1、项目4 构建数字基带通信系统任务4.1 构建数字基带通信系统模型任务4.2 为数字基带通信系统选择码型任务4.3 解决数字基带通信系统中的码间串扰问题任务4.4 信道噪声对数字基带通信系统的影响分析任务4.5 数字基带通信系统的位同步设计任务4.6 给数字基带通信系统加扰任务4.7 在数字基带通信系统中使用均衡技术任务4.8 利用“眼图”判别数字基带通信系统的好坏任务4.1 构建数字基带通信系统模型 数字基带通信系统在现在的生产生活中应用并不多，但是研究数字基带系统是研究数字调制系统的基础，能够在码型设计、抗干扰、同步等方面为数字调制系统的研究提供借鉴。本节的任务是通过学习数字基带通信系统模型
2、，初步了解数字基带系统的结构组成和主要技术。典型的数字基带通信系统模型：任务4.1 构建数字基带通信系统模型加加扰扰：对原始数字基带信号进行随机化，减小和减少长连“0”码、长连“1”码出现的个数和频率，使得信号更适合于在信道中传输，同时接收端更容易提取出位同步信息。基带码型编码基带码型编码：将加扰后的数字基带信号编码成更适合于在信道中传输的码型形式，如去掉直流分量、减少低频分量、具有纠检错能力等。发送滤波器发送滤波器：由于码型编码后的信号频谱在整个频域是无限延伸的，而实际信道的频带是有限的，因此，必须要在发送之前对信号的频谱进行限带。发送滤波器的作用就是限制发送信号的频带，同时将其转换成适合在
3、信道中传输的波形形式。接收滤波器接收滤波器：滤除有用信号频带之外的噪声。均衡器均衡器：克服由于信道传输特性不理想而导致的码间串扰问题，对失真波形进行尽可能的补偿。位定时提取电路：从接收到的信号中提取出位同步信号，以便于下一步进行抽样判决。抽样判决器抽样判决器：把经过失真补偿后的信号进行波形放大、限幅、整形后，再利用位定时信息对其进行抽样、判决、再生，恢复成基带信号码型形式。基带码型译码基带码型译码：将抽样判决器输出的码型信号还原成数字基带信号形式。解扰解扰：将加扰后的数字基带信号还原成原始数字基带信号。任务4.2 为数字基带通信系统选择码型 不同的码型具有不同的时频域特性，不同的数字系统对于码
4、型也有各自不同的需求。本节的任务是掌握数字基带系统现有常用码型，学会码型的时频域分析方法，进而掌握这些码型各自的特性，最后对码型选用原则进行归纳总结。子任务1：熟悉数字基带通信系统常用码型的编码方法子任务2：分析数字基带通信系统常用码型的特性子任务3：总结数字基带通信系统常用码型的选用原则任务4.2 为数字基带通信系统选择码型子任务1：熟悉数字基带通信系统常用码型的编码方法把原始数字信息进行电脉冲形式表示的过程就称为码型编码码型编码或码型变换码型变换。1、二元码所谓二元码指的是对应二进制码元“0”和“1”，脉冲的幅度只有两种取值。（1）单极性不归零码（NRZ）用高电平代表二进制符号的“1”码；
5、零电平代表“0”码。无论是“1”码还是“0”码，在整个码元周期内电平始终维持不变。任务4.2 为数字基带通信系统选择码型子任务1：熟悉数字基带通信系统常用码型的编码方法1、二元码（2）单极性归零码（RZ）在整个码元周期内，“0”码始终用零电平表示，“1”码开始部分用高电平以和“0”码相区分，但此高电平在持续一段时间后要回到零电平。像“1”码这种归零码的非零电平持续时间可以用占空比来描述。所谓占空比指的是在整个码元周期内，非零电平的持续时间与码元周期T的比值。RZ码中“1”码的占空比通常取50。任务4.2 为数字基带通信系统选择码型子任务1：熟悉数字基带通信系统常用码型的编码方法1、二元码（3）
6、双极性不归零码 用正电平代表二进制码元“1”，负电平代表码元“0”，且在整个码元周期内电平都维持不变。（4）双极性归零码 用正电平持续一段时间后归零来表示“1”码，用负电平持续一段时间后归零来表示“0”码。通常“1”码和“0”码的占空比相同，都取50。任务4.2 为数字基带通信系统选择码型子任务1：熟悉数字基带通信系统常用码型的编码方法1、二元码（5）差分码 利用电平的相对变化来传递信息的，可以分为两种：传号差分码NRZ（M）和空号差分码NRZ（Z）。传号差分码用电平的“变”与“不变”分别对应二进制符号的“1”和“0”。空号差分码则刚好相反：“0”码对应电平的“变”，“1”码对应不变。任务4.
