1、第五章 数字信号的基带传输 2023年2月14日2数字信号传输的基本方式数字信号传输的基本方式基带传输基带传输 不经过调制直接对数字基带信号进行传输的传输方式称为数不经过调制直接对数字基带信号进行传输的传输方式称为数字信号的基带传输字信号的基带传输 数字基带信号：数字信息的电脉冲表示（即用不同幅度的脉数字基带信号：数字信息的电脉冲表示（即用不同幅度的脉冲所表示的码元的不同取值）冲所表示的码元的不同取值）调制传输调制传输 经过调制，利用载波传输调制后的频带信号的传输方经过调制，利用载波传输调制后的频带信号的传输方式称为数字信号的调制传输式称为数字信号的调制传输2023年2月14日3基带传输的基本
2、特点基带传输的基本特点数字基带信号含有大量的低频分量以及数字基带信号含有大量的低频分量以及直流分量。直流分量。不同形式的数字基带信号具有不同的频不同形式的数字基带信号具有不同的频谱特性和功率谱分布，不同的码形有不谱特性和功率谱分布，不同的码形有不同优点适合不同信道传输特性。同优点适合不同信道传输特性。2023年2月14日45.15.1数字基带信号的码型数字基带信号的码型2023年2月14日5数字信息数字信息数字序列数字序列数据流数据流an码元：码元：an基本单元基本单元 每个码元只能取离散的有限个值每个码元只能取离散的有限个值 0，1，M12023年2月14日65.1.1数字基带信号的码型设计
3、原则数字基带信号的码型设计原则码型码型数字信号的电脉冲结构数字信号的电脉冲结构称为码型称为码型码型编码（码型变换）码型编码（码型变换）数字信息的电脉冲表示数字信息的电脉冲表示过程称为码型编码或码过程称为码型编码或码型变换型变换码型译码码型译码由码型还原为数字信息由码型还原为数字信息的过程称为码型译码的过程称为码型译码码型的选择：码型的选择：与传输信道相匹配与传输信道相匹配 信号的抗噪声能力信号的抗噪声能力强强 便于从信号中提取便于从信号中提取位定时信息位定时信息 尽量减少基带信号尽量减少基带信号频谱中的高频分量频谱中的高频分量 编译码设备应尽量编译码设备应尽量简单简单2023年2月14日75.
4、1.2二元码（二元码（1）单极性非归零码单极性非归零码 用高电平和低电平（常为零电平）两种取值分别表示用高电平和低电平（常为零电平）两种取值分别表示二进制码二进制码1和和0，在整个码元期间电平保持不变。常记为，在整个码元期间电平保持不变。常记为NRZ。有直流分量，用于终端设备有直流分量，用于终端设备。2023年2月14日85.1.2二元码（二元码（2）双极性非归零码双极性非归零码 用正电平和负电平分别表示用正电平和负电平分别表示1和和0，在整个码元期间，在整个码元期间 电平保持不变电平保持不变 无直流成分，可以在电缆等无接地的传输线上传输无直流成分，可以在电缆等无接地的传输线上传输2023年2
5、月14日95.1.2二元码（二元码（3）单极性归零码单极性归零码 发送发送1时，高电平在整个码元期间（时，高电平在整个码元期间（T）只持续一段）只持续一段 时间（时间（），在码元的其余时间内则返回零电平，在码元的其余时间内则返回零电平，发送发送0时，用零电平表示。常记为时，用零电平表示。常记为RZ。/T/T称为占空比称为占空比 可以直接提取位定时信号，是其它码型提取位定时可以直接提取位定时信号，是其它码型提取位定时 信号时需要采用的一种过渡码型信号时需要采用的一种过渡码型2023年2月14日115.1.2二元码（二元码（4）双极性归零码双极性归零码 用正极性的归零码和负极性的归零码分别表示用正
6、极性的归零码和负极性的归零码分别表示1和和0 兼有双极性和归零的特点，虽然幅度取值存在三种兼有双极性和归零的特点，虽然幅度取值存在三种 电平，但是它用脉冲的正负极性表示两种信息，通电平，但是它用脉冲的正负极性表示两种信息，通 常仍归入二元码常仍归入二元码功率谱中含有丰富的低频乃至直流分量，不能适应有交流耦合的传输功率谱中含有丰富的低频乃至直流分量，不能适应有交流耦合的传输信道信道当信息中出现长当信息中出现长1串或长串或长0串时，会呈现连续的固定电平，无电平跃变，串时，会呈现连续的固定电平，无电平跃变，也就没有定时信息也就没有定时信息信息信息1和和0分别独立地对应于某个传输电平，相邻信号之间取值
