数据信号的传输-2

数据通信原理方莉北京邮电大学信通院TelEmail：mrs.fangli@课程简介第一章概述第二章数据信号传输第三章差错控制第四章数据交换第五章通信协议第六章数据通信网目录2

第二章数据信号传输第一节数据信号及特性描述第二节数据信号的基带传输第三节数据信号的频带传输第四节数据信号的数字传输3

第二节数据信号的基带传输什么是基带传输？基带是指未经调制变换的信号所占的频带，基带信号的频谱一般从零开始，一直到一定的频率，是低通型信号；不搬移基带信号频谱的传输方式。为什么要研究数据信号的基带传输？频带系统也存在基带传输问题，基带系统中的许多概念、理论可直接应用于频带系统；理论上，频带传输系统总有一个基带传输系统与之对应—等效基带系统；实际中存在基带传输(设备内部、外设)，不只用于低速率传输，还有高速传输，并有迅速发展的趋势；4

第二节数据信号的基带传输主要内容基带传输系统的构成模型几种形成网络数据传输系统中的时域均衡5

第二节数据信号的基带传输掌握基带传输系统构成模型中各部分的作用、形成网络的概念几种形成网络的特点，，符号间干扰情况和特点；时域均衡的思路6

第二节数据信号的基带传输2.1数据基带信号分析2.2基带传输系统组成2.3理想低通网络2.4滚降低通网络2.5部分响应系统2.6数据序列的扰乱和解扰2.7基带传输的时域均衡72.1数据基带信号分析基带数据信号：DTE输出的数据信号代码序列称为基带数据信号。其特征为信号的能量主要集中于从0开始至某一频率的低通型频带。基带：这种基带数据信号所占的低通型频带。基带传输：不搬移基带信号频谱的传输方式。数据通信系统的基本构成8

第二节数据信号的基带传输2.1数据基带信号分析2.2基带传输系统组成2.3理想低通网络2.4滚降低通网络2.5部分响应系统2.6数据序列的扰乱和解扰2.7基带传输的时域均衡9

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；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（可能产生差错）。

2.2基带传输系统组成二进制传输基带传输系统102.2基带传输系统组成发送滤波器：限制信号频带并起波形形成作用。发送滤波器和加宽电路合起来作为图中发送滤波器。112.2基带传输系统组成信道：信号的传输媒介，如双绞线、电缆或无线信道等；接收滤波器(包含均衡器)：用来滤除带外噪声和干扰，并起波形形成作用；均衡器用来均衡信道特性的不理想。12

2.2基带传输系统组成13

2.2基带传输系统组成基带传输系统的构成模型发送滤波器和加宽电路合起来作为图中发送滤波器；因此图中{ak}是数据终端输出的数据序列，可以用冲激脉冲序列来表示：{ak}14

多进制基带传输系统结构与二进制系统相比较，区别在于收发两端加二进制和M进制的转换设备；

和二进制相比较，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；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。

2.2基带传输系统组成152.2基带传输系统组成研究基带传输系统的基本出发点：误码率足够小，必须最大限度的减少符号间干扰和随机噪声的影响。不考虑噪声，只考虑信道的传输特性对系统的影响和改进措施；信道传输特性理想时，考虑噪声对系统性能的影响；162.2基带传输系统组成形成滤波器（形成网络）：从发送滤波器到接收滤波器(均衡器）。

172.2基带传输系统组成对于形成网络的要求：（1）在有效的频带范围内，频带利用率要高；（2）可靠性高，误码率要低，即要求e点的波形无码间干扰；（3）物理上可实现；

18

第二节数据信号的基带传输2.1数据基带信号分析2.2基带传输系统组成2.3理想低通网络2.4滚降低通网络2.5部分响应系统2.6数据序列的扰乱和解扰2.7基带传输的时域均衡192.3理想低通网络描述网络特性传输函数H(f)冲激响应函数h(t)H(f)和h(t)是傅氏变换的关系；202.3理想低通网络理想低通形成网络特性假定基带数据传输系统构成模型中，形成网络特性是理想低通传输特性。其传输函数为：

212.3理想低通网络理想低通形成网络传输函数为：

fH(f)10fN-fN222.3理想低通网络冲激响应：这样的网络对单位冲激脉冲δ(t)的响应为网络传递函数的傅立叶反变换：232.3理想低通网络冲激响应h(t)波形的特点：①每隔1/2fN出现一个零点；②波形“尾巴”以1/t的速度衰减，衰减很慢。

