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数字通信系统

数字通信系统. 数字基带传输通信系统 数字频带传输通信系统 模拟信号数字化传输通信系统. 第六章 数字基带传输传输系统. 数字基带传输 概述 数字基带信号的波形和码型 数字 基带信号的频谱特性 基带脉冲传输的相关技术. 什么是数字基带传输. 原始信号所固有的基本频带称为 基带 。 未经调制等频率变换处理的原始数据信号称为 基带信号 。 在数据通信中直接传输基带信号的方式称为 基带传输 。 计算机、电传机等数字设备输出的二进制序列代码， PCM 或 ΔM 方式输出的码组等等都是 数字基带信号 。

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数字通信系统

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  1. 数字通信系统 • 数字基带传输通信系统 • 数字频带传输通信系统 • 模拟信号数字化传输通信系统

  2. 第六章 数字基带传输传输系统 • 数字基带传输概述 • 数字基带信号的波形和码型 • 数字基带信号的频谱特性 • 基带脉冲传输的相关技术

  3. 什么是数字基带传输 • 原始信号所固有的基本频带称为基带。 • 未经调制等频率变换处理的原始数据信号称为基带信号。 • 在数据通信中直接传输基带信号的方式称为基带传输。 • 计算机、电传机等数字设备输出的二进制序列代码，PCM或ΔM方式输出的码组等等都是数字基带信号。 • 由于数字基带信号往往包含丰富的低频分量，甚至直流分量，因此适合于在具有低通特性的有线信道中近距离直接传输， 我们称之为数字基带传输。 • 用来传输数字基带信号的通信系统称为数字基带传输系统。

  4. 为什么要研究数字基带传输 • 研究基带传输技术的意义主要在于以下几个方面： • 在利用双绞线电缆构成的近程数据通信系统中广泛采用了数字基带传输方式； • 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； • 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。

  5. 数字基带传输系统 数字基带信号 信道信号形成器 接收滤波器 采样判决器 数字基带信号 信道 e(t) S(t) 同步提取 噪声n(t) • 基带传输系统的基本结构如下图所示。它主要由信道信号形成器、信道、接收滤波器和采样判决器组成。 • 为了保证系统可靠有序地工作，还应有同步机制。

  6. 信道信号形成器 数字基带信号 信道信号形成器 接收滤波器 采样判决器 数字基带信号 信道 e(t) S(t) 同步提取 噪声n(t) • 原始基带信号往往不适合直接在信道中传输。 • 信道信号形成器的作用就是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，减小码间串扰，以利于同步提取和抽样判决。

  7. 信道 数字基带信号 信道信号形成器 接收滤波器 采样判决器 数字基带信号 信道 e(t) S(t) 同步提取 噪声n(t) • 信道是允许基带信号通过的介质，通常为有线信道， 如市话电缆、架空明线等。

  8. 接收滤波器 数字基带信号 信道信号形成器 接收滤波器 采样判决器 数字基带信号 信道 e(t) S(t) 同步提取 噪声n(t) • 接收滤波器的主要作用是滤除带外噪声，均衡信道特性，使输出的基带波形有利于采样判决。

  9. 采样判决器 数字基带信号 信道信号形成器 接收滤波器 采样判决器 数字基带信号 信道 e(t) S(t) 同步提取 噪声n(t) • 抽样判决器是在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻（由位定时脉冲控制）对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号。 • 而用来抽样的位定时脉冲则依靠同步提取电路从接收信号中提取，位定时的准确与否将直接影响判决效果。

  10. 基带系统的各点波形示意图 • 是输入的基带信号； • 是进行码型变换后的波形； • 对(a)而言进行了码型及波形的变换，是一种适合在信道中传输的波形； • 是信道输出信号，（发生失真）； • 是接收滤波器输出波形,发生失真和噪声减弱； • 是位定时同步脉冲; • 为恢复的信息 误码

  11. 误码的原因 • 第4个码元发生误码，误码的原因有二： • 一是信道加性噪声； • 二是传输总特性（包括收、发滤波器和信道的特性）不理想引起的波形延迟、展宽、拖尾等畸变，使码元之间相互串扰。 • 此时，实际抽样判决值不仅有本码元的值，还有其他码元在该码元抽样时刻的串扰值及噪声。 • 显然，接收端能否正确恢复信息，在于能否有效地抑制噪声和减小码间串扰， 这两点也正是本章讨论的重点。

