文元美现代通信原理课件第4章数字信号的基带传输2

4.1

数字基带信号4.2

数字基带传输系统4.3

无码间串扰的基带传输系统4.4

眼

图4.5

时域均衡原理4.6

部

分

响

应

技

术课件数字信号的基带传输第

4

章

数字信号的基带传输BACK2020/8/18亻

扌避免故考娄

女

法

基

持

号口卖专数字

基

带

传

输

系

统的

基

本

结

构2020/8/18

课件2数字信号的基带传输扌

布

1个题后面的排

题于秀4.1

数

字

基

带

信

号4.1.1

数字基带信号的常用码型传输码型的选择，

主要考虑以下几点：(1)码型中低频、

高频分量尽量少；(2)码型中应包含定时信息，以便定时提取；(3)码型变换设备要简单可靠；(4)码型具有一定检错能力，若传输码型有一定的规律性，

则就耐根据这一规律性来检测传输质量，以便做到自动监测3数字信号的基带传输(5)编码方案对发送消息类型不应有任何限制，适合于所有的二进制信号。这种与信源的统计特性无关的特性称为

对

信

源具

有

透明

性

；(6)低误码增殖；(7)高的编码效率。2020/8/18

课件4数字信号的基带传输数字基带信号码型(a)

单极性(NRZ)

码；(b)(b)双极性(NRZ

)码；

(c)(c)

单极性(RZ

)码；

(d)

双极性(RZ)

码

；(e)

差

分

码

；(f)

交替

极

性

码(AMI);(g)三阶高密度双极性码(HDB

(h)

分

相

码

，(i)信号反转码(CMI)s二进制代码(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)(1

)

发

送

能

量

大，

有

利

于

提

高

接

收

端

信

噪比

；(

2

)

在

信

道

上占

用

频

带

较窄

；(3)有

直

流

分

量，

将导

致

信号的失

真与畸

变；且由于直

流分量的

存

在，

无

法

使

用

一

些交

流

耦

合

的

线

路

和

设

备

；(

4

)

不

能

直

接

提

取

位同

步

信

息

；(

5

)

接收

单

极

性NRZ

码的

判

决电

平

应

取

“

1”

码

电

平

的

一

半

。2020/8/18课

件61.单极性不归零(NRZ)码数

字

信

号

的

基

带

传输0

1

0

0

0

01

10

0

00

01

0

10f(1)从统计平均角

度

来

看

，

“1”

和

“

0”

数

目

各占

一

半时

无直流分量

，但当

“1”

和

“

0”

出

现

概

率不

相等时，

仍

有

直

流

成

份

；(2)接收端判决门限为0,

容易设置并

且

稳

定

,，

因

此

抗

干扰能

力

强；2

0(

3

91

可以

在电

缆

等

无

接

地

线

避

传

输。

72.

双

极

性

不

归

零(NRZ)

码数

字

信

号

的

基

带

传输在传送

“1”

码时发送1个宽度小于码元

持

续时间的归零脉冲

；

在传送

“0”

码时不

发

送

脉

冲。其

特

征

是

所

用

脉

冲

宽

度比码元宽度窄，

即还没有到一个码元终止时刻就回到零值，

因此，

称其为单极性归零码。脉冲宽度x与码元宽度T,之比t/T,叫占空

比

。单极性RZ

码

与

单

极

性NRZ码

比较

，除仍具有

单

极

性码

的

一般缺点外，主要优点是可以直接提取同步信号。此优点虽不

意味着单极性归零码能广泛应用到信道上传输，但它却是其它

码型提取同步信号需采用的一个过渡码型。即它是适合信道传输

的

，

但不能直接提取

同步信

号

的码

型

，可

先

变

为

单

极

性归

s

再提取同步信号。

课件

83.单极性归零(RZ)

码数字信号的基带传输t(

1

)

在

“

1

”

、

“

0”

码

不

等

概

率

情

况

下，

也无直流成分，

且零频附近低频分量小。

因此

，

对具有变压器或其它交流耦合的

传输信道来说，

不易受隔直特性影响。(2)若接收端收到的码元极性与发送端完

全相反，

也

能

正确判决

。(3)只

要

进

行

全

波

整

流

就

可以变

为

单

极

性

码

。2020/8/18

课件94.

