通信原理第4章数字信号基带传输系统.

4.1数字基带信号及其频谱4.2基带传输常用码型4.3基带脉冲传输与码间干扰4.4无码间干扰的基带传输系统特性4.5部分响应系统4.6无码间干扰基带传输系统的抗噪性能第4章数字信号基带传输系统第5章数字基带传输21、数字通信系统中两个重要变换：消息（离散的或连续的）与数字基带信号间的变换。（由发收终端设备完成）数字基带信号与信道信号间的变换。（由调制解调器完成）4.1数字基带信号及其频谱第5章数字基带传输32、数字基带信号：数字基带信号是从计算机中直接产生的，未经任何处理的二进制（或多进制）的脉冲序列信号。基带信号往往包含丰富的低频分量，甚至直流分量。例如：计算机输出的二进制序列电传机输出的代码PCM码组，ΔM序列4.1数字基带信号及其频谱第5章数字基带传输41、数字数字基带传输：数字基带传输是在具有低通特性的有线信道中，特别是传输距离不太远的情况下，直接传输基带信号。2、数字频带传输：数字频带传输是将数字基带信号经过载波调制，把频谱搬移到高频处在带通型信道（如各种无线信道和光信道）中传输。4.1.1基带传输系统模型第5章数字基带传输5图4.1–1数字基带传输系统数字基带信号信道匹配滤波器抽样判决器同步提取干扰数字基带信号波形变换器发送滤波器均衡器信道信号形成器4.1.1基带传输系统模型第5章数字基带传输6（1）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波形变换和发送滤波器来实现的。5、数字基带传输系统各部分功能：4.1.1基带传输系统模型波形变换的目的是与信道匹配，进行码型变换及波形变换。码型变换将二进制脉冲序列变为双极性码；波形变换减小码间串扰，利于同步提取和抽样判决。发送滤波器的目的主要是平滑波形。第5章数字基带传输7信道是允许基带信号通过的媒质，通常为有线信道，如市话电缆、架空明线等。信道的传输特性通常不满足无失真传输条件，甚至是随机变化的。信道还会进入噪声。在通信系统的分析中，常常把噪声n(t)等效，集中在信道中引入。（2）信道4.1.1基带传输系统模型第5章数字基带传输8（5）匹配滤波器、均衡器匹配滤波器用来尽可能排除信道噪声和其它干扰；均衡器对信道特性均衡，消除信道冲激响应对信号的干扰，使输出的基带波形有利于抽样判决。4.1.1基带传输系统模型第5章数字基带传输9抽样判决器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。（4）抽样判决器4.1.1基带传输系统模型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。图4.1-2基带系统个点波形示意图(a)基带信号；(b)码型变换后；(c)对(a)进行了码型及波形的变换，适合在信道中传输的波形；(d)信道输出信号，波形发生失真并叠加了噪声；(e)接收滤波器输出波形,与(d)相比，失真和噪声减弱；(f)位定时同步脉冲；(g)恢复的信息。第5章数字基带传输11在图4.1-2中，第4个码元发生误码。误码的原因：信道加性噪声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。4.1.1基带传输系统模型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。第5章数字基带传输12因为在利用对称电缆构成的近程数据通信系统广泛采用了这种传输方式；因为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；因为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。4.1.2研究基带传输系统的原因第5章数字基带传输134.1.3基带数字信号的要求有利于提高系统的频带利用率。基带信号的编码应尽量使频带压缩，使编码后所使用的数字信号的速率尽量低。尽量减少直流、甚低频及高频分量。（基带传输系统中有时有隔直流的变压器耦合，不利于直流、甚低频分量的传输，在传输中会丢失，接收时产生波形失真；过多高频分量会引起话路之间的“串话”。第5章数字基带传输14误码扩散少,一个信号出错不延伸到其他信号。尽量不出现长“0”和长“1”。无法提取定时信号，使同步被破坏。能够检测信号质量，对噪声和码间串扰具有较强的抵抗力和自检能力。编译码设备简单。提高码元同步分量，才能保证同步提取电路稳定可靠的工作。4.1.3基带数字信号的要求第5章数字基带传输15数字基带信号是随机的脉冲序列，没有确定的频谱函数，所以只能用功率谱来描述它的频谱特性。由随机过程的相关函数去求随机过程的功率(或能量)谱密度比较复杂。一种比较简单的方法是以随机过程功率谱的原始定义为出发点，求出数字随机序列的功率谱公式。4.1.4基带信号的功率谱计算第5章数字基带传输16通过频谱分析，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，以及确定是否可从信号中提取定时信号。4.1.4基带信号的功率谱计算第5章数字基带传输17第n个信息符号所对应的电平值(0、1或-1、1等)，由信码和编码规律决定；nBns(t)ag(tnT)(4.3-1)1、数字基带信号：na码元间隔；BT某种基本码元脉冲波形；)(tg--------------4.1.4基带信号的功率谱计算第5章数字基带传输18实际中遇到的数字基带信号多是一个随机脉冲序列。