7、2 为数字基带通信系统选择码型子任务1：熟悉数字基带通信系统常用码型的编码方法1、二元码（6）数字双相码 数字双相码，又称分相码或称曼彻斯特码，其波形如图4-2(f)所示。其编码规则为：每个码元用两个连续的极性相反的脉冲来表示，例如“1”码用“+-”脉冲，“0”码用“-+”脉冲。这也是其名称的由来。任务4.2 为数字基带通信系统选择码型子任务1：熟悉数字基带通信系统常用码型的编码方法1、二元码（7）传号反转码（CMI）将信息码流中的“1”码用交替出现的“+”、“-”表示，即不断发生极性反转；“0”码固定用“-+”表示。（8）密勒码 也称延迟调制码，是一种变形双相码。“1”码的起点电平与其前面相
8、邻码元的末电平相同，并且在码元周期的中间有极性跳变；对于单“0”码，其电平也与前面相邻码元的末电平相同，但在整个码元周期中电平维持不变；遇到连“0”情况，在两个相邻“0”码的边界处要有极性跳变。任务4.2 为数字基带通信系统选择码型子任务1：熟悉数字基带通信系统常用码型的编码方法2、三元码 是指对应二进制码元“0”和“1”，脉冲幅度的可能取值有1、0和-1三种。（1）传号交替反转码（AMI）传号交替反转码的编码规则为：用固定不变的零电平表示“0”码；用交替出现的正、负电平表示“1”码，但在整个码周期内正/负电平持续一段时间后要归零，通常“1”码的占空比为50。任务4.2 为数字基带通信系统选择
9、码型子任务1：熟悉数字基带通信系统常用码型的编码方法2、三元码（2）三阶高密度双极性码（HDB3）AMI码的改进型 当连“0”的数目小于4时，HDB3码与AMI码编码规则完全相同。连“0”数目等于或大于4时，HDB3码将每4个连“0”码编成一个组，进行相应变换。序列中的“1”码编为极性码（Bipolar code），用交替出现的B、-B表示，显然极性码符合极性交替的规律；4连“0”码0000用000V或B00V取代，其中的V码称为破坏码（Violation code），因为它的出现破坏了B码之间正负极性交替的规则；当两个V码之间B码的个数为奇数时，0000用000V取代，反之，则用B00V取代
10、，对于第一组出现的4连“0”码0000可以规定就用000V取代；序列中各V码之间具有极性正负交替的规律。任务4.2 为数字基带通信系统选择码型子任务1：熟悉数字基带通信系统常用码型的编码方法案例分析：1、针对二进制数字序列111001010000完成八种二元码的码型编码，要求：起始电平为负电平，占空比为50%。解：相应的码型编码如图所示。任务4.2 为数字基带通信系统选择码型子任务1：熟悉数字基带通信系统常用码型的编码方法案例分析：2、针对二进制数字序列1000011100000完成两种三元码的码型编码，要求：占空比为30%。解：数字序列中有两组4连“0”码，采用HDB3码第一组固定用“000
11、V”代替。两组4连“0”码之间B码的个数为奇数（3个“1”码），所以第二组4连“0”也用“000V”代替。相应的码型编码如图所示：任务4.2 为数字基带通信系统选择码型子任务2：分析数字基带通信系统常用码型的特性1、时域波形 从不同码型的时域波形能大致判断出码型的特性，基本判断方法如下（按照“0”码和“1”码等概的情况）：l 从时域波形图横轴上下部分图形能否大致抵消看出是否含有直流成分；l 从时域波形变化的快慢能大致看出是否含有低频成分；l 从长连“0”码或长连“1”码中间是否有较丰富的极性变化看出是否能够提取位同步信息；l 从是否归零码看出带宽是否加倍；l 从码型设计中是否存在冗余波形看出码
12、型是否具有纠检错能力。任务4.2 为数字基带通信系统选择码型子任务2：分析数字基带通信系统常用码型的特性1、时域波形（1）单极性不归零码 单极性码波形都在坐标横轴的一侧，所以必然含有直流成分；当出现长连“0”码或长连“1”码时，码中间没有任何电平跳变，所以单极性不归零码不能直接提取位同步信息。因此这种码型只是作为其他码型研究的基础存在，而不适合于基带传输。（2）单极性归零码 单极性归零码含有直流成分；当出现连“1”码时，具有明显的码元间隔，容易提取位同步信息；但出现长连“0”时，却容易丢失位同步信息。由于是归零码，所以信号带宽是单极性不归零码的两倍。（3）双极性不归零码 这种码的优点是当二进制
