第五章数字基带传输系统

1、 重庆工程学院教案课程名称： 数字通信技术 课程代码： 201303011 任课教师： 张洪梅 授课班级： 1301001、1303201 授课时间： 20142015学年第1学期 重庆工程学院教案周课次第9周 第18次课学时2学时教学地点第六教学楼113教学任务名称数字基带信号教学目标【含知识、技能、素养目标】掌握数字基带信号的基本概念教学条件多媒体教学教学重点数字基带信号概念教学难点数字基带信号概念主要教学环节、方法及内容设计时间（分）一、从基带和频带的对比中引入基带的概念 基带信号是未经过调制的信号，所以它传输的距离比频带传输的距离短。同时存在很多干扰，它通过少量低通带通滤波器。基带信号

2、未经过调制，所以实现起来电路简单，便于实现。二、数字基带信号的常用码型 数字基带信号都是用携带信息的电脉冲来表示的。表示单个数字信息或码元的电脉冲形状称为波形，如矩形波、三角波、升余弦波等。表示数字信息序列或码元序列的电脉冲格式称为码型，如单极性归零码、双极性非归零码等。在有线信道中传输的基带信号又称为线路传输码型，即传输码。 为了适应信道传输特性和恢复数字信号的需要，数字基带信号应具有下列主要特性： （1）能从其相应的基带信号中获取定时信息。 （2）相应的基带信号无直流成分，并只有很小的低频成分。 （3）不受信息源统计特性的影响，即能够适应信息源的变化。 （4）尽可能地提高传输码型的传输效率

3、。 （5）具有内在的检错能力，等等。数字基带信号的常见码型：单极性非归零码、双极性非归零码、单极性归零码、双极性归零码、差分码等。 三、常用码型1单极性非归零（NRZ）码为单极性非归零码实例，它是一种最简单的码型，分别用占满一个码元周期的正电平（或负电平）和零电平来表示“1”和“0”。在表示一个码元时，电压均无需回到零，故称为非归零码。接收端对这种电平的判决是由识别电路来完成的，识别电路由限幅整形器和抽样判决器组成。限幅整形器是把接收信号整理成“近似的方波”，即把低于限幅门限的信号变成零电平，而把高于限幅门限的信号变成有电脉冲。显然，最佳门限电平应选择为脉冲幅度的一半。缺点：在信号随信道特性变

4、化时，难以保持最佳门限；在输入为连“1”或连“0”码时，难以提取位同步信息。 2双极性非归零（NRZ）码双极性NRZ码中，“1”和“0”分别对应正、负电平，如图3-1b）。 双极性NRZ码现已在高速网络技术中得到了应用，以前则有时作为线路码使用。这是因为双极性NRZ码可以在无接地的传输线路上传输；而且当“1”和“0”等概率出现时，码流中无直流分量。但当“1”和“0”出现概率不等时，仍含有直流分量；双极性NRZ码中仍不能直接提取同步信息。3单极性归零（RZ）码图3-1c）为单极性归零码实例。这种码型用宽度不占满一个码元周期的正脉冲（或负脉冲）表示“1”，用零电平表示“0”，即每个脉冲在码元周期内

5、总要回归到零电平。它同样存在判决门限不易保持最佳，以及在输入连“1”或连“0”时，难以提取位同步信息的缺点，而且它所占用的信道带宽比单极性非归零码要宽。 占空比指的是脉冲宽度与码元宽度Tb之比/Tb。单极性RZ码的占空比为50。4双极性归零（RZ）码双极性归零码的构成原理与单极性归零码相同，如图3-1d）。每一个码元被分成两个相等的间隔，“1”码是在前一个间隔为正电平而后一个间隔回到零电平，而“0”码则是在前一个间隔内为负电平而后一个间隔回到零电平。 双极性RZ码的优点：发送端不必按固定频率发送信号，而接收端也不必提取同步信息。因为双极性RZ码在传输线上分别用正脉冲和负脉冲表示，且相邻脉冲间必

