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本章内容5.1概述5.2字符的编码方法5.3基带数字信号的波形5.4基带数字信号的传输码型5.5基带数字信号的频率特性5.6基带数字信号传输与码间串扰5.7眼图5.9小结5.1概述由信号源产生的信号（模拟或数字）称为“基带信号”基带信号一般都不适合直接在信道中传送，因为这类信号大都包含丰富的低频甚至直流分量基带数字通信系统中包含对基带信号的各种处理，使之适合信道的传送本章内容5.1概述5.2字符的编码方法5.3基带数字信号的波形5.4基带数字信号的传输码型5.5基带数字信号的频率特性5.6基带数字信号传输与码间串扰5.7眼图5.9小结5.2字符的编码方法不管是电报通信还是计算机通信系统中都用码元和码组表示传递的信息编码规则和方法很多，其中具有代表性的是ASCII码本章内容5.1概述5.2字符的编码方法5.3基带数字信号的波形5.4基带数字信号的传输码型5.5基带数字信号的频率特性5.6基带数字信号传输与码间串扰5.7眼图5.9小结5.3基带数字信号的波形1.

单极性波形它用有/无持续时间为Tb的脉冲（全宽码）表示“1”/“0”Tb10110100V0t简称为单极性NRZ

码单极性码元的特性是包含直流分量，而直流分量不携带有效信息却浪费功率，这是单极性码元的主要缺点由于其包含直流分量，故常用于短距离通信5.3基带数字信号的波形2.

双极性波形它用极性为正/负、持续时间为Tb的脉冲表示“1”/“0”也称为双极性NRZ码由于双极性脉冲分别用极性相反的脉冲“1”或“0”，故若“1”、“0”等概出现，则其不包含直流分量10110100A/20t-A/25.3基带数字信号的波形双极性码与单极性码比较:没有直流分量节省能量判决门限值较易确定优点5.3基带数字信号的波形3.

单极性归零波形它用有/无持续时间为Tb/2的脉冲表示码元“1”或“0”Tb10110100V0t其中含有直流分量吗？5.3基带数字信号的波形4.

双极性归零波形10110100A/20t-A/2用持续时间为Tb/2、极性为正/负的脉冲表示码元“1”或“0”其中包含直流分量吗？5.3基带数字信号的波形5.

差分波形101101000t这种波形的特征是用电压的变化表示码元“1”或“0”，而不是用电压值本身5.3基带数字信号的波形6.

多电平波形多电平波形适用于高速多进制数字通信系统本章内容5.1概述5.2字符的编码方法5.3基带数字信号的波形5.4基带数字信号的传输码型5.5基带数字信号的频率特性5.6基带数字信号传输与码间串扰5.7眼图5.9小结5.4基带数字信号的传输码型对编码码型要求较高传输效率没有直流分量和较少的低频分量包含定时信号有一定的检错能力适用于不同信源5.4基带数字信号的传输码型1.

AMI码AMI

即传号交替反转码（AlternativeMarkInverse）编码规则：“1”交替由正、负极性脉冲表示，而“0”保持为0消息码:AMI码:10110100+10-1000+1-15.4基带数字信号的传输码型没有直流分量优点有一定的检错能力缺点当连续出现多个“0”码元时，定时信号会丢失5.4基带数字信号的传输码型2.

双相码双相码又称为Manchester码编码规则：每个二进制码元都转换成为一个相位不同的方波周期消息码:双相码:1011010010011001010110105.4基带数字信号的传输码型没有直流分量优点有定时信号缺点传输带宽增加一倍编码电路较简单5.4基带数字信号的传输码型3.Miller码编码规则：码元“1”用在码元持续时间中点处电压跳变表示，或者说用“01”或“10”表示，而码元“0”的表示情况有两种：单个“0”码元不产生变化，连续“0”码元则在相邻“0”码元的边界跳变，即，用“11”或“00”表示。消息码:Miller码:1011010010000111110010015.4基带数字信号的传输码型4.CMI码CMI（CodedMarkInversion)码全称为转号反转码消息码:CMI码:10110100编码规则：码元“1”交替用正和负电压表示，而码元“0”用“01”表示11010001010111005.4基带数字信号的传输码型5.