13、码元序列中的“1”和“0”等概率出现时，波形中无直流分量，并且抗噪声性能好，无接地问题。但其出现连“1”或连“0”码时也不易提取位同步信息。（4）双极性归零码 当出现连“1”或连“0”码时，双极性归零码的码元间隔明显，容易提取位同步信息。除此之外，它还具有与双极性不归零码相同的优点。但它也存在带宽加倍的问题。任务4.2 为数字基带通信系统选择码型子任务2：分析数字基带通信系统常用码型的特性1、时域波形（5）差分码 与其他码型不同的是：对应二进制符号的“1”和“0”，差分码不采用高和低电平与之构成绝对的对应关系，而是用电平的相对变化来表示。差分码不含有直流成分。虽然码本身易丢失位同步信息，但是它
14、可以通过对码型变换提取出位同步信号。差分码在数字调制系统中，用于解决相移键控（PSK）中的“相位模糊”问题。（6）数字双相码 数字双相码在每个码元周期的中心都有电平跳变，因而频谱中存在丰富的位定时分量，并且由于在一个码元周期内的正、负两种电平各占一半，所以不含有直流分量。但是它的频带宽度也展宽了一倍。数字双相码主要用于数据终端设备在短距离上的传输，典型应用如计算机以太网（Ethernet）。（7）传号反转码 传号反转码中没有直流分量，且有频繁的波形跳变，这样就便于提取位同步信息。除此之外，由于它的编码波形中不存在“+-”的情况，所以一旦接收端收到这种波形的码就可判为误码，即这种码具有检错的能力
15、。由于传号反转码具有如此多的优点，所以得到了广泛的应用，如PCM四次群系统和速率低于8448kb/s的光纤数字传输系统。任务4.2 为数字基带通信系统选择码型子任务2：分析数字基带通信系统常用码型的特性1、时域波形（8）密勒码 密勒码是数字双相码的改进型，其频带宽度减为数字双相码一半。利用它具有最大脉冲宽度是两个码元周期（两个“1”码间有一个“0”码时），最小脉冲宽度是一个码元周期的特点，可以进行误码检错和线路故障检测。这种码起初主要用于气象卫星和磁带记录，后来也用于低速的基带数传机。（9）传号交替反转码 传号交替反转码无直流分量，低频分量也小，并且利用“1”码的极性交替规则可以进行检错。但是
16、当信息码流中出现长连“0”码时，提取定时信息困难。（10）HDB3码 在保持AMI码优点的同时增加了电平跳变，克服了AMI码中由长连“0”码所造成的同步信息提取困难的问题。HDB3码无直流分量，低频分量也很少，易于提取同步信息，还具有较强的检、纠错能力，较综合地满足了对传输码型的各项要求，所以被大量应用于复接设备中，在M、PCM等终端机中也采用HDB3码作为接口码型。任务4.2 为数字基带通信系统选择码型子任务2：分析数字基带通信系统常用码型的特性2、功率谱 设数字基带信号均为二进制平稳、遍历随机序列，g1(t)和g2(t)分别为“1”码和“0”码的基本波形函数，则其单边功率谱密度表达式为：第
17、一项对应直流分量；第二项代表离散频谱，若该项中存在基波成分，即当f=fs时该项不为0，则表示能够提取位同步信息；第三项为连续谱部分，由连续谱可以分析信号的能量分布，求得信号的带宽。任务4.2 为数字基带通信系统选择码型任务4.2 为数字基带通信系统选择码型子任务2：分析数字基带通信系统常用码型的特性2、功率谱（2）单极性归零码序列的功率谱 基本波形表达式为：对应的频谱函数为：功率谱函数为：存在直流分量、离散谱和连续谱；离散谱中能够提取位同步信息；由其连续谱成分可以求出其谱零点带宽，是不归零码序列的两倍。因此可以说，单极性归零码能够提取位同步信息是靠牺牲带宽来换取的。任务4.2 为数字基带通信系
18、统选择码型子任务2：分析数字基带通信系统常用码型的特性2、功率谱（2）双极性不归零码序列的功率谱 基本波形表达式为：对应的频谱函数为：功率谱函数为：不存在直流分量和离散谱，即不存在位同步信息；由其连续谱成分可以求出其谱零点带宽 。任务4.2 为数字基带通信系统选择码型子任务2：分析数字基带通信系统常用码型的特性2、功率谱（2）双极性不归零码序列的功率谱 基本波形表达式为：对应的频谱函数为：功率谱函数为：不存在直流分量和离散谱；由其连续谱成分可以求出其谱零点带宽。双极性归零码序列虽然不直接含有位同步信息，但是接收端对其进行全波整流，得到相应的单极性归零码后，也可提取位同步信息。任务4.2 为数字
