第三章数据信号基带传输

第三章数据信号基带传输结束放映学习目录学习要求内容简介作者：蒋占军内容简介——基带传输是数据通信中的基本传输方式，数据终端只要经过简单的电平和码型变换后就可以在信道中直接传输，主要应用在局域网等短距离的数据传输中。——本章主要介绍基带信号的特性，基带传输系统的组成，无码间干扰传输系统的设计，以及部分响应、时域均衡以及数据扰码等提高系统传输性能的技术。返回结束学习要求1.掌握基带信号的常用码型的特点。2.了解基带信号的频谱结构3.

掌握基带传输系统的组成。4.

掌握码间干扰的概念以及无码间干扰传输的条件。5.了解基带传输系统的性能。6.

了解眼图的功能。7.

掌握部分响应、时域均衡以及数据加扰的基本原理返回结束学习目录返回3.1数据基带信号分析3.2基带传输系统组成3.3无码间干扰的基带传输系统3.4眼图3.5基带传输系统性能分析3.6改善系统性能的几个措施

结束3.1数据基带信号本节内容提要：基带传输中设计或选择信号码型对时的要求：

不含直流分量，且高频分量和低频分量要少

便于定时于同步信息地提取

编码方案对信源透明

码型具有一定抗噪声性能

码型具有较高的编码

码型没有或者只有很小的误码增值

码型变换设备要简单可靠

本节将介绍NRZ码、双极性码、RZ码、双极性归零码、双相码、

AMI码、HDB3码等码性的编码规则、频谱组成、特点及应用等3.1.1常用基带信号

编码规则：高电平表示1码，零电平表示0码；波形如下：1.单极性不归零(NRZ)码

特点及应用：

发送能量大有利于提高收端信噪比

带宽窄但直流和低频成分大；

不能提取同步信息

判决电平不易稳定

一般用于设备内部和短距离通信中。3.1.1常用基带信号

编码规则：高电平表示1码，零电平表示0码；电平的持续时间τ比码元周期Tb小，其波形如下：2.单极性归零(RZ)码

特点及应用：

具有单极性码的大多特点但带宽增大，

可以直接提取同步信息

一般用于设备内部和短距离通信中。

占空比：τ/Tb

，典型的取值是τ/Tb=50%3.1.1常用基带信号

编码规则：用高电平表示“1”，低电平表示“0”，3.双极性归零码

特点及应用：

发送能量大有利于提高收端信比

无直流但低频成份大

不能提取同步信

判决电平容易稳定，无需线路接地3.1.1常用基带信号

编码规则：用高电平表示“1”，低电平表示“0”，电平的持续时间

τ比码元周期Tb小，其波形如下：4.双极性不归零码

特点及应用：

具有双极性码的优点

比较容易提取同步信息

占空比：τ/Tb

，典型的取值是τ/Tb=50%3.1.1常用基带信号

编码规则：差分码是用相邻两个电平变化与否表示“1”和“0”，所以又称为相对码记作bn

5.差分码

特点及应用：

即使传输过程中所有电平都发生了反转，接收端仍能正确判决

是数据传输系统中的一种常用码型3.1.1常用基带信号

编码规则：“1”用高低电平交替表示，“0”用零电平表示6.极性交替码(AMI码)

特点及应用：

不包含直流分量，低频分量也很少

比较容易提取同步信息3.1.1常用基带信号7.三阶高密度双极性码(HDB3)

