通信原理第4章数字信号基带传输系统

1、4.1 数字基带信号及其频谱数字基带信号及其频谱 4.2 基带传输常用码型基带传输常用码型 4.3 基带脉冲传输与码间干扰基带脉冲传输与码间干扰 4.4 无码间干扰的基带传输系统特性无码间干扰的基带传输系统特性 4.5 部分响应系统部分响应系统 4.6 无码间干扰基带传输系统的抗噪性能无码间干扰基带传输系统的抗噪性能 第第4章章 数字信号基带传输系统数字信号基带传输系统 第5章 数字基带传输2 1 1、数字通信系统中两个重要变换：、数字通信系统中两个重要变换： q 消息（离散的或连续的）与数字基带信号间的消息（离散的或连续的）与数字基带信号间的 变换。变换。 （由发收终端设备完成）（由发收终端

2、设备完成） q 数字基带信号与信道信号间的变换数字基带信号与信道信号间的变换 。（由调。（由调 制解调器完成）制解调器完成） 4.1 4.1 数字基带信号及其频谱数字基带信号及其频谱 第5章 数字基带传输3 2 2、数字基带信号：、数字基带信号： q数字基带信号数字基带信号是从计算机中直接产生的，未经是从计算机中直接产生的，未经 任何处理的二进制（或多进制）的脉冲序列信号。任何处理的二进制（或多进制）的脉冲序列信号。 q基带信号往往包含丰富的低频分量，甚至直流基带信号往往包含丰富的低频分量，甚至直流 分量。分量。 例如：例如： l 计算机输出的二进制序列计算机输出的二进制序列 l 电传机输出的

3、代码电传机输出的代码 l PCMPCM码组，码组，MM序列序列 4.1 4.1 数字基带信号及其频数字基带信号及其频 谱谱 第5章 数字基带传输4 1 1、数字数字基带传输：、数字数字基带传输： q 数字基带传输数字基带传输是在具有低通特性的有线信道是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，直接传中，特别是传输距离不太远的情况下，直接传 输基带信号。输基带信号。 2 2、数字频带传输：、数字频带传输： q 数字频带传输数字频带传输是将数字基带信号经过载波调是将数字基带信号经过载波调 制，把频谱搬移到高频处在带通型信道（如制，把频谱搬移到高频处在带通型信道（如 各种无线信道和

4、光信道）中传输。各种无线信道和光信道）中传输。 4.1.1 4.1.1 基带传输系统模型基带传输系统模型 第5章 数字基带传输5 图 4.1 1 数字基带传输系统 数字数字 基带信号基带信号 信道信道 匹匹 配配 滤滤 波波 器器 抽抽 样样 判决器判决器 同步同步 提取提取 干扰干扰 数字数字 基带信号基带信号 波形波形 变换器变换器 发送发送 滤波器滤波器 均均 衡衡 器器 信道信号形成器信道信号形成器 4.1.1 4.1.1 基带传输系统模型基带传输系统模型 第5章 数字基带传输6 （1 1）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的基带把原始基带信号变换成适合

5、于信道传输的基带 信号，这种变换主要是通过信号，这种变换主要是通过波形变换波形变换和和发送滤发送滤 波器波器来实现的。来实现的。 5 5、数字基带传输系统各部分功能：、数字基带传输系统各部分功能： 4.1.1 4.1.1 基带传输系统模型基带传输系统模型 q 波形变换波形变换的目的是与信道匹配，进行的目的是与信道匹配，进行码型变换码型变换及及波形波形 变换变换。码型变换将。码型变换将二进制脉冲序列二进制脉冲序列变为变为双极性码双极性码；波形；波形 变换减变换减小码间串扰小码间串扰，利于同步提取和抽样判决。，利于同步提取和抽样判决。 q 发送滤波器发送滤波器的目的主要是的目的主要是平滑波形平滑波

6、形。 第5章 数字基带传输7 信道信道是允许基带信号通过的媒质，通常为有线是允许基带信号通过的媒质，通常为有线 信道，信道， 如市话电缆、架空明线等。如市话电缆、架空明线等。 q信道的传输特性通常不满足无失真传输条件，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。甚至是随机变化的。 q信道还会进入噪声。信道还会进入噪声。 在通信系统的分析中，在通信系统的分析中， 常常把噪声常常把噪声n(t)n(t)等效，集中在信道中引入。等效，集中在信道中引入。 （2 2） 信道信道 4.1.1 4.1.1 基带传输系统模型基带传输系统模型 第5章 数字基带传输8 （5 5） 匹配滤波器、均衡器

7、匹配滤波器、均衡器 q匹配滤波器匹配滤波器用来尽可能排除信道噪声和用来尽可能排除信道噪声和 其它干扰；其它干扰； q均衡器均衡器对信道特性均衡对信道特性均衡，消除信道冲激，消除信道冲激 响应对信号的干扰，使输出的基带波形响应对信号的干扰，使输出的基带波形 有利于抽样判决。有利于抽样判决。 4.1.1 4.1.1 基带传输系统模型基带传输系统模型 第5章 数字基带传输9 抽样判决器抽样判决器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，以恢复或再波器的输出波形进行抽样判决，以