6、有零电平区域存在，因此，在接收端根据接收波形归于零电平便可知道1比特信息已接收完毕，从而为下一比特信息的接收做了准备，所以在发送端不必按固定频率发送信号。相当于正负脉冲前沿起启动信号的作用，后沿起终止信号的作用，故能够经常保持正确的比特同步，5差分码差分码利用前后码元电平的相对极性来传送信息，是一种相对码。差分码分为“0”差分码和“1”差分码两种码型。“0”差分码是利用相邻前后码元电平极性改变来表示“0”，不变表示“1”。“1”差分码则与“0”差分码的规定相反，如图3-1e）。对于差分码，即使接收端收到的码元极性与发送端完全相反，也能正确地进行判决。6. 曼彻斯特码每一个码元被分成高电平和低电

7、平两部分，前一半代表码元的值，后一半是前一半的补码。例如，图中的1码，前半个码是高电平，后半个码元是低电平，0码则反之。 从这个波形中可以看到，无论信码如何分布，其高、低电平的延续时间最长不会超过一个码元长度，因此很适合从这个信号中提取码元同步信号。这种码常被用作数字信令码。 教学小结：数字基带信号基本概念。作业布置：教学后记重庆工程学院教案周课次第10周 第19次课学时2学时教学地点第六教学楼113教学任务名称数字基带传输系统的基本组成教学目标【含知识、技能、素养目标】了解数字基带传输系统的基本组成教学条件多媒体教学教学重点数字基带传输系统的基本组成教学难点数字基带传输系统的基本组成主要教学

8、环节、方法及内容设计时间（分）一、数字基带传输系统的基本组成1数字基带系统组成框图 数字基带传输系统组成：脉冲形成器、发送滤波器、信道、接收滤波器、位同步提取电路、抽样判决器与码元再生电路等，如图3-6a）。 图3-6b）为数字基带传输系统的简化图，系统传输函数H() 的表达式为： H()= GT() GR() C() 设h(t)为H()的傅氏反变换，则h(t)也是系统的冲激响应2数字基带系统各部分功能（1） 脉冲形成器 数字基带传输系统的输入通常是由电传机、计算机等终端设备送来的二进制脉冲序列，也可以是信源编码器、加密器或信道编码器输出的二进制（或多进制）脉冲序列，如图3-6中的符号集dk。

9、一般用fb表示其码元速率，Tb1/fb为码元宽度。二进制基带信号脉冲一般是用正电平A表示“1”码、0电平表示“0”码的单极性非归零码，如图3-7a）（参看教材，下同）。由前述讨论得知，单极性代码含有直流成分，不适合在基带信道中直接传输。脉冲形成器的作用之一就是将输入的脉冲序列dk变换成比较适合在给定基带信道中传输的相应码型，如图3-7b）的双极性码，故脉冲形成器又称为码型变换器。脉冲形成器的作用之二是在进行码型变换的同时，提供位同步定时信息，以便接收端能够及时获取该定时信息，保持收发双方同步工作。 （2） 发送滤波器脉冲形成器输出的各种码型信号d(t)，多半都是以矩形脉冲为基础的，由于矩形脉冲

10、边沿陡峭，因而含有丰富的高频分量，使得信号d(t)占用频带较宽，若直接送入频带受限的信道中传输，容易使信号产生失真。因此，要利用发送滤波器对脉冲形成器输出的矩形脉冲进行平滑滤波（即低通滤波），以得到上升沿和下降沿比较平滑的脉冲波形，如图3-7c）所示的gT(t)波形，以减少信号在信道传输时的失真。（3） 信道 基带传输系统的信道通常采用电缆、架空明线等有线信道。由于信道传输特性的不理想以及噪声的影响，使波形产生失真。通常认为信道中的噪声是加性高斯白噪声。加性高斯白噪声是叠加在信号上的平均值为零、瞬时幅度取值的概率分布为高斯分布、功率谱密度均匀分布在整个频率范围内的随机噪声。（4） 接收滤波器

