《通信原理》5基带数字信号的表示和传输

1、基带数字信号基带数字信号 的的 表示和传输表示和传输 2021-8-2 2 研究对象：研究对象： 数字基带传输系统数字基带传输系统 研究目的：研究目的： 从剖析数字基带传输系统出发，掌握数字从剖析数字基带传输系统出发，掌握数字 通信系统分析和设计的基本方法和思路通信系统分析和设计的基本方法和思路 本章重点：本章重点： v 数字基带信号数字基带信号 v 基带传输系统的性能基带传输系统的性能 v 基带传输系统的性能改善基带传输系统的性能改善 本章要点：本章要点： 2021-8-2 3 本章要点：本章要点： 基本要求：基本要求： k了解数字基带信号的时域波形和频谱特性了解数字基带信号的时域波形和频谱

2、特性 k掌握几种传输码型的编译原理及特点掌握几种传输码型的编译原理及特点 k了解数字基带传输系统组成及各部分作用了解数字基带传输系统组成及各部分作用 k掌握无码间串扰的频域条件，奈奎斯特带宽掌握无码间串扰的频域条件，奈奎斯特带宽 k了解部分响应系统的原理及作用了解部分响应系统的原理及作用 k了解时域均衡的原理，均衡效果和衡量了解时域均衡的原理，均衡效果和衡量 2021-8-2 4 数字基带信号数字基带信号 来自数据终端的原始数据信号，如计算机输来自数据终端的原始数据信号，如计算机输 出的二进制序列，电传机输出的代码，或者是来出的二进制序列，电传机输出的代码，或者是来 自模拟信号经数字化处理后的

3、自模拟信号经数字化处理后的PCM码组，码组，DM序序 列等等都是数字信号。列等等都是数字信号。 这些信号往往包含丰富的这些信号往往包含丰富的 低频分量，甚至直流分量，因而称之为低频分量，甚至直流分量，因而称之为数字基带数字基带 信号信号。在某些具有低通特性的有线信道中，特别。在某些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，数字基带信号可以是传输距离不太远的情况下，数字基带信号可以 直接传输，直接传输， 我们称之为我们称之为数字基带传输数字基带传输。 2021-8-2 5 数字基带信号数字基带信号 而大多数信道，如各种无线信道和光信道，而大多数信道，如各种无线信道和光信道， 则是

4、带通型的，则是带通型的， 数字基带信号必须经过载波调数字基带信号必须经过载波调 制，把频谱搬移到高载处才能在信道中传输，制，把频谱搬移到高载处才能在信道中传输， 我们把这种传输称为我们把这种传输称为数字频带（调制或载波）数字频带（调制或载波） 传输传输。 基带信号在传输前需要经过处理才能送入信道传输。基带信号在传输前需要经过处理才能送入信道传输。 处理的处理的目的目的：使信号的特性和信道的特性相匹配，：使信号的特性和信道的特性相匹配， 以及在接收端容易识别码元的起止时刻以及在接收端容易识别码元的起止时刻。 2021-8-2 6 为什么要研究数字基带传输系统？为什么要研究数字基带传输系统？ 目前

5、，虽然在实际应用场合，数字基带传输目前，虽然在实际应用场合，数字基带传输 不如频带传输那样广泛，但对于基带传输系统不如频带传输那样广泛，但对于基带传输系统 的研究仍是十分有意义的。的研究仍是十分有意义的。 一是因为在利用对称电缆构成的近程数据通一是因为在利用对称电缆构成的近程数据通 信系统广泛采用了这种传输方式；信系统广泛采用了这种传输方式； 2021-8-2 7 为什么要研究数字基带传输系统？为什么要研究数字基带传输系统？ 二是因为数字基带传输中包含频带传输的许二是因为数字基带传输中包含频带传输的许 多基本问题，也就是说，基带传输系统的许多基本问题，也就是说，基带传输系统的许 多问题也是频带

6、传输系统必须考虑的问题；多问题也是频带传输系统必须考虑的问题； 三是因为任何一个采用线性调制的频带传输三是因为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。系统可等效为基带传输系统来研究。 2021-8-2 8 数字基带信号波形数字基带信号波形 数字基带信号数字基带信号是指消息代码的电波形，它是指消息代码的电波形，它 是用不同的电平或脉冲来表示相应的消息代码。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。最常冲、三角波、高斯脉冲和升余弦脉冲等。最常 用的是矩形脉

