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1、数字信号的基带传输 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望学习目标学习目标l基带传输系统组成及各部分功能基带传输系统组成及各部分功能l基带信号的波形、码型（时域）和频谱特基带信号的波形、码型（时域）和频谱特征征l数字基带传输系统的基本模型数字基带传输系统的基本模型l码间干扰码间干扰噪声噪声信信道道噪声噪声调调 制制解解调调信信道道基带脉冲输入基带脉冲输出编编码码解解码码信信源源信信宿宿基带脉冲输出基带脉冲输入编编码码信信源源解解码码信信宿宿3.1 数字基带
2、系统的组成数字基带系统的组成信源编码器信道信号形成器信道检测器噪声解码器同步器信宿均衡器过滤器接收滤波器再生判决位同步帧同步l信号形成器信号形成器对基带信号进行必要的处理，使对基带信号进行必要的处理，使其与信道特性相适应其与信道特性相适应l均衡器均衡器对输入信号作某些处理，以消除或减对输入信号作某些处理，以消除或减弱信道所引入的畸变。弱信道所引入的畸变。l过滤器过滤器滤除加性干扰滤除加性干扰l检测器检测器对多畸变的信号进行观察，并根据事对多畸变的信号进行观察，并根据事先确定的规律进行判决，变换成规则信号先确定的规律进行判决，变换成规则信号l同步器同步器同步换取装置，向检测器提供位同步同步换取装
3、置，向检测器提供位同步脉冲，向解码器提供帧同步信号。脉冲，向解码器提供帧同步信号。3.2 数字基带信号及频谱特性数字基带信号及频谱特性l数字基带信号数字基带信号单极性波形单极性波形双极性波形双极性波形单极性归零波形单极性归零波形双极性归零波形双极性归零波形差分波形差分波形多值波形（多电平波形）多值波形（多电平波形）l基带信号的频谱特性基带信号的频谱特性随机序列的谱分析问题随机序列的谱分析问题3.2.1 数字基带信号数字基带信号l数字基带信号数字基带信号是数字信息序列的一种由信号表示的形式，它是是数字信息序列的一种由信号表示的形式，它是用不同的电平或脉冲来表示相应的数字消息的用不同的电平或脉冲来
4、表示相应的数字消息的l特点：功率谱集中在零点频率附近特点：功率谱集中在零点频率附近3.2.2基带传输的常用码型基带传输的常用码型l复习几个概念复习几个概念信息量信息量信息速率、比特率、数据率信息速率、比特率、数据率码元、码元宽度码元、码元宽度码元速率码元速率调制速率调制速率3.2.2基带传输的常用码型基带传输的常用码型l在实际的基带传输系统中，并不是所有代码的在实际的基带传输系统中，并不是所有代码的电波形都能在信道中传输。例如：含有直流分电波形都能在信道中传输。例如：含有直流分量和较丰富低频分量的单极性基带波形就不适量和较丰富低频分量的单极性基带波形就不适宜在低频传输特性差的信道中传输，因为它
5、有宜在低频传输特性差的信道中传输，因为它有可能造成信号严重畸变。又如，当消息代码中可能造成信号严重畸变。又如，当消息代码中包含长串的连续包含长串的连续1或或0时，非归零波形呈现出连时，非归零波形呈现出连续的固定电平，因而无法获取定时信息。续的固定电平，因而无法获取定时信息。3.2.2基带传输的常用码型基带传输的常用码型l传输用的基带信号的主要要求传输用的基带信号的主要要求对各种代码的要求，期望将原始信息符号编制成适合于传输用对各种代码的要求，期望将原始信息符号编制成适合于传输用的码型的码型称为传输码型的选择称为传输码型的选择对所选码型的电波形要求，期望电波形适宜于在信道中传输对所选码型的电波形