8、恢复或再 生基带信号。生基带信号。 （4 4） 抽样判决器抽样判决器 4.1.1 4.1.1 基带传输系统模型基带传输系统模型 q 用来抽样的用来抽样的位定时脉冲位定时脉冲则依靠同步提取则依靠同步提取 电路从接收信号中提取电路从接收信号中提取 q 位定时的准确与否将直接影响判决效果。位定时的准确与否将直接影响判决效果。 图图4.1-2 基带系统个点波形示意图基带系统个点波形示意图 (a)(a)基带信号；基带信号； (b)(b)码型变换后；码型变换后； (c)(c)对对(a)(a)进行了码型进行了码型 及波形的变换，适合及波形的变换，适合 在信道中传输的波形；在信道中传输的波形； (d)(d)信

9、道输出信号，信道输出信号， 波形发生失真并叠加波形发生失真并叠加 了噪声；了噪声； (e)(e)接收滤波器输出接收滤波器输出 波形波形, , 与与(d)(d)相比，相比， 失真和噪声减弱；失真和噪声减弱； (f)(f)位定时同步脉冲；位定时同步脉冲； (g)(g)恢复的信息。恢复的信息。 第5章 数字基带传输11 在图在图4.1-24.1-2中，中，第第4 4个码元发生误码个码元发生误码。误码的原因：。误码的原因： q 信道加性噪声信道加性噪声 q 传输总特性传输总特性（包括收、发滤波器和信道的特性）（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，使码不理想引起的波形

10、延迟、展宽、拖尾等畸变，使码 元之间相互串扰。元之间相互串扰。 4.1.1 4.1.1 基带传输系统模型基带传输系统模型 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，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。在于能否有效地抑制噪声和减小码间串扰。 第5章 数字基带传输12 q因为在利用对称电缆构成的近程数据通信系统广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；泛采用了这种传输方式； q因为基带传输系统的许多

11、问题也是频带传输系统因为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；必须考虑的问题； q因为任何一个采用线性调制的频带传输系统可等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。效为基带传输系统来研究。 4.1.2 4.1.2 研究基带传输系统的原因研究基带传输系统的原因 第5章 数字基带传输13 4.1.3 4.1.3 基带数字信号的要求基带数字信号的要求 q有利于提高系统的频带利用率。基带信号的有利于提高系统的频带利用率。基带信号的 编码应尽量使频带压缩，使编码后所使用的编码应尽量使频带压缩，使编码后所使用的 数字信号的速率尽量低。数字信号的速率尽量低。 q

12、尽量减少直流、甚低频及高频分量。（基带尽量减少直流、甚低频及高频分量。（基带 传输系统中有时有隔直流的变压器耦合，不传输系统中有时有隔直流的变压器耦合，不 利于直流、甚低频分量的传输，在传输中会利于直流、甚低频分量的传输，在传输中会 丢失，接收时产生波形失真；过多高频分量丢失，接收时产生波形失真；过多高频分量 会引起话路之间的会引起话路之间的“串话串话”。 第5章 数字基带传输14 q误码扩散少误码扩散少,一个信号出错不延伸到其他信号。一个信号出错不延伸到其他信号。 q尽量不出现长尽量不出现长“0”和长和长“1”。无法提取定时。无法提取定时 信号，使同步被破坏。信号，使同步被破坏。 q能够检测

13、信号质量，对噪声和码间串扰具有能够检测信号质量，对噪声和码间串扰具有 较强的抵抗力和自检能力。较强的抵抗力和自检能力。 q编译码设备简单。编译码设备简单。 q提高码元同步分量，才能保证同步提取电路提高码元同步分量，才能保证同步提取电路 稳定可靠的工作。稳定可靠的工作。 4.1.3 4.1.3 基带数字信号的要求基带数字信号的要求 第5章 数字基带传输15 数字基带信号是数字基带信号是随机的脉冲序列随机的脉冲序列，没有，没有 确定的频谱函数，所以只能用确定的频谱函数，所以只能用功率谱功率谱来描述来描述 它的频谱特性。由随机过程的相关函数去求它的频谱特性。由随机过程的相关函数去求 随机过程的功率随

14、机过程的功率( (或能量或能量) )谱密度比较复杂。谱密度比较复杂。 一种比较简单的方法是一种比较简单的方法是以随机过程功率谱的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原始定义为出发点，求出数字随机序列的功 率谱公式率谱公式。 4.1.4 4.1.4 基带信号的功率谱计算基带信号的功率谱计算 第5章 数字基带传输16 通过频谱分析，可以了解信号需要占通过频谱分析，可以了解信号需要占 据的据的频带宽度频带宽度，所包含的频谱分量，所包含的频谱分量，有无有无 直流分量直流分量，有无定时分量有无定时分量等。这样，才能等。这样，才能 针对信号谱的特点来选择相匹配的信道，针对信号谱的特点

15、来选择相匹配的信道， 以及确定是否可从信号中提取定时信号。以及确定是否可从信号中提取定时信号。 4.1.4 4.1.4 基带信号的功率谱计算基带信号的功率谱计算 第5章 数字基带传输17 第第n n个信息符号所对应的电平值个信息符号所对应的电平值(0(0、1 1 或或-1-1、1 1等等) ) ，由信码和编码规律决，由信码和编码规律决 定；定； nB n s(t)a g(tnT ) (4.3 - 1) 1 1、数字基带信号：、数字基带信号： n a 码元间隔；码元间隔； B T 某种基本码元脉冲波形；某种基本码元脉冲波形；)(tg - - - 4.1.4 4.1.4 基带信号的功率谱计算基带信