  12. 基带传输应解决的问题 • 设计发送和接收滤波器，选择适当的基带信号波形和码型，使码间干扰尽可能小； • 根据最佳接收机原理，通过系统发送和接收滤波器的匹配，在发送功率一定的条件下，使噪声对系统的影响最小。也就是使系统获得最大的输出信噪比，从而降低误码率。 • 在接收端采用均衡器来补偿和跟踪调整信道特性，使之尽可能理想。

  13. 第六章 数字信号的基带传输 • 数字基带传输概述 • 数字基带信号的波形和码型 • 数字基带信号的频谱特性 • 基带脉冲传输的相关技术

  14. 数字基带信号的波形 • 组成基带信号的单个码元的波形可以是矩形、升余弦脉冲、高斯形脉冲、半余弦脉冲等。 • 但并非所有基带信号的波形都能在信道中传输： • 有的含有丰富的直流和低频成分，不便于提取同步信号；有的易于形成码间串扰…… • 由于矩形脉冲易于形成和变换，因此基带信号最常用的波形是矩形脉冲。

  15. 对基带传输码型的要求 • 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 • 满足这种要求的原因是PCM端机、再生中继器与电缆线路相互连接时，需要安装变量器，以便实现远端供电（因设置无人站）以及平衡电路与不平衡电路的连接。 • 传输码型的功率谱中高频分量应尽量少 • 这是因为一条电缆中包含有许多线对，线对间由于电磁感应会引起串音，且这种串音随频率的升高而加剧。

  16. 对基带传输码型的要求 • 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，以便再生中继器或接收端能提取必需的定时钟信息。 • 传输码型应具有一定的检测误码能力 • 数字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，即做到自动监测，以保证传输质量。

  17. 对基带传输码型的要求 • 对信源统计依赖性最小 • 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）。 • 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。

  18. 数字基带传输的常用码型 单极性非归零码 双极性归零码 双极性非归零码 单极性归零码 传号交替反转码 二元码 三元码 差分码（相对码） 数字双相码 三阶高密度双极性码 传号反转码 密勒码

  19. 单极性非归零码 A 0 • 单极性非归零码记作NRZ。 • 在二元码中用高电平A和低电平(常为零电平)分别表示二进制信息“1”和“0”，在整个码元期间电平保持不变。 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1

  20. 单极性NRZ码特点 • 有直流分量； • 连“0”或连“1”时不能直接提取位同步信息； • 在信道上占用频带较窄；  • 发送能量大，利于提高收端信噪比； • 对信道特性变化比较敏感。

  21. 双极性非归零码 A -A • 在二元码中用正电平和负电平分别表示“1”和“0”。整个码元期间电平保持不变。 • 在这种码型中不存在零电平。 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1

  22. 双极性NRZ码特点 • 当“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； • 连“0”或连“1”时仍不能直接提取位同步信息； • 对信道特性变化不敏感；  • 可在电缆等无接地线上传输。

  23. 单极性归零码 A 0 • 单极性归零码常记作RZ(L)。 • 发送“l”时，在整个码元期间高电平只持续一段时间，在码元的其余时间内则返回到零电平。 • 它是其它码型提取同步信号需采用的一个过渡码型。 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1

  24. 差分码（相对码） NRZ(M) A 0 • 差分码记作NRZI，也称相对码，或不归零交替反转码。 • 在差分码中，“1”、“0”分别用电平跳变或不变来表示。 • 若用电平跳变来表示“1”，则称为传号差分码 ，记作NRZ(M)。若用电平跳变来表示“0”，则称为空号差分码，记作NRZ (S)。 • 用差分波形传送代码可以消除设备初始状态的影响，特别是在相位调制系统中用于解决载波相位模糊问题。 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1

  25. 数字双相码 代码： 1 1 0 0 0 1 1 双相码： 01 10 10 01 10 10 01 +A 0 -A • 数字双相码又称为分相码或曼彻斯特码。它用一个周期的方波 表示“1”，而用它的反相波形表示“0”。 • 特点：自含同步时钟，没有直流输出。但编码效率仅为50%。