7、冲，因为矩形脉冲易于形成和变用的是矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成和变 换。换。 2021-8-2 9 数字基带信号波形数字基带信号波形 单极性波形单极性波形 v一种最简单、一种最简单、 最常用的基带信号形式最常用的基带信号形式 v信号脉冲的零电平和正电平分别对应着二进制代信号脉冲的零电平和正电平分别对应着二进制代 码码0和和1，或者说，它在一个码元时间内用脉冲的，或者说，它在一个码元时间内用脉冲的 有或无来对应表示有或无来对应表示0或或1码码 v特点：极性单一，有直流分量，脉冲之间无间隔特点：极性单一，有直流分量，脉冲之间无间隔 2021-8-2 10 数字基带信号波形数字基带信号波形 双极性

8、波形双极性波形 v特点：特点：是二进制代码是二进制代码1、0分别用幅度相等的正分别用幅度相等的正 负电平表示，因此当负电平表示，因此当1、0符号等概出现符号等概出现 时无直流分量。时无直流分量。 2021-8-2 11 数字基带信号波形数字基带信号波形 双极性波形双极性波形 v优点：优点：接收端恢复信号时的判决电平为接收端恢复信号时的判决电平为0，稳定，稳定 不变，因而不受信道特性变化的影响，抗不变，因而不受信道特性变化的影响，抗 干扰能力也较强；故有利于在信道中传输。干扰能力也较强；故有利于在信道中传输。 v缺点：缺点：不能直接提取同步信号；不能直接提取同步信号； 1、0符号不等概出现时，仍

9、有直流成份。符号不等概出现时，仍有直流成份。 2021-8-2 12 数字基带信号波形数字基带信号波形 单极性归零波形单极性归零波形 v特点：特点：码元宽度小于码元间隔，每个码元脉冲在码元宽度小于码元间隔，每个码元脉冲在 下一个码元到来之间回到零电平。下一个码元到来之间回到零电平。 v优点：优点：可以直接提取定时信息，是其它波形提取可以直接提取定时信息，是其它波形提取 位定时信号时需要采用的一种过渡波形。位定时信号时需要采用的一种过渡波形。 0 1010011 2021-8-2 13 数字基带信号波形数字基带信号波形 双极性归零波形双极性归零波形 v特点：特点：是双极性码的归零形式。是双极性码

10、的归零形式。 每个码元内的脉冲都回到零点平，即相邻每个码元内的脉冲都回到零点平，即相邻 脉冲之间必定留有零电位的间隔。它除了脉冲之间必定留有零电位的间隔。它除了 具有双极性不归零波形的特点外，还有利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。于同步脉冲的提取。 2021-8-2 14 数字基带信号波形数字基带信号波形 差分波形差分波形 v不是用码元本身的电平表示消息代码，而是用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。相邻码元的电平的跳变和不变来表示消息代码。 v以电平跳变表示以电平跳变表示1，以电平不变表示，以电平不变表示0，当然上，当然

11、上 述规定也可以反过来。述规定也可以反过来。 1010011 E E 2021-8-2 15 数字基带信号波形数字基带信号波形 差分波形差分波形 v用差分波形传送代码可以消除设备初始状态的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。相位模糊问题。 1010011 E E 2021-8-2 16 数字基带信号波形数字基带信号波形 多电平波形多电平波形 v特点：特点：这种波形的一个脉冲可以代表多个二进这种波形的一个脉冲可以代表多个二进 制符号，在码元速率一定时可以提高信息速率，制符号，在码元速率一定时可以

12、提高信息速率， 故在高速数字传输系统中得到广泛应用。故在高速数字传输系统中得到广泛应用。 0000 E3 01 11 10 01 11 01 E E E3 2021-8-2 17 基带数字信号的传输码型基带数字信号的传输码型 在实际的基带传输系统中，并不是所有代码的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。例如，前面介绍的电波形都能在信道中传输。例如，前面介绍的含有含有 直流分量和较丰富低频分量直流分量和较丰富低频分量的单极性基带波形就不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。又

13、如，能造成信号严重畸变。又如，当消息代码中包含长当消息代码中包含长 串的连续串的连续“1”或或“0”符号时符号时，非归零波形呈现出连，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。单极性归续的固定电平，因而无法获取定时信息。单极性归 零码在传送连零码在传送连“0”时，存在同样的问题。时，存在同样的问题。 2021-8-2 18 基带数字信号的传输码型基带数字信号的传输码型 对传输用的基带信号主要有两个方面的要求：对传输用的基带信号主要有两个方面的要求： v对对传输码型传输码型的要求的要求原始消息代码必须编原始消息代码必须编 成适合于传输用的码型。成适合于传输用的码型。 v对对基带脉冲

14、基带脉冲的要求的要求所选码型对应的电波所选码型对应的电波 形应适合于基带系统的传输。形应适合于基带系统的传输。 前者属于前者属于传输码型传输码型的选择，的选择， 后者是后者是基带脉基带脉 冲冲的选择。的选择。 这是两个既独立又有联系的问题。这是两个既独立又有联系的问题。 2021-8-2 19 基带数字信号的传输码型基带数字信号的传输码型 传输码传输码(或称线路码或称线路码)的结构将取决于实际信道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：具有下列主要特性： v相应的基带信号无直流分量，且低频分量少；相应的基带

