1、5.1 数字基带传输概述数字基带传输概述5.2 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性5.3 基带传输的常用码型基带传输的常用码型5.4 基带脉冲传输与码间串扰基带脉冲传输与码间串扰5.5 无码间串扰的基带传输特性无码间串扰的基带传输特性5.6 无码间串扰基带系统的抗噪声性能无码间串扰基带系统的抗噪声性能5.7 眼图眼图5.8 均衡技术均衡技术5.9 部分响应系统部分响应系统第第 5 章章 数字基带传输系统数字基带传输系统返回主目录 第第5 章章 数字基带传输系统数字基带传输系统 数字基带信号-5.1 数字基带传输概述数字基带传输概述 来自数据终端的原始数据信号。l计算机输出的二进制
2、序列l电传机输出的代码lPCM码组，M序列l 这些信号往往包含丰富的低频分量低频分量，甚至直流分量。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，它们可以直接传输直接传输，故称为数字基带传输。不经调制的原始数据信号称为基带信号，基带信号的频带是从直流到某个截止频率的基本频带，类似于经过相应带宽低通滤波后的频带，其波形称为基带波形。直接利用基带信号通过传输信道进行传输的方式称为基带传输。直接传送基带信号的系统称为基带传输系统。基带传输系统基带信号 基带传输系统 不经调制直接传递 an 频带传输系统基带信号 频带传输系统 经调制直接传递 an l 利用对称电缆构成的近距离数据通信系统广
3、泛采用了这种传输方式；l 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；l 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。基带传输系统的研究：而大多数信道，如各种无线信道和光信道，则是带通型的，数字基带信号必须经过载波调制载波调制，把频谱搬移到高载处才能在信道中传输，这被称为数字频带（调制或载波）传输。图 5-1数字基带传输系统信道信号形成器数字基带信号GT()信道接 收滤波器抽 样判决器同步提取C()GR()n(t)基带传输系统主要由信道信号形成器、信道、接收滤波器和抽样判决器组成。为了保证系统可靠有序的工作，还应有同步系统。它是允许基带信号通过的媒质，通常为有线信道
4、，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，甚至是随机变化的是随机变化的。另外信道还会进入噪声。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。信道信号形成器信道信号形成器把原始基带信号变换成适合于信道传输变换成适合于信道传输的基带信号，这种变换主要是通过码型变换和波形变换来实现的，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。信道信道在传输特性不理想及噪声背景下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。而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，
5、位定时的准确与否将直接影响判决效果。接收滤波器接收滤波器滤除带外噪声，对信道特性均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决。抽样判决器抽样判决器 图5-2 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。在上例中，第4个码元发生误码，误码的原因之一是信道加性噪声信道加性噪声，之二是传输总特性（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码元之间相互
6、串扰。此时，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。5.3 基带传输的常用码型基带传输的常用码型 在实际的基带传输系统中，并不是所有代码的电在实际的基带传输系统中，并不是所有代码的电波形都能在信道中传输。波形都能在信道中传输。例如，前面介绍的含有直流分量和较丰富低频分量的单极性基带波形就不适宜在低频传输特性差的信道中传输，因为它有可能造成信号严重畸变严重畸变。又如，当消息代码中包含长串的连续“1”或“0”符号时，非归零波形呈现出连续的固定电平，因而无法获取定时信息定时信息。单极性归零码在传送