11、接收滤波器是接收端为了改善信道传输特性、降低噪声对信号传输的影响而设置的。它的主要作用是滤除大量带外噪声，以及与发送滤波器、信道一起形成对数字信号传输影响尽量小的传输特性H(f)，以便抽样判决器能够正确判决。图3-7d）画出了接收滤波器输出的受到信道不理想等因素影响的一种可能波形。（5） 位同步提取电路 与模拟信号的传输不同，数字信号的传输要求收发两端一定要在时间上同步工作。发送端某一时刻发出一个码元，接收端则在相应某一时刻（一般滞后一个固定时间），对收到的该码元波形进行抽样判决并再生这个码元，收发定时脉冲使收发两端协调一致，其中接收端的定时脉冲通常是由位同步提取电路从接受到的脉冲波形中获取和

12、产生的。（6） 抽样判决器和码元再生电路 抽样判决器的作用：对接收滤波器的输出信号，在规定时刻（由位定时脉冲控制）进行抽样，然后对抽样值进行判决（即与设定的判决门限比较），以确定各码元是“1”码还是“0”码。码元再生电路的作用是对判决器输出的“0”、“1”码进行码型反变换，以提供所需码型的脉冲序列。图3-7e）和图3-7f）画出了用于抽样的同步抽样冲激序列和码元再生电路的输出信号。信号传输过程中，由于实际信道特性不理想，并受到噪声和干扰的影响，接收端会出现错判而产生误码，如图3-7f）中第四个码元就将发送端的“1”码错判为“0”码了。教学小结：数字基带传输系统的基本组成作业布置：教学后记重庆工

13、程学院教案周课次第10周 第20次课学时2学时教学地点第六教学楼113教学任务名称数字基带信号的功率谱密度教学目标【含知识、技能、素养目标】了解数字基带信号的功率谱密度教学条件多媒体教学教学重点数字基带信号的功率谱密度教学难点数字基带信号的功率谱密度主要教学环节、方法及内容设计时间（分）一、数字基带信号的频谱在实际通信中，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，因此只能从统计数学的角度，用功率谱来描述它的频域特性。二进制随机脉冲序列的功率谱一般包含连续谱和离散谱两部分。连续谱总是存在，通过连续谱在频谱上的分

14、布，可以看出信号功率在频率上的分布情况，从而确定传输数字信号的带宽。离散谱却不一定存在，它与脉冲波形及出现的概率有关。而离散谱的存在与否关系到能否从脉冲序列中直接提取位定时信号，因此，离散谱的存在非常重要。如果一个二进制随机脉冲序列的功率谱中没有离散谱，则要设法变换基带信号的波形（码型）使功率谱中出现离散部分，以利于位定时信号的提取。教学小结：数字基带信号的功率谱密度作业布置：教学后记重庆工程学院教案周课次第11周 第21次课学时2学时教学地点第六教学楼113教学任务名称数字基带信号常用码型教学目标【含知识、技能、素养目标】掌握数字基带信号的常用码型教学条件多媒体教学教学重点数字基带信号的常用

15、码型教学难点数字基带信号的常用码型主要教学环节、方法及内容设计时间（分）一、上节课的总结引出这节课的主要内容二、数字基带信号的常用码型1.交替极性（AMI）码 交替极性码又称为双极方式码、平衡对称码、信号交替反转码等。AMI码是单极性方式的变形，即将单极性方式中的“0”码仍与零电平对应，而“1”码交替地变换为传输码的1、1、1、1、.，如图3-1f）所示。 AMI码实际上是用三种电平来表示二进制信号的，故又称为伪三元码。 AMI码经过全波整流变为单极性RZ码后即可提取同步信息。并具有一定的检错能力，如果接收端收到的码元极性与发送端完全相反，仍能够正确判决。码流中无直流成分，且只有很小的低频成分

