第四章 数字基带传输系统

2/12/202014.1数字基带传输系统的基本结构数字基带传输系统：不使用调制和解调装置而直接传输数字基带信号的系统。其中，信道信号形成器用来产生适于信道传输的基带信号；信道是允许基带信号通过的媒质；接收滤波器用来接收信号和尽可能排除信道噪声及其他干扰；抽样判决则是在噪声背景下用来判定与再生基带信号。信道信号形成器信道接收滤波器抽样判决器基带脉冲输入基带脉冲输出噪声2/12/202024.2数字基带信号及频谱结构1.数字基带信号数字基带信号就是消息代码的电波形，它是用不同的电平或脉冲来表示相应的消息代码。数字基带信号的类型有很多，常见的有矩形脉冲、三角波、高斯脉冲和升余弦脉冲等。最常用的由矩形脉冲组成的基带信号有：单极性归零及不归零波形，双极性归零及不归零波形，差分波形和多电平波形等，图4.1是这几种常用数字基带信号的波形图。2/12/202034.2数字基带信号及频谱结构10100110-E(a)单极性不归零码+E-E110011+E0101011(b)双极性不归零码(c)单极性归零码+E-E1010011(d)双极性归零码+E-E1100011+E-E+3E-3E0100111001110001(e)差分码(f)多电平码0图4.1几种常见的基带信号波形2/12/202044.2数字基带信号及频谱结构无论采用什么形式的波形，数字基带信号可表示为式中,an为第n个信息符号所对应的电平值（0，1或±1），Ts为码元间隔，g(t)为某种标准脉冲波形。对于二进制代码序列，若令g1(t)代表“0”，g2(t)代表“1”，则通常遇到的基带信号都是一个随机脉冲序列。”时当出现符号“”时当出现符号“1)(0)()(21sssnTtgnTtgnTtg)()(nsnnTtgats2/12/202054.2数字基带信号及频谱结构2.数字基带信号的频谱特性二进制随机脉冲序列s(t)表示为式中，v(t)是稳态波属周期信号；u(t)为交变波属随机信号，如图4.2所示。随机脉冲序列s(t)的双边功率谱密度Ps(w)表示为)()()()(tutvtstsnn)()()1()()()()1()()()(221221snssssvusmffmfGPmfPGffGfGPPfPPP2/12/202064.2数字基带信号及频谱结构g2(t＋4Ts)g1(t＋3Ts)g1(t＋2Ts)g2(t＋Ts)g(t)g1(t)g2(t－Ts)g2(t－2Ts)ttO－Ts2Ts2O－Ts2－TsTs2Tsv(t)tOu(t)(a)(b)(c)图4.2随机脉冲序列示意波形2/12/202074.3基带传输的常用码型1.数字基带系统传输码型的选取原则（1）码型频谱中应含有定时时钟信息；（2）基带信号中无直流成分，低频成分和高频成分应尽可能少；（3）码型不受信息源统计特性的影响；（4）码型具有一定的检错能力；（5）码型变换的设备简单，易实现。2/12/202084.3基带传输的常用码型2.常用的传输码型（1）AMI码：是传号交替反转码，是PCM24路的传输码型。编码规则：代码中的0仍变换为传输码的0，代码中的1交替的变换为传输码的+1，-1，…优点：没有直流分量，低频成份少，高频成份少；有检错能力；虽没有成份，但有成份，便于提取。缺点：连“0”码太多，影响定时时钟的提取。sf2sf2/12/202094.3基带传输的常用码型（2）HDB3码：是三阶高密度双极性码，是PCM30/32路基群的传输码型。编码规则：①连“0”码不超过3个时，0变0，1变+1或-1交替反转；②连“0”4个以上时，每4个为一组，用取代节000V或B00V代替，B,V是附加传号码，V和前非“0”码同极极性，之后传号交替反转，V本身也满足极性交替；③相邻V之间有偶数个传号，用B00V代替，B与前非“0”码反极性。特点：克服长连“0”，便于定时提取，但有误码增值。2/12/2020101.基带脉冲传输过程0s0s0stkTntTnkgbtkTrtnnTtgbtrnTtgbtsnTtbtdRRnRsRnsTnsn为：抽样判决器输入抽样值：接收滤波器输出信号为为：发送滤波器产生的信号基带信号为：脉冲形成GT(w)C(w)GR(w)识别电路nbtdtstrtn图4.3数字基带传输系统模型4.4基带脉冲传输及无码间干扰条件2/12/2020114.4基带脉冲传输及无码间干扰条件式中，第一项是第k个码元波形的抽样值，它是确定bk的依据。