双

极

性

归

零(RZ)码数

字

信

号

的

基

带

传输2020/8/18

课件

10数字信号的基带传输0

1

0OO

011

0

0

0001

O10差

分

码5.tt数字信号的基带传输6.

交

替

极

性

码(AMI)2020/8/18

课件

117.三阶高密度双极性码(HDB₃

)当信码序列中加入破坏脉冲以后，

信码B

和破坏脉冲V

的正

负必须满足如下两个条件：2020/8/18

课件12数字信号的基带传输(1)B

码和V码各自都应始终保持极性交替变化的规律，以便确保编好的码中没有直流成分。(2)V

码必须与前一个码(信码B)同极性，以便和正常的AMI码区分开来。

如

果这个条件得不

到满

足

，那

么应该在

四

个

连

“

0”

码的

第一

个

“0”

码

位

置

上

加

一

个

与V

码

同极性

的补

信码，用符号B'表示。此时B码和B'码合起来保持条件(1)中

信码极

性

交替

变

换的规

律

。2020/8/18课件

13数字信号的基带传输数

字

信

号

的

基

带

传

输HDB32020/8/18

课

件

140

1

0

0

0

0

1

1

0

00

0

0

1

0

1

0ff数字双相码又称Manchester码，

其编码规则是：将信息

代码0编码为线路码“01”;信息代码1编码为线路码“10”(也可以将信息代码0、1的编码规则反之)。010000

1

1

O0

00

01010数字信号的基带传输8.

分

相

码2020/8/18tf课件15数字信号的基带传输9.

传

号

反

转

码(CMD0

1

0

0

00

11

0

00

1

01ffCMI码的编码规则是：将信息代码0编码为线路码

“

0

1

”

;

信

息

代

码

1

编

码

为

线

路

码

“

1

1

”

与

“

0

0

”

交

替

出

现

。2020/8/18课件

16四

进

制

代

码

波

形2020/8/18

课件

17数字信号的基带传输10.

多

进

制

码1、AMI→HDB₃

(分立元件或专用芯片)

2

、

单

极

性

不

归

零

码

→

单

极

性

归

零

码单

极

性

不

归

零

码

→

单

极

性

归

零

码a-

单极

性

不归

零

码b-

码元同步脉

冲c-

单极

性归

零

码用

数

字

电

路

实

现

码

型

之

间

的

变

换数

字

信

号

的

基

带

传

输2020/8/18课

件18数

字

信

号

的

基

带

传

输单

极

性

不

归

零

码

←

-

单

极

性

归

零

码Q-单极性不归

零

码cp-

码元同步脉冲D-

单极性归

零

码用

D触发器实现状

态

方

程

为

：Q+!=DD触

发器DCp2020/8/18课

件QCp19→

差

分

码Q"+¹=JQ”+KQ";取J=K=1则Q“+1=Q”数

字

信

号

的

基

带

传

输3、

单

极

性

不

归

零

码

一

差

分

码a-

单

极

性

不

归

零码

cp-码元同

步

脉

冲

Q-单极

性

归

零

码单

极

性

不

归

零

码用

J-K

触发

器

实

现状

态

方

程

为

：J=1与

CpK=1课

件

20J-k触

发

器Cpa2020/8/18Qtp数

字

信

号

的

基

带

传

输单

极

性

不

归

零

码

→

差

分

码用异或

门实现状

态

方

程

为：

D

k延

时课

件

21异或2020/8/18CkCP数

字

信

号

的

基

带

传

输差

分

码

→

单

极

性

不

归

零

码用

异

或

门实

现状

态

方

程

为：

DK延

时课

件

22异或2020/8/18C

kCP4.1.2

数

字

基

带

信

号

功

率

谱随机过程的频谱特性是用它的功率谱密度来表述的。我

们知道，随机过程中的任一实现是一个确定的功率型信号，而对于任意的确定功率信号f(t),它的功率谱密度为过程的功率谱密度应看做是任一实现的功率谱的统计平均，即2020/8/18

课件

23数字信号的基带传输数字信号的基带传输数

字

基

带

信

号

的

一

般

数

学

表

达

式设二进制的随机脉冲序列如图

(a)