16、，所以AMI码特别适合在有交流耦合的信道中传输。但当码流中出现长连“0”时，难以提取同步信息。2三阶高密度双极性（HDB3）码 为了克服AMI码的缺点而保持其优点，出现了许多改进的AMI码，HDB3码就是其中具有代表性的AMI码，也是CCITT推荐使用的码型之一。 HDB3码的全称为三阶高密度双极性码。编码原理是：先把消息代码变换成AMI码，然后去检查AMI码的连“0”串情况，当没有4个以上连“0”串时，则这时的AMI码就是HDB3码；当出现4个以上连“0”串时，则将每4个连“0”小段的第4个“0”变换成与其前一非“0”符号（1或1）同极性的符号。因为这样做有可能破坏“极性交替反转”的规律，故

17、将该符号称为破坏符号，用V符号表示（即1记为V，1记为V）。为使附加V符号后的序列不破坏“极性交替反转”造成的无直流特性，必须保证相邻V符号也为极性交替。显然，当相邻V符号之间有奇数个非“0”符号时，是能够保证无直流特性的；而当有偶数个非“0”符号时则得不到保证，这时，再将该小段的第一个“0”变换成B或B，而B符号的极性与前一非“0”符号的相反，并让后面的非“0”符号从V符号开始再交替变换，如图3-1g）。再例如： 虽然HDB3码的编码规则比较复杂，但译码比较简单。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符号在内），故从收到的符号序列中可以容易地找到破坏点V，从而断

18、定V符号及其前面的3个符号必是连“0”符号，然后恢复4个连“0”码，再将所有1变成1，最后便得到原消息代码。 HDB3码除保持了AMI码的优点外，还增加了使连“0”串减少到至多3个的优点，而不管信息源的统计特性如何。这对于同步信息的恢复十分有利。 3曼彻斯特（Manchester）码 曼彻斯特码又称为分相码或双相码。是对每个二进制代码分别利用两个具有2个不同相位的二进制新码去取代的码型。如“1”码用正、负脉冲表示，“0”码用负、正脉冲表示，如图3-1h）。 优点：无直流分量，最长连“0”、连“1”数为2，定时信息丰富，编译码电路简单。但其码元速率比输入的信码速率要高一倍。4传号反转（CMI）码

19、 传号反转码的编码规则：“1”码交替用“11”和“00”表示；“0”码用“01”表示）。 优点：无直流分量，且有频繁出现的波形跳变，便于提取同步信息，具有误码监测能力。但CMI码存在因极性反转而引起的译码错误问题。密勒（Miller）码 密勒码又称为延迟调制码，可看成是曼彻斯特码的一种变形。编码规则：“1”码用码元持续时间中心点出现跃变来表示，即用“10”或“01”来表示。“0”码分两种情况处理，对于单个“0”时，在码元持续时间内不出现电平跃变，且与相邻码元的边界处也不跃变；对于连“0”时，在两个“0”码的边界处出现电平跃变，即“00”与“11”交替，如图3-2。由图可见，若两个“1”码中间有

20、一个“0”码时，密勒码流中出现最大宽度为2Tb（Tb为码元周期）的波形，可以此特性来进行误码检测。教学小结：数字基带信号的常用码型作业布置：P102 3,4教学后记重庆工程学院教案周课次第11周 第22次课学时2学时教学地点第六教学楼113教学任务名称数字基带信号传输特性与码间干扰教学目标【含知识、技能、素养目标】了解数字基带信号传输特性与码间干扰教学条件多媒体教学教学重点数字基带信号传输特性与码间干扰教学难点数字基带信号传输特性与码间干扰主要教学环节、方法及内容设计时间（分）一、上节课的总结引出这节课的主要内容二、码间串扰的消除 从数字基带信号的传输过程来看，产生误码是因为接收端抽样判决器的

