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1、第6章 数字基带传输2022/9/211第1页，共130页，编辑于2022年，星期二第第6 6章章 数字基带传输系统数字基带传输系统从本章起，侧重讨论数字通信的基本原理及有关技术问题。从本章起，侧重讨论数字通信的基本原理及有关技术问题。引言引言定义：定义：?数字通信系统可分为数字通信系统可分为数字基带传输数字基带传输系统和系统和数字频带传输数字频带传输系统。两者的主系统。两者的主要区别在于是否存在要区别在于是否存在载波载波调制和解调装置。调制和解调装置。意义：意义：实际使用的数字通信系统中基带传输没有频带传输那样广泛，但：实际使用的数字通信系统中基带传输没有频带传输那样广泛，但：在利用对称电缆
2、构成的在利用对称电缆构成的近程数据通信近程数据通信系统中广泛采用了这种传输方式；系统中广泛采用了这种传输方式；频带传输系统频带传输系统中同样存在着基带信号传输问题；中同样存在着基带信号传输问题；如果把调制与解调过程看作是广义信道的一部分，则任何数字传输系统如果把调制与解调过程看作是广义信道的一部分，则任何数字传输系统均可等效为基带传输系统。均可等效为基带传输系统。数字频带传输的基础。数字频带传输的基础。2022/9/212第2页，共130页，编辑于2022年，星期二基带传输系统基带传输系统模型：模型：信道信号形成器信道信号形成器:亦即发端滤波器，用于把发端的信号转换为适合在信道中传输亦即发端滤
3、波器，用于把发端的信号转换为适合在信道中传输的基带信号。的基带信号。匹配：基带调制匹配：基带调制/解调器。解调器。信道：信道：允许基带信号通过的媒质。信号的通道。允许基带信号通过的媒质。信号的通道。接收滤波器：接收滤波器：通过信号，尽可能地排除噪声和干扰。通过信号，尽可能地排除噪声和干扰。均衡。均衡。抽样判决：抽样判决：在噪声背景下判定与再生基带信号。在噪声背景下判定与再生基带信号。抽样：抽样：用位同步信号用位同步信号cp对接收信号进行逐个抽样。对接收信号进行逐个抽样。判决：判决：消除噪声积累，再生基带信号。消除噪声积累，再生基带信号。Ud门限电平。门限电平。2022/9/213第3页，共13
4、0页，编辑于2022年，星期二问题问题：在实际基带传输系统中，并非所有的原始数字基带信号在实际基带传输系统中，并非所有的原始数字基带信号都能在信道中传输，都能在信道中传输，例如：例如：含有丰富直流和低频成分的基带信号就不适宜在信道中传输，因为含有丰富直流和低频成分的基带信号就不适宜在信道中传输，因为它有可能造成信号严重畸变；它有可能造成信号严重畸变；如果代码出现长时间的连如果代码出现长时间的连“0”符号，不利于准确提取同步符号，不利于准确提取同步信息；信息；易于形成码间干扰；易于形成码间干扰；抗噪声性能差，抗噪声性能差，Ud不易设定。不易设定。2022/9/214第4页，共130页，编辑于20
5、22年，星期二研究的问题研究的问题（数字通信的基本原理及有关技术问题）：（数字通信的基本原理及有关技术问题）：6.16.1数字基带信号数字基带信号 6.26.2数字基带信号频谱特性数字基带信号频谱特性 6.36.3数字基带信号传输与码间串扰数字基带信号传输与码间串扰6.46.4无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性 6.56.5基带传输系统的抗噪声性能基带传输系统的抗噪声性能6.66.6眼图眼图 6.76.7部分响应系统部分响应系统 6.8 时域均衡原理时域均衡原理 第第6 6章章 数字基带传输系统数字基带传输系统2022/9/215第5页，共130页，编辑于2022年，星期二6.1
6、6.1数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 6.1.1 6.1.1 数字基带信号数字基带信号 对传输用的基带信号的主要要求: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；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。前者属于传输码型的选择，后者是基带脉冲的选择。这是两个既独立又有联系的问题。本节先讨论码型的选择问题。2022/9/216第6页，共130页，编辑于2022年，星期二传输码的码型选择原则不含直流，且低频，高频分量尽量少；应含有丰富的定时信息，以便于从接收码流中提取定时信号；码型变换设备要简单可靠；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
