[工学]第六章-数字基带传输系统

1通信原理第6章数字基带传输2如何实现数字传输？数字基带传输：数字基带信号不经载波调制而直接在信道上传输；数字频带传输：数字基带信号经过载波调制后在信道中传输什么是数字基带信号？未经调制、频谱包含丰富的低频分量，甚至直流分量，来自数据终端的原始数据信号（计算机输出的二进制序列，电传机输出，PCM，ΔM序列等数字信号）基本概念什么是数字信号？3研究意义为什么要研究数字基带传输？利用对称电缆构成的近程数据通信广泛采用了这种传输方式近程数据通信系统中广泛采用，并有迅速发展的趋势；基带传输中包含了频带传输的许多基本问题，如码间串扰；任何一个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基带系统的任务：将原始基带信号变换成有效的信道基带信号，完成无失真传输。基带信号传输：波形传输基带传输系统框图再生基带信号码型变换器发送滤波器信道接收滤波器抽样判决同步提取电路定时脉冲二进制符号{}na()st()TGf()RGf()Cf()nt()ytcp{}na()()()()TRHfGfCfGf基带传输系统框图通过码型变换和波形变换将原始基带信号变换成适合于信道传输的基带信号，其目的是与信道匹配，便于传输，减小码间串扰，利于同步提取和抽样判决。主要作用是滤除带外噪声，对信道特性均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决。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。从接收信号中提取抽样的位定时脉冲，位定时的准确与否将直接影响判决效果5再生信号波形判决t再生t接收基带t判决门限抗干扰性好010101016要解决的主要问题如何设计总传输特性H(f)，使得接收端恢复出的序列{an’}与发送端序列{an}之间的差错尽可能少？如何设计总传输特性H(f)，使得在物理上可实现时，频带利用率尽可能高？当总传输特性H(f)达不到设计要求时，可以采取什么办法进行补偿？7学习目的和要求目的：通过剖析数字基带传输系统，掌握数字通信系统分析和设计的基本方法和思路。要求：①掌握数字基带传输的基本理论，包括数字基带信号的波形、频谱和码型；②掌握数字基带信号无失真传输的基本准则；③掌握基带传输误码性能分析方法；④熟悉部分响应和时域均衡的基本原理;⑤了解眼图的概念。研究方法：理论分析和实际应用相结合。8第6章数字基带传输6.1数字基带信号及其频谱特性6.2数字基带传输常用的码型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6.8时域均衡主要内容96.1数字基带信号及其频谱特性6.1.1基带信号波形6.1.2基带信号表达式6.1.3基带信号频谱106.1.1数字基带信号11（1）单极性波形（NRZ）编码规则：1：高电平表示，整个码元期间电平保持不变。0：低电平表示，整个码元期间电平保持不变。6.1.1数字基带信号t110101sT12特点：有直流分量和丰富的低频分量，出现长“0“或长”1“时，电平固定不变，不能提取位定时信息；每个“1“和”0“相互独立，无错误检测能力单极性码传输时需要信道一端接地，不能用两根芯线均不接地的电缆传输；接收单极性码，判别电平为E/2，由于信道衰减，不存在最佳判决电平。6.1.1数字基带信号fP(f)单极性非归零码1ST2ST3ST4ST13（2）双极性波形：编码规则：1：正电平表示，整个码元期间电平保持不变。0：负电平表示，整个码元期间电平保持不变。6.1.1数字基带信号110101tsT14特点：当“1”和“0”等概率出现时无直流分量，1、0符号不等概出现时，仍有直流成份。可在不需要接地的电缆中传输判决电平为0，最佳判决门限出现长“0”或长“1”时，不能提取定时信息6.1.1数字基带信号fP(f)1ST2ST3ST4ST015(3)单极性归零(RZ)波形：编码规则：1：正电平表示，电平持续时间τ码元宽度Ts，其余时间返回零电平；0：0电平表示，6.1.1数字基带信号t110101t16特点：①可直接提取位定时信息，是其它信号提取同步信号需要的一种过渡码型；②出现长”0”时，电平不变，提取位定时信息困难③同样有单极性不归零码的缺点。6.1.1数字基带信号fP(f)单极性归零码1t2t1ST3ST17(4)双极性归零波形：编码规则：1：正电平表示，电平持续时间τ码元宽度Ts，其余时间返回零电平；0：负电平表示，电平持续时间τ码元宽度Ts，其余时间返回零电平。6.1.1数字基带信号。t特点：兼有双极性和归零波形的特点。还可以通过简单的变换电路（全波整流电路），变换为单极性归零码，有利于同步脉冲的提取。相邻脉冲之间必定留有零电位的间隔18(5)差分波形：编码规则（传号差分）：1：相邻码元电平极性改变0：相邻码元电平极性不改变6.1.1数字基带信号编码规则（空号差分）：1：相邻码元电平极性不改变0：相邻码元电平极性改变传号差分码空号差分码NRZ111010010001101kkkdad1kkkdad19差分码的特点不是用码元本身的电平表示消息代码，而是用相邻码元的电平的跳变和不变来表示消息代码；用差分码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用于解决载波相位模糊问题。6.1.1数字基带信号20(6)多电平波形：一个脉冲对应多个二进制码,特点：在波特率(传输带宽)一定时,比特率提高了,可以提高频带利用率。