所示。其中，假设gl(t)表示“0”码，

g2(t)表示“1”码。gl(t)

和g2(t)

在

实际中可以是任意的脉冲，但为了便于在图上区分，这里我们把gl(t)

画成宽度为Ts的方波，

把g2(t)画成宽度为Ts的三角波。现在假设序列中任一码元时间Ts内gl(t)

和g2(t)出现的概率分别为

P和1-P,

且认为它们的出现是统计独立的，则s(t)可用下式表征。即,

木既工率概

率P。出

班

时对

对

，出课件20224随

机

脉

冲

座刚

示

意

波

形数

字

信

号

的

基

带

传

输2020/8/1825为了使频谱分析的物理概念清楚，推导过程简化，我们可以把s(t)

分解成稳态波v(t)和交变波u(t)。所谓稳态波，

即是随机序列s(t)的统计平均分量，它取决于每个码

元内出现gl(t)

、

g2(t)的概率加权平均，且每个码元统计平均波形相同，

因此可表示成其波形如图(b)

所示，

显然v(t)是一个以Ts为周期的周期函数。2020/8/18

课件

26数字信号的基带传输显然u(t)是随

机

脉

冲

序

列，图

(c)画出

了u(t)的

一

个

实

现

。2020/8/18课件273D

一3t—n3]L

以

根

死

蓉L以

根

死

三

日交

变

波u(t)是

s(t)与

v(t)之

差，即u(t)=s(t)-v(t)数

字

信

号

的

基

带

传

输或

者

写

成下面我们根据上两式，

分别求出稳态波v(t)和交变波u(t)的功率谱，将两者

的功率谱合并起来就可得到随机基带脉冲序列s(t)的频谱特性1

、v(t)的功率谱密度pv(f)由于V(t)是

以Tb为周期的周期信号，故可展开成傅氏级数，然后根据周期

信号功率谱密度与傅氏系数的关系得到V(t)的功率谱。稳态波是离散线

谱，根据离散谱可确定随机序列是否含有直流分量和定时分量。2

、U(t)

功率谱密度pu(f)U(t)是功率型随机脉冲序列，它的功率谱密度可用截短函数和求统计平均

的方法来求。交变波的功率谱是连续谱，与gl(t)、g2(t)的频谱以及出现的概率有关。根据连续谱可确定随机序列的带宽。3

、s(t)=u(t)+v(t)

的功率谱密度p(f)2020/8/18

课件

28数字信号的基带传输T。为随机脉冲周期，

gi(t)、g₂(t)分别表示二进制码“0”和“1”,则经推导冲的双边功率谱

Pz(w)为+fop(1-p)|G₁(f)-G₂(f)|²其中G₁(f)

、G₂(f)分别为g₁(t)

、g₂(t)的傅氏变换，

fo=1/Tb。以概率

p出

现以概率(1一p)出现假设随机脉冲

序

列

为数

字

信

号

的

基

带

传输其中2020/8/18课

件29从上式我们可以得

出如下结论：单极性不归零信号若

假

设g₁(t)=0,g₂(t)

为门函数，且p=1/2,则

功

率

谱

密

度

为2020/8/18

课

件

30其

中把

G(f)=T,Sa(πfT,)

代

入上

式只有连续谱和直

流

分量。数

字

信

号

的

基

带

传输双极性不归零信号当P=1/2时，双极性信号的谱密度为2020/8/18课件

31单极性归零码谱密度双极性归零码谱密度数字信号的基带传输γ是占空比动画演示利用数值积分，

由上式可求得双极性归零信号和单极性归零信号的带宽近似为根据信号功率的90%来定义带宽B,

则有2020/8/18

课件32数字信号的基带传输待变

换

码

流串/并移位

寄存

器(模式控

制

)●●●

A

m

-2

A

m

-1

A

mPROM…

D

D

D

D0

(M)(M₂)移位寄存器已

变

换

码

流课件4-3

码表存

储

法

方

框图●4.1.3

码

型

变

换

的

基

本

方

法1.