7、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。低误码增殖高的编码效率2022/9/217第7页，共130页，编辑于2022年，星期二数字基带信号数字基带信号 -消息代码的电波形消息代码的电波形例：消息代码例：消息代码 电波形电波形注：注：电波形不一定是方波，如：三角波、电波形不一定是方波，如：三角波、。所以数字基带信号。所以数字基带信号的类型举不胜举。的类型举不胜举。以矩形脉冲组成的基带信号为例以矩形脉冲组成的基带信号为例，介绍几种最基本，介绍几种最基本的基带信号波形。的基带信号波形。Ts码元长度、码元间隔；码元长度、码元间隔；2022/9/218第8页，共130页，编辑
8、于2022年，星期二1.1.基带信号波形基带信号波形（1）单极性非归零波形单极性非归零波形(NRZ)特点：特点：有直流分量和低频分量。在有些信道中不易传输。有直流分量和低频分量。在有些信道中不易传输。波形之间无间隔，易产生码间干扰。波形之间无间隔，易产生码间干扰。不能直接提取同步信息。不能直接提取同步信息。抗噪性能差：判决门限不能稳定在最佳电平。抗噪性能差：判决门限不能稳定在最佳电平。发送能量大，有利于提高接收端信噪比。发送能量大，有利于提高接收端信噪比。单极性：单极性：基带信号的基带信号的“0，正，正”电平分别与二进制符号电平分别与二进制符号“0，1”一一对应。一一对应。非归零：非归零：T
9、Ts s设：消息代码由二进制符号设：消息代码由二进制符号0 0、1 1组成，则组成，则2022/9/219第9页，共130页，编辑于2022年，星期二（2 2）双极性双极性非归零波形非归零波形(NRZ)特点：特点：可能无直流分量。易于传输。可能无直流分量。易于传输。波形之间无间隔。波形之间无间隔。不能直接提取同步信息。不能直接提取同步信息。抗噪性能好：判决门限为抗噪性能好：判决门限为0，易设置且稳定。，易设置且稳定。无需一端接地。无需一端接地。双极性：双极性：基带信号的基带信号的“负，正负，正”电位分别与二进制符号电位分别与二进制符号“0，1”一一对应。一一对应。2022/9/2110第10页
10、，共130页，编辑于2022年，星期二（3）单极性归零（）单极性归零（RZ）波形）波形特点：特点：有直流分量。有直流分量。波形之间有间隔，码间干扰小。波形之间有间隔，码间干扰小。可直接提取同步信息可直接提取同步信息,但信号能量减小。但信号能量减小。抗噪性能差。抗噪性能差。需一端接地。需一端接地。归零：归零：n，新码组可能有，新码组可能有2m种组合，故多出种组合，故多出2m-2n种组合。种组合。可从中选择部分有利码组作为可用码组，其余为禁用码组，以获得好可从中选择部分有利码组作为可用码组，其余为禁用码组，以获得好的特性。的特性。例：例：前面介绍的双向码，密勒码和前面介绍的双向码，密勒码和CMI码
11、都可看作码都可看作1B2B码。码。一般选择：一般选择：m=n+17.4B3T码码 四个二进制码变成三个三进制码四个二进制码变成三个三进制码。目的：目的：提高传输率。提高传输率。2022/9/2154第54页，共130页，编辑于2022年，星期二6.3数字基带信号传输与码间串扰数字基带信号传输与码间串扰6.3.16.3.1数字基带系统的工作原理数字基带系统的工作原理模型：模型：信道信号形成器（发送滤波器）信道信号形成器（发送滤波器）：压缩输入信号频带，把传输：压缩输入信号频带，把传输码变换成适宜于信道传输的基带信号波形。码变换成适宜于信道传输的基带信号波形。2022/9/2155第55页，共13
12、0页，编辑于2022年，星期二信道：信道：信道的传输特性一般不满足无失真传输条件，因此信道的传输特性一般不满足无失真传输条件，因此会会引起传输波形的失真引起传输波形的失真。另外信道还会引入。另外信道还会引入噪声噪声n(t)，并假，并假设它是均值为零的高斯白噪声。设它是均值为零的高斯白噪声。接收滤波器接收滤波器：它用来接收信号，它用来接收信号，滤除信道噪声和其他干扰滤除信道噪声和其他干扰，对信道特性进行对信道特性进行均衡均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决。，使输出的基带波形有利于抽样判决。抽样判决器抽样判决器：对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以：对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复恢