7、独立，分别独立地对应于某个传输电平，相邻信号之间取值独立，不具有检测错误的能力不具有检测错误的能力2023年2月14日135.1.2二元码（二元码（5）差分码差分码 1和和0分别用电平的跳变或不变来表示。分别用电平的跳变或不变来表示。若用电平跳变表示若用电平跳变表示1，则对应传号差分码，则对应传号差分码，记为记为NRZ（M）若用电平跳变表示若用电平跳变表示0，则对应空号差分码，则对应空号差分码，记为记为NRZ（S）用电平的相对变化来传输信息，可以用来解决相移用电平的相对变化来传输信息，可以用来解决相移 键控信号解调时的相位模糊问题键控信号解调时的相位模糊问题 差分码中电平只具有相对意义，又称为
8、相对码差分码中电平只具有相对意义，又称为相对码2023年2月14日155.1.2二元码（二元码（6）数字双相码（分相码，曼彻斯特码）数字双相码（分相码，曼彻斯特码）从从0到到1跳变表示跳变表示1，从，从1到到0的跳变表示的跳变表示0，并且都是双极性非归零脉冲。并且都是双极性非归零脉冲。每个码元间隔的中心都存在电平跳变，有丰富的每个码元间隔的中心都存在电平跳变，有丰富的 位定时信息位定时信息 正负电平各占一半，不存在直流分量正负电平各占一半，不存在直流分量 不会出现不会出现3个或更多的连码，可用来宏观检错个或更多的连码，可用来宏观检错 上述优点是用频带加倍来换取的，适用于数据上述优点是用频带加倍
9、来换取的，适用于数据 终端设备在短距离上的传输。终端设备在短距离上的传输。2023年2月14日175.1.2二元码（二元码（7）条件数字双向码条件数字双向码 前面介绍的几种码都只是与当前的二元信息前面介绍的几种码都只是与当前的二元信息0或或者者1有关系，而条件双向码，不仅与当前的信息元有关系，而条件双向码，不仅与当前的信息元有关系，并且与前一个信息元也有关系，对于信有关系，并且与前一个信息元也有关系，对于信息息1，前半时间的电平与前一个码元后半时间的电，前半时间的电平与前一个码元后半时间的电平相同，后半时间值与本码元前半时间值相反，平相同，后半时间值与本码元前半时间值相反，对于信息对于信息0，
10、则相反。，则相反。X=1 1 1 0 1 0 1 1 0 0012345678910012023年2月14日185.2数字基带信号的功率谱数字基带信号的功率谱前面介绍了典型的数字基带信号的时域波形，从信号传输的角度前面介绍了典型的数字基带信号的时域波形，从信号传输的角度来看，还需要进一步了解数字基带信号的频域特性，它决定了信来看，还需要进一步了解数字基带信号的频域特性，它决定了信号在频域的分布情况，决定了信号的带宽，以便通信系统设计时号在频域的分布情况，决定了信号的带宽，以便通信系统设计时能有效地、合理地利用传输信道。能有效地、合理地利用传输信道。在实际通信中，被传送的信息是收信者事先未知的，
11、因此数字基在实际通信中，被传送的信息是收信者事先未知的，因此数字基带信号带信号一般一般是随机的脉冲序列，由于随机信号不能用确定的时间是随机的脉冲序列，由于随机信号不能用确定的时间函数表示。也就没有确定的频谱函数，函数表示。也就没有确定的频谱函数，因此不能用确定信号的频因此不能用确定信号的频谱计算方式。随机信号的频谱特性要用功率谱密度来描述。谱计算方式。随机信号的频谱特性要用功率谱密度来描述。分析数字基带信号功率谱的目的：分析数字基带信号功率谱的目的：根据功率谱的特点设计传输信道以及合理的传输方式。根据功率谱的特点设计传输信道以及合理的传输方式。是否含有定时信号，作为同步的基础。是否含有定时信号
12、，作为同步的基础。2023年2月14日19数字基带信号的功率谱数字基带信号的功率谱什么是功率谱？什么是功率谱？功率谱密度函数简称功率谱；定义了单位功率谱密度函数简称功率谱；定义了单位频带内的信号功率，它表示了信号功率频带内的信号功率，它表示了信号功率随着频率的变化情况，即信号功率在频随着频率的变化情况，即信号功率在频域的分布状况。域的分布状况。功率没有负值，功率谱曲线所覆盖的面功率没有负值，功率谱曲线所覆盖的面积在数值上等于信号的总功率（能量）。积在数值上等于信号的总功率（能量）。2023年2月14日20谱零点带宽谱零点带宽 2023年2月14日21数字基带信号的功率谱数字基带信号的功率谱怎样