码

表

存

储

法数字信号的基带传输n-3

n-2n

-1

nA

A0并/

串2020/8/18DD33●●

●串/并行变换移位寄存器2020/8/18

图

4

-

4

布缄

逻

辑

法

方

框图34并/串行变换移位寄存器数字信号的基带传输2.布线逻辑法待变换码流已变换码流布线逻辑CP

CM码输出&

NRZ

0abcMoIQ

NRZ码输出

dCP₁NRZ

0C(b)

(c)图

4

-

5

CMI编/译码器及各点波形2020/8/1(a)CMI码编码器电路；(b)MI码译码器电路；(c)

各点波形

35CM

码

输

入1延时T1定

时提取DCP&(a)&「相位调整NRZ马输入CP时钟

1数字信号的基带传输&

a1C1

0

1

1

0

0

1DCP₁b

&d13.单片HDB₃编译码器近年来出现的HDB₃编码器采用了CMOS型大规模集成电

路CD22103,

该器件可同时实现HDB₃

编、译码，误码检测及

AI

S

码检出等

功

能。主

要

特点

有

：①

编、译码规则符合CCITT

G.703建议

，

工作速率为

5

0kb/s~10

Mb/s;②

有HDB3和AMI编、

译码选择功能；③

接收部分具有误码检测和AIS

信号检测功能

；④

所有输入、

输出接口都与TTL兼容；2020)具有内部自环测试能方。数字信号的基带传输36H

V+HDB

-FE

于&译

码一HIDE误石码检出AIS检出冬

4-6

C

D22103

引脚

及内部

框图2020/8/18课件3712345678161514131211109--NRZ-IINCIXHD]VI—INRZ

UTRXRAIS

AISVSS+HEI一

ID—INLTE+HDB3-IINKRERRR

INLTE+HDB-IN数字信号的基带传输ERRAISUTJTRAIS.编五马王不回CRXKRAMI至

单

/

双

变

换自

ATC、整

形

电

路至

AIS

告

警Dx₂(自CRC

编

码

)2MCLKXD,R2

(

至

收

逻

辑CAISCLKR2MCLKRHDB3十

HDB3OUT一

HDB,3OUT-HDB₃IN十

HDB3INAISCKR十

5V-

IN-

OUTLTE图4-

7

实用DB₃

编/译码电路

38V.DDNRZCTXNRZRAISCRXVSS至

时

钟

提

取

、

中

断

检

出

电

路F21F₃1数

字

信

号

的

基

带

传

输F1)F₄12020/8/18课件

插入码(1)插入码(2)

缓存插入法框图待变换码流待

变

换

频

率

时时序分配器图

4

-

84.

缓

存

插

入

法已变换时钟数字信号的基带传输时序分配器缓冲寄存器已变换码流Q钟2020/8/18n-1

n十3912C)扌非羊

半

块SrP兵耳灭据名4.2

数

字

基

带

传

输

系

统4.2.1

数字基带系统的基本组成数字基带传输系统方框图数字信号的基带传输月水中

开

5

建车俞吐

〕扌生沙题支石马元下手上矢建月承中2020/8/18个言道口

实

竟先

江关

支40数

字

信

号(a)(b)(c)(d)基

带

传

输

系

统

各

点

的波

形

412020/8/18(e)(f)码

间

串

扰意图

42抽

样

点

符

号

间

串

扰数

字

信

号

的

基

带

传

输2020/8/18数字信号的基带传输4.2.2

基带传输系统的数学分析假定输入基带信号的基本脉冲为单位冲击δ(t),

这样发送滤波器的输入信号可以表示为装管FE

于基带传输系统简化图车

命H

中2020/8/1843其

中ak是第k个码元，对于二进制数字信号，

ak的取值为0、1(单极性信号)或-1、+1(双极性信号)。由图可以得到ng(t)是加性噪声n(t)通过接收滤波器后所产生的输出噪声。2020/8/18

课件

44式中h(t)是H(o)

的傅氏反变换，是系统的冲击响应，可表示为数字信号的基带传输数字信号的基带传输抽样判决器对y(t)进行抽样判决，以确定所传输的数字信息序列{ax}。

为了判定其中第j个码元a;的值，应在t=jT₀+t₀瞬间

对y(t)抽样，这里t₀是传输时延，通常取决于系统的传输函数

H(o)