242.3理想低通网络无码间干扰条件252.3理想低通网络例如：数据序列（单极性码）101101经过理想低通波形形成网络后的波形结论：抽样脉冲周期T＝1/2fN时，抽样最准确，无码间干扰。262.3理想低通网络奈奎斯特第一准则

如果系统等效网络具有理想低通特性，且截止频率为fN时，则该系统中允许的最高码元（符号）速率为2fN，这时系统输出波形在峰值点上不产生前后符号间干扰。272.3理想低通网络奈奎斯特第一准则理解要点：①把fN称为奈奎斯特频带，2fN波特称为奈奎斯特速率，T＝1/2fN称为奈奎斯特间隔。②这个定理表明，在频带fN内，2fN波特是极限速率，所以系统的最高频带利用率为2Bd/Hz。282.3理想低通网络奈奎斯特第一准则理解要点：③在比特速率相同下，采用多电平传输的符号速率要下降，从而使码元间隔增大，最后导致奈氏带宽下降。29

2.3理想低通网络例：一个理想基带传输系统，若奈氏带宽不变，采用8电平传输时的传信速率与4电平传输时的传信速率的关系是什么？解：30

2.3理想低通网络理想低通网络的特点：满足奈氏第一准则（无符号间干扰）。频带利用率达到了2Bd/Hz的极限。波形“尾巴”衰减较慢，对定时脉冲的精度要求较高。物理上不可实现。31知识回顾理想低通形成网络特点：32

2.3理想低通网络理想低通在实际应用中存在两个问题理想矩形特性的物理实现极为困难；理想的冲激响应h(t)的“尾巴”很长，衰减很慢，当存在定时偏差时，可能出现严重的码间串扰；理想低通陡峭的截止带使得其时域冲击响应旁瓣时间长，衰减慢33

2.3理想低通网络由于理想低通在实际应用中的问题，1)物理不可实现2)对定时要求高需要设计一个传输系统，既可以物理实现，又能满足奈氏第一准则：速率为2fN的序列通过该系统后能在所有按间隔T=1/2fN的取样点处不产生码间干扰。解决办法：适当放宽频带，将理想矩形截止边际修正为一个圆滑的滚降形状；34

第二节数据信号的基带传输2.1数据基带信号分析2.2基带传输系统组成2.3理想低通网络2.4滚降低通网络2.5部分响应系统2.6数据序列的扰乱和解扰2.7基带传输的时域均衡352.4滚降低通网络滚降特性的低通网络为满足奈氏准则，要求形成滚降特性的条件是过理想低通特性的(fN,1/2)点处作奇对称的函数。362.4滚降低通网络滚降特性的低通网络(fN,0.5)372.4滚降低通网络从网络理论可知，滚降低通特性网络是物理可实现的;并可证明，只要按奇对称条件所构成滚降特性低通网络，其冲激响应的前导和后尾仍是每隔T=1/2fN的时间经过零点，从而满足按间隔T=1/2fN的采样间隔不产生码间干扰的要求。由于奇对称的滚降条件，滚降后的低通网络的截止频率比理想低通特性的截止频率有所展宽，具体展宽的数值与所实现的滚降特性有关。382.4滚降低通网络设为滚降因子；fa为由于滚降而使截止频率与fN相比所增加的频带，为满足奇对称的条件，0≤fa≤fN，则0≤≤1。带宽B=(1+)fN频带利用率=2/(1+)波特／赫兹392.4滚降低通网络滚降的条件是奇对称，对具体的形状没有具体要求，因此有多种幅频特性可以满足这一要求；采用较多的是升余弦形状的幅频特性，如下图：402.4滚降低通网络升余弦幅频特性网络的冲激响应为：412.4滚降低通网络从曲线可以看出：波形的“尾巴”以1/t3的速度衰减，越大，其冲激响应的前导和后尾衰减越快，因此越大允许采样定时相位有较大的偏移；越大，频带利用率就越小，因为=2/(1+);当=1，=1Bd/Hz;422.4滚降低通网络滚降低通特性结论：

若滚降低通网络的幅度特性以C点（fN,1/2）呈奇对称滚降，则其输出响应波形在取样判决点无符号间干扰，即满足奈氏第一准则。432.4滚降低通网络滚降低通特性结论：