15、信号无直流分量，且低频分量少； v频谱中应含有定时时钟信息；频谱中应含有定时时钟信息； 2021-8-2 20 基带数字信号的传输码型基带数字信号的传输码型 v信号中高频分量尽量少，信号中高频分量尽量少， 以节省传输频带并以节省传输频带并 减少码间串扰；减少码间串扰； v不受信息源统计特性的影响，不受信息源统计特性的影响， 即能适应于信即能适应于信 息源的变化；息源的变化； v具有内在的检错能力，传输码型应具有一定具有内在的检错能力，传输码型应具有一定 规律性，规律性， 以便利用这一规律性进行宏观监测；以便利用这一规律性进行宏观监测； 编译码设备要尽可能简单，易实现。编译码设备要尽可能简单，易

16、实现。 2021-8-2 21 基带数字信号的传输码型基带数字信号的传输码型 AMI码（传号交替反转码）码（传号交替反转码） v编码规则：编码规则：将二进制消息代码将二进制消息代码“1”（传号）交（传号）交 替地变换为传输码的替地变换为传输码的“十十1”和和“一一1”，而，而“0” （空号）保持不变（空号）保持不变 消息代码消息代码 ： 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 AMI码：码： +1 0 0 1 +1 0 0 0 0 0 0 0 -1 +1 0 0 -1 +1 2021-8-2 22 基带数字信号的传输码型基带数字信号的传输码型 AMI码（传号交替

17、反转码）码（传号交替反转码） v特点：特点：功率谱中不含直流成分，高、低频分量功率谱中不含直流成分，高、低频分量 少，能量集中在频率为少，能量集中在频率为1/2码速处。码速处。 编译码电路简单，便于利用传号极性交编译码电路简单，便于利用传号极性交 替规律观察误码情况。替规律观察误码情况。 v缺点：缺点：当原信码出现连当原信码出现连“0”串时，信号的电平长串时，信号的电平长 时间不跳变，造成提取定时信号的困难。时间不跳变，造成提取定时信号的困难。 v应用：应用：应用于高密度信息流的数据传输。应用于高密度信息流的数据传输。 2021-8-2 23 基带数字信号的传输码型基带数字信号的传输码型 HD

18、B3码（码（3阶高密度双极性码）阶高密度双极性码） 它是它是AMI码的一种改进型，码的一种改进型， 其目的是为了其目的是为了 保持保持AMI码的优点而克服其缺点，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。 2021-8-2 24 基带数字信号的传输码型基带数字信号的传输码型 HDB3码（码（3阶高密度双极性码）阶高密度双极性码） v编码规则：编码规则： z将当信码的连将当信码的连“0”个数不超过个数不超过3时，仍按时，仍按AMI 码的规则编，即传号极性交替；码的规则编，即传号极性交替； z当连当连“0”个数超过个数超过3时，则将第时，则将第4个个“0”改为改为 非非“

19、0”脉冲，记为脉冲，记为+V或或-V，称之为，称之为破坏脉冲破坏脉冲。 相邻相邻V码的极性必须交替出现，以确保编好的码的极性必须交替出现，以确保编好的 码中无直流；码中无直流； 2021-8-2 25 基带数字信号的传输码型基带数字信号的传输码型 z为便于识别，为便于识别， V码的极性应与其前一个非码的极性应与其前一个非“0”脉冲脉冲 的极性相同，否则，将四连的极性相同，否则，将四连“0”的第一个的第一个“0”更更 改为与该破坏脉冲相同极性的脉冲，并记为改为与该破坏脉冲相同极性的脉冲，并记为+B或或- B； z破坏脉冲之后的传号码极性也要交替。破坏脉冲之后的传号码极性也要交替。 其中的其中的V

20、脉冲和脉冲和B脉冲与脉冲与1脉冲波形相同，脉冲波形相同， 用用V或或B符号的目的是为了示意是将原信码的符号的目的是为了示意是将原信码的“0” 变换成变换成“1”码。码。 2021-8-2 26 基带数字信号的传输码型基带数字信号的传输码型 HDB3码（码（3阶高密度双极性码）阶高密度双极性码） v特点：特点： zB脉冲和脉冲和V脉冲都符合极性交替的规则，无直流脉冲都符合极性交替的规则，无直流 分量分量 z连连“0”码元串中码元串中“0”的数目不多于的数目不多于3个个 z与信源特性无关与信源特性无关 z在接收在接收时能保证定时信息的提取时能保证定时信息的提取 2021-8-2 27 基带数字信号