。

显然，此抽样值为2020/8/18数字信号的基带传输4.2.3

码间串扰的消除>GH(i-k)T+6]=O(b)课件(a)2020/8/18理想的传输波形46l4.3

无码间串扰的

基带

传

输

系

统(1)基带信号经过传输后在抽样点上无码间串扰，

也

即

瞬时抽样值应满足：k

=K

≠2020/8/18

件令k'=j-k,

并

考

虑至

'

也

为

整

数，

可

用k表示，数

字

信

号

的

基

带

传输47(2)h(t)尾部衰减快。从理论上讲，

以上两条可以通过合理地选择信号的波形和信道的特性达到。下面从研究理想基带传输系统出发，

得

出奈奎斯特第一定理及无码间串扰传输的频域特性H(o)

满足

的

条

件

。2020/8/18课件48数字信号的基带传输4.3.1

理想基带传输系

统理想基带传

输系统的传

输

特

性

具

有

理想

低

通

特

性，其

传如图4-

14(a)

所

示，

其

带宽B=(o/2)/2π=fi/2(Hz),行傅

氏反变换得数

字

信

号

的

基

带

传输对其

进输

函数

：2020/8/1849数

字

信

号

的

基

带

传

输4H(w)1(b)理想基带传输系统的H(o)和h()加

条CJ20(a)k(t)2B22B3.2B2020/8/18250数字信号的基带传输如果信号经传输后整个波形发生变化，

但只要其特定点的抽样值保持不变，那么用再次抽样的方法(这在抽样判决电路

中完成),仍然可以准确无误地恢复原始信码，这就是奈奎斯

特第一准则(又称为第一无失真条件)的本质。在图4

-14所表

示的理想基带传输系统中，各码元之间的间隔T,=1/(2B)称为奈

奎斯特间隔，

码元的传输速率Rg=1/T₁,=2B。所谓频带利用率是指码元速率Rg和带宽B

的比值，即单位

频带所能传输的码元速率，其表示式为步

页

特

录

事2020/8/18

课件

51H

(o)的分

割2020/8/18

课

件52数

字

信

号

的

基

带

传

输4.3.2

无码间串扰的等效

特

性因

为把

上

式的

积

分区间

用

角

频

率

间

隔

2

π

/T。

分割，如图4-15所

示，则可得作

变

量

代

换：

令

w¹=w-2πi/T。,则

有

dw'=dw及

w=w¹+2πi/T,。

于

是2020/8/18课

件

53数字信号的基带传输数字信号的基带传输由于h(t)是必须收敛的，求和与求积可互换，得2020/8/18

课件

544

.

3

.

3

升

余

弦

滚降

传

输

特

性升余弦滚降传输特性H(o)可

表

示

为H(w)

是

对

截

止

频

率o的

理

想

低

通

特

性H₀(o)按

H₁(o)的

滚降

特性进行“圆滑”得到的，

H₁(o)对于o

具有奇对称的幅度特性，

其上、下截止角频率分别为oo+o₁、wo-o₁

。

它的选取可根据需

要选择，升余弦滚降传输特性H₁(w)