  26. 传号反转码 +A 0 -A • 传号反转编码(CMI码)与数字双相码类似，也是一种二电平非归零码。 • 编码规则为：“l”用交替的“0 0”和“1 1”两位码组表示，而“0”则固定地用“0 1”表示。 • 特点：含有丰富的定时信息，具有检错功能。 1 1 0 1 0 0 1 0

  27. 密勒码 +A 0 -A • 密勒码又称延迟调制，它是数字双相码的一种变型。 • 在密勒码中，“1”用码元周期中点处出现跳变来表示，而对于“0”则有两种情况：当出现单个“0”时，在码元周期内不出现跳变；但若遇到连“0”时，则在前一个“0”结束(也就是后一个“0”开始)时出现电平跳变。 1 1 0 1 0 0 1

  28. 双极性归零码 +E -E • 三元码幅度取值有三个：+1、0、-1。 • 三元码种类很多，被广泛地用作脉冲编码调制的线路传输码型。双极性归零码是其中之一。 • 双极性归零码除了具有双极性不归零波形的特点外，还有利于同步脉冲的提取。 1 0 1 0 0 1 1 0

  29. 传号交替反转码AMI • AMI码的全称是传号交替反转码。 • 编码规则：将消息代码“0”(空号)仍变换为传输码的0；将消息代码 “1” (传号) 交替地变换为传输码的+1、-1、+1、-1、…。 • 例如： • 消息代码：1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1... • AMI码：+1 0 0 -1 +1 0 0 0 -1 +1 -1...

  30. AMI码的特点 • 由于AMI码的传号交替反转，故由它决定的基带信号将出现正负脉冲交替，而0电位保持不变的规律。 • 因此，这种基带信号无直流成分，且只有很小的低频成分，因而它特别适宜在不允许这些成分通过的信道中传输。 • 码型具有一定检错能力；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。 • 但是，AMI码有一个重要缺点，即当它用来获取定时信息时，由于它可能出现长的连的连0串，因而会造成提取定时信号的困难。

  31. 三阶高密度双极性码（HDB3） 编码规则： • 先把消息代码变换成AMI码，当没有≥4个连0串时，结束编码； • 当出现4个以上连0串时，则将第4个0变换成与其前一非0符号同极性的符号，称为破坏脉冲V (即+1记为+V，-1记为-V)。 • 当相邻V符号之间有奇数个非0符号时，结束编码； • 当有偶数个非0符号时，将该小段的第1个0变换成+B或-B，B符号的极性与前一非0符号的相反，并让后面的非0符号从V符号开始再交替变化。

  32. 三阶高密度双极性码（HDB3） 编码示例： • 例如： • 代码： 1000 0 1000 0 1 1 000 0 1 1 • AMI码： -1000 0 +l 000 0 -1 +1 000 0 -1 +1 • HDB3码： -1000 -V +l 000 +V -1 +1 -B00 -V +1 -1 特点： （1）和AMI码的大多数特点相同。 （2）连0串不超过3个，便于提取定时分量。 （3）编码复杂，解码设备简单。

  33. AMI码和HDB3码之例

  34. 第六章 数字信号的基带传输 • 数字基带传输概述 • 数字基带信号的波形和码型 • 数字基带信号的频谱特性 • 基带脉冲传输的相关技术

  35. 基带数字信号的频谱特性 • 分析随机脉冲序列的功率谱可以知道信号功率的分布，根据主要功率集中在哪个频段，便可确定信号带宽，进而考虑信道带宽和传输网络（滤波器、均衡器等）的传输函数等。 • 随机脉冲序列的功率谱密度可能包括连续谱及离散谱两个部分。 • 利用离散谱是否存在这一特点，可以明确能否从脉冲序列中直接提取所需的离散分量和采取怎样的方法可以从序列中获得所需的离散分量，以便在接收端用这些成份作位同步定时等。

  36. 基带数字信号的表达式 • 设S(t)是一个二进制的随机脉冲序列，Ts为每一码元的宽度； • g1(t)和g2(t)分别表示符号“0”和“1”对应的脉冲信号，它们出现的概率分别为P和1-P，且为统计独立； • an是第n个信息符号所对应的电平值。 • 则：

