通信原理-第六章-数字基带传输系统

第6章

数字基带传输系统引言1数字基带信号码波形2基带传输的常用码型3基带脉冲传输和码间干扰4无码间干扰的基带传输特性5第6章数字基带传输系统2008.82copyright信息科学与技术学院通信原理教研组6.1

引言每个码元只能取有限个离散的值：二进制数信息 an取0或1M进制数信息an取0，1，2……M-1

1、数字信号来源：计算机输出的二进制数据 模拟信号A/DPCM码组

上述信号所占据的频谱是从直流或低频开始的，故称数字基带信号。

数字信息可表示为一数字符号序列a0a1a2……，记作{an}，其中an

基本单元（码元），2008.83copyright信息科学与技术学院通信原理教研组基本概念

1）基带传输——数字基带信号不加调制在某些具有低通特性的有线信道中传输，特别是传输距离不太远的情况下；

2）频带传输——数字基带信号对载波进行调制后再进入带通型信道中传输。2、数字信号的传输2008.84copyright信息科学与技术学院通信原理教研组研究数字基带传输系统的目的

1）在利用对称电缆构成的近程数据通信系统中，广泛采用了这种传输方式；

2）数字基带传输中包含频带传输的许多基本问题，也就是说基带传输系统的许多问题也是频带传输系统必须考虑的问题；

3）任何一个采用线性调制的频带传输系统可等效为基带传输系统来研究；2008.85copyright信息科学与技术学院通信原理教研组数字基带信息传输系统的构成信道信号形成器:把原始基带信号变换成适合于信道传输的基带信号，这种变换主要是通过码型变换和波形变换来实现的，其目的是与信道匹配，便于传输，减小码间干扰，利于同步提取和抽样判决。信道:允许基带信号通过的媒质，通常为电缆、架空明线

等有线信道。接收滤波器:滤除带外噪声,对失真波形进行均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决。抽样判决:在规定时刻（由定时脉冲控制）对接收滤波器输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号。同步提取:数字信号传输，存在有时间上的同步问题，由接收端同步提取电路提取定时脉冲来完成。2008.86copyright信息科学与技术学院通信原理教研组基带系统各点波形示意图2008.87copyright信息科学与技术学院通信原理教研组第6章数字基带传输系统引言1数字基带信号码波形2基带传输的常用码型3基带脉冲传输和码间干扰4无码间干扰的基带传输特性52008.88copyright信息科学与技术学院通信原理教研组6.2

数字基带信号及其频谱特性

6.2.1

数字基带信号

数字基带信号是指消息代码的电波形，它是用不同的电平或脉冲来表示相应的消息代码。数字基带信号(以下简称为基带信号)的类型有很多，常见的有矩形脉冲、三角波、高斯脉冲和升余弦脉冲等。下面就以矩形脉冲为例介绍几种最常见的基带信号波形。2008.89copyright信息科学与技术学院通信原理教研组基带信号码波形

单极性（不归零）码双极性（不归零）码单极性归零码双极性归零码差分码多元码2008.810copyright信息科学与技术学院通信原理教研组单极性不归零码（NRZ)0t01000011000001010最简单，但只适用极短距离传输，应用很少。(1)有直流分量；(2)判决电平不能稳定在最佳的电平，抗噪声性能不好；

(3)不能直接提取定时信号；(4)要求一端接地。这样不能用两根芯线均不接地的电缆传输线；用高电平和零电平分别表示二进制信息“1”和“0”。特点：2008.811copyright信息科学与技术学院通信原理教研组双极性不归零码特点:01000011000001010（1）“1”、0”等概时无直流分量为零;（3）不能提取同步信息;（4）“1”、0”不等概时仍有直流分量。用正电平和负电平分别表示“1”和“0”（2）接收端判决电平为0，稳定不变，不受信道特性变化的影响，抗干扰能力也较强；2008.812copyright信息科学与技术学院通信原理教研组单极性归零码（RZ）

特点：

具有一般单极性不归零码缺点，但可直接提取位同步信息。是其它波形提取位定时信号时需要采用的一种过渡波形。信码“1”高电平只保持一段时间(<T)，其余时间为零电平；信码“0”用零电平表示占空比=

