通信原理第6章数字基带传输系统

1通信原理第6章数字基带传输系统内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》2第6章数字基带传输系统6.1数字基带信号及其频谱特性6.2基带传输的常用码型6.3数字基带信号传输与码间串扰6.4无码间串扰的基带传输特性6.5基带传输系统的抗噪声性能6.6眼图6.7部分响应和时域均衡内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》3前言了解数字基带信号的特性，包括波形、码型和频谱特性，重点研究如何设计基带传输的总特性，以消除码间干扰；研究如何有效地减小信道加性噪声的影响，以提高系统抗噪声性能。介绍一种利用实验手段，方便地估计系统性能的方法：眼图提出改善数字基带传输性能的两个措施:1.时域均衡2.部分响应本章主要内容内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》4数字基带信号：未经调制的数字信号，所占据的频谱是从零频或很低的频率开始的。数字基带传输系统：在某些具有低通特性的有线信道中，特别是在传输距离不太远的情况下，基带信号可以不经过载波调制而直接进行传输。数字带通(频带)传输系统：包括调制和解调过程的传输系统。在无线或光纤信道等具有带通特性的信道中，数字基带信号必须经过载波调制才能传输。数字基带信号与数字基带传输系统前言内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》5在利用对称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的方式。研究数字基带传输系统的意义随着数字通信技术的发展，基带传输方式也有迅速发展的趋势，它不仅用于低速数据传输，而且还用于高速数据传输；基带传输系统的许多问题也是带通传输系统必须考虑的问题；任何一个采用线性调制的带通传输系统，可以等效为一个基带传输系统来研究；前言内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》66.1数字基带信号及其频谱特性6.1.1数字基带信号消息代码的电波形。对于二进制，指符号“0”和“1”的具体波形表示。二进制代码1.单极性(NRZ)2.双极性(NRZ)3.单极性归零(RZ)4.双极性归零(RZ)5.差分码6.AMI码7.HDB3码码分相码Manchester)(Bi.8f+E0+E0-E+E0+E0-E+E0-E+E0-E+E0-E+E0-E码9.Miller100000110000010011000001100000100110000011000001001码10.CMI+E+E0-E-E071.单极性波形t1011001E0图6-1(a)单极性波形最简单，最常用的基带信号形式，用正电平和零电平分别表示二进制代码“1”和“0”。优点：脉冲之间无间隔，极性单一，易于用TTL或CMOS电路产生；缺点：有直流分量，要求传输线路具有直流传输能力，因而不适应有交流耦合的远距离传输。82.双极性波形t1011001E0E图6-1(b)双极性波形用正、负电平的脉冲分别表示二进制代码“1”和“0”。特点：当“1”和“0”等概出现时无直流分量，有利于在信道中传输，并且在接收端恢复信号时的判决电平为零，因而不受信道特性变化的影响，抗干扰能力也较强。93.单极性归零波形t1011001E0图6-1(c)单极性归零波形归零(RZ）波形：有电脉冲宽度小于码元宽度，即信号电压在一个码元终止时刻前总要回到零电平。sT归零波形通常使用半占空码，即占空比为50%，从单极性归零波形可以直接提取定时信息，它是其他码型提取位同步信息时常采用的一种过渡波形。与归零波形相对应，上面的单极性波形和双极性波形属于非归零(NRZ)波形，其占空比等于100％。(/)sT104.双极性归零波形Et1011001E0图6-1(d)双极性归零波形它是双极性波形的归零形式。每个码元内，脉冲都回到零电平，即相邻脉冲之间必定留有零电位的间隔。它除了具有双极性和归零波形的特点外，还有利于同步脉冲的提取，接收端很容易识别出每个码元的起止时刻，便于收发保持正确的位同步。11tEE01011001图6-1(e)差分波形5.差分波形差分波形是用相邻码元的电平的跳变和不变来表示消息代码。以电平跳变表示1，电平不变表示0，也可反过来。由于差分波形是以相邻脉冲电平的相对变化来表示代码，因此称它为相对码波形，而相应地称前面的单极性或双极性波形为绝对码波形。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可用于解决相位模糊问题。126.多电平波形上述信号都是一个二进制符号对应一个脉冲。实际还存在多于一个二进制符号对应一个脉冲的情形。这种波形统称为多电平波形或多值波形。若令两个二进制符号00对应-E，01对应-3E，10对应+E，11对应+3E，则所得波形为4电平波形。广泛应用于频带受限的高数据速率传输系统中，可以提高频带利用率图6-1(f)多电平波形10110001101101+E-E+3E-3E13数字基带信号的表示式：若表示各码元的波形相同而电平取值不同，则数字基带信号可表示为：表示信息码元的单个脉冲的波形并非一定是矩形的，可以是任意形状的。t)(2tg2Ts2sT)t(g12Ts2Tst•g(t)——任意脉冲波形，Ts——码元间隔，an——符号电平（0，1或+1，-1）•sn(t)可以有N种不同的脉冲波形。