19、基带通信系统选择码型子任务2：分析数字基带通信系统常用码型的特性案例分析：1、试绘制表格对比分析单极性与双极性码、归零码与不归零码的特性。解：单极性码都含有直流成分，双极性码不含；归零码理论上都能提取位同步信息，不归零码不能；归零码的带宽都在不归零码的带宽基础上加倍。任务4.2 为数字基带通信系统选择码型任务4.2 为数字基带通信系统选择码型子任务3：总结数字基带通信系统常用码型的选用原则数字基带信号码型的选择主要遵循以下几条原则：(1)码型编码与信源的统计特性无关，信源的统计特性指的是信源产生各种数字信息的概论分布；(2)对于频带低端受限的信道，码型频谱中不能含有直流分量，低频分量也尽量少；
20、(3)尽量减少基带信号频谱中的高频分量以节省传输频带、减小干扰；(4)便于接收端提取位同步（位定时）信息；(5)码型应该具有检错及纠错的能力；(6)码型变换设备应简单可靠，易于实现。任务4.3 解决数字基带通信系统中的码间串扰问题 码间串扰和信道噪声是影响基带传输系统性能的两大主要因素。码型编码后的数字脉冲序列经过发送滤波器的频域限带后，每个码元的时域波形变得无限延伸，由于信道传输特性的不理想很容易引起码间串扰问题。本节的任务是在忽略信道噪声的前提下单纯分析码间串扰产生的原因并研究克服码间串扰问题的各种方法。子任务1：数字基带通信系统中码间串扰问题产生原因和基本解决思路子任务2：用低通滚降系统
21、解决数字基带通信系统中码间串扰问题子任务3：用部分响应系统解决数字基带通信系统中码间串扰问题任务4.3 解决数字基带通信系统中的码间串扰问题子任务1：数字基带通信系统中码间串扰问题产生原因和基本解决思路1、码间串扰问题产生的原因 在数字基带通信系统中，码型编码采用脉冲序列形式，对应的功率谱为Sa()函数，在频域是无限展宽的，而任何通信信道带宽都是有限的，所以必须在码型编码后采用发送滤波器对其进行限带，以适合在信道中的传输。但根据信号时频域关系可知，任何信号的频域受限和时域受限不可能同时成立，频域的限带使每个码元的时域波形变成Sa(t)函数形式，即每个码元在时域上的波形是无限延伸的。理想情况下，
22、这些码元之间是不会相互干扰的。但是当信道传输特性不理想时，每个码元的旁瓣都会对其邻近码元的判决产生干扰，这种由于限带和信道特性不理想而造成的相邻码元之间的相互干扰称为码间串扰。严重时，码间串扰会直接导致接收机对接收信号码元的误判。任务4.3 解决数字基带通信系统中的码间串扰问题任务4.3 解决数字基带通信系统中的码间串扰问题任务4.3 解决数字基带通信系统中的码间串扰问题子任务2：用低通滚降系统解决数字基带通信系统中码间串扰问题1、无码间串扰的理想低通滤波器 最简单的无码间串扰的基带传输函数是无需经过分割和平移，只在区间 内存在幅度且幅度值本身就是一个常数的情况，即理想低通滤波器（LPF）的传
23、输特性：相应的冲击响应为：任务4.3 解决数字基带通信系统中的码间串扰问题子任务2：用低通滚降系统解决数字基带通信系统中码间串扰问题1、无码间串扰的理想低通滤波器 理想低通系统连续传输7位二进制码1011010而无码间串扰的波形图：理想低通滤波器的传输特性时，若其带宽为 ，则只要输入传输速率为LPF截止频率两倍（即 ）的数字信号，那么接收信号在各抽样点上就无码间串扰。这是抽样值无失真条件，又叫奈奎斯特第一准则。无码间串扰的理想低通滤波器的频带利用率为 ，这是基带传输系统理论上可能达到的最高频带利用率。任务4.3 解决数字基带通信系统中的码间串扰问题任务4.3 解决数字基带通信系统中的码间串扰问
24、题子任务2：用低通滚降系统解决数字基带通信系统中码间串扰问题2、滚降低通滤波器 升余弦滚降低通基带传输系统：时，升余弦滚降低通即为陡降的理想低通形式；时，滚降程度最大；一般的，越大Sa(t)函数的拖尾振荡起伏越小、衰减越快，传输可靠性越高，但是所需频带也会越宽，频带利用率越低。升余弦滚降低通系统的带宽为：码元传输速率为：频带利用率为：任务4.3 解决数字基带通信系统中的码间串扰问题子任务2：用低通滚降系统解决数字基带通信系统中码间串扰问题2、滚降低通滤波器 升余弦滚降低通系统满足无码间串扰的基带传输频谱函数条件的证明过程如图所示：任务4.3 解决数字基带通信系统中的码间串扰问题子任务2：用低通
