数 字 通 信第5章

第5章数字信号传输5.1数字信号基带传输的基本知识5.2数字信号基带传输的线路码型5.3数字基带信号传输特性与码间干扰5.4数字基带信号的再生中继传输5.5传输系统的性能分析*5.6数字信号的频带传输5.1数字信号基带传输的基本知识包括了两个变换：（1）消息（离散的或连续的）和数字脉冲信号（基带信号）之间的变换；（2）数字脉冲信号（基带信号）和信道信号（已调信号）之间的变换。前一个变换由发收终端设备来完成，后一变换则由调制和解调器完成。图5-1数字通信系统在数字通信系统中按照是否采用调制分为数字基带传输系统和数字频带传输系统，信号分为基带信号和频带信号。5.1.1基带传输系统的构成数字基带传输系统主要有信道信号形成器、信道、接收滤器和抽样判决器等组成。图5-2数字基带传输系统基本结构5.1.2数字基带信号的波形数字基带信号是数字消息序列的一种电信号表示形式，它用不同的电位或脉冲来表示相应的数字消息，它的主要特点是功率谱集中在零频率附近。图5-3常见基带信号波形1单极性不归零码波形2单极性归零码波形3双极性波形4双极性归零码波形5差分码波形6多元码波形（多电平码波形）5.1.3数字基带信号的频谱特性图5-4单个矩形脉冲及频谱图5-5二进制数字信号序列的功率谱曲线随机脉冲信号序列的功率谱包括连续谱和离散谱两个部分5.2数字信号基带传输的线路码型为了在传输信道中获得优良的传输特性，一般要将信码信号变化为适合于信道传输特性的传输码（又叫线路码），即进行适当的码型变换。5.2.1数字信号基带传输码型的要求1易于从线路码中提取时钟分量（位定时信息）2线路码型频谱中不含直流分量及小的低频分量3线路码流中高频分量应尽量少4码型变换过程应与信源的统计特性无关5经过信道传输后产生的码间干扰应尽量小6线路码型具有一定的误码检测能力7设备简单5.2.2常用的传输码型1二元码常用的二元码主要有单极性不归零码（NRZ）和单极性归零码（RZ），双极性不归零码和双极性归零码，差分码及CMI码等。（1）单极性不归零码（NRZ码）图5-6单极性不归零码及功率谱（2）单极性归零码（RZ码）图5-7单极性归零码及功率谱（3）双极性不归零码和双极性归零码。图5-8双极性不归零码、双极性归零码及功率谱（4）差分码（5）CMI码表5-1CMI码变换规则输入二元码CMI码010100与11交替出现图5-10CMI码及功率谱2三元码三元码具有3个电平幅度，即+1，0和-1，它实际上是一种三进制码。（1）传号交替反转码（AMI）图5-11AMI码和功率谱（2）HDB3码（3）双相码（4）mBnB码图5-13单极性码经过交流耦合后的基线漂移表5-25B6B码型(一方案)输入二元码组输出二元码组正模式数字和负模式数字和000000000100010000110001110111001100011010010000与正模工相同与正模工相同与正模工相同与正模工相同000000100001010011000111011010010011101100111001000＋2与正模工相同与正模工相同与正模工相同000110000－20100001001010100101110011001010101011110011100＋2＋2与正模工相同与正模工相同10100001100000－2－201100011010111001111101011011110101110001011＋2＋2＋20010100100001010001与正模工相同－2－2－20100001000110010100110010110111010110110010100＋2＋2＋2与正模工相同1000101001000010100－2－2－210100101011011010111110110111010101010011001＋2＋200001001000101与正模工相同与正模工相同－2－200110001100111010110111011010011011100100101102000010010与正模工相同与正模工相同与正模工相同－2000111001110111110111111001011000110011101110000000与正模工相同与正模工相同与正模工相同与正模工相同0000

5.2.3传输码型变换的误码增殖简介当线路传输码中出现n个数字码错误时，在码型反变换后的数字码中，出现n个以上的数字码错误的现象称为误码增殖。误码增殖现象可用误码增殖比（ε）来表示，定义为反变换后的误码个数fB·P′eε==