满足无符号间干扰的条件;频带利用率不能达到2Bd/Hz的极限;波形“尾巴”衰减较快，对定时脉冲的精度要求不高;物理上可实现。44

2.4滚降低通网络滚降低通特性结论：

(a)η与α成反比(b)1≤η<2（2Bd/Hz是极限频带利用率）

452.4滚降低通网络例1：一形成滤波器幅度特性如下图所示。①如果符合奈氏第一准则，其符号速率为多少？α为多少？②采用八电平传输时，传信速率为多少？③频带利用率η为多少？f01|H(f)|1/220004000C462.4滚降低通网络例1：一形成滤波器幅度特性如下图所示。①如果符合奈氏第一准则，其符号速率为多少？α为多少？解：①如果符合奈氏第一准则，应以（fN,0.5）呈奇对称滚降特性，由图可得：472.4滚降低通网络例1：一形成滤波器幅度特性如下图所示。②采用八电平传输时，传信速率为多少？③频带利用率η为多少？解：②传信速率:③频带利用率:482.4滚降低通网络例2：按奈氏第一准则设计一个基带传输系统。该系统采用4电平传输，滚降系数α＝0.2，传信速率为128kbit/s。试定性画出系统的传递函数幅度特性。解：49知识回顾滚降低通形成网络特点：50

第二节数据信号的基带传输2.1数据基带信号分析2.2基带传输系统组成2.3理想低通网络2.4滚降低通网络2.5部分响应系统2.6数据序列的扰乱和解扰2.7基带传输的时域均衡512.5部分响应系统理想低通：波形Sa(x)，频带利用率可达理论上的最大值2Bd/Hz，物理不可实现；它的h(t)的尾巴振荡幅度大、收敛慢，从而对定时要求十分严格；滚降低通：物理可实现，所需的频带却加宽了，频带利用率<2Bd/Hz，降低了系统的频带利用率；共同点：取样判决时刻不产生码间干扰。522.5部分响应系统问题：能否找到频带利用率为2Bd/Hz，满足“尾巴”衰减大、收敛快，实际中又可以实现的传输特性？答案：有控制地在某些码元的抽样时刻引入码间干扰，而在其余码元的抽样时刻无码间干扰，那么就能使频带利用率提高到理论上的最大值，同时又可以降低对定时精度的要求。通常把这种波形称为部分响应波形。利用部分响应波形进行传送的基带传输系统称为部分响应系统。532.5部分响应系统奈奎斯特第二准则：引入一定的、受控的ISI(采用相关编码，在前后符号之间引入相关性，以改变信号功率谱特性)，压缩传输频带，可达到2Baud/Hz的理论极限，同时降低对定时精度的要求。ISI:intersymbolinterference，符号间干扰部分响应波形和部分响应传输系统542.5部分响应系统理想低通的冲激响应：部分响应系统思路：如果形成波形是两个（或两个以上）这样的项在时间错开所组成，这样合成波的表达式在分母通分之后将出现t2（或t3等）项，即随着t2（或t3等）波动衰减，从而加快了响应波形的前导和后尾的衰减。

55常见的部分响应形成系统有：

第一类部分响应形成系统

第四类部分响应形成系统

2.5部分响应系统562.5.1第一类部分响应系统观察：相距一个码元间隔的两个sinx/x波形的“拖尾”刚好正负相反，思路：利用这样的波形组合肯定可以构成“拖尾”衰减很快的脉冲波形572.5.1第一类部分响应系统采用两个间隔为一个码元宽度T的sinx/x相加582.5.1第一类部分响应系统第一类部分响应系统①给出h(t)公式②画出方框图③推导H(f)

④分析h(t)特性⑤引出有预编码的第一类部分响应（形成）系统592.5.1第一类部分响应系统①h(t)②系统方框图602.5.1第一类部分响应系统②系统方框图等效系统方框图①→②：相关编码器612.5.1第一类部分响应系统③推导H(f)先求H12(f)，然后求H(f);h12(t)←→H12(f)傅氏变换关系622.5.1第一类部分响应系统③推导H(f)632.5.1第一类部分响应系统③推导H(f)642.5.1第一类部分响应系统③推导H(f)652.5.1第一类部分响应系统④h(t)的特性662.5.1第一类部分响应系统④h(t)的特性：td＝01)零点的位置t=k/4fN,k=±3,±5...2)波形的“尾巴”以1/t2的速度衰减672.5.1第一类部分响应系统问题：是否存在码间干扰？