/T，常取=T/2，占空比=1/2称半占空0

t

010001100001010

T2008.813copyright信息科学与技术学院通信原理教研组双极性归零码

特点：

具有双极性不归零码的优点，且可方便的提取位同步信息.t001000011000001010有三种电平，称伪三元码

与双极性非归零码相似，只是脉冲的宽度小于码元间隔。可方便的变换为单极性归零码提取同步信号，应用比较广泛。T2008.814copyright信息科学与技术学院通信原理教研组差分码特点：利用前后码元电平相对极性变化来传送信息,是一种相对码；

参考电平为“1”编码规则：“1”变“0”不变或“0”变“1”不变00

0

1

0

0

0

011

0

0

0

0

010

1t优点:码元极性相反时亦可正确输出。 用电平的跳变或不变来表示“1”和“0”，也称为相对码。可以解决起始相位的不确定问题。2008.815copyright信息科学与技术学院通信原理教研组多元码以上几种都是二电平码，即用两种电平来表示“0”和“1”，多电平码的每个码元可以代表n=log2L个二进制符号，其中L为电平数。因此，在码元速率一定时，多元码提高了信息速率。0123Tb5Tb4Tb3Tb2Tb1001001011t05Tb4Tb2TbTbt1-13-301001110013Tb2008.816copyright信息科学与技术学院通信原理教研组设g(t)为构成信号的基本脉冲波形，Ts为码元间隔,

=TsNRZ码

<TsRZ码g(t)=

0|t|/2

1|t|/2g(t)-/2

/2-Ts/2Ts/2例如矩形函数：1/τftG(f)-2/τ-1/τ2/τ例6-12008.817copyright信息科学与技术学院通信原理教研组第6章数字基带传输系统引言1数字基带信号码波形2基带传输的常用码型3基带脉冲传输和码间干扰4无码间干扰的基带传输特性52008.818copyright信息科学与技术学院通信原理教研组6.３基带传输的常用码型

在实际的基带传输系统中，并不是所有类型的基带电波形都能在信道中传输。对传输用的基带信号有两个方面的要求：（1）对代码的要求，原始消息代码必须编成适合于传输用的码型；（传输码型的选择）（2）对所选码型的电波形要求，电波形应适合于基带系统的传输。（基带脉冲的选择）2008.819copyright信息科学与技术学院通信原理教研组码型变换或成形是数字信息转换为数字信号的过程，不同的码型将有不同的频谱结构，对信道有着不同的要求。传输码型设计时要考虑的一些主要因素传输码结构设计的要求1）便于从相应的基带信号中提取定时信息；2）相应的基带信号无直流分量，且低频分量少；3）不受信息源统计特性的影响，即能适应于信息源的变化；4）尽可能的提高传输码型的传输效率；

5）基带传输码型最好具有内在的纠错能力；6）编译码设备简单、可靠。2008.820copyright信息科学与技术学院通信原理教研组1、AMI码（传号交替反转码）特点：0t

010000110000010101.无直流且低频分量少；2.编、译码设备简单；4.长连零串会使位同步丢失。3.反相信号也可正确判决；

用零电平表示码元“0”，而码元“1”则交替地用正负极性的码表示。T2008.821copyright信息科学与技术学院通信原理教研组2、HDB3码（三阶高密度双极性码）优缺点:无直流分量，占用频带窄，解决了AMI码长连零位同步的提取问题，是目前较为广泛采用的码型之一。但编译码电路较复杂。

1)在连续“0”码个数≤3时，编码方法与AMI码相同；

2)当“0”码为连续四个或以上时，将第四个改为“1”码，并与信息码中的“1”码为同极性符号，以利于辨认。因其破坏了极性交替的关系，故称破坏脉冲，记作V，相邻V码极性仍保持交替,码中无直流分量。

3)V码与信码保持各自极性交替且与信码同极性的原则，当不能同时满足时，引入补码B，将4个连零的第一个零改为B码，其极性与前面的信码极性相反。HDB3码的编码方法：2008.822copyright信息科学与技术学院通信原理教研组HDB3编码举例：(a)输入二进制码元序列01000011000001010(e)HDB3码0+1000+1-1+1-100-10+10-10(d)引入补码B0+1000+V–1+1-B00-V0+10-100+1000+V-1+1000-V0-10+10