若用g0(t)、g1(t)分别表示符号0和1单极性信号g0(t)=0、g1(t)=g(t)双极性信号g0(t)=-g(t)、g1(t)=g(t)4.1.4基带信号的功率谱计算第5章数字基带传输19设一个二进制的随机脉冲序列如图4.4-1所示。g0(t)、g1(t)分别表示符号0和1，TB为码元宽度。2、随机脉冲序列的表示设g0(t)和g1(t)在TB内出现的概率分别为P,1-P,且它们的出现是统计独立的。4.1.4基带信号的功率谱计算第5章数字基带传输20图4.3–1随机脉冲序列示意波形g1(t＋4Ts)g0(t＋5Ts)g0(t＋2Ts)g1(t＋Ts)g(t)g0(t)g1(t－Ts)g0(t－2Ts)ttO－TB2TB2O－TB2－TBTB2TBv(t)tOu(t)(a)(b)(c)TB第5章数字基带传输21nntsts)()((4.3-2)0Bn1Bg(tnT),Psg(tnT),1P概率(t)概率(4.3-5)则该二进制的随机脉冲序列可以由式4.3-2表示。其中4.1.4基带信号的功率谱计算第5章数字基带传输22设截取时间T=(2N+1)TB,则s(t)可表示为：3、s(t)的功率谱密度Ps(ω)2TsTE[S()]P()limTNTnnNs(t)s(t)(4.3-4)式4.3-5变为2TsNBE[S()]P()lim(2N1)T(4.3-5)(4.3-6)4.1.4基带信号的功率谱计算第5章数字基带传输23TTTs(t)v(t)u(t)将信号sT(t)看成由稳态波vT(t)和交变波uT(t)构成。vT(t)：稳态波。是随机序列s(t)的统计平均分量，它取决于每个码元内出现g0(t)、g1(t)的概率加权平均。uT(t)：交变波。是随机序列s(t)的变动部分，它取决于g0(t)、g1(t)随机出现的情况。4、稳态波、交变波表达式4.1.4基带信号的功率谱计算第5章数字基带传输24NTnnNNN0B1BnNnNN0B1BnNv(t)v(t)Pg(tnT)(1P)g(tnT)Pg(tnT)(1P)g(tnT)(4.3-7)（1）稳态波vT(t)取决于每个码元内出现g0(t)、g1(t)的概率加权平均。4.1.4基带信号的功率谱计算第5章数字基带传输25(4.3-8)nn0B1Bu(t)ag(tnT)g(tnT)TTTNTnnNu(t)s(t)v(t)u(t)u(t)（2）交变波n1P,PaP,1P出现概率为其中：出现概率为用4.3-3、4.3-5、4.3-7可以推出4.1.4基带信号的功率谱计算第5章数字基带传输26sv(tT)v(t)BBBT/2j2mftmT/2B1Cv(t)edtTT0B1BnTv(t)v(t)v(t)Pg(tnT)(1P)g(tnT)当时，变为由于v(t)是周期函数，Bj2mftmmv(t)Ce式中：用傅里叶级数展开(4.3-9)(4.3-10)稳态波vT(t)的功率谱密度Pv(ω)第5章数字基带传输27BBBBBBBBBBT/2j2mftm01T/2nBnTT/2j2mf(tnT)01nTT/2nBj2mft01BB0B1Bj2m0B01CPg(t)(1P)g(t)edtT1Pg(t)(1P)g(t)edtT1Pg(t)(1P)g(t)edtTfPG(mf)(1P)G(mf)G(mf)g(t)e又BBftj2mft1B1dtG(mf)g(t)edt将(4.3-9)代入：(4.3-11)稳态波vT(t)的功率谱密度Pv(ω)第5章数字基带传输282vmBm2B0B1BBmP()C(fmf)fPG(mf)(1P)G(mf)(fmf)稳态波vT(t)的功率谱密度Pv(ω)(4.3-12)稳态波vT(t)的功率谱密度Pv(ω)第5章数字基带传输29NNNnn0B1BnNnNu(t)u(t)ag(tnT)g(tnT)BBBBBBj2ftTTNj2ftn0B1BnNNj2fnTn01nNj2ft00j2ft11u()u(t)edtag(tnT)g(tnT)edtaeG(f)G(f)G(f)g(t)edtG(f)g(t)edt其中(4.3-13)交变波uT(t)的功率谱密度Pu(ω)第5章数字基带传输30N201nNuNB201NB2B01G(f)G(f)P(1P)P()lim(2N1)T(2N1)P(1P)G(f)G(f)lim(2N1)TfP(1P)G(f)G(f)(4.3-14)交变波uT(t)的功率谱密度Pu(ω)第5章数字基带传输31suv22B01B0B1BBmP()P()P()fP(1P)G(f)G(f)fPG(mf)(1P)G(mf)(fmf)(4.3-15)1、随机序列s(t)的功率谱密度Ps(ω)随机序列s(t)的功率谱密度Ps(ω)第5章数字基带传输32随机脉冲序列的功率谱密度可能包含连续谱Pu(ω)和离散谱Pv(ω)。2vB0B1BBmP()fPG(mf)(1P)G(mf)(fmf)2uB01P()fP(1P)G(f)G(f)2、研究随机脉冲序列功率谱的意义随机序列s(t)的功率谱密度Ps(ω)第5章数字基带传输33随机序列s(t)的功率谱密度Ps(ω)对于连续谱而言，由于代表数字信息的g0(t)及g1(t)不能完全相同，故G0(f)≠G1(f)，因而Pu(ω)总是存在的；离散谱是否存在，取决g0(t)和g1(t)的波形及其出现的概率P。第5章数字基带传输34连续谱Pu(ω)可以定随确机序列的带宽；离散谱Pv(ω)可以确定随机序列是否包含直流成分(m=0)及定时信号(m=±1)由于没有限定g0(t)和g1(t)的波形，因此不仅适用于计算数字基带信号的功率谱，也可以用来计算数字调制信号的功率谱。随机序列s(t)的功率谱密度Ps(ω