数字与数据通信基带传输

数字与数据通信基带传输第一页，共七十六页，编辑于2023年，星期三

物理实线传输信道

1、双绞线电缆

双绞线是由两条相互绝缘的铜导线扭绞起来构成的，一对线作为一条通信线路。双绞线可用于传输模拟信号，也可用于传输数字信号，其通信距离一般为几到几十公里。信道的传输特性呈低通型特性。

由于双绞线成本低廉且性能较好，在数据通信和计算机特通信网中都是一种普遍采用的传输媒介。目前，在某些专门系统中，双绞线在短距离传输中的速率已达100～155Mbit/s。第二页，共七十六页，编辑于2023年，星期三内导体芯线绝缘内屏蔽外屏蔽外套双绞线（拧成扭绞状的电缆，又称对称电缆）优点：较稳定缺点：损耗较大屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP)常用的双绞线为3类(16Mbit/s)和5类(155Mbit/s)两种以铝箔屏蔽以减少干扰和串音双绞线外无任何屏蔽层第三页，共七十六页，编辑于2023年，星期三第四页，共七十六页，编辑于2023年，星期三

物理实线传输信道

2、同轴电缆

由一对导体组成，但它们是按同轴的形式构成线对，其中最里层是内导体芯线，外包一层绝缘材料，外面再套一个空心的圆柱形外导体，最外层是其保护作用的塑料外皮。内导体和外导体构成一组线对。同轴电缆具有很好的抗干扰性，它比双绞线具有较好的频率特性，具有更高的传输速率。但其成本较高。与双绞线信道特性相同，同轴电缆信道特性也是低通特性，但它的低通带宽要比双绞线的频带宽。第五页，共七十六页，编辑于2023年，星期三铜芯绝缘层外导体保护套同轴电缆优点：外导体接地、屏蔽干扰第六页，共七十六页，编辑于2023年，星期三（b）同轴电缆实例（c）海底同轴电缆实例第七页，共七十六页，编辑于2023年，星期三

电话网传输信道

所谓电话网传输信道是指通过传输话音信号的电话网络传输数据信号

电话网是专门设计用于传输话音信号的，话音信号的频带范围是300～3400Hz，是属于带通型信道。

所以电话网的网络设计也是对应带通型信号的带通型信道，对当前广泛采用的数字程控交换机电话网络而言，带通型信道的限制主要体现在交换机中的PCM编码、解码的带限滤波器，它们的频带限制通常是300～3400Hz。电话网传输信道的总合特性是属于带通型信道，其通带频率范围是300～3400Hz。第八页，共七十六页，编辑于2023年，星期三

数字数据传输信道

采用PCM数字信道作为数据信号传输信道称为数字数据传输信道（DDN数字数据网）

这种信道的连接方式是，将多个低速数据终端输出的信号经过时分多路复用或集中合成到64Kbit/s速率，然后直接以数字方式合入到PCM30路系统的某一个时隙，最后复用到2.048Mbit/s（一次群或基群速率）在数字线路上传输。数字线路：光纤传输系统，数字微波及卫星等传输系统该传输系统的传输速率高，传输质量好，是比较理想的数据传输信道，是当前大力发展的一种数据传输方式。

第九页，共七十六页，编辑于2023年，星期三第十页，共七十六页，编辑于2023年，星期三第十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期三为适应前述三种类型传输信道，有三种数据信号传输的基本方法，即基带传输、频带传输（或称调制传输）及数字数据传输第十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期三2.基带传输码型的要求

1、传输码型的功率谱中应不含直流分量，同时低频分量要尽量少。

2、传输码型的功率谱高频分量应尽量少，节省传输频带并且减少电磁干扰。第三章数据信号传输第十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期三

3、便于定时时钟的提取传输码型功率谱中应含有定时钟信息，以便接收端能提取必需的定时钟信息，实现系统的同步。

4、传输码型应具有一定的检测误码的能力

信号在信道中传输时，由于各种因素的影响，有可能产生误码，若传输码型有一定的规律性，那么就可根据这一规律性来检测是否有误码，做到自动监测，保证传输质量。第十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期三

5、对信源统计依赖性最小

对信源具有透明性，信道上传输的基带传输码型应具有对信源统计依赖最小的特性，即对信源经信源编码后，直接转换的数字信号的类型不应有任何限制（例如“1”和“0”出现的概率及连“0”多少等）。第十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期三