特点及应用：

具有AMI码的所有优点

编译码电路较复杂

编码规则：

B码(1码以及补救脉冲)用高低电平交替表示

V码(破坏脉冲)极性交替，且与其前面第一个B码极性相同；3.1.1常用基带信号

编码规则：“1”用高低电平表示，“0”用低高电平表示；8.曼彻斯特码

特点及应用：

不含直流分量，定时信息丰富

具有编码冗余

极性反转时会引起译码错误3.1.1常用基带信号

编码规则：n个二进制码元(比特)用m个二进制码元(比特)编码9.nB/mB码

特点及应用：

具有差分码的特点

比较容易提取同步信息3.1.2基带信号的频谱1.数字基带信号的一般表达式

数字信号的波形如下图所示，假设“1”用g1(t)表示，“0”用g2(t)表示

假设在一个码元周期Tb内“1”出现的概率为P，“0”出现的概率为1-P，3.1.2基带信号的频谱

其中an是第n个脉冲的相对幅度，其取值与所用码型有关，

对于双极性信号：

对于单极性信号有：3.1.2基带信号的频谱2.信号对应的功率谱fb=1/Tb，数值上等于码元速率RB

G1(f)和G2(f)分别为g1(t)和g2(t)的傅氏变换式中的第一项表示连续谱，由其可以确定信号的带宽第二项是离散谱，由其可以判断信号有无直流分量以及是否包含同步信息3.1.2基带信号的频谱

部分码型的功率谱结构如下图所示：(a)单极性码(b)单极性归零码(c)AMI码和HDB3码(d)双极性码

3.2基带传输系统的组成本节内容提要：3.2.1二进制传输基带传输系统二进制传输系统的组成以及各组成部分的功能3.2.2多进制传输基带传输系统多进制传输系统的组成及其特点

3.2.1二进制传输基带传输系统

码型变换器是将数据信号转换成更适合于信道传输的码型发送滤波器进行信号波形转换接收滤波器完成抑制带外噪声、均衡信号波形等功能，使其输出波形更有利于抽样判决同步系统作用是通过特定方法提取同步信息，并产生同步控制信号抽样判决器是在位同步脉冲的控制下对信号波形抽样，并按照特定码型的判决规则恢复原始数据信号

3.2.1二进制传输基带传输系统

系统各部分波形如下图所示3.2.2多进制传输基带传输系统

多进制基带传输系统结构二进制系统相比较，区别实在于收发两端加二进制和M进制的转换设备和二进制相较，多进制数据传输系统具有以下特点：在码元速率相同的条件下，多进制系统可以实现更高的信息速率在信息速率相同的条件下，有利于提高传输可靠性多进制系统需要维持多个判决电平，在相同信号功率输入时，抵抗噪声干扰的能力较弱，所以此时其系统误码率比二进制大多进制系统设备更复杂

3.3无码间干扰的基带传输本节内容提要：3.3.1码间干扰及其数学分析

3.3.2无码间干扰的传输特性

码间干扰的定义码间干扰的数学表达消除码间干扰的时域条件

无码间干扰传输的频域条件理想低通传输特性滚降传输特性3.3.1码间干扰及其数学分析

码间干扰——由于系统的传输特性不理想，致使码元波形畸变，引起前后码元相互干扰的现象3.3.1码间干扰及其数学分析

基带传输系统的简化模型

只需要对H(ω)作合理设计，在抽样判决器前就可以得到理想的波形

3.3.1码间干扰及其数学分析

假设信道噪声为加性噪声记作n(t),经过系统传输后输出为nR(t),则

如果对第k个码元抽样，抽样时刻为t0+kTb，则所得的样值是：

改写上式，得：3.3.1码间干扰及其数学分析

第一项对应第k个码元的样值第三项nR(t0+kTb)是抽样时刻噪声的样值第二项是其它码元在第k个码元抽样时刻的样值即码间干扰

通过设计h(t)的波形（即设计系统的传输特性H(ω)）可以实现无码间干扰的传输，典型波形如下图所示3.3.1码间干扰及其数学分析

经过上面分析，可以得出当h(t)满足下式时就可以消除码间干扰

令k-n=k’，因为函数与自变量符号无关，所以把k’记作k，并设传输时延t0=0得到式：3.3.2无码间干扰的传输特性1.无码间干扰传输的频域条件

传输特性H(ω)和单位冲激响应h(t)是一对傅氏变换对：当t=kTb时:

对上式按照ωb=2π/Tb的长度用分段积分的形式表示为:3.3.2无码间干扰的传输特性

用Hn(ω)表示第n个区间内的H(ω)则:

令ω’=ω-nω，则ω=ω’+nω，dω=dω’，所以:3.3.2无码间干扰的传输特性

基带传输系统的等效传输特性若Heq(ω)满足理想传输特性，即此时系统的冲激响应满足无码间干扰的时域条件，可实现无码间干扰的传输BN=π/Tb(rad/s)=fb/2(Hz)。