13、复或再生基带信号。或再生基带信号。同步提取同步提取：用同步提取电路从接收信号中提取定时脉冲：用同步提取电路从接收信号中提取定时脉冲2022/9/2156第56页，共130页，编辑于2022年，星期二基带系统的各点波形示意图输入信号 码型变换后 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 错误码元 2022/9/2157第57页，共130页，编辑于2022年，星期二6.3.2 6.3.2 基带传输系统的码间串扰基带传输系统的码间串扰 传输过程中第传输过程中第7个码元发生了误码，产生该个码元发生了误码，产生该误码的原因误码的原因就是就是信信道加性噪声道加性噪声和和频率特性不理想频率特
14、性不理想引起的波形畸变。引起的波形畸变。基带传输系统的基带传输系统的数学模型数学模型如图所示：如图所示：关键：关键：识别点识别点r(t)的信号质量。的信号质量。信号：信号：发送滤波器至接收滤波器总的传输特性为：发送滤波器至接收滤波器总的传输特性为：噪声：噪声：传输特性仅为：传输特性仅为：2022/9/2158第58页，共130页，编辑于2022年，星期二为方便起见，假定输入基带信号的基本脉冲为单位冲激。为方便起见，假定输入基带信号的基本脉冲为单位冲激。输入信号：输入信号：识别点波形：识别点波形：an-an的第的第n个码个码元元（0/1;+1/-1）2022/9/2159第59页，共130页，编
15、辑于2022年，星期二基带系统的各点波形示意图输入信号 码型变换后 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 错误码元 2022/9/2160第60页，共130页，编辑于2022年，星期二 为了判定第为了判定第k个码元个码元ak的值，应在的值，应在 瞬间对瞬间对y(t)抽样。抽样。抽样抽样值：值：右边右边第一项第一项是确定信息是确定信息ak的的依据依据；第二项：第二项：ak之外其他码元在抽样时刻的之外其他码元在抽样时刻的“贡献贡献”，对当前码元对当前码元ak的判决的判决起着干扰的作用，称之为起着干扰的作用，称之为码间串扰值（随机）码间串扰值（随机）；第三项：第三项：输出噪声在抽
16、样瞬间的值，显然是一个输出噪声在抽样瞬间的值，显然是一个随机干扰随机干扰。码间串扰 2022/9/2161第61页，共130页，编辑于2022年，星期二判决判决：（设门限为设门限为U）判决正确与否判决正确与否，受：码干、噪声影响。而码干需靠良好的传输特性来消，受：码干、噪声影响。而码干需靠良好的传输特性来消除。除。后续分析思路后续分析思路-将码干和噪声分开考虑：将码干和噪声分开考虑：n(t)=0（无噪声）（无噪声）设计设计H()分析码干分析码干 无码干无码干 分析分析Pe 2022/9/2162第62页，共130页，编辑于2022年，星期二6.4 6.4 无码间干扰的基带传输特性无码间干扰的基
17、带传输特性引言：引言：上节说明，若要获得性能良好的基带传输系统，则必须使码间干扰和上节说明，若要获得性能良好的基带传输系统，则必须使码间干扰和噪声的综合影响足够小，使系统的总误码率达到规定要求。噪声的综合影响足够小，使系统的总误码率达到规定要求。本节仅从抗码间干扰的角度来研究基带传输特性。本节仅从抗码间干扰的角度来研究基带传输特性。前提：前提：不妨设不妨设n(t)=0 0，即暂不考虑噪声的影响（认为无噪声）。，即暂不考虑噪声的影响（认为无噪声）。2022/9/2163第63页，共130页，编辑于2022年，星期二6.4.1 6.4.1 消除码间串扰的基本思想消除码间串扰的基本思想问题：问题：如
18、何降低或消除码干？即消除码间串扰的如何降低或消除码干？即消除码间串扰的基本思想基本思想考察：考察：可知：可知：码干的大小取决于码干的大小取决于an和系统相应和系统相应h(t)在抽样时刻上的取值。在抽样时刻上的取值。an随信息内容变化而变化的，从统计观点看，它总是以某随信息内容变化而变化的，从统计观点看，它总是以某种概率随机取值的；种概率随机取值的；h(t)仅依赖于从发射滤波器至接收滤波器的基带传输系统总特仅依赖于从发射滤波器至接收滤波器的基带传输系统总特性性H()。结论：结论：由于由于an是随机的，要想通过各项相互抵消使码间串扰为是随机的，要想通过各项相互抵消使码间串扰为0是不是不行的，这就行