16、号的功率谱计算 第5章 数字基带传输18 q 实际中遇到的数字基带信号多是一个随机脉实际中遇到的数字基带信号多是一个随机脉 冲序列。若用冲序列。若用g g0 0(t)(t)、g g1 1(t)(t)分别表示符号分别表示符号0 0和和1 1 q 单极性信号单极性信号g g0 0(t)=0(t)=0、g g1 1(t)=g(t)(t)=g(t) q 双极性信号双极性信号g g0 0(t)=-g(t)(t)=-g(t)、g g1 1(t)=g(t)(t)=g(t) 4.1.4 4.1.4 基带信号的功率谱计算基带信号的功率谱计算 第5章 数字基带传输19 设一个二进制的随机脉冲序列如图设一个二进制的

17、随机脉冲序列如图4.4-1所示。所示。 g0(t)、g1(t)分别表示符号分别表示符号0和和1，TB为码元宽度。为码元宽度。 2 2、 随机脉冲序列的表示随机脉冲序列的表示 设设g0(t)和和g1(t)在在TB内出现的概率分别为内出现的概率分别为P,1-P,且且 它们的出现是统计独立的。它们的出现是统计独立的。 4.1.4 4.1.4 基带信号的功率谱计算基带信号的功率谱计算 第5章 数字基带传输20 图 4.3 1 随机脉冲序列示意波形 g1(t4 Ts) g0(t5 Ts) g0(t2 Ts) g1(t Ts) g (t) g0 (t) g1(t Ts) g0(t2 Ts) t t O T

18、B 2 TB 2 O TB 2 TBTB 2 TB v(t) tO u(t) (a) (b) (c) TB 第5章 数字基带传输21 n n tsts)()(4.3 - 2) 0B n 1B g (tnT ),P s g (tnT ),1 P 概率 (t) 概率 (4.3 - 5) 则该二进制的随机脉冲序列可以由式则该二进制的随机脉冲序列可以由式4.3-24.3-2表示。表示。 其中其中 4.1.4 4.1.4 基带信号的功率谱计算基带信号的功率谱计算 第5章 数字基带传输22 设截取时间设截取时间T=(2N+1)TB, 则则s(t)可表示为：可表示为： 3、 s(t)的功率谱密度的功率谱密度

19、Ps() 2 T s T E S () P ()lim T N Tn nN s (t)s (t) (4.3 - 4) 式式4.3-5变为变为 2 T s N B E S () P ()lim (2N1)T (4.3 - 5) (4.3 - 6) 4.1.4 4.1.4 基带信号的功率谱计算基带信号的功率谱计算 第5章 数字基带传输23 TTT s (t)v (t)u (t) 将信号将信号sT(t)看成由稳态波看成由稳态波vT(t)和交变波和交变波uT(t)构成。构成。 q vT(t)：稳态波。：稳态波。是随机序列是随机序列s(t)的统计平均分量，的统计平均分量， 它取决于每个码元内出现它取决于

20、每个码元内出现g0(t)、g1(t)的概率加权的概率加权 平均。平均。 q uT(t)：交变波。：交变波。是随机序列是随机序列s(t)的变动部分，的变动部分， 它取决于它取决于g0(t)、g1(t)随机出现的情况。随机出现的情况。 4、 稳态波、交变波表达式稳态波、交变波表达式 4.1.4 4.1.4 基带信号的功率谱计算基带信号的功率谱计算 第5章 数字基带传输24 N Tn nN NN 0B1B nNnN N 0B1B nN v (t)v (t) Pg (tnT )(1P)g (tnT ) P g (tnT )(1P) g (tnT ) (4.3 - 7) （1 1）稳态波）稳态波v vT

21、 T(t)(t) 取决于每个码元内出现取决于每个码元内出现g0 0(t)、g1 1(t)的概率加权平均。的概率加权平均。 4.1.4 4.1.4 基带信号的功率谱计算基带信号的功率谱计算 第5章 数字基带传输25 (4.3 - 8) nn0B1B u (t)ag (tnT )g (tnT ) TTT N Tn nN u (t)s (t)v (t) u (t)u (t) （2 2）交变波）交变波 n 1P,P a P,1P 出出现现概概率率为为 其其中中： 出出现现概概率率为为 用用4.3-3、4.3-5、 4.3-7可以推出可以推出 4.1.4 4.1.4 基带信号的功率谱计算基带信号的功率谱

22、计算 第5章 数字基带传输26 s v(tT )v(t) B B B T / 2 j2 mft m T / 2 B 1 Cv(t)edt T T 0B1B n Tv (t)v(t) v(t)P g (tnT )(1P) g (tnT ) 当当时时，变变为为 由于由于v(t)v(t)是周期函数，是周期函数， B j2mf t m m v(t)C e 式中：式中： 用傅里叶级数展开用傅里叶级数展开 (4.3 - 9) (4.3 - 10) 稳态波稳态波vT(t)的功率谱密度的功率谱密度Pv() 第5章 数字基带传输27 B B B BB BB BB B T /2 j2 mf t m01 T /2

23、n B nTT /2 j2 mf (t nT ) 01 nTT /2 n B j2 mf t 01 B B0B1B j2 m 0B0 1 CPg (t)(1P)g (t) edt T 1 Pg (t)(1P)g (t)edt T 1 Pg (t)(1P)g (t)edt T fPG (mf )(1P)G (mf ) G (mf )g (t)e 又又 B B f t j2 mf t 1B1 dt G (mf )g (t)edt 将将(4.3 - 9)代入：代入： (4.3 - 11) 稳态波稳态波vT(t)的功率谱密度的功率谱密度Pv() 第5章 数字基带传输28 2 vmB m 2 B0B1B