nBmB码属于分组码在这种码型中，将消息流中的n位二进制码元分为一组，并将其转换成m位的二进制码字，一般m>n由于m>n，编码码字分为了许用码组和禁用码组，从而使这种码型具有了一定的误码检错能力5.4基带数字信号的传输码型6.HDB3码HDB3码是3rdorderHighDensityBipolar（三阶高密度双极性码）的简称编码规则:首先，用“B”脉冲表示“1”其次，每出现连续四个0就用取代节“B00V”或“000V”取代，使取代后的连0个数不超过3如果两个连续的V脉冲中B脉冲的个数是偶数，则用“B00V”;如果是奇数则用“000V”5.4基带数字信号的传输码型“B”脉冲和“V”脉冲分别满足极性交替原则，并且“V”脉冲应和前一个“B”脉冲保持极性一致由于“V”脉冲破坏了“B”脉冲的极性交替规律，故常称“V”脉冲为“破坏码元”HDB3的译码比较简单：从收到的码元序列中找到破坏码元“V”，然后将其本身及其前三个码元变为0，最后将所有的负极性脉冲变为正极性就完成了译码5.4基带数字信号的传输码型

100001101000000001(V+)...(V-)...(V+)...(V-)...B+B-00V-B+B-0B+000V+B-00V-B+

B+000V+B-B+0B-000V-B+00V+B-

B-000V-B+B-0B+000V+B-00V-B+

B-B+00V+B-B+0B-000V-B+00V+B-

例：本章内容5.1概述5.2字符的编码方法5.3基带数字信号的波形5.4基带数字信号的传输码型5.5基带数字信号的频率特性5.6基带数字信号传输与码间串扰5.7眼图5.9小结5.5基带数字信号的频率特性1.二进制随机序列的功率谱设二进制脉冲序列中，g1(t)表示“1”,g0(t)表示“0”,持续时间为Tc，并设“1”和“0”是独立的，分别以P和1-P的概率出现。则，功率可表示为:(双边谱)或(单边谱)5.5基带数字信号的频率特性从表达式中可看出，信号的功率谱包含两部分，一部分是连续谱，另一部分是离散谱从中还可看出，在fc的整数倍处有离散谱线存在，这就是定时信号，它可以用来建立系统同步5.5基带数字信号的频率特性2.功率谱密度计算举例找出单极性NRZ码的功率谱，P1=P0=1/2解:5.5基带数字信号的频率特性单极性NRZ的功率谱为:可见，其包含直流分量和连续谱fG(f)01/TcTc/42/Tc3/Tc1/45.5基带数字信号的频率特性找出双极性NRZ码的功率谱，P1=P0=1/2解:5.5基带数字信号的频率特性双极性NRZ的功率谱为:可见，没有直流分量和离散谱，只包含连续谱fG(f)01/TcTc2/Tc3/Tc5.5基带数字信号的频率特性找出单极性RZ码的功率谱，P1=P0=1/2解:5.5基带数字信号的频率特性单极性RZ的功率谱为:可见，除连续谱外，还包含直流分量和在奇次谐波处有离散谱，其中fc处的分量可用作定时信号fG(f)01/TcTc/162/Tc3/Tc4/Tc5/Tc6/Tc1/4π21/36π21/100π21/165.5基带数字信号的频率特性找出双极性RZ码的功率谱，P1=P0=1/2解:5.5基带数字信号的频率特性双极性RZ的功率谱为:可见，只有连续谱，不存在直流分量离散谱fG(f)01/TcTc/42/Tc3/Tc4/Tc5/Tc6/Tc本章内容5.1概述5.2字符的编码方法5.3基带数字信号的波形5.4基带数字信号的传输码型5.5基带数字信号的频率特性5.6基带数字信号传输与码间串扰5.7眼图5.9小结5.6.1基带数字信号传输系统模型图5.6.1是一典型基带数字信号传输系统图5.6.2是简化的基带数字信号传输系统，其中，GT(f)和GR(f)分别是发送滤波器和接受滤波器本章讨论的对象就是：5.6.2码间串扰及奈奎斯特准则奈奎斯特第一准则（零码间串扰）在基带系统的接收机中，判决器将每个接收码元在抽样时刻的抽样值和门限电平作比较由于系统传输特性的影响，可能使相邻码元的脉冲波形相互重叠，而影响正确判决，这种相邻码元间的相互重叠称为“码间串扰（ISI）”5.6.2码间串扰及奈奎斯特准则码间串扰产生的原因是系统总传输特性H(f)非理想性现在我们不加证明地给出无码间串扰的系统总传输特性H(f)：其中，Tb为一个码元周期5.6.2码间串扰及奈奎斯特准则理想LPFH(f)f01/2Tb-1/2Tb1由图可见，当t=kTb时，除t=0外，h(t)=00Tbt2Tb3Tb-Tb-2Tb-3Tb1/Tbh(t)理想LPF是最简单的无ISI系统5.6.2码间串扰及奈奎斯特准则对理想LPF，若数码率为R=1/Tb，则在抽样时刻没有ISI1/Tb为奈奎斯特速率，是无码间串扰条件下的最快速度B=1/2Tb为奈奎斯特带宽,它是在无ISI条件下的最小带宽Tb为奈奎斯特间隔频带利用率：带宽每赫兹能够支持的最大数据传输速度，即，(b/s·Hz),对于LPF,，也是所有系统在无码间串扰条件下能达到的最大值