四电平波形2B1Q6.1.1数字基带信号21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：式中，an－第n个码元所对应的电平值（随机量）Ts－码元持续时间g(t)－某种脉冲波形一般情况下，数字基带信号可表示为一随机脉冲序列：式中，sn(t)可以有N种不同的脉冲波形。nsnnTtgats)()(nntsts)()(6.1.2数字基带信号的表示式可以是矩形脉冲，高斯脉冲，升余弦脉冲22一般的推导思路广义平稳随机信号的自相关函数和功率谱密度之间互为傅立叶变换关系；计算基带信号的自相关函数；本课程从其原始定义来求功率谱密度6.1.3数字基带信号的频谱特性研究频谱特性的意义通过频谱分析，可以确定信号的带宽，还可以获得信号谱中的直流分量、位定时分量、主瓣宽度和谱滚降衰减速度等信息，还可以针对信号谱的特点来选择相匹配的信道（也就是根据信道传输特性来选择适合的信号形式或码型）23设一个二进制的随机脉冲序列，序列中任一码元时间Ts内g1(t)和g2(t)出现的概率分别为P和(1-P)，且认为它们的出现是统计独立的，则该序列可表示为nntsts)()(12(),()(1)SnSgtnTPstgtnTP以概率出现（），以概率出现0t010012Ts2T3s2Ts2T3s)(tSg2(t-2Ts)g1(t)6.1.3数字基带信号的频谱特性24()()()utstvts(t)=稳态波＋交变波=v(t)+u(t)__12()()(1)()()ssnnnnvtPgtnTPgtnTvt12()()(1)()()nssnnnnnstPgtnTPgtnTut统计平均分量以概率1-P以概率Pv(t)功率谱u(t)功率谱6.1.3数字基带信号的频谱特性1121221212()()(1)()(1)[()()]()()()(1)()[()()]sssssnsssssgtnTPgtnTPgtnTPgtnTgtnTutgtnTPgtnTPgtnTPgtnTgtnT)]()([)(21ssnnnTtgnTtgatu)1(,,1PPPPan以概率以概率25傅氏级数j2m()Cesmftmvtv(t)的功率谱__12()()(1)()ssnnvtPgtnTPgtnT2221()sSsTjmftTmsCvtedtT周期序列信号21212()(1)()()(1)()sjmftssssfPgtPgtedtfPGmfPGmfmsmmffCtv)()()()(sm2mvmffCfP212()(1)()()ssssmfPGmfPGmffmf功率谱离散谱，据其可以确定直流分量（m=0)和定时分量(m=1)22122()(1P)()sSsTjmftTsssnfPgtnTgtnTedt2(')2122(')(1)(')'ssssssTnTjmftnTTsnTnfePgtPgtdt212()(1)()sjmftsfPgtPgtedtt'=t-nTs1emn2j2'2122(')(1)(')'sssssTnTjmftTsnTnfePgtPgtdt26u(t)的功率谱密度Pu(f)式中UT(f)－u(t)的截短函数uT(t)所对应的频谱函数；E－统计平均T－截取时间，设它等于（2N+1）个码元的长度，即T=(2N+1)式中，N是一个足够大的整数。此时有：2T[()]()limTTuEUfPf2[()]()lim(21)TuNsEUfPfNTu(t)的功率谱27现在先求出uT(t)的频谱函数。故)]()([)()(21ssnNNnNNnnTnTtgnTtgatutudtetufUtfjTT2)()(NNntfjSSndtenTtgnTtga221)]()([NNnTnfjnfGfGeas)]()([2126.1.3基带信号的频谱特性)()()(2fUfUfUTTT)]()()][()([2121)(2fGfGfGfGeaaNNmNNnTmnfjnmSt'=t-nTs28其统计平均为)]()()][()([)(])([2121)(22fGfGfGfGeaaEfUENNmNNnTmnfjnmTS6.1.3基带信号的频谱特性讨论E(aman)30其统计平均仅在m=n时存在，故有即可求得u(t)的功率谱密度2[()]()lim(21)TuNsEUfPfNT)]()()][()([)(])([2121)(22fGfGfGfGeaaEfUENNmNNnTmnfjnmTS6.1.3基带信号的频谱特性2212[]()()NnnNEaGfGf212(21)(1)()()NPPGfGf221221)()()1()12()()()1()12(lim)(fGfGPPfTNfGfGPPNfPSsNu连续谱，可以据其确定信号的带宽31212212()()()(1)|()()|()(1)()()suvsssssmPfPfPffPPGfGffPGmfPGmffmf双边带功率谱密度6.1.3基带信号的频谱特性221)()()1()(fGfGPPffPSS)()0()1()0(2212fGPPGfs0,)()()1()(212212fmffmfGPmfPGfmSSSS单边带功率谱密度fs=1/Ts－码元速率；Ts-码元宽度（持续时间）G1(f)和G2(f)分别是g1(t)和g2(t)的傅里叶变换32由上式可见：二进制随机脉冲序列的功率谱Ps(f)可能包含连续谱（第一项）和离散谱（第二项）。连续谱总是存在的，这是因为代表数据信息的g1(t)和g2(t)波形不能完全相同，故有G1(f)≠G2(f)。谱的形状取