19、的，这就需要对需要对h(t)h(t)的波形提出要求的波形提出要求。研究基带传输特性研究基带传输特性H()对码对码干的影响是十分有意义的。干的影响是十分有意义的。2022/9/2164第64页，共130页，编辑于2022年，星期二 在上式中，若让在上式中，若让h(k-n)Ts+t0，当，当nk 在在Ts+t0、2Ts+t0等等后面码元抽样判决时刻上正好为后面码元抽样判决时刻上正好为0，也就是说，也就是说，若若h(t)满足在满足在Ts+t0、2Ts+t0等时刻上正好为等时刻上正好为0就能消除码间串扰，如下图就能消除码间串扰，如下图所示：所示：这就是消除码间串扰的基本思想这就是消除码间串扰的基本思想
20、。2022/9/2165第65页，共130页，编辑于2022年，星期二6.4.26.4.2 无码间串扰的条件无码间串扰的条件1.1.无码干的条件无码干的条件（1 1）无码干的时域条件）无码干的时域条件前提：数字基带信号传码率前提：数字基带信号传码率R RB B=1/T=1/TS S结论：假定结论：假定t t0 0=0=0若对若对h(t)在时刻在时刻kTs抽样，则应有下式成立抽样，则应有下式成立（6.4.5）即，即，h(t)的值除在的值除在t=0时不为时不为0外，在其它所有抽样点上均为外，在其它所有抽样点上均为0。2022/9/2166第66页，共130页，编辑于2022年，星期二无疑，该特性无
21、疑，该特性符合无码干条件符合无码干条件，从时域更易理解。此时系统冲，从时域更易理解。此时系统冲激响应为【激响应为【图（图（b）所示）所示】:（6.4.13）举例：具有理想低通特性的基带系统举例：具有理想低通特性的基带系统H()本身就是理想低通型，如图（本身就是理想低通型，如图（a）所示，即）所示，即（6.4.13a）2022/9/2167第67页，共130页，编辑于2022年，星期二2022/9/2168第68页，共130页，编辑于2022年，星期二 用一系列冲激信号用一系列冲激信号d(t)（110）来通过该理想）来通过该理想LPF，则，则LPF的输的输出出 形成一系列抽样函数波形。形成一系列
22、抽样函数波形。当输入数据速度为当输入数据速度为1/Ts1/Ts时，则抽样函数的最大幅度均时，则抽样函数的最大幅度均相隔相隔TsTs，且它，且它们们正好位于相邻抽样函数的各正好位于相邻抽样函数的各0 0点处点处。显然，此时在抽样时刻上不存。显然，此时在抽样时刻上不存在码间干扰，且可获得最高传码率在码间干扰，且可获得最高传码率。2022/9/2169第69页，共130页，编辑于2022年，星期二由理想低通特性还由理想低通特性还可以看出可以看出，对于带宽为，对于带宽为的的理想低通传输特性理想低通传输特性：若若输入数据以输入数据以RB=1/Ts波特的速率进行传输，波特的速率进行传输，则在抽样时刻上不存
23、在码间串扰。若以高于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，波特的码元速率传送时，将存在码间串扰。将存在码间串扰。通常将此通常将此带宽带宽B称为称为奈奎斯特带宽奈奎斯特带宽，为满足无码间串扰时的，为满足无码间串扰时的系统最小系统最小带宽带宽。将。将RB称为称为奈奎斯特速率，为满足无码间串扰时的奈奎斯特速率，为满足无码间串扰时的系统最系统最大传输速率大传输速率。此基带系统所能提供的此基带系统所能提供的最高频带利用率最高频带利用率为为 但是，这种特性在但是，这种特性在物理上是无法实现的（为什么）物理上是无法实现的（为什么）；并且；并且h(t)的振荡衰减慢，的振荡衰减慢，
24、使之对定时精度要求很高。故不能实用。使之对定时精度要求很高。故不能实用。2022/9/2170第70页，共130页，编辑于2022年，星期二2022/9/2171第71页，共130页，编辑于2022年，星期二 由此可以得到由此可以得到如下结论如下结论：由理想低通特性还可以看出，对于带宽：由理想低通特性还可以看出，对于带宽为为B=fN 的理想低通滤波器，其允许无码间串扰传输的最大传码率为的理想低通滤波器，其允许无码间串扰传输的最大传码率为RBmax=2fN ,当实际传码率当实际传码率RB=RBmax/N，N=1,2,3,，可满足无码间串扰传可满足无码间串扰传输。也就是说，当待传数字基带信号的传码
25、率为输。也就是说，当待传数字基带信号的传码率为RB=1/Ts，此时满足无码，此时满足无码间串扰的理想低通传输特性的间串扰的理想低通传输特性的最小带宽即奈奎斯特带宽最小带宽即奈奎斯特带宽为为B=fN=RB/2=1/2Ts,用角弧度表示为用角弧度表示为以上考察了理想低通传输特性无码间串扰的条件，那么对以上考察了理想低通传输特性无码间串扰的条件，那么对非理想低通非理想低通传输特性传输特性如何从频域判定其是否满足无码间串扰。可以如何从频域判定其是否满足无码间串扰。可以借鉴理想低通传借鉴理想低通传输特性输特性的办法来解决。的办法来解决。2022/9/2172第72页，共130页，编辑于2022年，星期二