7、连“0”时，存在同样的问题。因此，对传输用的基带信号主要有两个方面的要求：对代码的要求对代码的要求，原始消息代码必须编成适合于传输用的码型；对所选码型的电波形要求对所选码型的电波形要求，电波形应适合于基带系统的传输。前者属于传输码型的选择，后者是基带脉冲的选择。这是两个既独立又有联系的问题。传输码(或称线路码)的结构将取决于实际信道特性和系统工作的条件。通常，传输码的结构应具有下列主要特性,即码型选择依据：相应的基带信号无直流分量，且低频分量少；便于从信号中提取定时信息；具有内在的检错能力，传输码型应具有一定规律性，以便利用这一规律性进行宏观监测；传输效率高；不受信息源统计特性的影响，即能适应
8、于信息源的变化；1.编译码设备要尽可能简单，等等。1.单极性不归零波形单极性不归零波形特点是极性单一，有直流分量有直流分量，脉冲之间无间隔。另外位同步信息包含在电平的转换之中，当出现连0序列时没有位同步信息。单极性码波形是由0电平表示二进制符号“0”，用正电位表示二进制符号“1”。该波形经常在近距离传输时（如印制板内或印制板间）使用。0 1 0 1 1 0 0 1+E 0 2.双极性不归零波形双极性不归零波形 双极性码波形是由正电平表示二进制符号“1”、负电位表示二进制符号“0”。特点是码元之间无时间间隔，若符号“0”、“1”等概率出现，则使用此波形的系统将没有直流成分。因而不受信道特性变化的
9、影响，抗干扰能力也较强。故双极性波形有利于在故双极性波形有利于在信道中传输信道中传输。该波形常在CCITV的V系列接口标准或RS-232C接口标准中使用。0 1 0 1 1 0 0 1+E-E 3.单极性归零波形单极性归零波形单极性归零码波形是用正向脉冲表示二进制符号“1”，用0电平表示二进制符号“0”。正向脉冲即是在码元间隔时间内电平上升为高电位后紧接着又返归为零，正向脉冲宽度小于码元的宽度。该波形常在近距离内实行波形变换时使用。0 1 0 1 1 0 0 1+E 0 4.双极性归零波形双极性归零波形 双极性归零码波形是由正向脉冲表示二进制符号“1”，负向脉冲表示二进制符号“0”。正向脉冲和
10、负向脉冲都在码元间隔时间内返归到零。除了具有双极性不归零波形的特点外，还有利于同步脉冲的提取。0 1 0 1 1 0 0 1+E-E 5.差分波形差分波形（1变变0不变）不变）由于差分波形是以相邻脉冲电平的相对变化来表以相邻脉冲电平的相对变化来表示代码示代码，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用于解决载波相位模糊问题。0 1 0 1 1 0 0 1+E-E 6.多元码多元码如四进制码：000；011；102；113；用1位码来表示原来的两位二进制码，码元周期加倍，传输速率下降，可以使传输带宽
11、下降，则在带宽一定的情况下，可以成倍提高信息传输速率。适合于高数据速率传输系统。7.AMI码码 AMI码是传号交替反转码。其编码规则是将二进制消息代码“1”(传号)交替地变换为传输码的“+1”和“-1”，而“0”(空号)保持不变。例如：消息代码 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 AMI码：+1 0 0 1 +1 0 0 0 0 0 0 0-1+1 0 0 -1+1 AMI码对应的基带信号是正负极性交替的脉冲序列正负极性交替的脉冲序列，而0电位保持不变的规律。AMI码的优点：由于+1与-1 交替，AMI码的功率谱中不含直流成分，高、低频分量少，能量集中在频率
12、为1/2码速处。位定时频率分量虽然为0，但只要将基带信号经全波整流变为单极性归零波形，便可提取位定时信号。此外，AMI码的编译码电路简单，便于利用传号极性交替规律观察误码情况。AMI码的不足：当原信码出现连“0”串时，信号的电平长时间不跳变，造成提取定时信号的困难。8.HDB3码码 HDB3码的全称是3阶阶高密度双极性码，它是AMI码的一种改进型，其目的是为了保持AMI码的优点而克服其缺点，使连使连“0”个数不超过个数不超过3个个。其编码规则如下：当信码的连“0”个数不超过3时，仍按AMI码的规则编，即传号极性交替；a)当连“0”个数超过3时，则将第4个“0”改为与前面的“1”同极性的脉冲，记
13、为+V或-V，称之为破坏脉冲。相邻V码的极性必须交替出现，以确保编好的码中无直流；为了便于识别，V码的极性应与其前一个非“0”脉冲的极性相同，当四连0中间有偶数个1时，将后面的四连“0”的第一个“0”更改为与该破坏脉冲相同极性的脉冲，并记为+B或-B；破坏脉冲之后的传号码极性也要交替。例如：代码：1000 0 1000 0 1 1 000 0 l 1 AMI码：-1000 0 +1000 0 -1 +1 000 0 -1 +1 HDB3码：-1000 -V +1000 +V -1 +1 -B00 -V +1 -1 其中的V脉冲和B脉冲与1脉冲波形相同，用V或B符号的目的是为了示意是将原信码的“