线路误码个数fT·Pe式中，fT为信道码速率；Pe为信道误码率；fT·Pe为1秒内的误码个数；fB为码型反变换的码速度；Pe′为码型反变换的误码率；fB·Pe′为码型反变换后1秒钟内的误码个数。表5-3AMI误码增殖原来的二进制码

1000010100001正确有AMI码错误的AMI码恢复的二进码

**＋10000－10＋10000－1

＋1－1000－10＋10＋100－11100010101001**表5-4HDB3误码增殖原来的二进制码

1000010100001正确有HCB3码错误的HDB3码恢复的二进码

**

+1000V+-10+1B-00V-+1+10-10V+-10+1B-+10V-+11010110111011*****表5-5CMI误码增殖原来的二进制码

1000010100001正确有CMI码错误的CMI码恢复的二进码**

+1010101010001110101010100111101010101011101010101001100000000001**5.3数字基带信号传输特性与码间干扰5.3.1数字基带信号传输的基本特点系统基带波形被脉冲形成器变换成适应信道传输的码型后，被送入信道，信号通过信道传输，

一方面受到信道特性的影响，使信号生产畸变；另一方面信号被信道中的加性噪声所叠加，造成信号的随机畸变。5.3.2数字基带信号的传输过程图5-14基带传输系统各点的波形图5-15基带传输系统简化模型图5-16码间干扰示意图图5-17理想的传输被形5.3.3数字基带信号传输的基本准则输入基带信号识别点信号输出信号

H（ω）抽样判决电路

d(t)R(t)a'n●1无码间干扰传输的时域条件（不考虑噪声干扰）接收波形满足抽样值无码间干扰的充要条件是仅在本码元的抽样时刻上有最大值，而对其他码元抽样时刻信号值无影响（在抽样点上不存在码间干扰）。2理想基带传输系统图5-19理想低通滤波器的特性图5-20理想低通滤波器的波形图5-21单位冲激脉冲序列3滚降低通传输网络滚降特性可以看成是理想低通和另一具有传递函数为y(f)的网络所合成。用滚降特性来改善理想低通作为实际低通传输网络时，实质上是牺牲频带利用率为代价换取的。图5-22最大值处抽样判决示意图图5-23滚降特性的形成5.4数字基带信号的再生中继传输5.4.1基带传输信道信道是指信号传输通道，又称传输媒介，目前有两种定义方法。狭义信道——是指信号的传输媒介，其范围是从发送设备到接收设备之间的媒质。广义信道——指消息的传输媒介。研究信道特性及噪声干扰特性是通信系统设计的重要问题。图5-243种电缆的衰减特性图5-25经电缆传输后的脉冲波形示意图矩形脉冲信号经信道传输后，波形产生失真，其失真主要反映在以下几个方面。（1）随传输距离增加，信号波形幅度变小。（2）随传输距离增加，波峰延后。（3）随传输距离增加，脉冲底部展宽。图5-26双极性数字脉冲序列经电缆传输后失真波形5.4.2再生中继系统1再生中继系统的构成再生中继传输系统的任务是：对基带信道进行均衡，使总的传递函数成为理想低通特性或滚降低通特性；对已经失真的波形进行判决，再生出和发端相同的标准波形，防止信道误码。图5-27基带传输的再生中继系统2再生中继系统的特点（1）无噪声积累（2）有误码率的积累5.4.3再生中继器的构成

再生中继器由均衡放大、定时提取、判决及码形成3部分组成。图5-28再生中继器功能框图1均衡放大均衡放大是对收到的失真波形予以放大和均衡形成宜于抽样判决的波形。所以均衡放大器是再生中继器的核心部分。（1）对均衡波形的要求图5-29定时抖动对抽样判决的影响（2）升余弦特性（时域）的均衡波形图5-30升余弦波形（3）有理函数均衡①有理函数均衡时的传递函数T（ω）在有理函数均衡中，把基带电缆信道等效为由许多低频节和高频节匹配链接的网络。图5-31基本节的电路模型与频率响应