26、（2）无码干的频域条件无码干的频域条件前提前提：当传码率为：当传码率为RB=1/Ts数字基带信号通过非理想传输特性数字基带信号通过非理想传输特性h(t)时如何判断满足无码间串扰的频域条件。时如何判断满足无码间串扰的频域条件。思路思路：如果能将其在：如果能将其在B=fN=RB/2=1/2Ts或或即即上上等效为一理想带通传输特性等效为一理想带通传输特性，则其可满足无码间串扰传输。，则其可满足无码间串扰传输。2022/9/2173第73页，共130页，编辑于2022年，星期二由由有有按角频率按角频率N=2/Ts分割积分区间分割积分区间,得得做变量代换：做变量代换：则则有有2022/9/2174第74
27、页，共130页，编辑于2022年，星期二于是于是当当k k=0=0，且考虑到无码干的时域条件，且考虑到无码干的时域条件（6.4.5式）式）时时此处，此处，只需只需（6.4.11）2022/9/2175第75页，共130页，编辑于2022年，星期二讨论讨论式式(6.4.11)(6.4.11)：为为无码干的频域条件无码干的频域条件。其中。其中Heq()为等效理想低通。为等效理想低通。为检验一个给定的系统特性为检验一个给定的系统特性H()是否会引起码干提供了一个是否会引起码干提供了一个准则准则奈奎斯特第一准则奈奎斯特第一准则。物理意义：物理意义：和式项是和式项是H()移位移位2i/Ts（i=0、1、
28、2、）再相加而形成的，因而该式成立与否，只要检查在区间）再相加而形成的，因而该式成立与否，只要检查在区间（-/Ts，/Ts）上式否能叠加出一根水平直线（即为某常数），是否为）上式否能叠加出一根水平直线（即为某常数），是否为Ts倒不是必须的。倒不是必须的。“切段相加切段相加”。一定要注意推导的前提条件一定要注意推导的前提条件：传码率：传码率RB=1/Ts，当传码率改变时，当传码率改变时，相应的公式相应的公式（6.4.11）也要随之改变。因此，可将奈奎斯特第一准则写成也要随之改变。因此，可将奈奎斯特第一准则写成更一般的形式：更一般的形式：（6.4.11）2022/9/2176第76页，共130页，
29、编辑于2022年，星期二当待传数字基带信号的传码率为当待传数字基带信号的传码率为R RB B时，奈奎斯特第一准则时，奈奎斯特第一准则可写为可写为2022/9/2177第77页，共130页，编辑于2022年，星期二频域条件的物理意义频域条件的物理意义前提：数字基带信号传码率为前提：数字基带信号传码率为RB=1/Ts将将H()在在 轴上以轴上以2/Ts为间隔切开，然后分段沿为间隔切开，然后分段沿 轴平移轴平移到到(-/Ts,/Ts)区间内，将它们进行叠加，其结果应当区间内，将它们进行叠加，其结果应当为一常数（不必一定是为一常数（不必一定是Ts）。）。这一过程可以归述为：这一过程可以归述为：一个实际
30、的一个实际的H()特性若能等效成一特性若能等效成一个理想（矩形）低通滤波器，则可实现无码间串扰。个理想（矩形）低通滤波器，则可实现无码间串扰。2022/9/2178第78页，共130页，编辑于2022年，星期二2022/9/2179第79页，共130页，编辑于2022年，星期二6.4.3.6.4.3.无码间串扰的传输特性的设计无码间串扰的传输特性的设计(前提：前提：RB=1/Ts)1.理想低通特性的基带系统已讲理想低通特性的基带系统已讲 2.余弦滚降特性余弦滚降特性 为了为了解决理想低通特性存在的问题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，可以使理想低通滤波器特性的边沿缓慢
31、下降，这称为缓慢下降，这称为“滚降滚降”。一种常用的滚降特性是余弦滚降特性，如下图所示：一种常用的滚降特性是余弦滚降特性，如下图所示：只要只要H()在在滚降段中心频率处滚降段中心频率处（与（与奈奎斯特带宽奈奎斯特带宽相对应）呈相对应）呈奇对称的振幅奇对称的振幅特性特性，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。，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奇对称的余弦滚降特性2022/9/2180第80页，共130页，编辑于2022年，星期二式中，为滚降系数，用于描述滚降程度。它定义为2022/9/2181第81页，共130页，编辑于2022年，星