(＋1表示正脉冲，-1表示负脉冲）(b)AMI码0+10000–1+100000-10+10注意：任意两相邻V脉冲之间信息码和B脉冲的个数之和应为奇数。(c)信码和加上的破坏脉冲V极性关系不能满足，需引入B信息码极性从B开始继续交替2008.823copyright信息科学与技术学院通信原理教研组

01000011000001010t01.无直流且低频少；2.可提出位同步信息；

HDB3码0+1000+V-1+1-B00-V0+10-10HDB3码特点2008.824copyright信息科学与技术学院通信原理教研组（1）-11-11-11-11-11-11-11-11（2）000-VB00V-B00-VB00VHDB3码特例：任意两个相邻的V脉冲之间信息码和B脉冲的个数之和应为奇数。一个简单的方法：任意两个相邻的V脉冲之间的信息码个数为偶数时，加入一个B脉冲，为奇数则不加。全“1”和全“0”的HDB3码：2008.825copyright信息科学与技术学院通信原理教研组HDB3码的译码方法：由相邻极性相同码找出V码，根据向前数第三个是否为零找出B码，去掉V、B后其余都是信码。

HDB3码0+1000+1-1+1-100-10+10-10

AMI码

0+10000–1+100000-10+10VBV2008.826copyright信息科学与技术学院通信原理教研组3、PST码PST码是成对选择三进码。其编码过程是：先将二进制代码两两分组，然后再把每一码组编码成两个三进制数字(+、－、0)。因为两位三进制数字共有9种状态，故可灵活地选择其中的4种状态。二进制代码+模式－模式00－＋－＋010＋0－10＋0－011＋－＋－2008.827copyright信息科学与技术学院通信原理教研组

例如：代码：01001110101100PST码：0+-++--0+0

+-

-+

或0--++-+0-0+--+PST码能提供足够的定时分量，且无直流成分，编码过程也较简单。但这种码在识别时需要提供“分组”信息，即需要建立帧同步。PST码编码举例2008.828copyright信息科学与技术学院通信原理教研组4、曼彻斯特码(双相码)每个码元都用两个连续极性相反的脉冲表示。“1”:正、负；则“0”:负、正。特点：无直流分量；连“1”或连“0”仍能显示码元间隔，有利于码同步的提取，但带宽大。00

0

1

0

0

0

011

0

0

0

0

010

1t2008.829copyright信息科学与技术学院通信原理教研组密勒码又称延迟调制码，它是双相码的一种变形。编码规则：“1”码用码元间隔中心点出现跃变来表示，即用“10”或“01”表示。“0”码有两种情况：单个“0”时，在码元间隔内不出现电平跃变，且与相邻码元的边界处也不跃变。连“0”时，在两个“0”码的边界处出现电平跃变，即“00”与“11”交替。5.密勒码(Miller)

2008.830copyright信息科学与技术学院通信原理教研组举例图(a)是双相码的波形；图(b)为密勒码的波形；若两个“1”码中间有一个“0”码时，密勒码流中出现最大宽度为2Ts的波形，即两个码元周期。这一性质可用来进行宏观检错。用双相码的下降沿去触发双稳电路，即可输出密勒码。2008.831copyright信息科学与技术学院通信原理教研组6、CMI码“1”码交替用“11”

、“00”表示；“0”码用“01”表示。特点：有较多的电平跳变,含有丰富的定时信息,被CCITT推荐为PCM四次群的接口码型。00

0

1

0

0

0

011

0

0

0

0

010

1t2008.832copyright信息科学与技术学院通信原理教研组双相码、密勒码、CMI码的波形

(a)双相码；(b)密勒码；(c)CMI码

举例2008.833copyright信息科学与技术学院通信原理教研组nBmB码：把原信息码流的n位二进制码分为一组，并置换成m位二进制码的新码组，其中m>n。由于，新码组可能有2m

种组合，故多出(2m-2n)种组合。在2m

种组合中，以某种方式选择有利码组作为可用码组，其余作为禁用码组，以获得好的编码性能。双相码、密勒码和CMI码都可看作1B2B码。优缺点：提供了良好的同步和检错功能，但带宽增大7、nBmB码2008.834copyright信息科学与技术学院通信原理教研组nBmT码：将n个二进制码变换成m个三进制码的新码组，且m≤n。例：4B3T码，它把4个二进制码变换成3个三进制码。显然，在相同的码速率下，4B3T码的信息容量大于1B1T，因而可提高频带利用率。8、nBmT码2008.835copyright信息科学与技术学院通信原理教研组第6章数字基带传输系统引言1数字基带信号码波形2基带传输的常用码型3基带脉冲传输和码间干扰4无码间干扰的基带传输特性52008.836copyright信息科学与技术学院通信原理教研组6.4