21、的传输码型基带数字信号的传输码型 HDB3码（码（3阶高密度双极性码）阶高密度双极性码） 代码：代码： 1000 0 1000 0 1 1 000 0 1 1 AMI码：码： -1000 0 +1000 0 -1 +1 000 0 -1 +1 HDB3码：码： -1000 -V +1000 +V -1 +1 -B00 -V +1 -1 2021-8-2 28 基带数字信号的传输码型基带数字信号的传输码型 HDB3码（码（3阶高密度双极性码）阶高密度双极性码） v译码规则：译码规则： z由相邻两个同极性码找出由相邻两个同极性码找出V码，同极性码中的码，同极性码中的 后面那个码为破坏脉冲后面那个码

22、为破坏脉冲V ； z由由V向前数第三个码如果不是零码，表明它是向前数第三个码如果不是零码，表明它是B 码；码； z把把V码和码和B码去掉码去掉(改为改为0)以后留下来的全是信码。以后留下来的全是信码。 2021-8-2 29 基带数字信号的传输码型基带数字信号的传输码型 HDB3码（码（3阶高密度双极性码）阶高密度双极性码） HDB3码字：码字： -1 0 0 0 1 +1 0 0 0 +1 -1 +1 -1 0 0 1 +1 -1 译码译码1： -1 0 0 0 V +1 0 0 0 +V -1 +1 -B 0 0 V +1 - 1 译码译码2： -1 0 0 0 0 +1 0 0 0 0

23、-1 +1 0 0 0 0 +1 -1 代码：代码： 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 2021-8-2 30 课后题：课后题： 若消息序列为若消息序列为1101001000001，试写出，试写出AMI码码 和和HDB3码的相应序列。码的相应序列。 AMI码：码： +1 -1 0 +1 0 0 -1 0 0 0 0 0 +1 HDB3码：码： +1 -1 0 +1 0 0 -1 0 0 0 -V 0 +1 2021-8-2 31 基带数字信号的传输码型基带数字信号的传输码型 双相码（曼彻斯特码）双相码（曼彻斯特码） v编码规则：编码规则：将每个二进制消将每

24、个二进制消息码元变换成相位不息码元变换成相位不 同的一个方波周期。同的一个方波周期。 “0”码用码用“01”两位码表示（零相位方波）两位码表示（零相位方波） “1”码用码用“10”两位码表示（两位码表示（相位方波）相位方波） v应用：应用：适用于数据终端设备在近距离上传输适用于数据终端设备在近距离上传输。 2021-8-2 32 基带数字信号的传输码型基带数字信号的传输码型 双相码（曼彻斯特码）双相码（曼彻斯特码） v优点：优点：双相码只有极性相反的两个电平，因为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双相码在每个码元周期的中心点都存在电 平跳变，所以富含位定时

25、信息；码的正、平跳变，所以富含位定时信息；码的正、 负电平各半，所以无直流分量，编码过程负电平各半，所以无直流分量，编码过程 简单。简单。 v缺点：缺点：带宽比原信码大带宽比原信码大1倍倍。 代代 码：码： 1 1 0 0 1 0 1 双相码：双相码： 10 10 01 01 10 01 10 2021-8-2 33 基带数字信号的传输码型基带数字信号的传输码型 密勒码（延迟调制码）密勒码（延迟调制码） v编码规则：编码规则： l“1”码用码元间隔中心点出现跃变来表示，码用码元间隔中心点出现跃变来表示， 即用即用“10”或或“01”表示；表示； l “0”码有两种情况：码有两种情况： 单个单个

26、“0”时，在码元间隔内不出现电平跃变，时，在码元间隔内不出现电平跃变， 且且 与相邻码元的边界处也不跃变，连与相邻码元的边界处也不跃变，连 “0”时，在时，在 两个两个“0”码的边界处出现电平跃变，即码的边界处出现电平跃变，即 “00” 与与 “11”交替。交替。 2021-8-2 34 基带数字信号的传输码型基带数字信号的传输码型 比较图比较图 两个波形可以看出，两个波形可以看出， 双相码的下降沿正双相码的下降沿正 好对应于密勒码的跃变沿。因此，用双相码的下降沿好对应于密勒码的跃变沿。因此，用双相码的下降沿 去触发双稳电路，即可输出密勒码。密勒码最初用于去触发双稳电路，即可输出密勒码。密勒码

27、最初用于 气象卫星和磁记录，现在也用于低速基带数传机中。气象卫星和磁记录，现在也用于低速基带数传机中。 / b t T / b t T 0 0 11010010 A A A A 双相码双相码 密勒码密勒码 2021-8-235 基带数字信号的传输码型基带数字信号的传输码型 CMI码（传号反转码）码（传号反转码） v 与数字双相码类似，与数字双相码类似， 它也是一种双极性二电平码。它也是一种双极性二电平码。 v 编码规则：编码规则：“1”码交替用码交替用“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 v 特点：特点：有较多的电平跃变，因此含有丰富的定时信