13、求随机序列的功率谱呢？理论上，先求出自相关函数怎样求随机序列的功率谱呢？理论上，先求出自相关函数功功率谱，计算过程较复杂。率谱，计算过程较复杂。采用比较简单的方法，求出简单码型的功率谱。尽管公式的适用采用比较简单的方法，求出简单码型的功率谱。尽管公式的适用范围有限，但计算结果具有普遍的意义，可进行定性分析（具体范围有限，但计算结果具有普遍的意义，可进行定性分析（具体功率谱表达式必须经过定量计算）。功率谱表达式必须经过定量计算）。方法：方法：从随机过程功率谱的原始定义出发，推出了二进制随机脉冲序从随机过程功率谱的原始定义出发，推出了二进制随机脉冲序列列 g(t)的功率谱的功率谱P(f)。分析：分
14、析：二进制随机脉冲序列二进制随机脉冲序列g(t)，1码码基本波形基本波形g1(t)，概率为，概率为P 0码码基本波形基本波形g2(t)，概率为，概率为1-P 码元宽度码元宽度Ts组成；组成；Ts不是抽样周期（间隔）！不是抽样周期（间隔）！2023年2月14日22例例 g1(t)矩形矩形 g2(t)三角形三角形 2023年2月14日23例例2023年2月14日24对于任意随机信号对于任意随机信号g(t)，都可以分解成二部分，都可以分解成二部分 稳态分量稳态分量a(t)周期性分量周期性分量 随机变化分量随机变化分量u(t)动态分量动态分量 g(t)=a(t)+u(t)u(t)=g(t)-a(t)分
15、别求出这二个分量的功率谱，就可求出分别求出这二个分量的功率谱，就可求出g(t)的功率谱。的功率谱。P(f)=Pa(f)+Pu(f)离散谱离散谱 连续谱连续谱2023年2月14日25功率谱性质功率谱性质功率谱密度的常用性质为：功率谱密度的常用性质为：(1)功率谱密度函数功率谱密度函数 是实的；是实的；(2)功率谱密度是非负的，即功率谱密度是非负的，即 大于等于大于等于0.(3)功率谱密度的傅里叶变换是信号的自功率谱密度的傅里叶变换是信号的自协方差函数；协方差函数；(4)功率谱密度对频率的积分给出信号功率谱密度对频率的积分给出信号 的方差。的方差。2023年2月14日264种简单码元的概率分布种简
16、单码元的概率分布单极性非归零码单极性非归零码:a=1 概率概率1/2 a=0 概率概率 1/2单极性归零码：单极性归零码：a=1 概率概率1/4 a=0 概率概率 3/4双极性非归零码：双极性非归零码：a=1 概率概率1/2 a=-1 概率概率 1/2双极性归零码：双极性归零码：a=1 概率概率1/2 a=0 概率概率 1/4a=-1 概率概率1/42023年2月14日27码型码型输入概率分输入概率分布矩阵布矩阵均值均值E自相关函数自相关函数R0SNRZ0 0.5;1 0.50.5000.500SRZ0 0.75;1 0.250.2500.250DNRZ1 0.5;-1 0.501DRZ1 0
17、.25;-1 0.25;0 0.500.500E=E+X（i，1）X（i，2）R0=R0+X（i，1）X（i，1）X（i，2）2023年2月14日286.3无码间串扰的传输波形无码间串扰的传输波形什么是码间串扰（符号间干扰）？什么是码间串扰（符号间干扰）？前面的码元对后面的若干码元有影响，这种影响称为码间串扰。前面的码元对后面的若干码元有影响，这种影响称为码间串扰。码间串扰是如何产生的？码间串扰是如何产生的？直方脉冲的波形在时域内比较尖锐，因而在频域内占用的带宽是直方脉冲的波形在时域内比较尖锐，因而在频域内占用的带宽是无限的。如果让这个脉冲经过一个低通滤波器，即让它的频率变无限的。如果让这个脉
18、冲经过一个低通滤波器，即让它的频率变窄，那么它在时域内就一定会变宽。因为脉冲是一个序列，这样窄，那么它在时域内就一定会变宽。因为脉冲是一个序列，这样相邻的脉冲间就会相互干扰。这种现象被称为码间串扰相邻的脉冲间就会相互干扰。这种现象被称为码间串扰码间串扰带来的影响：码间串扰带来的影响：数字通信系统的接收端要对收到信号再进行识别（再生判决）以数字通信系统的接收端要对收到信号再进行识别（再生判决）以恢复原始数字信码，识别的依据是收到信号的幅度，若波形发生恢复原始数字信码，识别的依据是收到信号的幅度，若波形发生了失真，再加上信道噪声干扰，接收端就可能识别错误，造成误了失真，再加上信道噪声干扰，接收端就