32、期二其中，其中，fN 等效奈奎斯特带宽，等效奈奎斯特带宽，f 超出奈奎斯特带宽的扩展量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几种滚降特性和冲激响应曲线滚降系数滚降系数 越大，越大，h(t)的拖尾衰减越快的拖尾衰减越快滚降使带宽增大为滚降使带宽增大为 余弦滚降系统的最高频带利用率为余弦滚降系统的最高频带利用率为 2022/9/2182第82页，共130页，编辑于2022年，星期二=0 -=0 -理想理想LPFLPF；=1 -=1 -升余弦特性升余弦特性(常用常用)。（1 1）升余弦特性）升余弦特性:（6.4.13）（6.4.14）2022/9/2183第83页，共130页，编辑于2
33、022年，星期二指标：指标：2022/9/2184第84页，共130页，编辑于2022年，星期二讨论：讨论：1）升余弦特性所形成的波形升余弦特性所形成的波形h(t)，除抽样点，除抽样点t=0 时不为时不为0外，其余所有抽样点上均为外，其余所有抽样点上均为0值。值。2）且在两样点之间还有一个且在两样点之间还有一个0点；点；3）尾部收敛快（尾部收敛快（正比于正比于1/t3）；）；4）易实现；易实现；5）代价：代价：=1波特波特/Hz。（2 2）一般情况下余弦滚降）一般情况下余弦滚降:：01 ：1（=1）2（=0=0）波特波特/Hz不超过理想不超过理想LPF。2022/9/2185第85页，共130
34、页，编辑于2022年，星期二问题：问题：存在易于实现、尾巴衰减快；存在易于实现、尾巴衰减快；=2？肯定：肯定：两者两者(理想理想LPF与升余弦与升余弦)取两者之长，补两者之短的方法：取两者之长，补两者之短的方法：-部分响应技术部分响应技术部分响应技术部分响应技术2022/9/2186第86页，共130页，编辑于2022年，星期二6.5 6.5 无码间干扰基带系统的抗噪性能无码间干扰基带系统的抗噪性能假设：假设：系统已设计理想：无码干。系统已设计理想：无码干。讨论：讨论：这样的系统叠加噪声后的抗噪性能即在无码间干扰时，由于加这样的系统叠加噪声后的抗噪性能即在无码间干扰时，由于加性高斯噪声造成的错
35、误判断的概率。性高斯噪声造成的错误判断的概率。2022/9/2187第87页，共130页，编辑于2022年，星期二6.5.1 6.5.1 分析模型及识别点信号特征分析模型及识别点信号特征识别点信号：识别点信号：双极性基带信号在识别点的电平峰值为双极性基带信号在识别点的电平峰值为A ；识别点噪声：识别点噪声：噪声噪声n(t)：平稳、高斯、白噪声。均值为：平稳、高斯、白噪声。均值为0，n0/2。因因GR(t)是线性的，是线性的，故识别点噪声故识别点噪声nR(t)为为：平稳、高斯、均值为：平稳、高斯、均值为0，但，但非白。且非白。且功率谱密度：功率谱密度：方差方差：模型：模型：2022/9/2188
36、第88页，共130页，编辑于2022年，星期二识别点总输入识别点总输入：nR(t)瞬时值的一维概率密度函数可表述为：瞬时值的一维概率密度函数可表述为：抽样：抽样：2022/9/2189第89页，共130页，编辑于2022年，星期二判决：判决：设判决门限为设判决门限为Vd，则，则，判为，判为“1”码；码；，判为，判为“0”码。码。存在两种错判：存在两种错判：P(0/1)、P(1/0)阴影面积阴影面积。6.5.2 6.5.2 抗噪声性能分析抗噪声性能分析2022/9/2190第90页，共130页，编辑于2022年，星期二 （1）发）发“1”错判为错判为“0”的概率的概率P(0/1)：2022/9/
37、2191第91页，共130页，编辑于2022年，星期二（2）发）发“0”错判为错判为“1”的概率的概率P(1/0)：2022/9/2192第92页，共130页，编辑于2022年，星期二基带传输系统总的误码率可表示为：基带传输系统总的误码率可表示为：在在A和和 一定的条件下，可以找到一个使误码率最小的判一定的条件下，可以找到一个使误码率最小的判决门限电平，这个门限电平称为决门限电平，这个门限电平称为最佳门限电平最佳门限电平。令。令当当P(1)=P(0)=1/2 时时可得可得由图的阴影面积也可见。由图的阴影面积也可见。2022/9/2193第93页，共130页，编辑于2022年，星期二这时，基带信