基带脉冲传输和码间干扰基带脉冲传输时引起误码的原因：码间干扰信道加性噪声码间干扰原因及后果：系统传输总特性不理想，导致前后码元的波形畸变并使前面波形出现很长的拖尾，从而对当前码元的判决造成干扰。码间干扰严重时，会造成错误判决，如下图所示：2008.837copyright信息科学与技术学院通信原理教研组数字基带信号传输的定量分析(1)数字基带信号传输模型

假设：{an}－发送滤波器的输入符号序列，取值为0、1或-1，+1。

d(t)－对应的基带信号2008.838copyright信息科学与技术学院通信原理教研组发送滤波器输出式中gT(t)－发送滤波器的冲激响应设发送滤波器的传输特性为GT(

)，则有数字基带信号传输的定量分析(2)2008.839copyright信息科学与技术学院通信原理教研组总传输特性再设信道的传输特性为C(

)，接收滤波器的传输特性为GR(

)，则基带传输系统的总传输特性为 其单位冲激响应为数字基带信号传输的定量分析(３)2008.840copyright信息科学与技术学院通信原理教研组接收滤波器输出信号式中，nR(t)是加性噪声n(t)经过接收滤波器后输出的噪声。抽样判决：抽样判决器对r(t)进行抽样判决为确定第k个码元ak

的取值，应先在t=kTs+t0

时刻上对r(t)进行抽样：

数字基带信号传输的定量分析(４)2008.841copyright信息科学与技术学院通信原理教研组第6章数字基带传输系统引言1数字基带信号码波形2基带传输的常用码型3基带脉冲传输和码间干扰4无码间干扰的基带传输特性52008.842copyright信息科学与技术学院通信原理教研组接收信号：由上式可知，若想消除码间干扰，应使6.5

无码间干扰的基带传输特性讨论在不考虑噪声情况下，如何消除码间干扰2008.843copyright信息科学与技术学院通信原理教研组

1)自行抵消，由于an是随机数据不可能抵消。

2)相邻码元的前一个码元的波形到达后一个码元抽样判决时刻已经衰减到0，能满足要求但不易实现。

3)只要让它在后面码元抽样判决时刻上正好为0，就能消除码间干扰。这就需要对h(t)的波形提出要求。

消除码间干扰的基本思想2008.844copyright信息科学与技术学院通信原理教研组无码间干扰的时域条件

如上所述，只要基带传输系统的冲激响应波形h(t)仅在本码元的抽样时刻上有最大值，并在其他码元的抽样时刻上均为0，则可消除码间干扰。也就是说，若对h(t)在时刻t=kTs（这里假设信道和接收滤波器所造成的延迟t0=0）抽样，则应有下式成立 上式称为无码间干扰的时域条件。

2008.845copyright信息科学与技术学院通信原理教研组在无码间干扰时域条件的要求下，我们得到无码间干扰时的基带传输特性应满足或写成上条件称为奈奎斯特(Nyquist)第一准则。基带系统的总特性H(

)凡是能符合此要求的，均能消除码间干扰。无码间干扰的频域条件2008.846copyright信息科学与技术学院通信原理教研组

Ts3Ts2Ts3Ts2Ts

TsH1(ω)H0(ω)H-1(ω)无码间干扰频域条件物理含义：2008.847copyright信息科学与技术学院通信原理教研组

Ts

TsTsTs

Ts

Ts

Ts

TsTsHeq(ω)

物理意义：如果一个基带传输系统，其等效低通传输函数为理想低通特性，则该系统可以无码间串扰传输。2008.848copyright信息科学与技术学院通信原理教研组如何求出等效

低通传输函数？1)把H(

)按照2π/Ts

进行分段，把各段记为Hn(

)，－∞≤n≤∞。2)将Hn(

)分别平移

n*2π/Ts，

至|

|≤π/Ts，

然后将其相加。

Ts3Ts2Ts3Ts2Ts

TsH1(ω)H0(ω)H-1(ω)