19、可能识别错误，造成误码，使系统性能变差、下降。码，使系统性能变差、下降。2023年2月14日296.3无码间串扰的传输波形无码间串扰的传输波形码间串扰（符号间干扰）码间串扰（符号间干扰）基带传输系统模型基带传输系统模型()nsnatnT()s t()()()()STCR无码间串扰示意图：无码间串扰示意图：定义频带利用率为：定义频带利用率为：ssRB码元传输速率传输带宽单位频带的码元传输速率单位频带的码元传输速率无串扰传输码元周期为无串扰传输码元周期为T的序列时，所需的最小传输带宽为的序列时，所需的最小传输带宽为1/2T，这，这是在抽样值无串扰条件下，基带系统传输所能达到的极限。即单位频是在抽样
20、值无串扰条件下，基带系统传输所能达到的极限。即单位频带内每秒传带内每秒传2个码元。个码元。1/2T称为奈奎斯特带宽，称为奈奎斯特带宽，T称为奈奎斯特间隔称为奈奎斯特间隔频带利用率的另一个定义：频带利用率的另一个定义：bbRB信息传输速率传输带宽单位频带的信息传输速率单位频带的信息传输速率二进制时，频带利用率的最大值为：二进制时，频带利用率的最大值为：2/()bsbRRbits HzBB2023年2月14日316.7眼图眼图眼图：利用实验的手段方便地估计和改善系统性能时眼图：利用实验的手段方便地估计和改善系统性能时 在示波器上观测到的一种图形。在示波器上观测到的一种图形。观察眼图的方法：用一个示
21、波器跨接在接收滤波器的观察眼图的方法：用一个示波器跨接在接收滤波器的 输出端，调整示波器的水平扫描周输出端，调整示波器的水平扫描周 期，使其与接收码元的周期同步。期，使其与接收码元的周期同步。此时，可以从示波器显示的图形上此时，可以从示波器显示的图形上 观察出码间干扰和噪声的影响，从观察出码间干扰和噪声的影响，从 而估计系统性能的优劣程度。而估计系统性能的优劣程度。在传输二进制信号波形时，示波器显示的图形很像人在传输二进制信号波形时，示波器显示的图形很像人的眼睛，故名的眼睛，故名“眼图眼图”。基带信号波形及其眼图基带信号波形及其眼图为了说明眼图和系统性能之间的关系，把眼图简化为一个模型，如下图
22、所为了说明眼图和系统性能之间的关系，把眼图简化为一个模型，如下图所示，从图中可以获得以下信息：示，从图中可以获得以下信息：（1）最佳抽样时刻应是）最佳抽样时刻应是“眼睛眼睛”张开最大的时刻；张开最大的时刻；（2）眼图斜边的斜率决定了系统对抽样定时误差的灵敏程度；斜率越大，对）眼图斜边的斜率决定了系统对抽样定时误差的灵敏程度；斜率越大，对抽样定时越灵敏抽样定时越灵敏（3）图的阴影区的垂直高度表示信号的畸变范围）图的阴影区的垂直高度表示信号的畸变范围（4）图中央的横轴位置对应于判决门限电平）图中央的横轴位置对应于判决门限电平（5）抽样时刻上，上下阴影区的间隔距离之半为噪声容限，噪声瞬时值超过）抽样
23、时刻上，上下阴影区的间隔距离之半为噪声容限，噪声瞬时值超过它就可能发生错误判决它就可能发生错误判决（6）图中倾斜阴影带与横轴相交的区间表示了接收波形零点位置的变化范围，）图中倾斜阴影带与横轴相交的区间表示了接收波形零点位置的变化范围，即过零点失真，它对于利用信号零交点的平均位置来提取定时信息的接收即过零点失真，它对于利用信号零交点的平均位置来提取定时信息的接收系统有很大影响。系统有很大影响。2023年2月14日34基带传输的差错率分析基带传输的差错率分析传输差错率是衡量通信系统传输质量的传输差错率是衡量通信系统传输质量的一个重要指标：一个重要指标：码元差错率码元差错率Pe比特差错率比特差错率PbMATLAB提供的分析工具提供的分析工具Commgui：误码率仿真窗口，包含了通：误码率仿真窗口，包含了通信系统中信号处理的全部过程：信号源信系统中信号处理的全部过程：信号源信号的生成，信号经过差错控制编码和信号的生成，信号经过差错控制编码和调制后，叠加噪声后送到接收设备上。调制后，叠加噪声后送到接收设备上。2023年2月14日35