采用余弦函数，此时H(o)为,|wl≤w₀-V₁

wo—w₁

<

|w|≤w₀+w₁

CJ≥wm+

少1数

字

信

号

的

基

带

传输显然，它满足(4-

19)式，故

一

定在码元传输速率为f=1/T,时

无

码

间

串扰。它所对应的冲击响应为TCOS2020/8/18

56称为滚降系

数，并

选定

T

。=1/2B,即

T

。=π/wo,

上两式可改写成数

字

信

号

的

基

带

传

输α=w₁/wo,H(w)(c)诛

1

什升

余弦

滚降

传

输

特

性2U2U/8/18(a)盖3/不

同

α

值

的

频

谱

与

波

形58(b)(a)(1)当α=0,无“滚降”,即为理想基带传输系统，

“尾巴”按1/t的规律衰减。当α≠0,即采用升余弦滚降时，

对应的

h(t)仍旧保持t=±T,开始，

向右和向左每隔T,出现一个零点的

特点，满足抽样瞬间无码间串扰的条件，但式(4-23)中第二个

因子对波形的衰减速度是有影响的。在t足够大时，

由于分子

值只能在+1和-1间变化，而在分母中的1与(2at/T₂)²

比较可忽

略。因此，

总体来说，

波形的“尾巴”在t足够大时，

将按

1/t³的规律衰减，

比理想低通的波形小得多。此时，衰减的快慢

还

与α

有

关，a

越大，衰减越快

，码间

串扰越小，错

误

判

决的

可能

性

越小

。2020/8/18

课件

59数字信号的基带传输(2)输出信号频谱所占据的带宽B=(1+a)fi/2,当a=0时，B=fi/2,频带利用率为2Baud/Hz,a=1

时，

B=f,

频带利用率

为1Baud/Hz;一

般a=0~1时，B=fi/2~f,频带利用率为2~1Baud/Hz。可以

看出

α

越

大，

“尾部”

衰减越快，但带宽越宽，频带利用率越低。因此，

用滚降特性来改善理想低通，实质

上是以牺牲频带利用率为代价换取的。2020/8/18

课件60数字信号的基带传输数字信号的基带传输(3)当a=1时，

有o

为其它值2020/8/18课件614

.

3

.

4

无

码间串

扰

时

噪

声

对

传

输

性

能的

影

响双极性

信号单极

性

信号双极性

信号单极

性

信

号1.误

码

率P。的两种表示方式数

字

信

号

的

基

带

传输2020/8/1862味

TPe

与

p

曲

线2.Pe与p关系曲线数字信号的基带传输2020/8/1863图给出了单、双极性Pe~p的关系曲线，从图中可以得出以下

几

个

结

论

：(1)在信噪比p相同条件下，双极性误码率比单极性低，抗干扰性能好。(2)在误码率相同条件下，

单极性信号需要的信噪功率比要比双极性高3dB

。(3)Pe~p

曲线总的趋势是p个，Pe↓,但当p

达到一定值后，p1,Pe将大大降低。2020/8/18课件64数字信号的基带传输3.Pe

与码元速率R,的关系从Pe~p的关系式中无法直接看出P。与R,的关系，但C=n₀B,B与f

有关，且成正比，因此当R,↑时，B↑,p↓,

Pe个。这就是说，码元速率R

(有效性指标)和误码率Pe

(可靠

性指标)是相互矛盾的。2020/8/18课件651数字信号的基带传输数

字

信

号

的

基

带

传

输4.4

眼

图2020/8/18

基带

信号

波

瓣

及眼图动

画

演

示

66信

号

波

形眼

图(d)(b)(c)(a)

(b)数字信号的基带传输眼图照渐2020/8/1867的灵敏度2020/8/18数字信号的基带传输抽样时刻最

大信号畸变眼

图

的

模

型

课

在门限电平68(1)最佳抽样时刻应选择在眼图中眼睛张开的最大处。(2)对定时误差的灵敏度，

由斜边斜率决定，斜率越大，对定时

误

差

就

越

灵

敏

。(3)在抽样时刻上，眼图上下两分支的垂直宽度，都表示了

最

大

信号

畸

变

。(4)在抽样时刻上，上、下两分支离门限最近的一根线迹至门限

的距离表示各

自相应

电平的

噪声容

限

，

噪

声

瞬

时

值

超

过它就可能发生判决差错。(5)对于信号过零点取平均来得到定时信息的接收系统，

眼图倾斜分支与横轴相交的区域的大小，

表示零点位置的变

动范?这个变动范围的大州对提取定时信息有重要影响89

|数字信号的基带传输数字信号的基带传输4

.

5

时

域

均

衡

原

理时域均衡基本

波

形课件2020/8/1870横

向

滤

波

器

方

框

图2020/8/18

课件

71数字信号的基带传输b

4

b

6式2020/8/18

72数

字

信(c)(d)x(t)经过延迟后，在q点和r点分别得到x(t-T)和x(t-2T),如图4-29(c)和(d)所示。若此滤波器的三个抽头增益调制为2020/8/18

课件

73数字信号的基带传输则调整后的三路波形如图4

-

24(e)中虚线所示。三者相加得到最

后

输出h(t)。

其

最

大

值h₀

出

现

时

刻

比x(t)的

最

大

值

滞

后T

秒，

此输出波形在各抽样点上的值等于数

字

信

号

的

基

带

传输2020/8/18课

件74|(za)4

.

6

部

分

响

应

技

术1.

部分