21、错误判决，而造成错误判决的主要原因是码间串扰和噪声影响。 码间串扰又称为码间干扰：指因数字基带传输系统特性不理想引起数字基带信号各码元波形失真，而使前后码元波形相互重叠，最终导致接收端抽样判决困难的现象。 一般情况下，原始数字基带信号都是矩形脉冲，它们在频域内是无限延伸的。若直接将矩形脉冲的基带信号送入信道传输，由于实际信道的频带有限，并产生衰耗和相移，传输系统接收端所得到的信号必定与发送端不同，波形产生失真。图3-8a）是一 个表示“1”码的半占空比脉冲（虚线所示脉冲为下一码元应出现的位置）；图3-8b）为“1”码脉冲经信道传输后出现在接收端的波形，其中传输信道的衰耗使接收端脉冲幅度变小。传

22、输信道的延迟特性（相移）使接收端脉冲波峰延后。传输线路的带宽有限使脉冲波形宽度加大，形成波形拖尾。其中尤以信道频带有限而产生的基带信号的频率失真是导致基带传输系统产生码间串扰的主要原因。 如果对接收端收到的失真波形直接进行抽样判决，就会出现问题。图3-8b）中，传输后波形最大值出现在t0时刻，而且波形展得很宽，有拖尾。对该码元的抽样判决时刻，应选在t=t0时刻（码元波形最大值时刻称为最佳抽样时刻），而下一个码元的判决时刻必然在t1=t0+Tb。可见，在第二个码元的抽样时刻t1，第一个码元的波形并未衰减到零，这势必会影响到第二个码元的正常判决。实际通信中，往往都是连续不停地发送码元波形，因此，接

23、收端在对某一码元抽样判决时，通常会还受到该码元前面若干个码元波形的共同影响，这种影响就是码间串扰。码间串扰的程度与抽样时刻、码元速率、基带码型和传输系统的频率特性等因素有关，码间串扰严重时将引起误码。在不考虑噪声影响时，码间串扰与误码的关系如图3-9。图中a1、a2和a3分别为前三个“1”码在t=3Tb+t0时刻（t为接收端对第四个码元的抽样判决时刻，t0是第一码元的抽样判决时刻）产生的码间串扰值； a4为第四个码（“0”码）在t=3Tbt0时刻的值。若这组码元采用双极性码（正电平表示“1”、负电平表示“0”），且判决门限为零电平，则当a1+a2a3+a4<0时，判决为“0”；反之，当a

24、1+a2a3+a4>0时，判决为“1”。因此，当a1+a2a3 >时将引起错判而产生误码。教学小结：码间串扰的消除作业布置：教学后记重庆工程学院教案周课次第12周 第23次课学时2学时教学地点第六教学楼113教学任务名称同步技术教学目标【含知识、技能、素养目标】了解同步传输和异步传输教学条件多媒体教学教学重点同步传输和异步传输教学难点异步传输主要教学环节、方法及内容设计时间（分）一、同步传输和异步传输 数据经过传输到达接收点后波形发生了变化，接收端需要有一个定时脉冲对接收到的每一个码元进行取样判决。显然，接收端的取样脉冲频率与发送端的时钟频率应该相同，等于码元速率，并且相位要适当，以便在最佳判决时刻进行判决。 接收端一般有三种方法获得码元定时脉冲： 由一个主时钟为收发双方提供码元定时脉冲，称为主时钟方式； 接收端从发送端获得码元定时脉冲，称为引导时钟方式； 接收端自行产生码元定时脉冲。 前两种方法接收端与发送端的码元定时脉冲保持同步，相应的数据传输被称为同步传输(Synchronous Transmission) ； 后一种方法接收端与发送端各自采用两个互不相关的时钟电路，不能同步，故相应的数据传输称为异步传输(Asynchron