14、0”变换成“1”码。虽然HDB3码的编码规则比较复杂，但译码却比较简单。从上述原理看出，每一个破坏符号V总是与前一非0符号同极性(包括B在内)。这就是说，从收到的符号序列中可以容易地找到破坏点V，于是也断定V符号及其前面的3个符号必是连0符号，从而恢复4个连0码，再将所有-1变成+1后便得到原消息代码。HDB3码保持了AMI码的优点外，同时还将连“0”码限制在3个以内，故有利于位定时信号的提取。HDB3码是应用最为广泛的码型码是应用最为广泛的码型，A律PCM四次群以下的接口码型均为HDB3码。图5-6 AMI 码和HDB3码的功率谱1.00.500.51.0AMIHDB3非归零码归一化功率谱f
15、/fs9.PST码码 PST码是成对选择三进码。其编码过程是：先将其编码过程是：先将二进制代码两两分组，然后再把每一码组编码成两个二进制代码两两分组，然后再把每一码组编码成两个三进制数字三进制数字(+、-、0)。因为两位三进制数字共有9种状态，故可灵活地选择其中的4种状态。为防止PST码的直流漂移，当在一个码组中仅发送单个脉冲时，两个模式应交替变换。例如：代码：0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 PST码：0+-+-0 +0 +-+或 0-+-+0 -0 +-+PST码的优点：能提供足够的定时分量，且无直流成分。编码过程也较简单。PST码的不足：识别时需要提供“分组”信息，
16、即需要建立帧同步。表表 5 1 PST码码二进制代码+模式-模式00-+-+010 +0 -10+0-011+-+-10.数字双相码数字双相码 数字双相码又称曼彻斯特（Manchester）码。它用一个周期的正负对称方波表示“0”，而用其反相波形表示“1”。编码规则之一是：编码规则之一是：“0”码用码用“01”两两位码表示，位码表示，“1”码用码用“10”两位码表示两位码表示，例如：代码：1 1 0 0 1 0 1 双相码：10 10 01 01 10 01 10 双相码只有极性相反的两个电平。因为双相码在每个码元周期的中心点都存在电平跳变，所以富富含位定时信息。又因为这种码的正、负电平各半，
17、含位定时信息。又因为这种码的正、负电平各半，所以无直流分量，编码过程也简单。但带宽比原信所以无直流分量，编码过程也简单。但带宽比原信码大码大1倍。倍。11.密勒码密勒码 密勒(Miller)码又称延迟调制码，它是双相码的一种变形。编码规则如下：“1”码用码元间隔中心点出现跃变来表示，即用“10”或“01”表示。“0”码有两种情况：单个“0”时，在码元间隔内不出现电平跃变，且与相邻码元的边界处也不跃变，连“0”时，在两个“0”码的边界处出现电平跃变，即“00”与“11”交替。若两个“1”码中间有一个“0”码时，密勒码流中出现最大宽度为2Ts的波形，即两个码元周期。这一性质可用来进行宏观检错宏观检
18、错。图 5-7双相码、密勒码、CMI码的波形(a)双相码；(b)密勒码；(c)CMI码OAAOAAAOAt/T0t/T0t/T011010010(a)(b)(c)双 相 码双 相 码的下降沿正的下降沿正好对应于密好对应于密勒码的跃变勒码的跃变沿沿。因此，用双相码的下降沿去触发双稳电路，即可输出密勒码。12.CMI码码 CMI码是传号反转码的简称，与数字双相码类似，它也是一种双极性二电平码。编码规则是：编码规则是：“1”码交码交替用替用“11”和和“00”两位码表示；两位码表示；“0”码固定地用码固定地用“01”表示。表示。CMI码有较多的电平跃变，因此含有丰富的定时信息。此外，由于由于10为禁
19、用码组，不会出现为禁用码组，不会出现3个以上个以上的连码的连码，这个规律可用来宏观检错。CMI码易于实现。在数字双相码、密勒码和CMI码中，每个原二进制信码都用一组2位的二进码表示，因此这类码又称为1B2B码。13.nBmB码码 nBmB码是把原信息码流的n位二进制码作为一组，编成m位二进制码的新码组。由于mn，新码组可能有2m种组合，故多出(2m-2n)种组合。从中选择一部分有利码组作为可用码组，其余为禁用码组，以获得好的特性。在光纤数字传输系统中，通常选择mn+1，有1B2B码、2B3B、3B4B码以及5B6B码等，其中，5B6B码型已实用化码型已实用化，用作三次群和四次群以上的线路传输码
20、型。14.4B/3T码码 在某些高速远程传输系统中，1B1T码的传输码的传输效率偏低效率偏低。为此可以将输入二进制信码分成若干位一组，然后用较少位数的三元码来表示，以降低编码后的码速率，从而提高频带利用率。4B3T码型是1B1T码型的改进型，它把4个二进制码变换成3个三元码。显然，在相同的码速率下，4B3T码的信息容量大于1B1T，因而可提高频带利用率。4B3T码适用于较高速率的数据传输系统，如高次群同轴电缆传输系统。5.2 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性5.2.1 数字基带信号数字基带信号 数字基带信号是指消息代码的电波形消息代码的电波形，它是用不同的电平或脉冲来表示相应的