24、B m P ( )C(fmf ) fPG (mf ) (1 P)G (mf )(fmf ) 稳态波稳态波vT(t)的功率谱密度的功率谱密度Pv() (4.3 - 12) 稳态波稳态波vT(t)的功率谱密度的功率谱密度Pv() 第5章 数字基带传输29 NN Nnn0B1B nNnN u (t)u (t)ag (tnT )g (tnT ) B B BB B B j2 ft TT N j2 f t n0B1B nN N j2 f nT n01 nN j2 ft 00 j2 ft 11 u ( )u (t)edt ag (tnT )g (tnT ) edt a eG (f)G (f) G (f)g

25、(t)edt G (f)g (t)edt 其其中中 (4.3 - 13) 交变波交变波uT(t)的功率谱密度的功率谱密度Pu() 第5章 数字基带传输30 N 2 01 nN u N B 2 01 N B 2 B01 G (f)G (f)P(1P) P ( )lim (2N1)T (2N1)P(1P) G (f)G (f) lim (2N1)T f P(1P) G (f)G (f) (4.3 - 14) 交变波交变波uT(t)的功率谱密度的功率谱密度Pu() 第5章 数字基带传输31 suv 2 2 B01B0B1BB m P( )P( ) P ( ) f P(1 P)G (f) G (f)f

26、 PG (mf ) (1 P)G (mf )(f mf ) (4.3 - 15) 1 1、 随机序列随机序列s(t)s(t)的功率谱密度的功率谱密度Ps() Ps() 随机序列随机序列s(t)s(t)的功率谱密度的功率谱密度Ps()Ps() 第5章 数字基带传输32 q 随机脉冲序列的功率谱密度可能随机脉冲序列的功率谱密度可能包含连续谱包含连续谱 Pu()和离散谱和离散谱Pv()。 2 vB0B1BB m P ( )fPG (mf ) (1 P)G (mf )(fmf ) 2 uB01 P ( )f P(1 P) G (f) G (f) 2 2、研究随机脉冲序列功率谱的意义、研究随机脉冲序列功

27、率谱的意义 随机序列随机序列s(t)s(t)的功率谱密度的功率谱密度Ps() Ps() 第5章 数字基带传输33 随机序列随机序列s(t)s(t)的功率谱密度的功率谱密度Ps() Ps() q 对于连续谱而言，由于代表数字信息的对于连续谱而言，由于代表数字信息的g0(t)及及 g1(t)不能完全相同，故不能完全相同，故G0(f)G1(f)， 因而因而Pu() 总是存在的；总是存在的； q 离散谱是否存在，取决离散谱是否存在，取决g0(t)和和g1(t)的波形及其的波形及其 出现的概率出现的概率P。 第5章 数字基带传输34 q 连续谱连续谱Pu()可以定可以定随确机序列的带宽随确机序列的带宽；

28、离散；离散 谱谱Pv()可以可以确定随机序列是否包含直流成分确定随机序列是否包含直流成分 (m=0)及定时信号及定时信号(m=1)。 q 由于没有限定由于没有限定g0(t)和和g1(t)的波形，因此不仅适的波形，因此不仅适 用于计算数字基带信号的功率谱，也可以用来计用于计算数字基带信号的功率谱，也可以用来计 算数字调制信号的功率谱。算数字调制信号的功率谱。 随机序列随机序列s(t)s(t)的功率谱密度的功率谱密度Ps() Ps() 第5章 数字基带传输35 图图 4.3 2 二进制基带信号的功率谱密度二进制基带信号的功率谱密度 带宽取决于连续谱，由单个码元的带宽取决于连续谱，由单个码元的G(f

29、)决定，决定， 带宽带宽B等于等于第一个过零点所在第一个过零点所在f。 归零码归零码 不归零码不归零码 f0 s( ) B 1 T 1 3 3、带宽的确定、带宽的确定 随机序列随机序列s(t)s(t)的功率谱密度的功率谱密度Ps() Ps() 第5章 数字基带传输36 例例51 对于单极性波形：若设对于单极性波形：若设01 g (t)0, g (t)g(t)。 设设P=1/2P=1/2： 2 sB 2 2 BBB m 1 P ( )fG(f) 4 1 fG(mf )(fmf ) 4 2 suvB01 2 B0B1BB m 22 BBBB m P ( )P ( )P ( )f P(1P) G (

30、f)G (f) fPG (mf )(1P)G (mf )(fmf ) f P(1P) G(f)f (1P)G(mf )(fmf ) 随机序列随机序列s(t)s(t)的功率谱密度的功率谱密度Ps() Ps() 第5章 数字基带传输37 (1) B T 1,t g(t) 2 0, 其它 为单极性不归零矩形脉冲为单极性不归零矩形脉冲) t (g B sBa T S()ET S () 2 B BBB T G(f)T Sa()T Sa( fT ) 2 B T 2 B T 2 随机序列随机序列s(t)s(t)的功率谱密度的功率谱密度Ps() Ps() 第5章 数字基带传输38 B BBB T G(f)T

