第六章 数字基带传输系统

1. 第六章数字基带传输系统

2. 基带脉冲 输入 信道信号 形成器 接收 滤波器 抽样 判决器 基带脉冲 输出 信道 干扰 数字基带传输系统的基本结构 概述 不使用调制和解调装置而直接传输数字 基带信号的系统称为数字基带传输系统。

3. 信道信号形成器(也叫发送滤波器)：用来产生适合于信道传输的基带信号;信道信号形成器(也叫发送滤波器)：用来产生适合于信道传输的基带信号; • 接收滤波器：用来接收信号，并尽可能排除信道噪声和其它干扰； • 抽样判决电路：是在噪声背景下用来判定与再生基带信号的。

4. 6.1数字基带信号及其频谱特性 • 数字信号码型：电脉冲序列的结构形式。 • 数字信号波形：数字信号电脉冲的形状。

5. +V (a) 0 +V (b) -V +V (c) 0 +V (d) 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 -V (e) (a) 单极性波形 (b)双极性波形 (c)单极性归零波形 (d)双极性归零波形 (e)差分波形 图5.3.1 基带信号的基本波形 +3V +V 0 -V -3V 图5.3.2 多电平波形 (a) (b) (c) (d) (e) (f)

6. RZ NRZ 0 RZ、NRZ信号功率谱密度

7. 6.1.2 基带数字信号的频率特性 g(t)是某种脉冲波形。

8. g1(t) 0 (a) g1(t)波形 g2(t) g1(t-nt) 0 0 1 0 1 s(t) (b) g2(t)波形 t T g2[t-(n+1)t] (c) s(t)波形 0

13. 由上面两个例子可以看出： 1. 在一般情况下，随机信号序列的功率谱密度中包含连续谱和离散谱两个分量。但是对于双极性信号g(t) = -g(t)，且概率P = 1/2时，则没有离散谱分量。 2. 若g1(t) = g2(t)，则功率谱密度中没有连续谱分量，只有离散谱。— 为周期性序列，不含信息量。

14. 例题：设随机二进制序列中的“0”和“1”分别由g(t)和- g(t)组成，他们的出现概率分别为P和（1-P）： • 求其功率谱密度及功率； • 若g(t)为如图(a)所示波形，Ts为码元宽度，问该序列是否存在离散分量fs=1/Ts. • 若g(t)为如图(b)所示波形，回答上问。

15. (b) (a)

16. 连续谱 离散谱

17. 其功率：

18. （2）

19. （3）

20. 6.2 基带传输的常用码型 • 码型设计的原则： 当数字信号进行长距离传输时，高频率分量的衰减随距离的增加而增大。同时信道中往往还存在隔支流电容后藕合变压器，它们不能传输直流分量及对低频分量有较大的衰减。因此对一般信道来说其高频和低频部分均是受限的，此时必须考虑码型选择问题：

21. 码型设计的原则： • 对于低频信号传输受限的信道，应使线路传输码型的频谱不含直流分量，并且低频分量尽量少。 • 含有丰富的定时信息，以便从接收码流中提取定时信息。在基带传输系统中，定时信息是在接收端再生原始信息所必需的。

22. 码型设计的原则： • 功率谱主瓣宽度窄，以节省传输频带。 • 不受信息源统计特性的影响，即能适应于信息源的变化。 • 具有内在的检错能力，即码型应具有一定规律性，以便利用这一规律性进行宏观监测。 • 编译码简单，以便减低通信延时和成本。

23. 对于传输码型，有如下一些要求： • 无直流分量和只有很小的低频分量； • 含有码元的定时信息； • 传输效率高； • 最好有一定的检错能力； • 适用于各种信源，即要求以上性能和信源的统计特性无关

24. AMI码 －传号交替反转码 • 编码规则：“1” 交替变成“＋1”和“－1”， “0”  仍保持为“0”， • 例：消息码： 0 1 0 1 1 0 0 0 1 AMI码：0 +1 0 -1 +1 0 0 0 -1 • 优点：没有直流分量 、译码电路简单 、能发现错码。 • 缺点：出现长串连“0”时，将使接收端无法取得定时信息。 • 又称：“1B/1T”码 － 1位二进制码变成1位三进制码。