6、要求码型变换设备简单、易于实现

由信息源直接转换的数字信号不适合于直接在电缆信道中传输，需经码型变换设备转换成适合于传输的码型，要求码型变换设备要简单、易于实现。第十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期三2.常用数据序列形式分别画出10100110的下列波形单极性不归0码单极性归0码双极性不归0码双极性归0码AMI码CMI码第十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期三3.数据序列的频谱特性目的：通过研究数据序列的频谱特性，找出数据序列的能量分布特性，以便决定信道的频带特性。对确定信号，可用傅里叶变换方法求得信号频谱，但数据序列是随机的，不能再用傅里叶变换确定其频谱，只能用统计的方法研究其功率谱密度，简称功率谱。随机二进制数字信号序列的功率谱包括连续谱和离散谱两个部分。第十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期三单极性不归零码及其功率谱第十九页，共七十六页，编辑于2023年，星期三缺点：（1）有直流成分，且信号能量大部分集中在低频（占空比越大，信号能量越集中在低频部分）。（2）提取时钟fB困难。（3）无检测误码能力，因传输码型无规律。（4）与信源统计特性关系密切，长“0”串出现不可避免。第二十页，共七十六页，编辑于2023年，星期三单极性归零码（τ=TB/2）及功率谱第二十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期三二进制数字信号序列的功率谱曲线第二十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期三AMI码及功率谱第二十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期三优点：（1）无直流成份，低频成份也少（由于AMI码的传号码极性交替反转），有利于采用变量器进行远供电源的隔离，而且对变量器的要求（如体积）也可以降低。（2）高频成份少。这不仅可节省传输频带、提高信道利用率，同时也可以减少电磁感应引起的串话。第二十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期三（3）码型功率谱中虽无fB定时钟频率成份，但经全波整流，可将AMI码变换成单极性半占空码，就会含有定时钟fB成份，便可从中提取定时钟成份。（4）AM1码具有一定的检错能力。缺点：长“0”串会出现，不利于定时钟提取，为克服这一缺点，引入了HDB3码。第二十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期三CMI码CMI码是传号反转码的简称，编码规则为：“1”码交替用“00”和“11”表示；“0”码用“01”表示。优点：没有直流分量，且有频繁出现波形跳变，便于定时信息提取，具有误码监测能力。第二十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期三曼彻斯特码（双相码）（以太网）每个码元用两个连续极性相反的脉冲来表示比如：“0”－10“1”－01优点：无直流分量最长连0数为2定时信息丰富编译码电路简单缺点：码元速率提高了一倍第二十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期三差分曼彻斯特码先求相对码，再用相对码做曼彻斯特码优点：避免极性反转时引起的译码错误第二十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期三110001000010“0”－10“1”－01第二十九页，共七十六页，编辑于2023年，星期三各种信号编码方案频谱密度第三十页，共七十六页，编辑于2023年，星期三二、数据信号的基带传输1.基带传输系统构成模型基带数据信号：数据终端输出的数据信号代码序列。基带数据信号的主要特征是：信号的主要能量是集中于从0开始至某一频率的低通型频带。基带：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。第三十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期三发送滤波信道接收滤波均衡取样判决噪声{ak}{âk}12基带数据传输系统构成模型发送滤波器：平滑滤波，起限制信号频带的作用；信道：同轴电缆、对称电缆、架空明线；接收滤波器：滤除带外噪声和干扰；均衡：对接收波形进行均衡，改善信道特性的不理想；抽样判决器：在规定时刻进行抽样，对抽样值进行判决，确定是“0”还是“1”；第三十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期三2.理想低通网络波形形成奈奎斯特第一准则码间干扰：由于传输特性的不理想，加上加性噪声的影响，使脉冲宽度展宽，延伸到相邻的码元中去，从而造成邻近码元的相互干扰1、无码间干扰的时域条件第三十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期三传递函数：其中，fN为截止频率，也就是理想低通网络的带宽理想低通特性第三十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期三我们知道，网络对单位冲激脉冲δ(t)的响应，就是网络传递函数的傅立叶反变换，即为了分析方便，通常令td=0第三十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期三单位冲激脉冲通过理想低通网络的输出响应(1)t=0时有输出最大值，且波形出现拖尾，其拖尾的幅度是随时间而逐渐衰减的；(2)其响应值在时间轴上具有很多零点。第一个零点是±1/2BN，以后各相邻零点的间隔都是1/2BN