25、滚降系统解决数字基带通信系统中码间串扰问题案例分析：1、已知二元码的码元速率RB=40kBaud，采用基带信道传输时，如果选取 ，四种滚降系数来设计升余弦滚降信道，求各自所需的实际信道带宽。解：任务4.3 解决数字基带通信系统中的码间串扰问题任务4.3 解决数字基带通信系统中的码间串扰问题任务4.3 解决数字基带通信系统中的码间串扰问题任务4.3 解决数字基带通信系统中的码间串扰问题子任务3：用部分响应系统解决数字基带通信系统中码间串扰问题 部分响应系统是在升余弦滚降低通系统的基础上，将基带码型中两个或多个在时间上相隔一定码元间隔的Sa(t)函数波形合成而构成的。其实质是人为地将有规律的“码间
26、串扰”引入到系统中来，从而改变传输序列的频谱分布、压缩传输频带。根据基带码型中码元对应Sa(t)函数波形的合成情况的不同，可以将常用的部分响应系统分为五种，分别称为I、II、III、IV、V类系统。任务4.3 解决数字基带通信系统中的码间串扰问题子任务3：用部分响应系统解决数字基带通信系统中码间串扰问题任务4.3 解决数字基带通信系统中的码间串扰问题子任务3：用部分响应系统解决数字基带通信系统中码间串扰问题 第I类部分响应系统的构成方法是：将基带码型中所有相邻码元对应的Sa(t)波形相加，然后用所得新的合成波形代替原有波形。时域表达式为：频谱函数表达式为：任务4.3 解决数字基带通信系统中的码
27、间串扰问题子任务3：用部分响应系统解决数字基带通信系统中码间串扰问题第I类部分响应系统的实现原理框图：发送端的相关编码部分对应着部分响应系统的波形相加，预编码部分是为了消除因相关编码而引起的差错传播问题而引入的（注意：相关编码部分的运算是普通的加法运算，而预编码部分的运算是模2加运算）；接收端对编码序列进行模2判决即可恢复原始信息序列。第I类部分响应的实际系统也需要经发送滤波器对编码序列进行限带。任务4.3 解决数字基带通信系统中的码间串扰问题子任务3：用部分响应系统解决数字基带通信系统中码间串扰问题（1）不采用预编码 假设不采用预编码，直接进行相关编码，合成波计算公式为：接收端要恢复原始序列
28、，只需要如下做普通减法即可：注意：这里 的第一位数据由收发双方约定，由接收端提前预置；的其余位是逐位通过减法运算求出来的。任务4.3 解决数字基带通信系统中的码间串扰问题任务4.3 解决数字基带通信系统中的码间串扰问题子任务3：用部分响应系统解决数字基带通信系统中码间串扰问题（2）采用预编码 发送端计算公式为：以及 接收端要恢复原始序列，需要做如下模2判决：任务4.3 解决数字基带通信系统中的码间串扰问题任务4.3 解决数字基带通信系统中的码间串扰问题子任务3：用部分响应系统解决数字基带通信系统中码间串扰问题案例分析：1、发送二进制信码 为10100101100，设 取值为-1和1，分别对应二
29、进制“0”码和“1”码。（1）当采用无预编码的第I类部分响应系统时，试求接收波形在相应抽样时刻的抽样值并画出波形图；（2）假设数据在信道中传输时第4位码元发生误码，由“-2”变为“-1”，试用表4-4的形式表示出差错传播的情况。解：（1）求解接收波形在相应抽样时刻的抽样值的过程如表所示，其对应波形如图所示。任务4.3 解决数字基带通信系统中的码间串扰问题子任务3：用部分响应系统解决数字基带通信系统中码间串扰问题案例分析：1、发送二进制信码 为10100101100，设 取值为-1和1，分别对应二进制“0”码和“1”码。（1）当采用无预编码的第I类部分响应系统时，试求接收波形在相应抽样时刻的抽样
30、值并画出波形图；（2）假设数据在信道中传输时第4位码元发生误码，由“-2”变为“-1”，试用表4-4的形式表示出差错传播的情况。解：（2）差错传播情况如表所示：任务4.3 解决数字基带通信系统中的码间串扰问题任务4.4 信道噪声对数字基带通信系统的影响分析 信道中噪声的存在是不可避免的，因此其对数字基带传输系统的影响也势必存在。本节的任务就是讨论在不考虑码间串扰的情况下，信道噪声对数字基带传输系统的影响问题。任务4.4 信道噪声对数字基带通信系统的影响分析 对于接收到的单极性非归零码r(t)，应有：A为1码对应的幅度值；nR(t)是经接收滤波器后的均值为0，方差为 的加性高斯白噪声，则噪声瞬时
31、值x的一维概率密度函数为：对于“0”码，r(t)的概率密度函数分布就是噪声的概率密度函数分布，即：对于“1”码，r(t)的概率密度函数分布为均值为A，方差为 的高斯分布，其概率密度函数为：任务4.4 信道噪声对数字基带通信系统的影响分析 判决再生的规则为：设定一个判决门限Vd，若r(t)Vd，则判接收信号为“1”码；否则，判为“0”码。在噪声干扰下，当r(t)nR(t)Vd时，0码误判为1码，其概率为：当r(t)nR(t)AVd时，1码误判为0码，其概率为：由图可见，当判决门限VdA/2时，图中阴影部分总面积最小，故为最佳判决门限。系统总误码率的计算公式为：任务4.4 信道噪声对数字基带通信系