ωHjωT(ω)=()n·

()

m

jω+ωHjω+ωL图5-32有理函数均衡波形升余弦波和有理函数均衡波这两种常用的均衡波形。可将它们作一简单比较：升余弦波的特点是无码间干扰，但其均放电路相当复杂不易实现；而有理函数均衡波虽然有码间干扰，可均放特性容易实现，只要做到尽量使码间干扰降到最低限度，不造成误判，它仍不失为是比较好的均衡波形。2定时钟提取（1）外同步定时法（2）自同步定时法3判决再生判决再生又称识别再生，识别是指从已经均衡好的均衡波形中识别出是“1”码还是“0”码。5.5传输系统的性能分析5.5.1信道噪声及干扰1信道噪声信道噪声指的是对信号传输与处理起扰乱作用，而又不能完全控制的一种客观存在的不需要的电信号。信道中加性噪声（简称噪声）的来源主要分为两大类：系统外部和系统内部。图5-34热噪声正态分布特性自然界，天电，太阳辐射，宇宙射线外部工业电气，电气设备开关，点火系统，电力线无线电干扰，交调，通信干扰加性噪声热噪声内部散弹噪声2串音干扰由于电磁感应耦合所引起线对之间信号的相互串扰，叫串音干扰。串音干扰与电缆质量、线对间位置以及信号频率有关。图5-35电缆线对间串音干扰示意图5.5.2误码率和误码率的累积码间串扰和噪声是产生误码的因素。图5-36基带系统接收端框图漏码或丢码、增码数字信号经传输后所发生的漏码增码统称为误码。1极性码的误码率图5-37单极性码误码情况

(A/σ》1)2双极性码的误码率图5-38u（t）的概率密度曲度图5-39理想再生中继系统的Pe与A/σ的关系为保证通信质量，一般要求总误码率不大于10-6。3误码累积对于有多个中继段组成的传输系统，误码率是线性累积的。误码率主要由信噪比最差的再生中继段决定。5.5.3误码信噪比

具有误码的码字被解码后将产生幅值失真，这种失真引起的噪声称误码噪声。图5-40A律13折线误码信噪比5.5.4相位抖动

PCM信号的信码流经过信道传输后，各中继器和终端站提取的时钟脉冲在时间上不是等间隔的，即时钟脉冲在相位上出现了偏差，这种现象称为相位抖动，相位抖动引起了重建模拟信号的失真。相位抖动将增加误码率图5-41相位抖动及对解码影响抖动的大小可以用相位弧度、时间或者比特周期来表示。衡量抖动对信号影响的指标是抖动信噪比，其定义为信号功率

SNRj=

抖动噪声功率限制抖动通常采用两类：其一，设法防止抖动的产生和积累，其二，对已经产生的抖动设法减弱5.5.5眼图眼图是一种利用示波器显示图形衡量均衡波形的码间干扰最直观的方法。图5-42基带信号波形眼图图5-43眼图的模型*5.6数字信号的频带传输5.6.1数字调制的概念依据调制的载波的不同可分为两类：一类是用正弦型信号，称为正弦载波调制；一类用脉冲串，称为脉冲调制。依据基带信号不同可分为两类：一类是模拟信号，称为模拟调制；另一类是数字信号，称为数字调制。数字调制是指把数字基带信号转换为与信道特性相匹配的频带信号的过程，那么已调信号通过信道传输到接收端，在接收端通过解调器把频带数字信号还原成基带数字信号，这种数字信号的反变换称为数字解调。把数字调制与解调合起来称为数字调制，把包括调制和解调过程的传输系统叫做数字信号的频带传输系统。图5-44频带传输系统的组成方框图5.6.2数字幅度调制12ASK的一般原理振幅键控（AmplitudeShiftKeying，ASK）又称为开关键控（通断键控）（OnOffKeying，OOK）22ASK的实现方法数字信号的调制方法有两种类型：①利用模拟方法来实现数字调制，②利用数字信号的离散值特点键控载波，从而实现数字调制。第二种技术通常称为键控法图5-45模拟法调