31、Sa()T Sa( fT ) 2 22 2 sBBBB m 2 222 BBBBBB m 11 P ( )fG(f)fG(mf )(fmf ) 44 11 f T Sa ( fT )fG(mf )(fmf ) 44 随机序列随机序列s(t)s(t)的功率谱密度的功率谱密度Ps() Ps() B BBB B T 1 2 221 2ff TTT 1 T 第第 个个 过过 零零 点点 在在处处 所所 需需 传传 输输 带带 宽宽 为为 第5章 数字基带传输39 (2) B T 1,t g(t) 4 0, 其它 为半占空归零矩形脉冲为半占空归零矩形脉冲) t (g BB TfT G(f)Sa 22 随

32、机序列随机序列s(t)s(t)的功率谱密度的功率谱密度Ps() Ps() B B B fT 1 2 2 f T 2 T 第第个个 过过 零零 点点 在在处处 所所 需需 传传 输输 带带 宽宽 为为 第5章 数字基带传输40 q 随机序列的带宽主要依赖单个码元波形的随机序列的带宽主要依赖单个码元波形的 频谱函数频谱函数G G0 0(f)(f)或或G G1 1(f)(f)，两者之中应取较大带，两者之中应取较大带 宽的一个作为序列带宽。宽的一个作为序列带宽。 q 时间波形的占空比越小，频带越宽。时间波形的占空比越小，频带越宽。 q 通常以谱的第一个过零点作为矩形脉冲的通常以谱的第一个过零点作为矩形

33、脉冲的 近似带宽。近似带宽。 4 4、说明、说明 随机序列随机序列s(t)s(t)的功率谱密度的功率谱密度Ps() Ps() 第5章 数字基带传输41 q 单极性归零信号中有定时分量，可直接提取。单单极性归零信号中有定时分量，可直接提取。单 极性不归零信号中无定时分量，若想获取定时分量，极性不归零信号中无定时分量，若想获取定时分量， 要进行波形变换。要进行波形变换。 q 0 0、1 1等概的双极性信号没有离散谱，即无直流分等概的双极性信号没有离散谱，即无直流分 量和定时分量。量和定时分量。 随机序列随机序列s(t)s(t)的功率谱密度的功率谱密度Ps() Ps() 第5章 数字基带传输42 s

34、uv 2 2 B01B0B1BB m P( ) P( ) P( ) f P(1 P)G(f) G(f)f PG(m f ) (1 P)G(m f )(f m f ) 已知某单极性已知某单极性NRZNRZ随机脉冲序列，码元速随机脉冲序列，码元速 率为率为f fB B=1000B/S, =1000B/S, 1 1码为幅度为码为幅度为A A的矩形的矩形 脉冲，脉冲，0 0码为码为0 0，且，且0 0码概率为码概率为0.6,0.6, 求该随机序列的带宽及直流和频率为求该随机序列的带宽及直流和频率为f fB B 的成分的幅度。的成分的幅度。 随机序列随机序列s(t)s(t)的功率谱密度的功率谱密度Ps(

35、) Ps() 第5章 数字基带传输43 解解: :1 1）求带宽）求带宽 带宽取决于连续谱，带宽取决于连续谱， 2 uB01 0 1BB P ( )f P(1P) G (f)G (f) G (f)0 G (f)AT Sa( fT ) 由由题题意意： 该频谱第一个过零点该频谱第一个过零点 B B 1 ff1000 T 2 2）求直流成分）求直流成分: :第二项中第二项中 m=0m=0 2 vB0B1BB m 2 2 B01 2 2 BB 2 P ( )fPG (mf ) (1 P)G (mf )(fmf ) f PG (0) (1 P)G (0)(f) f (1 0.6)AT(f) 0.16A(

36、f) 直流幅度为直流幅度为0.16A0.16A2 2 75 第5章 数字基带传输44 3 3）求频率为）求频率为f fB B的成分（即的成分（即定时信号）定时信号）: : 第二项中第二项中 m=m=1 1项，并且项，并且m=m=1 1时幅度相等，因此时幅度相等，因此 求求m=1m=1的幅度，然后乘以的幅度，然后乘以2 2即为频率为即为频率为f fB B成分的振幅。成分的振幅。 2 vB0B1BB m 2 2 B0B1BB 0B1B m 1 v P ( )fPG (mf ) (1 P)G (mf )(fmf ) f PG (f ) (1 P)G (f )(ff ) G (f )0G (f )0

37、P ( )0 ， 无频率为无频率为f fB B的成分，即没有的成分，即没有定时信号定时信号。 74 第5章 数字基带传输45 4.2 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 4.2.2 基带信号的频谱特性基带信号的频谱特性 -3fs -2fs -fs 0 fs 2fs 3fs 4fs f（Hz） Pd（f） -2fs -fs 0 fs 2fs f（Hz） Pc（f） -2fs -fs 0 fs 2fs f（Hz） Pa（f） -3fs -2fs -fs 0 fs 2fs 3fs 4fs f（Hz） Pb（f） （a） 单极性不归零码单极性不归零码 （b） 单极性归零码单极性归零码 （