38、号系统总的这时，基带信号系统总的误码率误码率为：为：适用条件：适用条件：双极性、最佳判决门限电平下，基带传输系统总的误双极性、最佳判决门限电平下，基带传输系统总的误码率表示式。码率表示式。（最佳门限时，无须等概。）（最佳门限时，无须等概。）单极性信号时：单极性信号时：当当P(1)=P(0)=1/2 时：时：最佳门限电平最佳门限电平为：为：误码率误码率2022/9/2194第94页，共130页，编辑于2022年，星期二讨论：讨论：（1）在基带信号峰值相等、噪声均方根值也相同时，单极性基带系）在基带信号峰值相等、噪声均方根值也相同时，单极性基带系统的抗噪性能不如双极性基带系统。统的抗噪性能不如双极
39、性基带系统。（2）在误码率相同条件下，单极性基带系统需要的信噪功率比要比）在误码率相同条件下，单极性基带系统需要的信噪功率比要比双极性高双极性高3dB。（3）在发送）在发送“1”、“0”码等概情况下，单极性基带系统的最佳判决门码等概情况下，单极性基带系统的最佳判决门限电平随信道特性发生变化。限电平随信道特性发生变化。因此，数字基带系统多采用双极性信号进行传输。因此，数字基带系统多采用双极性信号进行传输。互补误差函数是递减函数互补误差函数是递减函数2022/9/2195第95页，共130页，编辑于2022年，星期二问：问：1)1)若若P P(1)(1)P P(0)(0)时，时，Vd*如何选取？如
40、何选取？小。小。2)2)若发的波形为单极性时，若发的波形为单极性时，Vd*如何选取？如何选取？答：答：等概时等概时误码率（等概时）误码率（等概时）单极性单极性 3)3)若若A A、n n 一定时，问一定时，问P Pe e双双 、P Pe e单谁大？单谁大？答：答：P Pe e双双P Pe e单单 2022/9/2196第96页，共130页，编辑于2022年，星期二 一个实际的基带传输系统，要使其传输特性符合完全理想的一个实际的基带传输系统，要使其传输特性符合完全理想的情况是困难的，甚至是不可能的。情况是困难的，甚至是不可能的。码间干扰与发送滤波器、信道特性、接收滤波器特性等码间干扰与发送滤波器
41、、信道特性、接收滤波器特性等因素有关，计算由于这些因素所引起的误码率非常困难，因素有关，计算由于这些因素所引起的误码率非常困难，尤其在信道特性不能完全确定的情况下，甚至得不到一种尤其在信道特性不能完全确定的情况下，甚至得不到一种合适的定量分析方法。合适的定量分析方法。在码间干扰和噪声同时存在的情况下，系统性能的定量分析，在码间干扰和噪声同时存在的情况下，系统性能的定量分析，就是想得到一个近似的结果都是非常繁杂的。就是想得到一个近似的结果都是非常繁杂的。本节介绍一种能够用实验手段方便地估计系统特性的本节介绍一种能够用实验手段方便地估计系统特性的方法。方法。6.6 6.6 眼图眼图一种实验方法。一
42、种实验方法。2022/9/2197第97页，共130页，编辑于2022年，星期二 观察眼图的观察眼图的方法方法：调整示：调整示波器扫描周期，使波器扫描周期，使To=Tb这时示波器屏幕上看到的图这时示波器屏幕上看到的图形像人的眼睛，故称为形像人的眼睛，故称为“眼眼图图”。6.6.1 6.6.1 眼图的概念眼图的概念 眼图眼图是指利用实验的方法估计和改善（通过调整）传输系统性能是指利用实验的方法估计和改善（通过调整）传输系统性能时在示波器上观察到的一种图形。时在示波器上观察到的一种图形。从从“眼图眼图”上可以上可以观察出码间串扰和噪声的影响观察出码间串扰和噪声的影响，从而估计系，从而估计系统优劣程
43、度。统优劣程度。2022/9/2198第98页，共130页，编辑于2022年，星期二6.6.2 6.6.2 眼图形成原理及模型眼图形成原理及模型 1.1.无噪声时的眼图无噪声时的眼图眼图的眼图的“眼睛眼睛”张张开的大小反映着码开的大小反映着码间串扰的强弱：间串扰的强弱：“眼睛眼睛”张的张的越大，且眼图越端越大，且眼图越端正，表示码间串扰正，表示码间串扰越小；越小；反之表示码间反之表示码间串扰越大。串扰越大。2022/9/2199第99页，共130页，编辑于2022年，星期二2.2.存在噪声时的眼图存在噪声时的眼图 当存在噪声时，观察到的眼图的线迹会变得模糊不清。若同时当存在噪声时，观察到的眼图
44、的线迹会变得模糊不清。若同时存在码间串扰，存在码间串扰，“眼睛眼睛”将张开得更小。与无码间串扰时的眼图相比，将张开得更小。与无码间串扰时的眼图相比，原来清晰端正的细线迹，变成了比较模糊的带状线，而且不很端正。原来清晰端正的细线迹，变成了比较模糊的带状线，而且不很端正。噪声越大，线迹越宽，越模糊；噪声越大，线迹越宽，越模糊；码间串扰越大，眼图越不端正。码间串扰越大，眼图越不端正。2022/9/21100第100页，共130页，编辑于2022年，星期二3.3.眼图的模型眼图的模型（1）最佳抽样时刻最佳抽样时刻在在“眼睛眼睛”张最大的时刻。张最大的时刻。（2）对定时误差的灵敏度对定时误差的灵敏度可由