28、有较多的电平跃变，因此含有丰富的定时信 息。息。 此外，由于此外，由于10为禁用码组，不会出现为禁用码组，不会出现3个个 以上的连码，以上的连码， 这个规律可用来宏观检错。这个规律可用来宏观检错。 2021-8-2 36 基带数字信号的传输码型基带数字信号的传输码型 2021-8-2 37 基带数字信号的传输码型基带数字信号的传输码型 nBmB码 v 把原信息码流的把原信息码流的n位二进制码作为一组，编成位二进制码作为一组，编成m位二位二 进制码的新码组。（进制码的新码组。（mn） v 由于由于mn，新码组可能有，新码组可能有2m种组合，故多出种组合，故多出(2m-2n) 种组合。从中选择一部

29、分有利码组作为可用码组，其种组合。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。余为禁用码组，以获得好的特性。 v 在光纤数字传输系统中，通常选择在光纤数字传输系统中，通常选择mn+1，有，有1B2B 码、码、2B3B、3B4B码以及码以及5B6B码等，其中，码等，其中，5B6B码码 型已实用化，用作三次群和四次群以上的线路传输码型已实用化，用作三次群和四次群以上的线路传输码 型。型。 基带数字信号传输模型基带数字信号传输模型 发送滤波器：发送滤波器：码型变换器输出的各种码型是以矩码型变换器输出的各种码型是以矩 形为基础的，发送滤波器的作用就是把它变换为形为基础的，发送

30、滤波器的作用就是把它变换为 比较平滑的波形，如升余弦波形等，这样利于压比较平滑的波形，如升余弦波形等，这样利于压 缩频带、便于传输。缩频带、便于传输。 基带数字信号传输系统模型基带数字信号传输系统模型 抽样 判决器 n a n a 发送滤波器 传输信道 接收滤波器 ( ) T Gf( ) R Gf ( )y t ( )n t ( )C f ( )d t ( )s t 基带数字信号传输模型基带数字信号传输模型 基带数字信号传输系统模型基带数字信号传输系统模型 抽样 判决器 n a n a 发送滤波器 传输信道 接收滤波器 ( ) T Gf( ) R Gf ( )y t ( )n t ( )C f

31、 ( )d t ( )s t 信道：信道：它是允许基带信号通过的媒质，通常不满它是允许基带信号通过的媒质，通常不满 足无失真传输条件，甚至是随机变化的。另外信足无失真传输条件，甚至是随机变化的。另外信 道还会进入噪声。一般认为噪声为道还会进入噪声。一般认为噪声为AWGN； 2021-8-2 40 基带数字信号传输模型基带数字信号传输模型 基带数字信号传输系统模型基带数字信号传输系统模型 抽样 判决器 n a n a 发送滤波器 传输信道 接收滤波器 ( ) T Gf( ) R Gf ( )y t ( )n t ( )C f ( )d t ( )s t 接收滤波器：接收滤波器：它的主要作用是滤除

32、带外噪声，对它的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信道特性均衡，使输出的基带波形有利于抽样判 决。决。 2021-8-2 41 基带数字信号传输模型基带数字信号传输模型 基带数字信号传输系统模型基带数字信号传输系统模型 抽样 判决器 n a n a 发送滤波器 传输信道 接收滤波器 ( ) T Gf( ) R Gf ( )y t ( )n t ( )C f ( )d t ( )s t 抽样判决器抽样判决器 ：它是在传输特性不理想及噪声背景下，它是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）对接收滤波器的输在规定时刻（由位定时脉冲控制）对接收

33、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，位定时的准确与否将直接影响判决效果。中提取，位定时的准确与否将直接影响判决效果。 2021-8-2 42 基带数字信号传输模型基带数字信号传输模型 数字基带信号传输系统 abc ef g 脉 冲 形 成 器 发 送 滤 波 器 信 道 接 收 滤 波 器 抽 样 判 决 器 码 元 再 生 同步 提取 定时脉冲 噪声 )(tn d 2021-8-2 43 2021-8-2 44 基带数字信

34、号传输模型基带数字信号传输模型 其中，(a)是输入的基带信号，这是最常见的单极性 非归零信号；(b)是进行码型变换后的波形； (c)对(a)而 言进行了码型及波形的变换，是一种适合在信道中传输 的波形； (d)是信道输出信号，由于信道频率特性不理 想，波形发生失真并叠加了噪声；(e)为接收滤波器输出 波形, 与(d)相比，失真和噪声减弱；(f)是位定时同步脉 冲; (g)为恢复的信息。 其中第其中第4个码元发生误码，误码的原因之一个码元发生误码，误码的原因之一 是是信道加性噪声信道加性噪声，之二是传输总特性（包括收、，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发滤波器