第二项是除第k个码元以外的其它码元波形在第k个抽样时刻上的总和，它对当前码元的判决起着干扰的作用，所以称为码间串扰值。由于bn是以概率出现的，故码间串扰值通常是一个随机变量。第三项是输出噪声在抽样瞬间的值，是一种随机干扰，也要影响对第k个码元的正确判决。)(])[()()(0000tkTntTnkgbtgbtkTrsRsRknnRks2/12/2020122.码间干扰的定义本码元判决时刻有其它码元出现的现象。3.无码间干扰的条件（奈奎斯特第一准则）⑴时域条件即本码判决时刻不为零，其它抽样点上均为零。⑵频域条件为其它值kkkThs001sissseqTTTTiwHH024.4基带脉冲传输及无码间干扰条件2/12/2020134.4基带脉冲传输及无码间干扰条件4.无码间干扰频谱形状和频带利用率（1）理想状况：传输函数为矩形频谱特性，其带宽，则频带利率，有拖尾，如果定时有误差，就会引起码间干扰，如图4.4所示。H2BfBHzBaudBfBf/2thH()OTs£TsTs(a)传输特性h(t)S0O-4Ts-3Ts-2Ts-TsTs2Ts3Ts4Tst(b)冲激响应图4.42/12/2020144.4基带脉冲传输及无码间干扰条件（2）实际状况：采用具有余弦滚降频谱特性的传输函数，即而相应的为22241cossinssssTtTtTtTtthssssssssTTTTTTTTH10112sin1210Hth2/12/2020154.4基带脉冲传输及无码间干扰条件为余弦滚将特性。图利用率，所以频带，其中，带宽5.4,12121121BTfTTBBffsBssH()Ts010.750.5OW12W1f(a)传输特性h(t)00.50.751t14W1-12W1-12W114W1(b)冲激响应1图4.52/12/2020164.5无码间干扰基带系统的抗噪性能设信道噪声为零均值，方差为的高斯白噪声，系统无码间干扰，对于双极性基带信号样值为，则基带传输系统总的误码率可表示为：判决器的最佳门限电平为：若，则最佳判决门限电平为零。这时基带传输系统总的误码率为：2110PP2nA2101eeePPPPP10ln22PPAVndneAerfcP2212/12/202017对于单极性基带波形，则判决器最佳门限电平为：若，则最佳判决门限电平为A/2，这时基带传输系统总的误码率为：结论：在相同条件下，双极性误码率比单极性低，抗干扰性能好；当码元速率增大时，引起误码率降低。2n10ln22PPAAVnd2110PPneAerfcP22214.5无码间干扰基带系统的抗噪性能2/12/2020181.定义：利用实验室的方法估计和改善传输系统性能时在示波器上观察到的像人的眼睛一样的波形。即从示波器显示的图形上，观察码间干扰和噪声的影响，从而估计出系统性能的优劣程度。2.做眼图的步骤：（1）选择分段周期T0=nTs，n取整数;（2）以T0为周期分段；（3）在一个周期内重叠；（4）用斜线标眼。4.6眼图2/12/2020191.部分响应技术目的：减小理想状况的拖尾现象，同时提高实际状况的频带利用率，而采取的降低码间干扰的措施之一。概念：有控制地在某些码元的抽样时刻引入码间干扰，而在其余码元的抽样时刻无码间干扰，那么就能使频带利用率提高到理论上的最大值，同时拖尾小，又可以降低对定时精度的要求。这种波形称为部分响应波形，利用部分响应波形进行传送的基带传输系统称为部分响应系统。4.7部分响应技术和时域均衡2/12/2020202.时域均衡原理：在基带系统中插入一种可调的滤波器，来减小码间干扰的影响。这种起补偿作用的滤波器统称为均衡器。横向滤波器可以实现时域均衡，横向滤波器网络的功能是将均衡器输入端抽样时刻上有码间干扰的响应波形变成抽样时刻上无码间干扰的响应波形。方法：无限长的横向滤波器可以消除抽样时刻上的码间干扰，但物理上不可实现。有限长的横向滤波器是物理上可实现的，可以减小抽样时刻上的码间干扰，但不能完全消除。4.7部分响应技术和时域均衡2/12/2020214.7部分响应技术和时域均衡衡量均衡效果的准则：①峰值畸变准则定义为：②均方畸变准则定义为：kkyyD01kkyy22021