45、眼图斜边的斜率决定。可由眼图斜边的斜率决定。（3）在抽样时刻上，眼图上下两分支阴影区的垂直高度，表示）在抽样时刻上，眼图上下两分支阴影区的垂直高度，表示最大信号畸最大信号畸变变。（4）眼图中横轴位置应对应）眼图中横轴位置应对应判决门限电平判决门限电平。（5）各相应电平的）各相应电平的噪声容限噪声容限。（6）倾斜分支与横轴相交的区域的大小，表示零）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围点位置的变动范围。2022/9/21101第101页，共130页，编辑于2022年，星期二眼图照片图(a)是在几乎无噪声和无码间干扰下得到的,图(b)则是在一定噪声和码间干扰下得到的。2022/9/
46、21102第102页，共130页，编辑于2022年，星期二引言引言为了消除码间串扰，要求把为了消除码间串扰，要求把基带传输系统的总特性基带传输系统的总特性H()设计成：设计成：理想低通特性。理想低通特性。特点：特点：频谱窄，能达到理论上的极限传输速率频谱窄，能达到理论上的极限传输速率2Baud/Hz；但冲击响应尾巴衰减慢，对定时要求严格。；但冲击响应尾巴衰减慢，对定时要求严格。等效理想低通传输特性，例如采用升余弦频率特性时，等效理想低通传输特性，例如采用升余弦频率特性时，特点：特点：冲击响应的冲击响应的“尾巴尾巴”尾巴衰减快，对定时要求可放松；但所需要频带宽，达不到尾巴衰减快，对定时要求可放松
47、；但所需要频带宽，达不到2Baud/Hz的速率（升余弦特性时为的速率（升余弦特性时为1 Baud/Hz），即降低了系统的频），即降低了系统的频带利用率。带利用率。可见，可见，高的频带利用率与高的频带利用率与“尾巴尾巴”衰减大、收敛快是相互矛盾的，这对衰减大、收敛快是相互矛盾的，这对于高速率的传输尤其不利。于高速率的传输尤其不利。问题：问题：能否找到一种频带利用率既高、能否找到一种频带利用率既高、“尾巴尾巴”衰减又大、收敛又快的传输波衰减又大、收敛又快的传输波形呢？下面将说明这种波形是存在的。通常把这种波形称为形呢？下面将说明这种波形是存在的。通常把这种波形称为部分响应波形。部分响应波形。利用这
48、种波形进行传送的基带传输系统称为利用这种波形进行传送的基带传输系统称为部分响应系统部分响应系统。6.7 6.7 部分响应系统部分响应系统2022/9/21103第103页，共130页，编辑于2022年，星期二人为地在码元的抽样时刻引入码间串扰，并在接收端判人为地在码元的抽样时刻引入码间串扰，并在接收端判决前加以消除，从而可以达到改善频谱特性、使频带利决前加以消除，从而可以达到改善频谱特性、使频带利用率提高到理论最大值、并加速传输波形尾巴的衰减和用率提高到理论最大值、并加速传输波形尾巴的衰减和降低对定时精度要求的目的。通常把这种波形叫部分响降低对定时精度要求的目的。通常把这种波形叫部分响应波形。
49、应波形。2022/9/21104第104页，共130页，编辑于2022年，星期二6.7.1 6.7.1 部分响应系统的基本原理部分响应系统的基本原理通过通过实例实例对部分响应系统的基本概念加以说明。对部分响应系统的基本概念加以说明。周知：周知：Sa(x)波形具有理想矩形频谱。波形具有理想矩形频谱。现将现将两个时间上相隔一个码元两个时间上相隔一个码元Tb的的Sa(x)波形相加，则得波形相加，则得可见，可见，除了在相邻除了在相邻t=Ts/2的取样时刻的取样时刻g(t)1外，其余的取样时刻外，其余的取样时刻上，上，g(t)具有等间隔零点。具有等间隔零点。经简化经简化:2022/9/21105第105
50、页，共130页，编辑于2022年，星期二对对g(t)进行傅氏变换，可得频谱函数进行傅氏变换，可得频谱函数显然，显然，g(t)的频谱的频谱G()限制在限制在(-/Ts ，/Ts)内，且呈缓变的半余弦内，且呈缓变的半余弦滤波特性。滤波特性。2022/9/21106第106页，共130页，编辑于2022年，星期二（2）若用）若用g(t)作为传送波形，且传送码作为传送波形，且传送码元间隔为元间隔为Ts，则在抽样时刻，则在抽样时刻:发送码元与发送码元与其前后码元相互干扰，而与其它码元其前后码元相互干扰，而与其它码元不发生干扰。不发生干扰。g(t)的波形特点的波形特点:（1）波形）波形g(t)的拖尾幅度与