35、和信道的特性）不理想引起的波形延 迟、展宽、拖尾等畸变，使码元之间迟、展宽、拖尾等畸变，使码元之间相互串扰相互串扰。 此时，实际抽样判决值不仅有本码元的值，还此时，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。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，在于能否有显然，接收端能否正确恢复信息，在于能否有 效地效地抑制噪声抑制噪声和和减小码间串扰减小码间串扰。 2021-8-2 45 研究的目标研究的目标 可靠性可靠性：在接收端要以最小的错误概率恢复出：在接收端要以最小的错误概率恢复出 发送序列发送序列an，也就是要研究误码率与系统的

36、什，也就是要研究误码率与系统的什 么参数有关，如何能使误码率达到最小；么参数有关，如何能使误码率达到最小； 有效性有效性：基带传输系统的带宽都是有限的，在：基带传输系统的带宽都是有限的，在 有限带宽情况下如何尽可能提高码元速率；有限带宽情况下如何尽可能提高码元速率； 2021-8-2 46 研究的目标的数学描述研究的目标的数学描述 基带数字信号系统是一个线性系统。发送滤波器基带数字信号系统是一个线性系统。发送滤波器 的传输特性为的传输特性为GT(), 接收滤波器的传输特性为接收滤波器的传输特性为 GR()，信道的传输特性为，信道的传输特性为C()，则基带传输系，则基带传输系 统的统的总传输特性

37、总传输特性为为 H()=GT()C()GR() ( )( ) ( )( ) TR H fGf C f Gf dfefHth ftj2 )()( C(f)是由线路媒质确定的是由线路媒质确定的 。 GT()和和GR()在设计时是灵活的。在设计时是灵活的。 2021-8-2 47 基带数字信号传输与码间串扰基带数字信号传输与码间串扰 如何设计总传输特性如何设计总传输特性H (f )，使得接收端恢复出，使得接收端恢复出 的序列的序列 an与发送端序列与发送端序列an之间的差错尽可之间的差错尽可 能少。能少。 如何设计总传输特性如何设计总传输特性H (f )，使得在物理可实现，使得在物理可实现 时，频带

38、利用率尽可能高。时，频带利用率尽可能高。 当总传输特性当总传输特性H (f )达不到设计要求时，可以采达不到设计要求时，可以采 取什么办法进行补偿。取什么办法进行补偿。 2021-8-2 48 基带数字信号传输与码间串扰基带数字信号传输与码间串扰 码间串扰码间串扰 定义：定义：由于信道特性的不理想，波形失真比较严重时，由于信道特性的不理想，波形失真比较严重时， 可能出现前面几个码元的波形同时串到后面，对可能出现前面几个码元的波形同时串到后面，对 后面某一个码元的抽样判决产生影响，即相邻码后面某一个码元的抽样判决产生影响，即相邻码 元间互相重叠，这种影响就叫做码间串扰。元间互相重叠，这种影响就叫

39、做码间串扰。 产生的原因：产生的原因：由于系统总传输函数由于系统总传输函数H(f)不良引起的。不良引起的。 特点：特点：随信号出现而出现，随信号的消失而消失，称为随信号出现而出现，随信号的消失而消失，称为 乘性干扰乘性干扰。 2021-8-2 49 基带数字信号传输与码间串扰基带数字信号传输与码间串扰 问题：问题：H(f)满足什么条件，使得输出信号满足什么条件，使得输出信号y(t) 中无码间串扰，以使抽样判决器正确判决，中无码间串扰，以使抽样判决器正确判决， 恢复出发送序列的估计序列恢复出发送序列的估计序列an 。 2021-8-2 50 基带数字信号传输与码间串扰基带数字信号传输与码间串扰

40、基带信号基带信号 1 0 ( )() n nb n ak a ak d tatkT 第 个码元为 其中 第 个码元为 基带信号经过发送滤波器后基带信号经过发送滤波器后 ( )() nTb n s ta gtnT 基带波形经过信道与接收滤波器后基带波形经过信道与接收滤波器后 ( )()( ) 1 ( )()()() 2 nRbR n jt RTR y ta gtnTnt gtGCGed 其中 2021-8-2 51 基带数字信号传输与码间串扰基带数字信号传输与码间串扰 判决器输出判决器输出 0 00 000 () ()() ()()() b nRbbRb n kRnRbRb nk r kTt a