6、要求，期望电波形适宜于在信道中传输称为基带脉冲的选择称为基带脉冲的选择l传输码的结构应考虑主要特性传输码的结构应考虑主要特性信号频谱：相应的基带信号无直流成分和只有很小的低频成分信号频谱：相应的基带信号无直流成分和只有很小的低频成分时钟同步时钟同步;能从其相应的基带信号中获取定时信息能从其相应的基带信号中获取定时信息不受信息源统计特性的影响，即能适应于信息源的变化不受信息源统计特性的影响，即能适应于信息源的变化尽可能地提高传输码型的传输效率尽可能地提高传输码型的传输效率差错检测：具有内在的检错能力能差错检测：具有内在的检错能力能信号干扰和抗噪声度信号干扰和抗噪声度费用和复杂性费用和复杂性l l
7、NRZ-L(NRZ-L(单极性单极性)l lNRZ-L(NRZ-L(双极性双极性)l lRZ-L(RZ-L(单极性单极性)l lRZ-L(RZ-L(双极性双极性)l lNRZI(NRZI(单极性单极性)l l同步时钟同步时钟1 0 1 1 0 1 0 01 0 1 1 0 1 0 01 10 01 10 0-1-11 10 01 10 0-1-11 10 0n双相位双相位l l曼彻斯特码曼彻斯特码 0=0=在间隔的中间位置从高向低跳变在间隔的中间位置从高向低跳变 1=1=在间隔的中间位置从低向高跳变在间隔的中间位置从低向高跳变l l差分曼彻斯特码差分曼彻斯特码 在间隔的中间位置总是有一个跳变在
8、间隔的中间位置总是有一个跳变 0=0=在间隔的起始位置跳变在间隔的起始位置跳变 1=1=在间隔的起始位置没有跳变在间隔的起始位置没有跳变l l曼彻斯特编码曼彻斯特编码l l差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码l l同步时钟同步时钟1 0 1 1 0 1 0 01 0 1 1 0 1 0 01 10 0-1-11 10 0-1-1特点特点l不归零码与归零码不归零码与归零码前者的脉冲宽度大，信号的能量大，可提高信噪比，前者的脉冲宽度大，信号的能量大，可提高信噪比，但不含时钟信息；但不含时钟信息；后者包含时钟信息，但脉冲宽度窄，占用较宽的频带，后者包含时钟信息，但脉冲宽度窄，占用较宽的频带，信道利用率低
9、。信道利用率低。l双极性码与单极性码双极性码与单极性码前者直流输出很少，有利于传输，而后者含直流分量，前者直流输出很少，有利于传输，而后者含直流分量，不宜在线路上传输，通常用于设备内部传输不宜在线路上传输，通常用于设备内部传输l曼彻斯特编码和差分曼彻斯特码曼彻斯特编码和差分曼彻斯特码自含时钟，能进行差错检测，且没有直流输出，便于自含时钟，能进行差错检测，且没有直流输出，便于传输。但是，他要求比数据率更高的信号传输速率，传输。但是，他要求比数据率更高的信号传输速率，和和NRZ相比，需要更大的带宽。不适合远距离传输。相比，需要更大的带宽。不适合远距离传输。l双极性双极性AMI0=没有线路信号没有线
10、路信号1=交替的变换为正电平和负电平交替的变换为正电平和负电平l伪三进制伪三进制0=交替的变换为正电平和负电平交替的变换为正电平和负电平1=没有线路信号没有线路信号l8零替换码（零替换码（B8ZS）先进行双极性先进行双极性AMI编码，连续编码，连续8个零的比特串被另一个比个零的比特串被另一个比特串取代，这个比特串中有两个码是违反编码规则的。特串取代，这个比特串中有两个码是违反编码规则的。l双极性双极性3零码（零码（HDB3）先进行双极性先进行双极性AMI编码，连续编码，连续4个零的比特串被另一个比个零的比特串被另一个比特串取代，这个比特串中有一个码是违反编码规则的。特串取代，这个比特串中有一个