nnnsntsnTtgats)()()(14数字基带信号的表示式：若表示各码元的波形相同而电平取值不同，则数字基带信号可表示为：•g(t)——任意脉冲波形，Ts——码元间隔，an——符号电平（0，1或+1，-1）•sn(t)可以有N种不同的脉冲波形。图6-2随机脉冲序列示意波形)t(st)t(g1)Tt(gs2)T2t(gs12Ts2Ts表示信息码元的单个脉冲的波形并非一定是矩形的，可以是任意形状的。nnnsntsnTtgats)()()(内蒙古大学电子信息工程学院《通信原理》156.1数字基带信号及其频谱特性6.1.2基带信号的频谱特性——随机序列的功率谱研究随机序列频谱的目的：了解信号频谱特性：频带宽度，频谱分量，有无直流分量等。合理选择匹配信道或根据信道特性选择合适的码型；确定是否包含位定时（位同步）信息。研究随机序列频谱的方法：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。16假设g1(t)表示“0”码，g2(t)表示“1”码。且g1(t)和g2(t)出现的概率分别为P和1-P，且统计独立，则：图6-2随机脉冲序列示意波形)t(st)t(g1)Tt(gs2)T2t(gs12Ts2Tsnnstst()()p)-1()(p)()()(21以概率为以概率为SSnnTtgnTtgtsnnnsntsnTtgats)()()(t)(2tg2Ts2sT)t(g12Ts2Tst17为了使频谱分析的物理概念清楚，推导过程简化，把s(t)分解成稳态波v(t)和交变波u(t)。t()st()vt0t()utt0)()()(tutvtsv(t)为周期信号，具有离散谱。u(t)为随机信号，具有连续谱。18121ssnnnvtPgtnTPgtnTvt()[()()()]()稳态波——随机序列s(t)的统计平均分量，取决于每个码元内出现g1(t)和g2(t)的概率加权平均：显然，v(t)在每个码元内的统计平均波形相同，故v(t)是一个以Ts为周期的周期函数，具有离散谱。稳态波波形示意()vt0t)()1()()(21SSnnTtgPnTtPgtv19交变波——s(t)与v(t)之差utstvt()()()其中第n个码元为：nnntttvsu()()())()1()()(21SSnnTtgPnTtPgtvp)-1()(p)()()(21以概率为以概率为SSnnTtgnTtgts)t(un)P1()]nTt(g)nTt(g[p)nTt(g)p1()nTt(pg)nTt(gS2S1S2S1S2以概率p)]nTt(g)nTt(g)[p1()nTt(g)p1()nTt(pg)nTt(gS2S1S2S1S1以概率12nnssutagtnTgtnT()[()()]P-1P)1(以概率以概率ppannnutut()()20交变波——s(t)与v(t)之差utstvt()()()其中第n个码元为：nnntttvsu()()()12nnssutagtnTgtnT()[()()]P-1P)1(以概率以概率ppannnutut()()显然，u(t)是随机脉冲序列，具有周期谱。()utt0交变波波形示意211.稳态波v(t)的功率谱密度vPf()121ssnvtPgtnTPgtnT()[()()()]由于v(t)是以Ts为周期的周期信号，可以展成傅里叶级数：2SjmftmmvtCe()2221//()sSsTjmftmTsCvtedtT式中2212211sSsTjmftmTsCPgtPgtedtT//[()()()]12221111SjtsmsmfssCmfmfgtPPedtTfPPGGgt()([()]())()()1SSfT由于在(-Ts/2,Ts/2)范围内相当n=0121vtPgtPgt()()()()只存在(-Ts/2,Ts/2)范围内，所以积分限可以改为-∞到∞22211222ssjmftsjmftsGmfgtedtGmfgtedt()()()()再根据周期信号功率谱密度与傅氏系数Cm的关系，有：)()(02mffCfPm)()]()1()([)(221SmSSSvmffmfGPmfPGffPvPf()2mC稳态波的功率谱是冲击强度取决于的离散线谱；根据离散谱可以确定随机序列是否包含直流分量（m=0）和定时分量(m=1)。12221111SjtsmsmfssCmfmfgtPPedtTfPPGGgt()([()]())()()1SSfT232()()limTuTEUfPfT2．交变波u(t)的功率谱密度uPf()由于随机脉冲序列为功率型，因此u(t)的功率谱密度Pu(f)可采用截短函数和统计平均的方法来确定：)(tut)(tUTt2T2TTUf()Tut()T=(2N+1)Ts取截取时间T为(2N+1)个码元长度，即N为一个足够大的整数，且当T→∞时，意味着N→∞。221()()lim()TuNsEUfPfNTUT(f)为u(t)的截短函数uT(t)的频谱函数24nnutut()()由式得12NNTnnssnNnNututagtnTgtnT()()[()()]2221221sTNnssnNjjftTjftNnnfnTNutagtnTgUfedtedtaGfGtnTef()())())()((则：211jftGfgtedt()()222jftGfgtedt()()25122sNTjfnTnnNUfaGfGef()()()?)(nmaaE221122STTTNNjfnmTmnmNnNGfGfUfUfUfGfaeGfa()[()()()()[()(()]])221)(2)()(fGfGeaasTmnfjnNNmNNmm