41、 gkTtnTnkTt a gta gkn TtnkTt 有用信号有用信号 码间干码间干 扰扰 噪声噪声 2021-8-2 52 无码间串扰的条件无码间串扰的条件 ) ) 1 ( )( ) 2 b n nb n j t atnT a h tnT h tHed 输入：（ 输出：（ H()抽样判决 2021-8-2 53 无码间串扰的条件无码间串扰的条件 判决器输出码间干扰项判决器输出码间干扰项 0)( 0 tTnkha b kn n n 0 ()0 () b h kn Ttnk 1 0 () 0 b k h kT k 为其他整数 即无干扰的时域条件：即无干扰的时域条件： 在本判决时刻不在本判决时

42、刻不 为零，其他抽样为零，其他抽样 点上均为零。点上均为零。 2021-8-2 54 无码间串扰的条件无码间串扰的条件 无干扰的频域条件：无干扰的频域条件： (2/) |/ ( ) 0|/ i Hi TTT H T ， ， 奈奎斯特第奈奎斯特第 一准则一准则 将将H ()在频率轴上以在频率轴上以/T 为周期展开并叠加，为周期展开并叠加， 如果叠加后的结果为常数（不必一定为如果叠加后的结果为常数（不必一定为T ），）， 则无码间串扰，否则就有码间串扰。则无码间串扰，否则就有码间串扰。 2021-8-2 55 无码间串扰的条件无码间串扰的条件 通常，在抽样时刻无码间串扰条件下，我们通常，在抽样时刻

43、无码间串扰条件下，我们 把把12T称为称为奈奎斯特带宽奈奎斯特带宽，记为，记为W。 传输速率为传输速率为1/T。 基带系统所能提供的最高频带利用率为基带系统所能提供的最高频带利用率为=2 波特赫。系统无码间串扰的最高能达到的单位波特赫。系统无码间串扰的最高能达到的单位 带宽速率为：带宽速率为：2 Baud/Hz 称为称为奈奎斯特速率奈奎斯特速率。 2021-8-2 56 无码间串扰的条件无码间串扰的条件 S() O Ts Ts Ts (a) s(t) S0 O 4 Ts3 Ts2 Ts TsTs2Ts3Ts4Tst (b) 理想低通滤波器的理想低通滤波器的H(f)和和h(t)的波形的波形 20

44、21-8-2 57 无码间串扰的条件无码间串扰的条件 理想低通系统在实际应用中存在两个问题：理想低通系统在实际应用中存在两个问题： 一是理想矩形特性的物理实现极为困难；一是理想矩形特性的物理实现极为困难； 二是理想的冲激响应二是理想的冲激响应h(t) 的的“尾巴尾巴”很长，衰减很慢，很长，衰减很慢， 当定时存在偏差时，当定时存在偏差时， 可能出现严重的码间串扰。可能出现严重的码间串扰。 考虑到实际的传输系统总是可能存在定时误差的，考虑到实际的传输系统总是可能存在定时误差的， 因而，一般不采用因而，一般不采用H()，而只把这种情况作为理想的，而只把这种情况作为理想的 “标准标准”或者作为与别的系

45、统特性进行比较时的基础。或者作为与别的系统特性进行比较时的基础。 2021-8-2 58 解决办法解决办法 理想冲激响应理想冲激响应h(t)的尾巴衰减慢的的尾巴衰减慢的原因原因是系统是系统 的频率截止特性过于陡峭，这启发我们可以按的频率截止特性过于陡峭，这启发我们可以按 图中所示的构造思想去设计图中所示的构造思想去设计H0 ()特性，只要特性，只要 图中的图中的Y()具有对具有对W呈奇对称的振幅特性，则呈奇对称的振幅特性，则 H0()即为所要求的。这种设计也可看成是理即为所要求的。这种设计也可看成是理 想低通特性按想低通特性按奇对称奇对称条件进行条件进行“圆滑圆滑”的结果，的结果， 上述的上述

46、的“圆滑圆滑”， 通常被称为通常被称为“滚降滚降”。 解决办法解决办法 2021-8-2 60 奈奎斯特准则奈奎斯特准则 将理想矩形截止边际修正为一个圆滑的滚降将理想矩形截止边际修正为一个圆滑的滚降 形状。即可以是具有缓慢下降边沿的任何形形状。即可以是具有缓慢下降边沿的任何形 状，只要传输函数是实函数且在状，只要传输函数是实函数且在f=W处奇对处奇对 称称。 2021-8-2 61 奈奎斯特准则奈奎斯特准则 滤波器的频域特性：滤波器的频域特性： 1 0111 1 1 1 11 ( )cos, 222 0, fWW HffWWWWfWW W fWW ， 滤波器的冲激响应：滤波器的冲激响应： 1