21、消息代码。数字基带信号(以下简称为基带信号)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。最常用的是矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成和变最常用的是矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成和变换换。5.2.2 基带信号的频谱特性基带信号的频谱特性 通过谱分析，可以了解信号需要占据的频带宽频带宽度度，所包含的频谱分量，有无直流分量，有无定时所包含的频谱分量，有无直流分量，有无定时分量分量等。这样，才能针对信号谱的特点来选择相匹相匹配的信道配的信道，以及确定是否可从信号中提取定时信号提取定时信号。数字基带信号是随机的脉冲序列，没有确定的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
22、用功率谱来描述它的频谱特性。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。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；nsnnTtgats)()(5.2-1)数字基带信号二进制代码序列nanntsts)()(5.2-2)码元间隔；sT某种标准脉冲波形标准脉冲波形；)(tg-1),(0),()(21sssnnTtgnTtgnTtga随机的脉冲序列图 5 4 随机脉冲序列示意波形g2(t4 Ts)g1(t3 Ts)g1(
23、t2 Ts)g2(t Ts)g(t)g1(t)g2(t Ts)g2(t2 Ts)ttO Ts2Ts2O Ts2 TsTs2Tsv(t)tOu(t)(a)(b)(c)g1(t-nTs),以概率P出现 g2(t-nTs),以概率(1-P)出现 (5.2-4)sn(t)=为了使频谱分析的物理概念清楚，推导过程简化，我们可以把s(t)分解成稳态波v(t)和交变波u(t)。所谓稳态波，即是随机序列s(t)的统计平均分量，它取决于每个码元内出现g1(t)、g2(t)的概率加权平均，且每个码元统计平均波形相同，因此可表示成v(t)=Pg1(t-nTs)+(1-P)g2(t-nTs)=vn(t)(5.2-5)
24、其波形如图 5-4(b)所示，显然v(t)是一个以Ts为周期的周期函数。nn 交变波u(t)是s(t)与v(t)之差，即 u(t)=s(t)-v(t)(5.2-6)其中第n个码元为 un(t)=sn(t)-vn(t)(5.2-7)于是 u(t)=un(t)(5.2-8)n 其中,un(t)可根据式(5.2-4)和(5.2-5)表示为 g1(t-nTs)-Pg1(t-nTs)-(1-P)g2(t-nTs)=(1-P)g1(t-nTs)-g2(t-nTs),以概率P g2(t-nTs)-Pg1(t-nTs)-(1-P)g2(t-nTs)=-Pg1(t-nTs)-g2(t-nTs),以概率(1-P)
25、或者写成 un(t)=Ang1(t-nTs)-g2(t-nTs)(5.2-9)其中显然，u(t)是随机脉冲序列，图 5-4（c）画出了u(t)的一个实现。下面我们根据式(5.2-5)和式(5.2-8)，分别求出稳态波v(t)和交变波u(t)的功率谱，然后根据式(5.2-6)的关系，将两者的功率谱合并起来就可得到随机基带脉冲序列s(t)的频谱特性。un(t)=nA,1pp1,pp(5.2-11)mtfmjmseCtv2)(2/2/2)(1sssTTtfmjsmdtetvTC1.v(t)的功率谱密度的功率谱密度Pv(f)(5.2-12)nssnTtgPnTtgPtv)()1()()(21(5.2-
26、5)又由于Pg1(t)+(1-P)g2(t)只存在（-Ts/2，Ts/2）范围内，所以上式的积分限可以改为从-到，因此dtetgptpgTctsmfjm221)()1()(1)()1()(21sssmfGpmfpGf式中21()()sjmf tsG mfg t edt22()()sjmf tsG mfg t edtSTf11再根据周期信号功率谱密度与傅氏系数Cm的关系式，有)()(2smmvmffcfP)()()1()(221smsssmffmfGpmfpGf 可见稳态波的功率谱Pv(f)是冲击强度取决|Cm|2的离散谱线，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