38、= 0.5Ts） （c） 双极性不归零码双极性不归零码（d） 双极性归零码双极性归零码 （= 0.5Ts） 图图X.X 几种常见数据信号的功率谱密度（单位：几种常见数据信号的功率谱密度（单位：W/Hz） 第5章 数字基带传输46 图图X.X中中 几种常见数据信号的功率谱密度表达式几种常见数据信号的功率谱密度表达式 4.2 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 4.2.2 基带信号的频谱特性基带信号的频谱特性 单极性信号必有直单极性信号必有直 流分量（离散谱）。流分量（离散谱）。 )( 4 )( 4 )( 2 2 2 f A fT Sa T A fPs s a )2/( 4 )( 2

39、 2 s s dfT Sa T A fP )()( 22 sscfT Sa T A fP 单极性不归零码单极性不归零码 双极性不归零码双极性不归零码 双极性归零码双极性归零码 单极性归零码单极性归零码)()2/( 16 )2/( 16 )( 2 2 2 2 s n s s bnffn Sa A fT Sa T A fP 双极性信号可能没有直双极性信号可能没有直 流分量和其他离散谱。流分量和其他离散谱。 无论单、双极性，归零无论单、双极性，归零 码的频带都比非归零码码的频带都比非归零码 的频带宽。的频带宽。 第5章 数字基带传输47 4.2 数字基带信号及其频谱特性数字基带信号及其频谱特性 4.

40、2.2 基带信号的频谱特性基带信号的频谱特性 )2/( 4 )( 2 2 s s dfT Sa T A fP )()( 22 sscfT Sa T A fP 双极性不归零码双极性不归零码 双极性归零码双极性归零码 双极性信号双极性信号可能可能没有直流分没有直流分 量和其他离散谱。量和其他离散谱。 双极性码什么情况下没有离散谱？双极性码什么情况下没有离散谱？ g0(t)=-g1(t)？ P(0)=P(1)=1/2？ 正确的答案是：正确的答案是： 10, )( )( 1 1 1 0 kk tg tg P 随机信号波形正负统计面积对称随机信号波形正负统计面积对称! 第5章 数字基带传输48 4.2

41、4.2 基带传输常用码型基带传输常用码型 数字基带信号数字基带信号( (以下简称为基带信号以下简称为基带信号) )的波的波 型有很多型有很多, ,常见的有常见的有: : q 矩形脉冲矩形脉冲 q 三角波三角波 q 高斯脉冲高斯脉冲 q 余弦脉冲余弦脉冲 4.2.14.2.1数字基带信号常见波型数字基带信号常见波型 最常用的是矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成和变换。最常用的是矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成和变换。 第5章 数字基带传输49 1 1、矩形脉冲（重点）、矩形脉冲（重点） 2 T 2 T s E t 2 0 2 )( T t T tE tS s 图图4.2-1 矩形脉冲波形示意图矩形脉冲

42、波形示意图 时域特性时域特性 4.2.14.2.1数字基带信号常见波型数字基带信号常见波型 第5章 数字基带传输50 TE s T 4 T 2 T 2 T 4 频带宽度 T 1 B 图图4.2-2 矩形脉冲频谱图矩形脉冲频谱图 q第一个过零点第一个过零点 2 T q频带宽度频带宽度 1 Bf 2T 4.2.14.2.1数字基带信号常见波型数字基带信号常见波型 第5章 数字基带传输51 4.2.2 4.2.2 数字基带信号常见码型数字基带信号常见码型 数字基带信号常见码型有：数字基带信号常见码型有： 单极性不归零码（单极性不归零码（NRZNRZ） 双极性不归零码双极性不归零码 单极性归零码（单极

43、性归零码（RZRZ） 双极性归零码双极性归零码 差分码差分码 多进制脉冲多进制脉冲 第5章 数字基带传输52 1 1、 单极性不归零码（单极性不归零码（NRZNRZ） q “1”码码 q “0”码码 有信号，用正电平表示有信号，用正电平表示 无信号，用零电平表示无信号，用零电平表示 4.2.2 4.2.2 数字基带信号常见码型数字基带信号常见码型 （1）编码规则）编码规则 第5章 数字基带传输53 二进制信号二进制信号 1 1 0 0 0 10 1 0 1 +E 图图4.2-3 NRZ波形示意图波形示意图 0 判决电平判决电平 0.5E （2）单极性不归零码单极性不归零码波形波形 4.2.2

44、4.2.2 数字基带信号常见码型数字基带信号常见码型 第5章 数字基带传输54 q 极性单一极性单一 q 有直流分量有直流分量（波形的电平平均值不为（波形的电平平均值不为0 0） q 脉冲之间无间隔脉冲之间无间隔( (脉冲宽度脉冲宽度= =码元宽度）码元宽度） q 判决电平为判决电平为0.5E0.5E （5）单极性不归零码的特点）单极性不归零码的特点: 4.2.2 4.2.2 数字基带信号常见码型数字基带信号常见码型 第5章 数字基带传输55 q “1”码码 q “0”码码 用正电平表示用正电平表示 用负电平表示用负电平表示 2 2、 双极性不归零码双极性不归零码 （1）编码规则）编码规则 4

45、.2.2 4.2.2 数字基带信号常见码型数字基带信号常见码型 第5章 数字基带传输56 1 10 0 0 10 1 0 1 +E -E 二进制信号二进制信号 图图4.2-4 双极性不归零码波形示意图双极性不归零码波形示意图 判决电平判决电平 0 （2）双极性不归零码双极性不归零码波形波形 4.2.2 4.2.2 数字基带信号常见码型数字基带信号常见码型 第5章 数字基带传输57 q 无直流分量无直流分量 q 脉冲之间无间隔脉冲之间无间隔 q 信号的判决电平为信号的判决电平为 0 0 q 抗干扰能力较强抗干扰能力较强 （5）双极性不归零码的特点）双极性不归零码的特点: 4.2.2 4.2.2