5.6.2码间串扰及奈奎斯特准则升余弦滚降特性滤波器

是物理不可实现的，因为其冲激响应是非因果的，并且持续时间无限长理想LPF能达到最大传输速率、最大频带利用率和最小传输带宽，但在实践中却存在两点缺陷：由于Sa函数的拖尾起伏较大，因此要求抽样时刻非常准确，否则会影响相邻码元抽样值的正确判断5.6.2码间串扰及奈奎斯特准则为实现无码间串扰系统，必须扩展传输带宽、降低频带利用率，生成的一类系统具有“滚降”截止特性，如“升余弦滚降”滤波器图5.6.6，式5.6.701/215.6.2码间串扰及奈奎斯特准则由图可见，由于系统冲激响应比1/x下降更快，故对滤波器的截止特性要求降低了对时钟信号的要求降低了但付出的代价是：带宽展宽、频带利用率下降以全升余弦滚降为例：在无码间串扰条件下，数码率为Rb=1/Tb时,带宽为B=1/Tb，故η=1bit/s·Hz5.6.2码间串扰及奈奎斯特准则例：当码元速率为2/Tb时试判断以下各系统是否存在ISIf1/Tb-1/Tb0

(1)

(2)

(3)

(4)f3/2Tb-3/2Tb0f1/2Tb-1/2Tb0f2/Tb-2/Tb01/Tb-1/Tb1/Tb-1/Tb1/Tb-1/Tb具有滚降特性的滤波器虽然能实现，且拖尾较小，却是以牺牲频带利用率为代价5.6.3部分响应系统理想LPF可以达到最高的频带利用率2Baud/Hz，但却物理不可实现，且输出波型拖尾过大过长部分响应系统中包含两个主要操作：预编码和相关编码而“部分响应系统”则是能兼顾这两方面的解决办法奈奎斯特码元速率限制不再适用于部分响应系统，因为相关编码后的码元不再独立，因此可获得更高的码元传送速率5.6.3部分响应系统相关编码也称相关滤波，是有目的地引入可控码间串扰，从而产生一个幅度有所增加的、具有相关性的脉冲序列预编码是在对码元进行相关编码前进行的，目的是为了防止“差错蔓延”现象。表5.6.2是五类部分响应波型，下面以第I类和第IV类为例介绍工作原理5.6.3部分响应系统N=1,k1=k2=1第I类部分响应系统——双二进制信号0f|H(f)|fb/2-fb/2Tb0t带宽为fb/25.6.3部分响应系统由图可见：波型振荡的前趋和后继比Sa函数衰减更快，故对定时抖动较不敏感抽样间隔为Tb/2频带利用率为2bit/s•Hz部分响应系统达到滚降特性的性能而没有增加传输带宽，在保持码元速率较高的情况下，付出的代价是引入了可控的ISI，并且输出波型幅度更大5.6.3部分响应系统相关编码存在一个弱点：当由噪声引起误码时，该码元后的所有码元都会错误，直到再产生误码为止，此现象称为“差错蔓延”现象例如：故ClassIN=1,k1=k2=1若差错蔓延5.6.3部分响应系统预编码可以防