（BN是理想低通的截止频率）。第三十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期三单位冲激脉冲序列第三十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期三最大值点处抽样判决示意图第三十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期三对于等效成截止频率为fc的理想低通网络来说，若数字信号以2fc的符号速率传输，则在各码元的间隔处（即TB=1/2BN的整数倍处）进行抽样判决，不产生码间干扰，可正确识别出每一个码元。第三十九页，共七十六页，编辑于2023年，星期三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BN

，则系统中允许的最高码元速率（极限速率）为2BN，这时的系统输出波形在峰值点上不产生码间干扰。国际上把BN称为奈奎斯特频带,2BN称为奈奎斯特速率，TB=1/2BN称为奈奎斯特间隔

无码间干扰的码速率为：2BN/k(Bd)，最高频带利用率为：2（Bd/Hz）第四十页，共七十六页，编辑于2023年，星期三无码间干扰的时域条件也就是说，h(t)的值除t=0时不为零外,在其他所有抽样点均为零。第四十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期三2、无码间干扰的频域条件

在频域看，该系统的传输特性按2π/Ts切段叠加后，再搬回（-π/Ts

,π/Ts

）区间叠加，叠加后若其幅度为常数，则表明此基带传输系统可实现无码间干扰传输。第四十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期三无码间干扰的频域条件码元传输速率与传输系统特性之间的关系称为奈奎斯特第一准则。它为我们确定某基带系统是否存在码间串扰提供了理论依据。第四十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期三3.具有幅度滚降特性的低通网络波形形成

理想低通特性的理想基带传输系统，频谱窄，能达到极限传输速率，但有如下两个缺点：⑴理想低通传递函数物理上不可实现的，频率截止特性过于陡峭，且拖尾振荡幅度大，收敛慢；⑵对接收端定时抽样时钟信号的准确度要求极高因其具有波动幅度很大的拖尾，必须严格在规定的时间取样，稍有偏差，就会有码间干扰。第四十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期三图中，C点称为奇对称点，传输特性的曲线段关于这点作奇对称。

幅频特性滚降的传递函数α的取值应是在0～1的范围内H(f)100.5(1+α)(1-α)BNfCH(f)100.5BN(1+α)BNfC第四十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期三余弦滚降系统第四十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期三引入滚降系数α后，系统的最高传码率不变，但是此时系统的带宽扩展为系统的频带利用率为

第四十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期三4.部分响应形成系统部分响应系统的思想：

一种可实现的形成系统，它允许存在一定的、但受控的码间干扰，而在接收端可以加以消除，这样的系统既能使频带利用率提高到理论上的最大值，使其响应波形的前导和后尾波动随时间有较快衰减，又近似地物理实现。第四十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期三

1、第一类部分响应编码二个在时间上错开T的理想低通的冲激响应波形相加tg(t)T2T3T4T－T－2T－3T01码间干扰第四十九页，共七十六页，编辑于2023年，星期三第五十页，共七十六页，编辑于2023年，星期三特别提醒1、波形的拖尾按照t^2速率衰减2、频谱限制在（-π/Ts

,π/Ts

）之间传输带宽为BN=1/2Ts频带利用率为2（Bd/Hz）第五十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期三

码间串扰只发生在前后码元之间，对其他码元不影响，是确定的，可控的，在接收端可以消除的tg(t)T2T3T4T－T－2T－3T01码元发生串扰示意图第五十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期三怎么消除？发送端发1个“1”码，接收端会收到2个“1”码，在接收端收到的前一个“1”码作为接收的“1”码，而延迟T时间后收到的“1”就可以不计，判为“0”第五十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期三误码扩散

码元的恢复必须参考前一码元的判决结果，只要有一个码元发生错误判决，会相继影响后面的码元

为了避免误码扩散现象，在部分响应系统中通常采用预编码，来解决误码扩散问题。

预编码：即产生差分码整个过程可概括为：预编码－相关编码－模2判决第五十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期三TT相加发送低通信道接收低通取样判决bkakbk-1bk-1ckâk模2判决预编码相关编码①②模2理想低通形成网络预编码部分的信号变换关系为：相关编码部分的信号变换关系为：第一类部分响应编码的原理性框图第五十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期三信号变换过程举例如下：设ak为0011100101，则有：收端ck=0或2时，可判决âk=0；ck=1时，可判决âk=1ak0011100101bkckâk111001100000111221010011100101ak0011100101bkckâk00011001112211100121001110010101第五十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期三由上面例题可得出两点结论：①不论bk-1的初始状态为0或1，接收端都能恢复原发数据序列，即数据的传输不受预编码电路初始值影响；