46、数字基带信号常见码型数字基带信号常见码型 第5章 数字基带传输58 5 5、 单极性归零码单极性归零码 q “1”码码 q “0”码码 前半个前半个T/2T/2内用正电平表示，后半内用正电平表示，后半 周期回归至零周期回归至零 用零电平表示用零电平表示 脉冲宽度比码元宽度窄，每个正脉冲都会回脉冲宽度比码元宽度窄，每个正脉冲都会回 到零电位。例如：到零电位。例如： （1）编码规则）编码规则 4.2.2 4.2.2 数字基带信号常见码型数字基带信号常见码型 第5章 数字基带传输59 1 1 0 0 0 10 1 0 1 +E 二进制信号二进制信号 图图4.2-5 单极性归零码波形示意图单极性归零码

47、波形示意图 0 （2）单）单极性归零码极性归零码波形波形 4.2.2 4.2.2 数字基带信号常见码型数字基带信号常见码型 第5章 数字基带传输60 q 码元间隔明显码元间隔明显: :有利于同步时钟提取有利于同步时钟提取 q 脉冲窄脉冲窄: :有利于减少码元间波形干扰有利于减少码元间波形干扰 q 码元能量小、抗干扰能力差码元能量小、抗干扰能力差 （5）单极性归零码的特点）单极性归零码的特点: 4.2.2 4.2.2 数字基带信号常见码型数字基带信号常见码型 第5章 数字基带传输61 q “1”码码 q “0”码码 前半个前半个T/2T/2内用正电平表示，后半内用正电平表示，后半 周期回归至零周

48、期回归至零 前半个前半个T/2T/2内用负电平表示，后半内用负电平表示，后半 周期回归至零周期回归至零 “1”码用正电平，码用正电平，“0”码用负电平表示，脉冲宽码用负电平表示，脉冲宽 度比码元宽度窄，每个脉冲都回到零电位。例度比码元宽度窄，每个脉冲都回到零电位。例 如：如： 4 4、 双极性归零码双极性归零码 （1）编码规则）编码规则 4.2.2 4.2.2 数字基带信号常见码型数字基带信号常见码型 第5章 数字基带传输62 -E 二进制信号二进制信号 11000 10 101 E 图图4.2-6 双极性归零码波形示意图双极性归零码波形示意图 （2）双）双极性归零码极性归零码波形波形 4.2

49、.2 4.2.2 数字基带信号常见码型数字基带信号常见码型 第5章 数字基带传输63 q 双极性归零码除了具有双极性不归零波形双极性归零码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。的特点外，还有利于同步脉冲的提取。 （5 5）双极性归零码的特点：）双极性归零码的特点： 4.2.2 4.2.2 数字基带信号常见码型数字基带信号常见码型 第5章 数字基带传输64 差分波形差分波形是以相邻脉冲电平的相对变化来表示代是以相邻脉冲电平的相对变化来表示代 码，因此称它为相对码波形，而相应地称前面的码，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。例如：单极性或双

50、极性波形为绝对码波形。例如： 5 5、 差分码（相对脉冲码）差分码（相对脉冲码） “1 1”码码 “0 0”码码 电平跳变电平跳变 电平不变电平不变 绝对码绝对码 （1）编码规则）编码规则 4.2.2 4.2.2 数字基带信号常见码型数字基带信号常见码型 第5章 数字基带传输65 绝对二进制码：绝对二进制码：1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 图图4.2-7 相对码脉冲波形示意图相对码脉冲波形示意图 -E +E （2）差分）差分码码波形波形 4.2.2 4.2.2 数字基带信号常见码型数字基带信号常见码型 第5章 数字基带传输66 an:输入码输入码差分码差分码 nnn1bab 图图4.2

51、-8 绝对码与相对码之间的变换原理绝对码与相对码之间的变换原理 an T延迟延迟 bn b 1n 编码编码 abb n1nn bn T延迟延迟 cn b 1n 解码解码abbc n1nnn （5）差分码的生成）差分码的生成 4.2.2 4.2.2 数字基带信号常见码型数字基带信号常见码型 第5章 数字基带传输67 输入码输入码an: 1 1 1 0 0 1 0 1 0 1 差分码差分码bn: 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 （0） cn: 1 1 1 0 0 1 0 1 0 1 bn波形波形: 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 图图4.2-9 相对码脉冲波形示意图相对码脉冲波形示

52、意图 4.2.2 4.2.2 数字基带信号常见码型数字基带信号常见码型 第5章 数字基带传输68 q 用差分波形传送代码可以消除设备初始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状态的影响，特别是在相位调制系统中用 于解决于解决载波相位模糊载波相位模糊问题。问题。 （4）差分码的应用）差分码的应用 4.2.2 4.2.2 数字基带信号常见码型数字基带信号常见码型 第5章 数字基带传输69 脉冲波形的取值不是两值或三值，而是多值的。脉冲波形的取值不是两值或三值，而是多值的。 每种脉冲值代表每种脉冲值代表N N位二元代码。位二元代码。 例如例如4 4进制电平脉冲，码元