47、0 2 1 cos(2)sin() ( ) 1 (4) WtWWt s t WtWt + 2021-8-2 62 奈奎斯特准则奈奎斯特准则 =0时，就是理想低通特性时，就是理想低通特性 =1时，是实际中常采用的升余弦频谱特性时，是实际中常采用的升余弦频谱特性 =W1/W，称为滚降特性，称为滚降特性 2021-8-2 63 奈奎斯特准则奈奎斯特准则 带宽带宽B=(1+ )/2T赫赫 频带利用率频带利用率 =2/(1+ )波特赫波特赫 码元传输速率码元传输速率2W=1/T 2021-8-2 64 部分响应系统部分响应系统 研究问题：研究问题：基带传输中的有效性问题基带传输中的有效性问题 研究对象：

48、研究对象：部分响应系统部分响应系统 研究目的：研究目的：如何设计频带利用率高又可实现的如何设计频带利用率高又可实现的 基带传输系统基带传输系统 研究方法：研究方法：放宽对无码间串扰的要求以提高有放宽对无码间串扰的要求以提高有 效性效性 2021-8-2 65 部分响应系统部分响应系统 问题的提出问题的提出 v 理想低通传输特性频带利用率可达理论上的最大值理想低通传输特性频带利用率可达理论上的最大值 2B/Hz，但无法实现，且它的，但无法实现，且它的h(t)的尾巴振荡幅度大、的尾巴振荡幅度大、 收敛慢，对定时要求十分严格。收敛慢，对定时要求十分严格。 v 余弦滚降特性虽然克服了上述缺点，但所需的

49、频带却余弦滚降特性虽然克服了上述缺点，但所需的频带却 加宽了，达不到加宽了，达不到2波特赫的频带利用率即降低了系波特赫的频带利用率即降低了系 统的频带利用率。统的频带利用率。 v 能否找到频带利用率为能否找到频带利用率为2B/Hz，满足，满足“尾巴尾巴”衰减大、衰减大、 收敛快，实际中又可以实现的传输特性？收敛快，实际中又可以实现的传输特性？ 2021-8-2 66 部分响应系统部分响应系统 奈奎斯特第二准则奈奎斯特第二准则 有控制地在某些码元的抽样时刻引入码间串扰，有控制地在某些码元的抽样时刻引入码间串扰， 而在其余码元的抽样时刻无码间串扰，那么就而在其余码元的抽样时刻无码间串扰，那么就 能

50、使频带利率提高到理论上的最大值，同时又能使频带利率提高到理论上的最大值，同时又 可以降低对定时精度的要求。通常把这种波形可以降低对定时精度的要求。通常把这种波形 称为称为部分响应波形部分响应波形。 利用部分响应波形进行传送的基带传输系统称利用部分响应波形进行传送的基带传输系统称 为为部分响应系统部分响应系统。 2021-8-2 67 部分响应系统部分响应系统 第一类部分响应波形 0 S b T2 b T3 b T 4 b T4 b T3 b T2 b T b T (b) t h(t) 观察：观察：相距一个码元相距一个码元 间隔的两个间隔的两个sinx/x波波 形的形的“拖尾拖尾”刚好正刚好正

51、负相反负相反 思路：思路：利用这样的波利用这样的波 形组合肯定可以构成形组合肯定可以构成 “拖尾拖尾”衰减很快的衰减很快的 脉冲波形脉冲波形 2021-8-2 68 部分响应系统部分响应系统 相加 TT 模2判决 预编码 相关编码 信息判决 抽样脉冲 收 k a 相加 T 发送滤波信道接收滤波模2判决 发 k a k a 收 抽样脉冲 )(a )(b 第第1类部分响应系统组成方框图类部分响应系统组成方框图 2021-8-2 69 部分响应系统部分响应系统 1 4 g t b T b T b T 0 t sin 2 2 b b b b T t T T t T sin 2 2 b b b b T

52、t T T t T b T G 0 )(a)(b 用两个间隔为一个码元宽度用两个间隔为一个码元宽度T的的sinx/x相加相加 22 sinsin 22cos/4 ( ) 1 4/ 22 bb bb b bb b bb TT tt TTt T g t TTtT tt TT 1/2T 2021-8-2 70 部分响应系统部分响应系统 (0)4/ ()1 2 ()0 (3, 5,. 2 b b g T g kT gk b T 1 a 0 a 1 a 2 a 抽样 脉冲 b T b T b T g (t )波形的拖尾幅度与波形的拖尾幅度与t 2成反比成反比 若用若用g(t)作为传送波形，且码元间隔为作为传送波形，且码元间隔为T，则有串扰，则有串扰， 仅受前一码元的相同幅度样值的串扰仅受前一码元的相同幅度样值的串扰 结论：结论：串扰可控，仍可按串扰可控，仍可按1/T传输速率传送码元传输速率传送码元 2021-8-2 71 错误传播：提出问题错误传播：提出问题 设发送码元设发送码元ak，其取值为其取值为+1，-1 接收波形接收波形g(t)在