25. HDB3码 － 3阶高密度双极性码 • 编码规则： • 首先，将消息码变换成AMI码， • 然后，检查AMI码中连“0”的情况： • 当没有发现4个以上（包括4个）连“0”时，则不作改变，AMI码就是HDB3码。 • 当发现4个或4个以上连“0”的码元串时，就将第4个“0”变成与其前一个非“0”码元（“＋1”或“－1”）同极性的码元。 • 将这个码元称为“破坏码元”，并用符号“V”表示，即用“+V”表示“＋1”，用“－V”表示“－1”。 • 为了保证相邻“V”的符号也是极性交替： * 当相邻“V”之间有奇数个非“0”码元时，这是能够保证的。 * 当相邻“V”之间有偶数个非“0”码元时，不符合此“极性交替”要求。这时，需将这个连“0”码元串的第1个“0”变成“＋B”或“－B”。B的符号与前一个非“0”码元的符号相反；并且让后面的非“0”码元符号从V码元开始再交替变化。

26. 例： 消息码: 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 AMI码: -1 0 0 0 0 +1 0 0 0 0 -1 +1 0 0 0 0 -1 +1 HDB3码: -1 0 0 0 -V +1 0 0 0 +V -1 +1 -B 0 0 -V +1 -1 -1 0 0 0 -1 +1 0 0 0+1 -1 +1 -10 0-1+1 -1 译 码：-1 0 0 0 0 +10 0 0 0-1 +10 0 0 0+1 -1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 • 译码： • 发现相连的两个同符号的“1”时，后面的“1”及其前面的3个符号都译为“0”。 • 然后，将“+1”和“-1”都译为“1”，其它为“0”。 • 优点：除了具有AMI码的优点外，还可以使连“0”码元串中“0”的数目不多于3个，而且与信源的统计特性无关。

27. 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 单极性NRZ 双极性NRZ 单极性RZ 双极性RZ 差分码 AMI码 HDB3码

28. NRZ 1 HDB3 AMI 0.5 1 fτ

29. 0 1 1 0 +E -E • 双相码 － 曼彻斯特码 • 编码规则：消息码“0”  传输码“01” 消息码“1”  传输码“10” 例： 消息码：1 1 0 0 1 0 1 双相码：10 10 01 01 10 01 10 • 译码规则：消息码“0”和“1”交替处有连“0”和连“1”，可以作为码组的边界。 • 优缺点：只有2电平，可以提供定时信息，无直流分量；但是占用带宽较宽。

30. 0 0 • 密勒码 • 编码规则： 消息码“1”  用中点处电压的突跳表示，或者说用“01”或 “10”表示； 消息码“0”  单个消息码“0”不产生电位变化， 连“0”消息码则在边界使电平突变，或者说用 “11”或“00”表示 • 特点：当 “1”之间有一个 “0”时，码元宽度最长（等于两倍消息码的长度）。这一性质也可以用来检测误码。 • 产生：双相码的下降沿正好对应密勒码的突变沿。因此，用双相码的下降沿触发双稳触发器就可以得到密勒码。 消息码： 1 0 1 1 0 0 0 1 双相码： 10 01 10 10 01 01 01 10 双相码波形： 双相码相位： 0  0 0  0 密勒码：

31. 消息码： 1 0 1 1 0 0 0 1 0 双相码： 10 01 10 10 01 01 01 10 双相码波形： 双相码相位： 0  0 0  0 0 密勒码： CMI码： 0 • CMI码 －传号反转码 • 编码规则：消息码“1”  交替用“11”和“00”表示； 消息码“0”  用“01”表示，

32. nBmB码 • 这是一类分组码，它把消息码流的n位二进制码元编为一组，并变换成为m位二进制的码组，其中m>n。后者有2m种不同组合。由于m>n，所以后者多出(2m – 2n)种组合。在2m种组合中，可以选择特定部分为可用码组，其余部分为禁用码组，以获得好的编码特性。 • 双相码、密勒码和CMI码等都可以看作是1B2B码。在光纤通信系统中，常选用m = n + 1，例如5B6B码等。 • 除了nBmB码外，还可以有nBmT码等等。nBmT码表示将n个二进制码元变成m个三进制码元。