11、码是违反编码规则的。l扰码技术扰码技术替换可能导致线路上产生恒定电平的比特序列，填入足够替换可能导致线路上产生恒定电平的比特序列，填入足够多的跳变，以满足接受器时钟保持同步的需要。接收器必多的跳变，以满足接受器时钟保持同步的需要。接收器必须能识别。须能识别。优点：优点：l没有直流成分没有直流成分l没有较长的零电平线路信号序列没有较长的零电平线路信号序列l提供定时同步提供定时同步l不会增加数据率不会增加数据率l可提供差错检测能力可提供差错检测能力8零替换码（零替换码（B8ZS）双极性双极性3零码（零码（HDB3）lHDB3和和AMI码的功率谱密度码的功率谱密度lAMI码码不含直流成分不含直流成分
12、高低频分量少高低频分量少能量集中在频率为能量集中在频率为1/2码速处码速处位定时频率分量虽然为位定时频率分量虽然为0，但只要将基带信号经，但只要将基带信号经全波整流变成单极性归零波形，便可提取位定时全波整流变成单极性归零波形，便可提取位定时信号。信号。l l提供一定程度的定时同步能力提供一定程度的定时同步能力n 优点优点三元码及多元码与二元码性能比较三元码及多元码与二元码性能比较l l不存在静直流成分，信号带宽较窄不存在静直流成分，信号带宽较窄l l一个信号元素只代表一个比特一个信号元素只代表一个比特三进制三进制log23=1.58 bitsl l接收器必须区分三个电平（接收器必须区分三个电平
13、（+1+1，-1-1，0 0），在信噪），在信噪比一定的情况下，差错率要高得多比一定的情况下，差错率要高得多n 没有二元码效率高没有二元码效率高差分编码差分编码l概念概念差分编码中，被传输的信息是由两个连续信号之差分编码中，被传输的信息是由两个连续信号之间是否发生变化而不是信号元素本身的大小决定间是否发生变化而不是信号元素本身的大小决定的的l优点优点在有噪声的情况下，比起将信号值与门限值直接在有噪声的情况下，比起将信号值与门限值直接比较，检测信号的跳变更为可靠比较，检测信号的跳变更为可靠在复杂的传输结构中，信号的正负极很容易变得在复杂的传输结构中，信号的正负极很容易变得不具有任何意义不具有任何
14、意义l单极性不归零码单极性不归零码用脉冲宽度等于码元间隔的用脉冲宽度等于码元间隔的矩形脉冲的有无表示码元。直流分量不为矩形脉冲的有无表示码元。直流分量不为0l双极性不归零码双极性不归零码用宽度等于码元间隔的两个用宽度等于码元间隔的两个幅度相同但极性相反的举行脉冲表示码元。直流幅度相同但极性相反的举行脉冲表示码元。直流分量近似为分量近似为0l单极性归零码单极性归零码与单极性不归零码相似，只是与单极性不归零码相似，只是脉冲的宽度小于码元间隔脉冲的宽度小于码元间隔l双极性归零码双极性归零码与双极性不归零码相似，只是与双极性不归零码相似，只是脉冲的宽度小于码元间隔脉冲的宽度小于码元间隔l交替极性码交替
15、极性码用无脉冲表示码元用无脉冲表示码元0，而码，而码元元1则交替的用正极性脉冲和负极性脉冲表则交替的用正极性脉冲和负极性脉冲表示示l差分码差分码用相邻脉冲极性的改变表示用相邻脉冲极性的改变表示1，用极性不改变表示用极性不改变表示0l多电平信号（多元码）多电平信号（多元码）用幅度能取多用幅度能取多个值的脉冲表示多进制的码元个值的脉冲表示多进制的码元3.2.3数字基带信号的频谱特性数字基带信号的频谱特性l研究基带信号的频谱结构是十分必要的，研究基带信号的频谱结构是十分必要的，通过谱分析，我们可以了解信号需要占据通过谱分析，我们可以了解信号需要占据的频带宽度，所包含的频谱分量，有无直的频带宽度，所包