奈奎斯特带宽3.3.2无码间干扰的传输特性实例分析——三角传输特性3.3.2无码间干扰的传输特性2．理想低通传输特性

当系统的传输特性在奈氏带宽内就是理想低通特性，

此时系统的单位冲激响应为3.3.2无码间干扰的传输特性——传输速率为RB=1/Tb=fb

Baud，信道带宽为B=fb/2

Hz，所以频带利用率r=RB/B=2Baud/Hz。——当系统的传输特性在奈氏带宽内是理想低通特性时，若发送端以其截至频率两倍的速率传输信号，接收端仍以间隔Tb在码元峰值处抽样就可以消除码间干扰，此时可以得到最大的频带利用率2Baud/Hz

奈奎斯特第一准则3.3.2无码间干扰的传输特性3．实用传输特性

滚降特性

图中ωN=π/Tb，是奈氏带宽只要H1(ω)正负频域部分分别关于(ωN,0)和(-ωN,0)对称就可以产生滚降α=ωr/ωN为滚降系数，0≤α≤1，α=0时，就是理想低通特性3.3.2无码间干扰的传输特性

升余弦特性

系统特性3.3.2无码间干扰的传输特性

冲激响应

频带利用率3.4眼图

眼图是一种常用估计码间干扰大小的实验方法

眼图——在数据传输系统收端接收滤波器之后跨接一个示波器，然后调节示波器的水平扫描周期，当其为码元周期的整数倍时，示波器上就会出现类似眼睛的图形信号波形无失真3.4眼图理想眼图的模型信号波形有失真3.5基带传输系统性能分析

信道传输特性理想，无码间干扰信道噪声为加性高斯白噪声，其期望为0，单边功率谱密度为n0，输出噪声nR(t)平均功率为σ2=N=Bn0，B为接收滤波器带宽输出噪声的一维概率密度函数为：

数据信号以双极性二进制码型传输

分析环境

在一个码元周期内，到达接收端抽样判决器的信号为：3.5基带传输系统性能分析

发“1”时，收端接收到的信号A+nR(t)的一维概率密度函数为：

发“0”时，收端接收到的信号A-nR(t)的一维概率密度函数为：3.5基带传输系统性能分析

信道误码率公式3.5基带传输系统性能分析Vb为判决电平，使系统误码率最小的判决电平为最佳判决电平，为：

当“1”和“0”等概出现时Vb*=0，此时系统的总误码率为：

采用单极性码型传输时的误码率为：3.5基带传输系统性能分析3.6改善数据传输系统性能的几个措施本节内容提要：3.6.1部分响应

3.6.2时域均衡

部分响应技术的原理

第I类部分响应波形形成及系统组成

时域均衡器组成时域均衡原理

3.6.3数据加扰

数据搅扰原理

m序列3.6.1部分响应1．部分响应波形

部分响应波形频带利用率高，且摆尾衰减速度快的，由多个抽样函数Sa(t)加权移相叠加得到，其一般表达式为：其中k1,k2,…,kN是N个抽样函数的加权系数，一般取±1、0、2，部分响应波形的谱函数为：3.6.1部分响应1．部分响应波形

部分响应波形由多个抽样函数Sa(t)加权移相叠加得到一般表达式为：

部分响应波形频谱3.6.1部分响应2．部分响应系统分类3.6.1部分响应3.6.1部分响应3．第I类部分响应系统

第I类部分响应波形3.6.1部分响应

数据传输

除第一个样值c0以外，其它样值中前一个码元对后一个码元都有码间干扰，这种码间干扰可以按照下式消除3.6.1部分响应发端数据ak

：0101100101收端样值ck

：0111210111判决结果ak,：0101100101

实例分析

该系统中必须知道初始值a0

，并存在错误传播发端数据ak

：0101100101收端样值ck

：0111210111判决结果ak,：010101-12-12

解决错误传播的有效方法是采用预编码和相关编码3.6.1部分响应

收端只需对ck作模2运算即可得到ak，即ak≡ck[模2]

预编码bk=ak⊕bk-1

相关编码ck=bk+bk-1

实例分析ak

：0101100101bk=