27、)。2.u(t)的功率谱密度的功率谱密度Pu(f)u(t)是功率型的随机脉冲序列，它的功率谱密度可采用截短函数和求统计平均的方法来求。有Pu(f)=STNTNfUE)12()(2lim 其中UT(f)是u(t)的截短函数UT(t)的频谱函数；E表示统计平均；截取时间T是（2N+1）个码元的长度，即 T=(2N+1)Ts (5.2-16)nn则 UT(f)=dtenTtgnTtgftjSS221)()(dtetuftjT2)(dtfGfGeasnTfjn)()(212 式中，N为一个足够大的数值，且当T时，意味着N。现在先求出频谱函数UT(f)。由式（5.2-8），显然有 uT(t)=un(t)
28、=ang1(t-nTs)-g2(t-nTs)(5.2-17)式中G1(f)=dtetgftj221)(dtetgftj222)(G2(f)=于是)()()(2fUfUfUTTT)()()()(2121)(2fGfGfGfGeaaSTmnfjnNNmmNNm其统计平均为E|UT(f)|2=当m=n时)()()()()(2121)(2fGfGfGfGeaaESTmnfjnNNmmNNm aman=a2n=（1-P)2 以概率P P2 以概率（1-P)所以 Ea2n=P(1-P)2+(1-P)P2=P(1-P)(5.2-21)当mn时 aman=(1-p)2,P2,-p(1-p),以概率p2以概率(
29、1-p)2以概率2p(1-p)所以 Eaman=P2(1-P)2+(1-P)2P2+2P(1-P)(P-1)P=0 由以上计算可知式(5.2-20)的统计平均值仅在m=n时存在，即 E|UT(f)|2=(2N+1)P(1-P)|G1(f)-G2(f)|2 (5.2-23)2212)()(fGfGaENNnn 根据式(5.2-15)，可求得交变波的功率谱 Pu(f)=fsP(1-P)|G1(f)-G2(f)|2 (5.2-24)sNTNfGfGPPN)12()()()1()12(lim221 可见，交变波的的功率谱Pu(f)是连续谱，它与g1(t)和g2(t)的频谱以及出现概率P有关。根据连续谱
30、可以确定随机序列的带宽。3.s(t)=u(t)+v(t)的功率谱密度的功率谱密度Ps(f)(5.2-25)msssssvusfmffmGPfmPGffGfGPPffPfPfP)()()1()()()()1()()()(221221上式是双边的功率谱密度表示式。如果写成单边的，则有 Ps(f)=fsP(1-P)|G1(f)-G2(f)|2+f2s|PG1(0)+(1-P)G2(0)|2(f)+2f2s|PG1(mfs)+(1-P)G2(mfs)|2(f-mfs),f01m(5.2-26)0()()()1()(2)()0()1()0()()()1()(122122212221ffmffmGPfmP
31、GffGPPGffGfGPPffPmsssssss随机脉冲序列的功率谱密度可能包含连续谱Pu(f)和离散谱Pv(f)。对于连续谱而言，由于代表数字信息的g1(t)及g2(t)不能完全相同，故G1(f)G2(f)，因而Pu(f)总是存在的总是存在的；而离散谱是否存在，取决g1(t)和g2(t)的波形及其出现的概率P。总结212221()(1)()()()(1)()()ssssssmp ff pp G fG ffpG mfp G mffmf 双边谱222121222121()2(1)()()(0)(1)(0)()2()(1)()()sssssssmp ff pp G fG ffpGpGtfpG m
32、fpG mffmf 单边谱例51 对于单极性波形：若设。)()(,0)(21tgtgtg(5.2-27)msssssfmffmGPffGPPffP)()()1()()1()(22(5.2-28)msssssfmffmGffGffP)()(41)(41)(222等概（P=1/2）时，上式简化为(1)其它,02,1)(sTttg)(sin)(sssssTfSaTTfTfTfG为单极性不归零矩形脉冲)(tg离散谱均为零，因而无定时信号。0)0()(:0SaTfmGmss离散谱中有直流分量0)()(:0mSaTfmGmss)(41sin41)(2ffTfTTffPSSSsS 随机序列的带宽取决于连续谱，实际由单个码元的频谱函数G(f)决定，该频谱的第一个零点在f=fs，因此单极性不归零信号的带宽为Bs=fs，如图 5-5所示。这时，式（5.2-28）变成 结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best,Failure Is Great,So DonT Give Up,Stick To The End谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