32、统的影响分析 由于大多数情况下0码和1码等概出现，即P(0)=P(1)=1/2，因此有：又由于高斯分布的对称性，两个阴影面积也对称相等，即P(1/0)P(0/1)，所以：式中，erf()和ercf()分别为高斯误差函数和高斯互补误差函数。二者之和恒为1，因此由高斯误差函数表也能查表求出高斯互补误差函数值。对于双极性非归零码，“1”码和“0”码的电平值分别取+A和-A。用上述方法同理可以求得其误码率为：任务4.4 信道噪声对数字基带通信系统的影响分析案例分析：1、试仿照前述对单极性非归零码误码率的分析过程，推导出式4-43所示的双极性非归零码的误码率公式。解：接收到的双极性非归零码应为：“1”码
33、的概率密度函数为：“0”码的概率密度函数为：设“0”码和“1”码等概率出现，有Pe=1/2P(1/0)+P(0/1)。判决门限Vd0为最佳判决门限，此时两个阴影面积对称相等，因此：参照式4-42的后半部分，应得到式4-43所示的双极性非归零码的误码率公式：任务4.4 信道噪声对数字基带通信系统的影响分析任务4.5 数字基带通信系统的位同步设计 在数字通信系统中，任何消息都是通过码元序列传送的，接收端在接收时需要知道每个码元的起止时刻，以便在恰当的时刻进行抽样判决。而要知道每个码元的起止时刻就要提取与接收码元的频率和相位完全一致的定时脉冲序列，这个过程就称为位同步，也称为码元同步。实现位同步的方
34、法和载波同步相似，有插入导频法和自同步法两种。本节的任务就是学习位同步的这两种方法。子任务1：插入导频法实现位同步子任务2：自同步法实现位同步任务4.5 数字基带通信系统的位同步设计子任务1：插入导频法实现位同步 位同步插入导频法适用于那些传输信号本身不直接含有位定时信息，也不能通过非线性变换获得位定时信息的情况，如随机的二进制不归零码序列。与载波同步的插入导频法相似，位同步导频的插入位置也应选取在待传输信号频谱的零点处。图(a)和(b)所示分别为在二进制不归零码序列频谱和经过相关编码后的频谱中插入导频的示意图。由图可见，不归零码序列导频插入点在频谱的第一个过零点处，即f=1/T；经过相关编码
35、后，导频插入点在f=1/2T处。任务4.5 数字基带通信系统的位同步设计子任务1：插入导频法实现位同步 插入位定时导频的接收系统的方框图：图中，接收信号经窄带滤波器、移相电路和定时形成电路后即可提取出位定时信息。其中，窄带滤波器的作用是滤除导频位置以外的噪声；移相电路的作用是为了纠正窄带滤波器引起的导频相移。此外，为了消除插入的导频信号对原信号的影响，在经过窄带滤波器和移相电路后还要进行倒相，以获得负幅值的导频信号，这样与原信号相加，正负幅值的导频信号就能相互抵消了。最后，在位定时信息作用下进行抽样判决，即可恢复原始信号。对于发端有相关编码的情况，只需在窄带滤波器后增加倍频电路即可。任务4.5
36、 数字基带通信系统的位同步设计子任务2：自同步法实现位同步 自同步自同步法法是指发送端不专门发送位同步导频信号，接收端可以从接收到的数字信号中直接或经非线性变换后提取位同步信号的方法。1、非线性变换滤波法（微分整流法）数字通信系统中接收端通过非线性变换提取位同步信号常采用的是滤波法，也叫微分整流法。任务4.5 数字基带通信系统的位同步设计子任务2：自同步法实现位同步2、数字锁相法 与带有锁相环的载波同步相类似，该方法也是利用鉴相器将反馈回来的误差信号同输入信号进行比较，然后不断调整。不同的是，它需要一个具有高稳定频率输出的信号钟（振荡器），而且由数字滤波器输出的误差电压不是直接去控制该振荡器，
37、而是通过控制器在该振荡器输出的脉冲序列中增加或扣除一个或几个脉冲，以达到调整的目的。任务4.5 数字基带通信系统的位同步设计子任务2：自同步法实现位同步案例分析：设有如图所示波形的基带信号，通过如图所示的位同步提取电路，试画出各点的波形图。解：各点的波形如图4-30所示：任务4.6 给数字基带通信系统加扰 在数字基带传输系统中，许多码型在出现连“0”码或连“1”码时，都容易丢失位同步信息。为此，常对数字信息进行随机化处理，使处理后的信号频谱更能适合基带传输，这种随机化处理的过程称为加扰。加扰实际上就是利用某种伪随机码序列（称为扰码）对信息码做有规律地、随机化地处理。由于这种处理是人为地、有规律
