基带数字信号的表示和传输

第5章基带数字信号的表示和传输5.1概述5.2基带数字信号波形5.3基带数字信号常用码型5.4基带数字信号的频率特性5.5基带数字信号传输与码间串扰5.6眼图5.7时域均衡器

15.1概述1.数字信号的传输方式:基带传输方式

频带传输方式

2.基带传输系统模型.3.研究基带传输系统的必要性.

22.基带传输系统模型TS10011Eτm’(t)m(t)m1(t)m2(t)r(t)cp(t)m3(t)33.研究基带传输系统的必要性

a.因为在频带传输中也存在基带传输问题；

b.基带传输发展迅速，用于高速数据传输；

c.调制和解调看作广义信道，则任何频带传输系统可等效为一个基带传输系统。

45.2基带数字信号波形1.数字基带信号

就是消息代码的电波形形式。

消息代码的电波形的构成包含有两个因素：

一

消息代码的形式（即二进制或多进制代码）；二

表示单个码元的脉冲波形（即矩形脉冲、升余弦形脉冲、三角形脉冲、钟形脉冲和半余弦形脉冲等）。2.基带信号波形类型.

52.基带信号波形类型单极性不归零（NRZ）波形双极性不归零波形单极性归零（RZ）波形双极性归零波形差分波形多电平波形

6单极性不归零（NRZ）波形

特点：a.零电平——‘0’；

高电平——‘1’

b.脉码间无间隙：

c.有直流分量

通信中有隔直电容、变压器、直流成分无法通过，所以波形传输会出现失真。

代码10

0Ts7双极性不归零波形特点:

a.负电平——‘0’；

正电平——‘1’

b.τ=Ts

c.无直流分量不能直接提取位同步信号10-EE8单极性归零（RZ）波形特点：a.零电平--'0';正电平--'1'

b.脉码间有间隔

τ<Ts

c.有直流分量。τ109双极性归零波形特点：a.正电位--'1';负电位--'0'

b.脉码间有间隔τ<Ts

c.'0'、'1'等概出现时，无直流分量。

1010差分波形特点：用相邻码元的极性变化表示'1'、'0'。极性变化--'1'；极性不变--'0'

10011

传号差分码11多电平波形特点：利用多个二进制符号表示一个码元

00101101-313-112基带数字信号的波形单极性波形双极性波形单极性归零波形双极性归零波形差分波形多电平波形010110001-V0+V+V+V0+V-V0(a)(b)(c)(d)(e)(a)单极性波形(b)双极性波形(c)单极性归零波形(d)双极性归零波形(e)差分波形图5.3.1基带信号的基本波形-V图5.3.2多电平波形0+V+3V-3V二进制135.3基带数字信号常用码型

1.为什么要研究传输码型

2.数字基带传输码型应有的特性

3.常见的码型

141.为什么要研究传输码型

（1）数字基带信号不一定适合信道传输

例：a.对单极性基带波形，含丰富的直流和低频分量，在低频受限的信道中传输引起信号波形畸变；

b.对基带信号中存在长连零时，长时间出现0电电平，收端接收时系统难以保证传输同步。

（2）对数字基带信号的设计主要有两个方面的要求：

d.选择适合信道的传输码型--码型的选择；

e.设计单个码元的脉冲电波形--波形152.数字基带传输码型应有的特性（1）能从基带信号中提取定时信息（位同步）；

（2）无直流分量，低频成分小

（3）能适应信源的变化，码型变换只有透明性；

（4）能得到尽可能高的传输效率；

（5）具有内在的检错能力。

163.常见的码型1）AMI码（传号交替反转码）（AlternateMarkInversion）

编码规则：信息代码“0”--传输码0;信息代码“1”--交替变换传输码“+1，-1”

优点:a.无直流，低频成分高；

b.编译的电路简单；

c.易观察差错。

缺点：可能出现长连零，会造成定时失准；所以它的性能与信源统计特性有关。

172.HDB3码－3阶高密度双极性码编码规则：

（1）四个连0用取代节000V或B00V代替。（2）非四个连0时编码后不变，当两个相邻“V”码中间有奇数个1时有000V，为偶数个1时用B00V。（3）1，B的符号符合交换反转原则，V的符号破坏交替反转原则，但相邻V码符号相反。

消息码:100001000011000011AMI码:-10000+10000-1+10000-1+1HDB3码:-1000-V+1000+V-1+1-B00-V+1-1