  37. 数字信号的功率谱密度 • 数字基带信号一般是随机信号，用功率谱密度来描述其频谱特性。 s(t)的功率谱密度可表示为： • 截取时间T为T=(2N+1)Ts，式中，N为一个足够大的数值。则 sT(t)就可表示成： • 则：

  38. 数字基带信号的功率谱特点 • 随机脉冲序列的功率谱密度可能包含连续谱和离散谱。 • 对于连续谱而言，由于代表数字信息的g1(t)及g2(t)不能完全相同，故G1(f)≠G2(f)， 因而连续谱总是存在的； 而离散谱是否存在，取决g1(t)和g2(t) 的波形及其出现的概率p。

  39. 数字基带信号的功率谱特点 • 随机序列的带宽主要依赖单个码元波形的频谱函数G1(f)或G2(f)，两者之中应取较大带宽的一个作为序列带宽。其带宽等于脉宽τ的倒数，即B=1/τ。 • 利用离散谱是否存在这一特点，可以明确是否可以提取同步信号1/Ts。

  40. 数字信号的功率谱 • 矩形脉冲信号的频谱函数分布于整个频率轴上，而其主要能量集中在直流和低频段。

  41. 二进制数字信号序列的功率谱曲线

  42. 第六章 数字信号的基带传输 • 数字基带传输概述 • 数字基带信号的波形和码型 • 数字基带信号的频谱特性 • 基带脉冲传输的相关技术

  43. 基带传输系统的模型 r(t) 识别 电路 GT(ω) C(ω) GR(ω) s(t) d(t) nR(t) + • d(t)为发送滤波器的输入信号； • s(t)为发送滤波器的输出信号； • n(t)为信道噪声 • r(t)为接收滤波器的输出信号 接收滤波器 发送滤波器 传输信道 n(t)

  44. 1.基带传输系统的码间干扰 • 在数字基带系统模型中，接收端的识别电路将对接收滤波器的输出信号r(t)进行抽样判决，造成判决错误的主要原因一方面是噪声，另一方面就是由于传输特性（包括发、收滤波器和信道特性）不良引起的码间干扰。 • 在对第k个码元ak进行判决时，码间干扰值是除第k个码元以外的其他码元波形在第k个抽样时刻上的总和，它对当前码元ak的判决起着干扰的作用，亦称为码间串扰。

  45. 基带传输系统的特性 • 码间干扰的大小取决于an和系统输出波形gR(t)在抽样时刻上的取值。然而 an是随信息内容变化的，从统计观点看，它总是以某种概率随机取值的。系统响应 gR(t)却仅依赖于发送滤波器至接收滤波器的传输特性 H(ω)。 • H(ω)可看作是发送、接收滤波器和信道的总特性，即H(ω) = GT (ω) C (ω) GR (ω)

  46. 无码间干扰时的基带传输特性 • 无码间干扰时基带传输特性应满足: • 结论:若基带系统的总特性H(ω)能符合Heq(ω)的要求，即可消除码间干扰。

  47. 理想低通传输函数 • 当H(ω)为理想低通型时，有 • H(ω)的示意图及其冲激响应h(t)波形如下图所示，其中h(t)是H(ω)的傅里叶反变换，h(t)为

  48. 奈奎斯特第一准则 • 对于理想低通的传输函数，输入数据若以1/Ts波特速率进行传送时，则在抽样时刻上的码间干扰是不存在的； • 同时，如果该系统用高于1/Ts波特的码元速率传送时，将存在码间干扰。 • 考虑到系统的频带宽度为1/2Ts，而最高码元速率为1/Ts，故这时的系统最高频带利用率为2波特/赫。 • 设系统带宽为W (赫兹)，则该系统无码间干扰时最高的传输速率为2W(波特)，这个传输速率通常被称为奈奎斯特速率

  49. 奈奎斯特第二准则 • 有控制地在某些码元的抽样时刻引入码间干扰，而在其余码元的抽样时刻无码间干扰，那么就能使频带利用率提高到理论上的最大值，同时又可以降低对定时精度的要求。这种波形称为部分响应波形。 • 利用部分响应波形进行传送的基带传输系统称为部分响应系统。

  50. 2.部分响应技术 • 让两个时间上相隔一个码元Ts的sinx/x波形相加，如下图所示，则相加后的波形为g(t)，式中，W为奈奎斯特频率间隔，即W=1/(2Ts)。

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