38、地，所以可以在接收端解除。在接收端解除加扰的逆过程称为解扰。本节的任务是了解m序列的特性，并掌握利用m序列发生器实现在基带数字通信系统中加扰和解扰的方法。子任务1：了解m序列和m序列发生器子任务2：掌握数据加扰和解扰的原理和方法任务4.6 给数字基带通信系统加扰任务4.6 给数字基带通信系统加扰子任务1：了解m序列和m序列发生器 在同步移位脉冲的作用下，各级移位寄存器实现逐位移位，同时反馈逻辑电路将输出值反馈回第1级移位寄存器的输入端。该电路产生m序列的过程如表所示：任务4.6 给数字基带通信系统加扰子任务1：了解m序列和m序列发生器 上述4级m序列发生器的移位寄存器的初始状态若改为“0000
39、”，则其输出随机序列为全0，即周期为1，肯定不是m序列。因此，要产生m序列，移位寄存器的初始状态不能为全0。下图是采用另一种反馈逻辑 的4级移位寄存器，若其初始状态仍取“0001”，按照与表4-11同样的方法可以推导出它的输出序列为100010100010。显然，其周期为6，也不是m序列。由上分析可知：对于固定级数的移位寄存器，必须选择合适的线性反馈逻辑和移位寄存器的初始状态，才能产生m序列。任务4.6 给数字基带通信系统加扰任务4.6 给数字基带通信系统加扰子任务1：了解m序列和m序列发生器案例分析：1、仿照表4-11，写出图4-33所示4级移位寄存器的输出序列的产生过程。解：所求输出序列产
40、生过程如表所示：任务4.6 给数字基带通信系统加扰子任务1：了解m序列和m序列发生器案例分析：2、针对必备知识中给出的周期为15的m序列，完成下述题目以验证其特性。写出该m序列中的所有可能的状态；计算该m序列中“1”和“0”的个数；列出该m序列中的所有游程及其个数；计算该m序列的相关值R(0)和R(5)。解：题目中所指m序列为100010011010111，所求相关计算如下：该m序列中的状态依次有：1000、0001、0010、0100、1001、0011、0110、1101、1010、0101、1011、0111、1111、1110、1100，共15种，不包括0000且每种状态在序列中只出现
41、一次。注意：后三种状态为该m序列中首尾数字相接产生的。这是因为，任何一个m序列经过若干位的循环移位后仍然为m序列，这是可以证明的。例如：该m序列经过循环左移一位得到的就是图4-32中第3级移位寄存器的输出序列，也是一个m序列。“1”的个数为8，“0”的个数为7。“1”比“0”多一个。该m序列中的所有游程及其个数如表4-13所示（注意首尾数字相接）：任务4.6 给数字基带通信系统加扰子任务1：了解m序列和m序列发生器案例分析：2、针对必备知识中给出的周期为15的m序列，完成下述题目以验证其特性。（1）写出该m序列中的所有可能的状态；（2）计算该m序列中“1”和“0”的个数；解：（1）题目中所指m
42、序列为100010011010111，所求相关计算如下：该m序列中的状态依次有：1000、0001、0010、0100、1001、0011、0110、1101、1010、0101、1011、0111、1111、1110、1100，共15种，不包括0000且每种状态在序列中只出现一次。注意：后三种状态为该m序列中首尾数字相接产生的。这是因为，任何一个m序列经过若干位的循环移位后仍然为m序列，这是可以证明的。例如：该m序列经过循环左移一位得到的就是图4-32中第3级移位寄存器的输出序列，也是一个m序列。（2）“1”的个数为8，“0”的个数为7。“1”比“0”多一个。任务4.6 给数字基带通信系统加
43、扰子任务1：了解m序列和m序列发生器案例分析：2、针对必备知识中给出的周期为15的m序列，完成下述题目以验证其特性。（3）列出该m序列中的所有游程及其个数；解：该m序列中的所有游程及其个数如表所示（注意首尾数字相接）：任务4.6 给数字基带通信系统加扰子任务1：了解m序列和m序列发生器案例分析：2、针对必备知识中给出的周期为15的m序列，完成下述题目以验证其特性。（4）计算该m序列的相关值R(0)和R(5)。任务4.6 给数字基带通信系统加扰任务4.6 给数字基带通信系统加扰任务4.6 给数字基带通信系统加扰子任务2：掌握数据加扰和解扰的原理和方法 设各级移位寄存器的初始状态为全0，输入序列S