-1000-1+1000

+1

-1+1

-1

00

-1

+1-1

特点：a.1交替变为"+1""-1"，与AMI相同；

b.连零数小于等于3，若大于3，以特定码组代替。

183.双相码－曼彻斯特码编码规则：消息码“0”传输码“01”

消息码“1”传输码“10”

例：

消息码：

11

0

0

10

1 双相码：1010

01

01

10

01

10 优缺点：只有2电平，可以提供定时信息，无直流分量；

但是占用带宽较宽。+E-E1001194.密勒码编码规则： 消息码“1”用中点处电压的突跳表示，或者说用“01”或 “10”表示； 消息码“0”单个消息码“0”不产生电位变化， 连“0”消息码则在边界使电平突变，或者说用 “11”或“00”表示特点：当“1”之间有一个“0”时，码元宽度最长（等于两倍消息码的长度）。这一性质也可以用来检测误码。产生：双相码的下降沿正好对应密勒码的突变沿。因此，用双相码的下降沿触发双稳触发器就可以得到密勒码。00消息码：10110001双相码：10011010 01010110双相码波形：双相码相位：0 00

0密勒码：205.CMI码－传号反转码编码规则：消息码“1”交替用“11”和“00”表示； 消息码“0”用“01”表示，00消息码：10110001双相码：10011010 01010110双相码波形：双相码相位：0 00

0密勒码：0CMI码：215.4基带数字信号的频率特性1.基带数字信号的频率特性分析方法2.随机信号序列的表示3.频率特性分析

221.基带数字信号的频率特性分析方法基带信号s(t)是一随机脉冲序列，功率谱分析可采用求自相关函数的方法即：Ps(f)

是R(г)的傅立叶变换；这里另一种方法，步骤为：

（1）由s(t)的截短信号

sc(t)求s(t)的功率谱密度；

（2）由截断信号sc(t)得到其稳态波分量及交变波分量；

（3）求交变波的功率谱密度；

（4）求稳态波的功率谱密度；

（5）最后得到的功率谱密度。

232基带数字信号的表示设信号中“0”和“1”的波形分别为g1

(t)和g2

(t)，

码元宽带为T。(b)g2(t)波形g2(t)0g1(t-nt)g2[t-(n+1)]

00101Tts(t)(c)s(t)波形(a)g1(t)波形0g1(t)243.频率特性分析假设随机信号序列是一个平稳随机过程，其中“0”和“1”的出现概率分别为P和(1P)，而且它们的出现是统计独立的.则有：式中，其功率谱密度：式中，Tc为截取的一段信号的持续时间，设它等于：若求出了截短信号sc(t)的频谱密度Sc(f)，利用上式就能计算出信号的功率谱密度Ps(f)。25计算结果： 双边功率谱密度表示式： 单边功率谱密度表示式：26功率谱密度计算举例单极性二进制信号 设信号g1(t)=0,g2(t)=g(t)，则由其构成的随机序列的双边功率谱密度为：

式中，G(f)是g(t)的频谱函数。当P=1/2，且g(t)为矩形脉冲时，即当时，g(t)的频谱函数为故有27双极性二进制信号 设信号g1(t)=-g2(t)=g(t)，则由其构成的随机序列的双边功率谱密度为： 当P=1/2时，上式可以改写为 若g(t)为矩形脉冲，则将其频谱G(f)代入上式可得由上面两个例子可以看出：

1.在一般情况下，随机信号序列的功率谱密度中包含连续谱和离散谱两个分量。但是对于双极性信号g(t)=-g(t)，且概率P=1/2时，则没有离散谱分量。

2.若g1(t)=g2(t)，则功率谱密度中没有连续谱分量，只有离散谱。－为周期性序列，不含信息量。28基带传输抽样判决H(f)5.5基带数字信号传输与码间串扰1基带数字信号传输系统模型

发送滤波器信道接收滤波器抽样判决噪声GR(f)C(f)GT(f)设：GT(f)－发送滤波器的传输函数，

GR(f)－接收滤波器的传输函数，

C(f)－信道的传输函数，

H(f)=GT(f)C(f)GR(f)。292码间串扰12码间干扰3303无码间串扰的基带传输特性

码间串扰－相邻码元间的互相重叠码间串扰产生的原因－系统总传输特性H(f)不良。码间串扰的特点－随信号的出现而出现，随信号的消失而消失（乘性干扰）31无码间串扰条件1.时域条件(设t0＝0）

