省带宽 4. 编译码简单编译码简单 5. 一定的检错能力一定的检错能力 方法：对方法：对NRZ或或RZ脉冲序列进行编码，以满足上述要求。脉冲序列进行编码，

23、以满足上述要求。 传输码型（线路码型）的应用场合和选择原则传输码型（线路码型）的应用场合和选择原则 6.2 基带信号的常用码型基带信号的常用码型 l AMI码码：将将“1”交替反转，交替反转，“0”保持不变。保持不变。 消息码：消息码： 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 AMI码：码： 0 -1 +1 0 0 0 0 0 0 0 1 +1 0 0 1 +1 无直流分量，低频、高频分量少无直流分量，低频、高频分量少 一般是一般是AMI-RZ波形，译码电路简单（全波整流）波形，译码电路简单（全波整流） 无法解决长无法解决长0问题，提取定时困难问题，提取定时困难 常用传

24、输码型常用传输码型 6.2 基带信号的常用码型基带信号的常用码型 l HDB3：欧洲、中国：欧洲、中国PCM一次、二次、三次群接口标准一次、二次、三次群接口标准 当连当连0数目小于等于数目小于等于3时，编码规则与时，编码规则与AMI码一致；码一致； 当连当连0数多于等于数多于等于4时，每时，每4个连个连0编码成编码成000V，破坏脉冲，破坏脉冲V 的插入需要满足两个条件：的插入需要满足两个条件： V和之前一个非和之前一个非0脉冲值极性相等；脉冲值极性相等； V码间极性交替。码间极性交替。 若不能满足若不能满足V的两个条件，则插入调节脉冲的两个条件，则插入调节脉冲B来调节。来调节。 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 HDB3 1 0 0 0 V 0 -1 1 B 0 0 V 1 0 0 0 V 0 6.2 基带信号的常用码型基带信号的常用码型 l 双相码（曼切斯特码）：双相码（曼切斯特码）：10BASE-T以太网以太网 双极性双极性NRZ波形，用波形，用10表示表示“1”，用，用01表示表示“0”； 有定时信息，无直流分量，编码过程简单；有定时信息，无直流分量，编码过程简单； 频带带宽加倍，频带利用率低频带带宽加倍，频带利用率低 例例 消息码：消息码： 1 1