33. 1.8 密勒码 1.4 CMI 1.0 双相码 0.6 0.2 0.2 0.6 1.0 1.4 1.8 fτ

34. 1.5 P=0.6 P=0.5 1 P=0.4 0.5 1 fτ

35. GT(f) C(f) GR(f) 基带脉冲 输入 发送 滤波器 接收 滤波器 抽样 判决器 基带脉冲 输出 信道 噪声 H(f)=GT(f) C(f) GR(f) 同步提 取电路 基带 传输 抽样 判决 6.3数字基带信号传输与码间串扰 • 码间串扰的产生原因

36. H(f) 抽样 判决 基带 传输 GT(f) C(f) GR(f) 发送 滤波器 信 道 接收 滤波器 抽样 判决 噪声

37. 错误码元 输入信号 码型变换后 • 基带系统的各点波形示意图 传输的波形 信道输出 接收滤波输出 位定时脉冲 恢复的信息

38. 输出 基带信号 抽样 判决 H(f) d(t) y(t)

39. 码间串扰

40. 6.4无码间串扰的基带传输特性 • 码间串扰产生的原因 • 码间串扰 － 相邻码元间的互相重叠。 • 码间串扰产生的原因 － 系统总传输特性H(f)不良。 • 码间串扰的特点 －随信号的出现而出现，随信号的消失而消失 （乘性干扰）。

41. h(t) 0 t0 t0+Ts t h(t) 0 t0 t0+Ts t0+2Ts t0+3Ts t • 消除码间串扰的思想 从码间串扰对各项的影响来说， 前一码元对当前的判决影响是 最大的，所以，最好让前一码 元的波形在到达后一码元抽样 判决时刻就已经衰减到0。 但可以让其在t0+Ts、t0+2Ts等后面的码元抽样判决时刻为0，这是消除码间串扰的物理意义。

42. 理想基带传输系统的传输特性具有理想低通特性，理想基带传输系统的传输特性具有理想低通特性， 其传输函数为： • 理想基带传输系统 其中Ts为码元持续时间。这样H(ω)的傅立叶变换为：

43. H(f) T f -1/2T 0 1/2T (a) H(f)曲线 (b) h(t)曲线 (c) h(t)和h(t-T)间无串扰示意图

45. (a) 传输函数 (b) 矩形分量 H1(f) (c) 奇对称分量 • 实用无码间串扰传输特性： 要求 1.传输函数是实函数， 2.且在 f = w处奇对称， —— 称为奈奎斯特准则。

46. 例：升余弦滚降传输特性 其冲激响应为： α－ 称为滚降系数。 当α = 1时，称为升余弦特性。 此时h(t)的旁瓣小于31.5 dB，且零点增多了。 滚降特性仍然保持2W波特的传输速率，但是占用带宽增大了。

47. H(f) 0 1.0 0.5 h(t) 1.0 -W W O t -2/2W -1/2W 1/2W 2/2W

48. α=0，无“滚降”，即为理想基带传输系统。当α≠0时，衰减的快慢与α有关，α越大，衰减越快，码间串扰越小，错误判决的可能性越小。α=0，无“滚降”，即为理想基带传输系统。当α≠0时，衰减的快慢与α有关，α越大，衰减越快，码间串扰越小，错误判决的可能性越小。 • 输出信号频谱所占据的带宽B=(1+ α)f/2，当α=0时，B= f/2，频带利用率为2Baud/Hz; α=1时， B= f,频带利用率为1Baud/Hz; 一般 α= 0~ 1时，B= f/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，利用滚降特性来改善理想低通，实际上是以牺牲频带利用率为代价的。

49. h(t) 1 t 0 Ts 例题：某基带传输系统接收滤波器输出信号的基本脉冲如图所示。 求：1）该基带传输系统的传输函数H(w)； 2）假设信道的传输函数C(w)=1,发送滤波器和接收滤波器具有相同的传输函数，即GT(w)=GR(w),求出GT(w)和GR(w)表达式。