②由于采用预编码后，âk的判决仅与ck有关，而与ak-1无关，所以âk的判决与先行码无关，即解决了误码扩散的问题。第五十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期三第一类部分响应信号的频谱如书表2-1（38页）所示，频谱是余弦形的，对于某些低频特性不好的信道来说，传输这样的信号会带来信号失真，基带信号还要经过单边带调制，则要求基带信号的低频分量越小越好，要求得到一个正弦形的频谱信号。T发送低通信道接收低通判决bkakbk-1âk取样脉冲预编码①取样ck第一类部分响应编码的系统框图第五十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期三形成SSB信号的滤波特性理想高通得到上边带理想低通得到下边带第五十九页，共七十六页，编辑于2023年，星期三单边带信号的频谱

理想高通得到上边带理想低通得到下边带第六十页，共七十六页，编辑于2023年，星期三tg(t)T2T3T4T－T－2T－3T01-1第四类部分响应形成波形g(t)2、第四类部分响应编码采用时间上错开2T的两个理想低通的形成波形相减作为基本传输波形，频谱为正弦形的第六十一页，共七十六页，编辑于2023年，星期三由上图可见波形的前导和后尾波动随时间的衰减比单个理想低通的形成波形加快。但是带宽与理想低通网络的带宽一样，因此，以该波形作为系统传输波形可以达到每赫2Bd的极限速率。

误码扩散问题仍需通过预编码解决。第六十二页，共七十六页，编辑于2023年，星期三信号变换过程举例如下：同样设ak为0011100101，则有：ak0011100101bkckâkak0011100101bkckâk0011100101110000110100010011-100-1010011100101110010111000-1-110010-1当收端ck=0时，可判决âk=0；ck=±1时，可判决âk=1第六十三页，共七十六页，编辑于2023年，星期三

由上面例题可得出两点结论：①不论bk-1和bk-2的初始状态为0或1，接收端都能恢复原发数据序列；②由于采用预编码后，âk的判决仅与ck有关，而与ak-2无关，所以âk的判决与先行码无关，即解决了误码扩散的问题。第六十四页，共七十六页，编辑于2023年，星期三6.数据传输系统中的时域均衡

在实际通信系统中，总的传输特性一般不能完全理想，不可避免地存在码间干扰，采用均衡器可以消除或减小通信系统参数变化引起的码间干扰。频域均衡（了解）

频域均衡的思路是利用幅度均衡器和相位均衡器来补偿传输系统幅频特性和相频特性的不理想，即保证传输系统对各频率分量具有相同的传输系数(即在通带内应有平直的幅频特性)和相同的传输时延(线性相频特性)，这样，就可消除符号间干扰。01ffNH(f)2πftd第六十五页，共七十六页，编辑于2023年，星期三时域均衡：

思路是消除接收的时域信号波形的取样点处的码间干扰，并不是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。

时域均衡是对信号在时域上进行处理，较频域均衡更直接，更直观，数字通信系统常常采用。第六十六页，共七十六页，编辑于2023年，星期三时域均衡的原理（教材39页）多级抽头延迟线、可变增益电路和求和器组成。第六十七页，共七十六页，编辑于2023年，星期三5.数据序列的扰乱与解扰在前面的讨论中，我们假定数据序列是随机的，但是有时有一些特殊情况，如一段短时间的连“0”或连“1”、一些短周期的确定性数据序列等

例如：

10101010100000000000

在这个序列中，11个连“0”串、共有15“0”，只有5个“1”，“1”和“0”严重不平衡，失去了随机性第六十八页，共七十六页，编辑于2023年，星期三这样的数据信号对传输系统是不利的这主要是由于：

⑴可能产生交调串音。长“0”或“1”序列具有很强的单频分量，造成对相邻信道数据信号的干扰

⑵可能造成传输系统失步。长“0”或长“1”序列可能造成接收端提取定时信息困难

⑶可能造成均衡器调节信息丢失。时域均衡器调节加权系数需要数据信号具有足够的随机性，否则可能导致均衡器中的滤波器发散而不能正常工作。第六十九页，共七十六页，编辑于2023年，星期三扰乱：就是将输入数据按某种规律变换成长周期（随机）序列，且“0”和“1”平衡