16、含的频谱分量，有无直流分量，有无定时分量等。这样才能针对流分量，有无定时分量等。这样才能针对信号谱的特点来选择相匹配的信道，并确信号谱的特点来选择相匹配的信道，并确定是否能从信号中提取定时信号。定是否能从信号中提取定时信号。l频谱分析方法：频谱分析方法：傅里叶变换？傅里叶变换？随机信号的分析理论随机信号的分析理论1、基带信号的时域表达方式、基带信号的时域表达方式l一般令一般令 代表二进制数据符号代表二进制数据符号0，代表代表1，码元的时间间隔为，码元的时间间隔为T。假设数据序列。假设数据序列出现出现0、1的概率分别为的概率分别为P和和1-P，且认为他，且认为他们的出现彼此统计独立，则基带数据信
17、号们的出现彼此统计独立，则基带数据信号可表示为：可表示为：2、基带信号的功率谱密度、基带信号的功率谱密度l利用随机信号的分析方法可得信号序列的利用随机信号的分析方法可得信号序列的功率谱密度表达式为：功率谱密度表达式为：其中是符号速率，l连续谱：始终存在连续谱：始终存在l离散谱：与离散谱：与1、0出现的概率和信号脉冲的出现的概率和信号脉冲的宽度有关，在某些情况下可能没有离散谱宽度有关，在某些情况下可能没有离散谱分量。分量。3、几种基带数字序列的功率谱密度、几种基带数字序列的功率谱密度l双极性归零序列双极性归零序列l设设1、0出现的概率各为出现的概率各为1/2，脉冲宽度为，脉冲宽度为 幅度为幅度为
18、A，则，则 ，矩形脉冲，矩形脉冲l其功率谱密度为其功率谱密度为l双极性不归零序列双极性不归零序列l设设1、0出现的概率各为出现的概率各为1/2，矩形脉冲脉冲，矩形脉冲脉冲宽度为宽度为 幅度为幅度为A，l单极性归零序列单极性归零序列l设设1、0出现的概率各为出现的概率各为1/2，0码发码发 1码发码发0，矩形脉冲为，矩形脉冲为l其功率谱密度为其功率谱密度为l单极性不归零序列单极性不归零序列l离散谱：提供定时信息离散谱：提供定时信息l连续谱：有效带宽连续谱：有效带宽连续谱的第一个过零点连续谱的第一个过零点脉冲宽度的倒数脉冲宽度的倒数4、功率谱特点、功率谱特点l（1）单极性码单极性码既有连续谱，又有
19、离散谱，但单极既有连续谱，又有离散谱，但单极性不归零码，虽有离散谱，但无性不归零码，虽有离散谱，但无f=fs的谱线，无的谱线，无法提取定时信息法提取定时信息双极性码双极性码只有连续谱，没有离散谱只有连续谱，没有离散谱l（2）不归零码不归零码连续谱第一个零点为连续谱第一个零点为归零码归零码连续谱第一个零点为连续谱第一个零点为5、了解基带信号的功率谱密度的意义、了解基带信号的功率谱密度的意义l根据功率谱，可知道信号的功率主要集中根据功率谱，可知道信号的功率主要集中在哪个频率范围内，这样就可以考虑系统在哪个频率范围内，这样就可以考虑系统应有过的传输带宽。应有过的传输带宽。l可以了解如何从接收数据信号
20、序列中提取可以了解如何从接收数据信号序列中提取接收端需要的码元定时信息接收端需要的码元定时信息3.3 码间干扰码间干扰l基带通信系统的一般模型基带通信系统的一般模型l再生判决器对该信号进行抽样判决，以确再生判决器对该信号进行抽样判决，以确定所传送的数字消息序列定所传送的数字消息序列an。为判定的。为判定的ai值，值，应在应在t=iTS+tdl第一项第一项是输出基带信号的第是输出基带信号的第i个码元在抽样瞬间所取的个码元在抽样瞬间所取的值，它是确定值，它是确定ai的依据的依据l第二项第二项是除第是除第i个码元外的其他所有码元脉冲在该抽样个码元外的其他所有码元脉冲在该抽样瞬间对瞬间对ai的干扰，称为码间干扰或符号间干扰。的干扰，称为码间干扰或符号间干扰。l第三项第三项输出噪声在抽样瞬间的值输出噪声在抽样瞬间的值l消除码间干扰：使第二项为消除码间干扰：使第二项为0.只要在码元抽只要在码元抽样判决时刻上正好为样判决时刻上正好为0，就能消除码间串扰。，就能消除码间串扰。