Ts

TsHeq(ω)2008.849copyright信息科学与技术学院通信原理教研组无码间串扰的传输特性的设计满足奈奎斯特第一准则并不是唯一的要求。如何设计或选择满足此准则的H(

)？理想低通特性满足奈奎斯特第一准则的H(

)有很多种，容易想到的一种极限情况，就是H(

)为理想低通型，即2008.850copyright信息科学与技术学院通信原理教研组它的冲激响应为由图可见，h(t)在t=

kTs

(k

0)时有周期性零点，当发送序列的时间间隔为Ts时，正好巧妙地利用了这些零点。只要接收端在t=kTs时间点上抽样，就能实现无码间串扰。理想低通的冲激响应2008.851copyright信息科学与技术学院通信原理教研组由理想低通特性还可以看出，对于带宽为的理想低通传输特性：若输入数据以RB=1/Ts波特的速率进行传输，则在抽样时刻上不存在码间串扰。若以高于1/Ts波特的码元速率传送时，将存在码间串扰。

通常将此带宽B称为奈奎斯特带宽，将RB称为奈奎斯特速率。 此基带系统所能提供的最高频带利用率为 但是，这种特性在物理上是无法实现的；并且h(t)的振荡衰减慢，使之对定时精度要求很高。故不能实用。理想低通传输特性2008.852copyright信息科学与技术学院通信原理教研组升余弦特性的传输函数可表示为相应的h(t)为升余弦特性的传输函数2008.853copyright信息科学与技术学院通信原理教研组余弦滚降为了解决理想低通特性存在的问题，可以使理想低通滤波器特性的边沿缓慢下降，这称为“滚降”。一种常用的滚降特性是余弦滚降特性，如下图所示：

只要H(

)在滚降段中心频率处（与奈奎斯特带宽相对应）呈奇对称的振幅特性，就必然可以满足奈奎斯特第一准则，从而实现无码间串扰传输。奇对称的余弦滚降特性余弦滚降特性2008.854copyright信息科学与技术学院通信原理教研组按余弦特性滚降的传输函数可表示为相应的h(t)为式中，

为滚降系数，用于描述滚降程度。它定义为余弦滚降特性的传输函数2008.855copyright信息科学与技术学院通信原理教研组其中，fN

－奈奎斯特带宽，

f

－超出奈奎斯特带宽的扩展量几种滚降特性和冲激响应曲线滚降系数

越大，h(t)的拖尾衰减越快滚降使带宽增大为余弦滚降系统的最高频带利用率为

余弦滚降特性的特点2008.856copyright信息科学与技术学院通信原理教研组当=0时，即为前面所述的理想低通系统；当=1时，即为升余弦频谱特性，这时H(

)可表示为 其单位冲激响应为

余弦滚降特性2008.857copyright信息科学与技术学院通信原理教研组由上式可知，

＝1的升余弦滚降特性的h(t)满足抽样值上无串扰的传输条件，且各抽样值之间又增加了一个零点，而且它的尾部衰减较快(与t2

成反比)，这有利于减小码间串扰和位定时误差的影响。但这种系统所占频带最宽，是理想低通系统的2倍，因而频带利用率为1波特/赫，是二进制基带系统最高利用率的一半。应当指出，在以上讨论中并没有涉及H(

)的相移特性。实际上它的相移特性一般不为零，故需要加以考虑。然而，在推导奈奎斯特第一准则公式的过程中，我们并没有指定H(

)是实函数，所以，该公式对于一般特性的H(

)均适用。余弦滚降特性2008.858copyright信息科学与技术学院通信原理教研组几种常用的无码间串扰传输特性理想低通H(f)fw1w1Ts0H(f)余弦滚降w1TsTs/2直线滚降H(f)TsTs/2ff

-w1

0(1-

)w1(1+

)w1w1Sa(2W1t)·Sa(2W1t)cos(2W1t)1-(4

W1t)²Sa(2W1t)·Sa(2

W1t)B=W1=2fsB=(1+

)W1=22(1+

)fsB=(1+

)W1=2(1+

)fs(1+

)2(1+

)名称和传输特性H(f)冲击响应h(t)带宽

B(Hz)频带利用率

(B/Hz)2(1+

)w1(1-

)w10-w12008.859copyright信息科学与技术学院通信原理教研组升余弦特性（a=1)ffH(f)TbTs/2Ts2w1w1-2w1-w12w1w1-2