44、为周期性的010101，该扰码器的加扰过程如表所示：任务4.6 给数字基带通信系统加扰任务4.6 给数字基带通信系统加扰子任务2：掌握数据加扰和解扰的原理和方法 采用前面扰码器所用数据加以证明。将前述扰码器的输出作为该解扰器的输入，解扰器各级寄存器的初始状态要与发送端的扰码器完全一致（这里为全零）。解扰过程如表所示。由表可见，该解扰器完全实现了对前述加扰数据的解扰作用。任务4.6 给数字基带通信系统加扰子任务2：掌握数据加扰和解扰的原理和方法案例分析：1、设图4-35中扰码器各级移位寄存器的初始状态为“0001”，且输入序列为全零，试通过实际计算证明这时的扰码器就是一个m序列发生器。解：仿照表
45、4-15，该扰码器的加扰过程如下表所示：由表可见，各状态和数值从第15个CP到来时开始周期重复出现，输出序列与图4-32所产生的m序列完全相同。因此，证明这时的扰码器就是一个m序列发生器。任务4.6 给数字基带通信系统加扰子任务2：掌握数据加扰和解扰的原理和方法案例分析：2、设图4-35中扰码器各级移位寄存器的初始状态为“1100”，输入S仍为周期性的010101，重新求解该扰码器的加扰过程。解：所求加扰过程如下表所示：由表可见，当第30个CP到来时，各种状态和数值开始周期性重复出现，这种情况与该扰码器中各级寄存器初始状态为全零时是完全相同的。因此说明，扰码器对数据的加扰效果与其各级寄存器的初
46、始状态无关。任务4.6 给数字基带通信系统加扰任务4.7 在数字基带通信系统中使用均衡技术 从理论上讲，一个基带传输系统的传输函数只要满足无码串扰的基带传输函数条件，就不会产生码间串扰。但由于系统的传输函数不可能是完全确知的，即使确知也是经常变化，而不是固定不变的，因此，不可能完全消除码间串扰。本节的任务是学习另外一种克服码间串扰的技术均衡技术。均衡是一种为了尽量消除码间串扰对接收码元的影响，而对系统的传输特性进行校正或补偿的技术。针对系统频域传输函数进行校正的均衡称为频域均频域均衡衡；针对系统冲激响应进行校正的均衡称为时域均衡时域均衡。频域均衡在信道特性不变且数据传输速率较低时适用，而时域均
47、衡可以根据信道特性的变化进行调整，能够有效地减小码间串扰，故在高速数据传输中得以广泛应用。任务4.7 在数字基带通信系统中使用均衡技术任务4.7 在数字基带通信系统中使用均衡技术任务4.7 在数字基带通信系统中使用均衡技术任务4.7 在数字基带通信系统中使用均衡技术任务4.7 在数字基带通信系统中使用均衡技术 峰值畸变是衡量均衡器消除码间串扰效果好坏的一个常用指标。峰值畸变定义为k=0点之外的所有抽样时刻码间串扰的绝对值之和与k=0点的抽样值之比。因此，时域均衡前的信号峰值畸变计算公式为：时域均衡后的信号峰值畸变计算公式为：通过计算可知，上面三个抽头横向滤波器在均衡前、后的信号峰值畸变分别为0
48、.65和0.033，因此，峰值畸变改善了近20倍。任务4.7 在数字基带通信系统中使用均衡技术任务4.7 在数字基带通信系统中使用均衡技术任务4.8 利用“眼图”判别数字基带通信系统的好坏 本项目前面所涉及的码型编码、奈奎斯特准则、位同步、加扰和解扰、均衡技术等都是为了使数字基带传输系统获得更好的性能。而眼图分析法是数字基带传输系统性能评价的最实用、最简单的方法。本节的任务就是学习利用眼图对接收信号质量的好坏进行分析评估的方法。当利用示波器观察数字基带传输系统接收信号的波形时，可以观察到类似于人眼形状的图形，这种图形就称为眼图眼图。通过示波器观察和分析眼图，能够直接得出接收信号质量的好坏，眼图
49、分析法是数字基带传输系统性能评价的最实用、最简单的方法。任务4.8 利用“眼图”判别数字基带通信系统的好坏把眼图简化成一个模型：（1）最佳抽样判决时刻对应于眼睛张开最大的时刻；（2）判决门限电平对应于眼图的横轴；（3）最大信号失真量即信号畸变范围用眼皮厚度（图中上下阴影的垂直厚度）表示；（4）噪声容限是信号电平值减去眼皮厚度所得结果，它体现了系统的抗噪声能力；（5）过零点失真为落在横轴上的阴影的长度，它会影响系统的定时标准；（6）对定时误差的灵敏度由斜边的斜率反映，斜率越大灵敏度越高，对系统的影响越大。任务4.8 利用“眼图”判别数字基带通信系统的好坏任务4.8 利用“眼图”判别数字基带通信系统的好坏