53、有进制电平脉冲，码元有0 0，1 1，2 2，5 5。每。每 种值代表种值代表N=logN=log2 2M=logM=log2 24=24=2位二元码。位二元码。+5E+5E对应对应 0000，+E+E对应对应0101， -E-E对应对应1010， -5E-5E对应对应1111。 6 6、 多电平波形（多进制脉冲波形）多电平波形（多进制脉冲波形） （1）编码规则）编码规则 4.2.2 4.2.2 数字基带信号常见码型数字基带信号常见码型 第5章 数字基带传输70 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 -5E -E +E +5E 图图4.2-10 4进值脉冲波形示意图进值脉冲波形示意图 （2）

54、多电平波形示意）多电平波形示意 4.2.2 4.2.2 数字基带信号常见码型数字基带信号常见码型 第5章 数字基带传输71 q 携带信息量大：携带信息量大：适合于高数据速率传输系统适合于高数据速率传输系统 q 提高了系统的频带利用率：提高了系统的频带利用率：M M元码传输所需信元码传输所需信 道频带降为二元码的道频带降为二元码的1/n1/n倍倍, ,频带利用率提高为频带利用率提高为n n 倍。倍。(n=log2M)(n=log2M) q 抗干扰能力差：抗干扰能力差：信息能量相同的情况下，抗信息能量相同的情况下，抗 干扰能力比二进制差。干扰能力比二进制差。 （5）多进制脉冲波形特点：）多进制脉冲

55、波形特点： 4.2.2 4.2.2 数字基带信号常见码型数字基带信号常见码型 第5章 数字基带传输72 q 对代码的要求对代码的要求，原始消息代码必须编成适合，原始消息代码必须编成适合 于传输用的码型；于传输用的码型； q 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，电波形应适合于 基带系统的传输。基带系统的传输。 q 前者属于传输码型的选择，后者是基带脉冲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。的选择。这是两个既独立又有联系的问题。 一、对传输用的基带信号主要要求：一、对传输用的基带信号主要要求： 4.2.3 4.2.3 常用的基带传输

56、码型常用的基带传输码型 第5章 数字基带传输73 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。 q 单极性基带波形单极性基带波形含有直流分量和较丰富低频分量就含有直流分量和较丰富低频分量就 不适宜在低频传输特性差的信道中传输，因为它有可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。能造成信号严重畸变。 q 当消息代码中包含长串的连续当消息代码中包含长串的连续“1 1”或或“0 0”符号时，符号时， 非归零波形呈现出连续的固定电平，因而无法获取定非归零波形呈现出连续的固定电平，因而无法获取

57、定 时信息。时信息。 q 单极性归零码在传送连单极性归零码在传送连“0 0”时，存在同样的问题。时，存在同样的问题。 4.2.3 4.2.3 常用的基带传输码型常用的基带传输码型 第5章 数字基带传输74 q相应的基带信号相应的基带信号无直流分量无直流分量，且低频分量少；，且低频分量少； q便于从信号中提取便于从信号中提取定时信息定时信息； q信号中信号中高频分量尽量少高频分量尽量少，以节省传输频带并减少码间，以节省传输频带并减少码间 串扰；串扰； q能适应于信息源的变化能适应于信息源的变化即不受信息源统计特性的影即不受信息源统计特性的影 响，；响，； q具有内在的具有内在的检错能力检错能力，

58、传输码型应具有一定规律性，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；以便利用这一规律性进行宏观监测； q编译码设备要尽可能简单编译码设备要尽可能简单。 4.2.3 4.2.3 常用的基带传输码型常用的基带传输码型 二、传输码的主要特征：二、传输码的主要特征： 第5章 数字基带传输75 q极性交替码（极性交替码（AMI码）码） q三阶高密度双极性码（三阶高密度双极性码（HDB3码）码） qnBmB码码 q曼彻斯特（曼彻斯特（Manchester）码（双相码）码（双相码） q信号反转码（信号反转码（CMI码）码） 三、常用传输码型三、常用传输码型 4.2.3 4.2.3 常用的基

59、带传输码型常用的基带传输码型 第5章 数字基带传输76 AMI码编码规则是将二进制消息代码码编码规则是将二进制消息代码“1”(传传 号号)交替地变换为传输码的交替地变换为传输码的“+1”和和“-1”，而，而 “0”(空号空号)保持不变。保持不变。 1、 AMI码（传号交替反转码）码（传号交替反转码） 4.2.3 4.2.3 常用的基带传输码型常用的基带传输码型 （1）编码规则）编码规则 第5章 数字基带传输77 波形波形 消息代码消息代码an: 1 1 1 0 0 1 0 1 0 1 AMI码：码： +1 1 +1 0 0 1 0 +1 0 1 AMI码对应的基带信号是正负极性交替的归零脉冲码

60、对应的基带信号是正负极性交替的归零脉冲 序列，而序列，而0电位持不变的规律。电位持不变的规律。 4.2.3 4.2.3 常用的基带传输码型常用的基带传输码型 （2）AMI码波形码波形 第5章 数字基带传输78 q由于由于+1与与-1交替，交替，AMI码的功率谱中不含直流码的功率谱中不含直流 成分，高、低频分量少。成分，高、低频分量少。 qAMI码的编译码电路简单，便于利用传号极性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。交替规律观察误码情况。 优点：优点： 不足：不足： q当原信码出现连当原信码出现连“0”串时，信号的电平长时串时，信号的电平长时 间不跳变，造成提取定时信号的