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:682.5.1第一类部分响应系统④h(t)的特性结论：

第一类部分响应形成系统的波形有码间干扰。但若取样判决点选在波峰往前T/2处，只有前一个码元对它有干扰，此干扰是固定的，可以消除的。69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2.5.1第一类部分响应系统702.5.1第一类部分响应系统④h(t)的特性结论：

存在误码扩散问题：如果接收时因信道噪声使接受判决错误，就可能使下一个码发生误判，这种现象称为误码扩散。采用预编码的方式解决。712.5.1第一类部分响应系统⑤有预编码的第一类部分响应系统72

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：0101100101

bk-1：00110111001bk=ak⊕bk-1：00110111001ck=bk+bk-1：0121122101ak=ck[模2]：0101100101c’k：0121112101a’k=ck[模2]：01011101012.5.1第一类部分响应系统732.5.1第一类部分响应系统⑤有预编码的第一类部分响应系统

收端只需对ck作模2运算即可得到ak，即ak≡ck[模2],不需预先知道ak-1就可以进行判决，所以不存在误码扩散问题。742.5.1第一类部分响应系统第一类部分响应形成系统的特点：有码间干扰，但是固定的，可以消除的。频带利用率能达到2Bd/Hz的极限。波形“尾巴”衰减较快，对定时脉冲的精度要求不高。物理上可实现。75知识回顾第一类部分响应系统76

第一类部分响应系统例：已知一个数据序列ak，通过第一类部分响应形成系统，如图所示，试填出表中所列其它各行的数据。

ak00110010bk(0)bk-1ck77

第二节数据信号的基带传输2.1数据基带信号分析2.2基带传输系统组成2.3理想低通网络2.4滚降低通网络2.5部分响应系统2.6数据序列的扰乱和解扰2.7基带传输的时域均衡78

2.6数据序列的扰乱与解扰扰乱：就是将输入数据按某种规律进行变换，使之具有足够的随机性。解扰：经过扰乱的数据通过系统传输后，在接收端还要还原成原始数据序列，这就需要在接收端进行扰乱的逆过程。79

2.6数据序列的扰乱与解扰扰乱的作用破坏数据序列中存在的长连“0”或长连“1”以及一些短周期序列。因为这样的数据序列对传输系统是不利的，后果如下：可能产生串音干扰；可能造成传输系统失步；可能造成均衡器调节信息丢失；80

数据加扰系统

2.6数据序列的扰乱与解扰81

第二节数据信号的基带传输2.1数据基带信号分析2.2基带传输系统组成2.3理想低通网络2.4滚降低通网络2.5部分响应系统2.6数据序列的扰乱和解扰2.7基带传输的时域均衡822.7基带传输的时域均衡问题：实际实现时，由于难免存在滤波器的设计、实现误差和信道特性的变化，所以无法实现理想的传输特性，因而导致系统性能的下降。解决方法：在接收滤波器和抽样判决器间加均衡器;作用：校正或补偿系统特性，减小码间串扰的影响;假设：信道特性C(f)已知；832.7基带传输的时域均衡频域和时域均衡频域均衡：利用可调滤波器的频率特性去补偿基带系统的频率特性(校正幅频特性和群迟延特性)时域均衡:直接从时域校正系统的冲激响应；线性和非线性均衡线性均衡：线性滤波器作均衡器非线性均衡：判决反馈均衡器(DFE)和最大似然序列估计器(MLSE)842.7基带传输的时域均衡时域均衡的作用：

利用接收波形本身来进行补偿以消除采样点的符号间干扰，提高判决的可靠性；时域均衡是对信号在时域上进行处理，较频域均衡更直接、直观。85时域均衡的思路消除接收的时域信号波形的取样点处的码间干扰，并不要求传输波形的所有细节都与奈氏准则所要求的理想波形完全一致。可以利用接收波形本身来进行补偿以消除取样点的符号间干扰，提高判决的可靠性。2.7基带传输的时域均衡862.7基带传输的时域均衡时域均衡器的组成主要是由横截滤波器构成，它是由三部分(多级抽头迟延线、可变增益电路和求和器)组成的线性系统。时域均衡器构成872.7基带传输的时域均衡时域均衡的基本原理满足无码间干扰的条件：882.7基带传输的时域均衡时域均衡的均衡目标调整各增益加权系数，使