某一码元时间内的输入信号经过系统的响应，在本码元抽样时刻的取值不为0，而在其它码元抽样时刻的取值为0。举例：322.频域条件（奈奎斯特第一准则）

a.表达式一：

将基带系统的频率特性H(f)在频率轴上以fs为间隔切开，然后分段沿频率轴平移到(-fs/2，fs/2)区间内，将它们叠加起来，其结果应当在(-fs/2，fs/2)区间内为常数，其它区间内为0。举例：33b.表达式二：

将基带系统的频率特性H(f)沿频率轴左右平移fs的整数倍，将它们叠加起来，其结果应当在整个频率轴上为一常数举例：34二.常见的无码间串扰基带系统理想低通系统其时域特性：其频率特性：35频率宽度：1/2Ts

系统最高频带利用率：2B/Hz最高码元速率：1/Ts最高传码率：2W（Ｂ）奈奎斯特速率362.升余弦滚降系统其时域特性：其频域特性：37频率宽度：

系统最高频带利用率：最高码元速率：

最高传码率：38两种系统的比较

理想低通系统的频带利用率高，但系统时域响应衰减慢，对定时信号相位抖动敏感。

余弦滚降系统的频带利用率低，但对抽样信号相位抖动要求不严格。394部分响应系统部分响应系统解决的问题：理想矩形传输特性：带宽最小，但不可实现，滚降特性：可以实现，但带宽增大了。部分响应特性：可以解决上述矛盾。部分响应特性原理：

例：设传输函数H(f)为理想矩形。当加入两个相距时间T的单位冲激时，输出波形是两个sinx/x波形的叠加：式中，W=1/2Tf1/2TG(f)40上波形的频谱为： －余弦形，带宽1/2T。输出波形公式g(t)可以化简为:

－g(t)值随t2的增大而减小。由上式可得，若用g(t)作为码元的波形，并以间隔T传输，则在抽样时刻上仅相邻码元之间互相干扰，而在抽样时刻上与其他码元互不干扰。表面观察，由于图中相邻码元间存在干扰，似乎不能以时间间隔T传输码元。但是，因为这种干扰是确知的，故有办法仍以1/T

波特的码元速率正确传输。抽样时刻a-1a0

a1

a241设系统输入的二进制码元序列为{ak}，其中ak=1。当发送码元ak时，接收波形在相应抽样时刻上的抽样值Ck决定于下式：

Ck的可能取值只有＋2、0、－2，由上式可知：∴如果前一码元ak-1已知，则在收到Ck后，就可以求出ak值。上例说明：原则上，可以达到理想频带利用率，并且使码元波形的“尾巴”衰减很快。存在问题：错误传播。故不能实用。42实用部分响应特性： 设：发送端的输入码元ak用二进制数字0和1表示 首先将ak按照下式变成bk：

式中，为模2加法，

bk为二进制数字0或1。将{bk}用来传输。仿照上述原理，有－预编码（相关编码）若对上式作模2加法运算，则有上式表明，对Ck作模2加法运算，就可以得到ak，而无需预知ak-1，并且也没有错误传播问题。43例：设输入{ak}为11101001，则编解码过程为： 初始状态bk-1＝0初始状态bk-1＝1

二进制序列{ak} 11101001 11101001

二进制序列{bk-1} 0101100010100111

二进制序列{bk} 1011000101001110

序列{Ck} 11121001 11101221

二进制序列{[Ck]mod} 11101001 11101001

双极性输入序列{ak} ＋＋＋－＋－－＋＋＋＋－＋――＋

双极性信号序列{bk}＋－＋＋―――＋－＋――＋＋＋－

双极性信号序列{bk-1} －＋－＋＋―――＋－＋――＋＋＋

序列{Ck} 00020–2–20000–20220判决准则：若Ck

=0，判为ak=+1；若Ck=2，判为ak=-1。44方框图第一类部分响应系统、双二进制(Duobinary)信号传输系统T＋发送滤波器接收滤波器相加模2判决T抽样脉冲(a)原理方框图＋发送滤波器接收滤波器相加模2判决T抽样脉冲(b)实际方框图45一般部分响应特性： 令

式中，kn(n=1,2,…,N)－加权系数，可以取正、负或零值 对上式中g(t)作傅里