数字信号的基带传输
通信原理 第6章_数字信号的基带传输
功率谱密度为：
T P(f) S
Sa2
fT
(S
)
S
4
2
0．6 0．4 0．25 0．2
0
2．0
单极性不归零
1．5
P= 0．5
1．0
0．5
0．4 0．8 1．2 1．6 2．0 f/fb
0
双极性不归零 P= 0．5
0．4 0．8 1．2 1．6 2．0 f/fb
0．12
0．08 0．0625
0．04
单极性归零 0．0507 半占空P= 0．5
1
Sa2 (m
)
(
f
16
2
16 m
2
mfs )
TS Sa2 (fTS ) 1 ( f ) 1 Sa2 (m ) ( f
16
2 16
16 m奇数
2
mfs )
4、双极性归零码
∵ g1(t)= Gτ(t)， g2(t)= － Gτ(t)，τ=TS /2，
∴
，G2(f)=－ G1(f)
且当信源等概 p=1/2时，单双极性归零码的
差分码或相对码（Differential encoding）： 差分码又称为相对码，特征是：不用电平的绝对值 而用电平的相对变化传0、1符号。
原始代码 1 1 0 1 0 0 1
传号差分码
“1变0不变”，
TS
空号差分码
“0变1不变”
TS
多电平波形
0 0 0 1 0 1 10 0 0 1 1 11
Ts Ts
习题6-1
设二进制符号序列为110010001110，试以 矩形脉冲为例，分别画出相应的单极性波 形，双极性波形，单极性归零波形，双极 性归零波形，二进制差分波形及八电平波 形。
数字信号的基带传输
B 2
H(ω)
0 -
ω0
0
B 2
ω
（a）低通滤波器
（b）带通滤波器
A H ( ) 0
0 B other
A H ( ) 0
B B 0 0 2 2 other
15
无失真系统是否为线性系统？
（1）是否具有齐次性？
幅度。
(4) 时隙（Slot）：一个时隙一个数据位逐个进行。 码元
5
基本概念
二、基带传输与频带传输
数字基带信号：未经调制的数字信号，它所占据的频谱是从零
频或很低频率开始的。
基带传输：将数字基带信号通过基带信道(传递函数为低通型)传
输 —— 信号频谱不搬移，直接传送。
同轴电缆，双绞线 频带信号：数字基带信号经正弦波调制的带通信号 频带传输：将数字带通信号通过带通信道传输
振幅失真：
是信号各个频率分量的振幅值随频率发生了不同变化。
由传输设备和线路引起的衰损造成的
延迟失真：
是信号各频率分量的传播速度不一致所造成的失真。
12
基本概念
三、信号通过系统 3、无失真系统
如果信号通过系统后各个频率分量的振幅和延迟改变 都是相同的，则称信号不失真。能够使信号不失真的系 统称为不失真系统。
假定通过系统前的信号为X(t)，通过系统后的信号为Y(t)，
不失真系统只能导致信号如下改变：
Y (t ) kX (t t 0 )
13
系统对信号的作用如下：
输入信号
系统
输出信号
Y ( ) X ( ) H ( )
不失真系统信号输出：
X(t )
h(t )
6-数字信号的基带传输-3
x(t)
y(t)
信道
C( ω)
n(t)
接收滤波器
+
成型网络
R( ω)
判决 {an}
S(t)
基带传输模型
数字基带传输模型
z {an}为发送滤波器的输入符号序列，二进制时符号an的取 值为0、+1、-1，此序列对应的基带信号x(t)：
∞
∑ x(t) = anδ (t − nTs ) n=−∞
z 此信号激励发送滤波器产生信号y(t)：
(3)传输二进制码元时，求信息频带利用率ηb。
解 (1)将该系统的传递函数H(f)以2f0为间隔切割，然后分段 沿f轴平移到[-f0，f0]区间内进行叠加，如图6-19(b)所示。 叠加后的传输特性为
H
(
f
)
=
⎪⎧1， f ≤ ⎪⎩⎨0 ，其它
f
0
由于叠加后的传输特性符合等效理想低通特性，所以该系
统能够实现无码间串扰的传输。
z 则接收滤波器的输出信号S(t)：
∞
∑ S(t) = ans(t − nT ) + nR (t) n=−∞
式中，s(t)与S(ω)互为傅里叶变换对；
∫ s(t) = 1 ∞ S(ω)e jωtdω
2π −∞
nR(t)为n(t)通过接收滤波器后的波形 S(t)送入抽样判决电路，进行抽样判决。
数字基带传输模型
z 抽样判决器：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。 z 同步提取：用同步提取电路从接收信号中提取定时脉冲
基带系统各点波形：
(a)
(b) (c)
(d )
(e) (f)
(g)
输入信号 t 码型变换后
第五章数字信号的基带传输
第五章 数字信号的基带传输基带传输系统频带传输系统（调制传输系统）数字基带信号：没有经过调制的原始数字信号。
（如各种二进制码PCM 码，M ∆码等）数字调制信号：数字基带信号对载波进行调制形成的带通信号。
5.1、基带信号的码型一、数字基带信号的码型设计原则：1． 对传输频带低端受限的信道，线路传输的码型的频谱中应该不含有直流分量；2．信号的抗噪声能力强；3．便于从信号中提取位定时信息；4．尽量减少基带信号频谱中的高频分量，节省传输频带、减小串扰； 5．编译码设备应尽量简单。
二、数字基带信号的常用码型。
1、单极性不归零码NRZ （Non Return Zero ）脉冲宽度τ等于码元宽度T特点：（1）有直流，零频附近的低频分量一般信道难传输。
（2）收端判决门限与信号功率有关，不方便。
（3）要求传输线一端接地。
（4）不能用滤波法直接提取位定时信号。
2、双极性非归零码（BNRZ ）T =τ，有正负电平特点：不能用滤波直接提取位定时信号。
⎩⎨⎧数字通信系统3、单极性归零码（RZ）τ<T特点：（1）可用滤波法提取位同步信号（2）NRZ的缺点都存在4、双极性归零码（BRZ）特点：（1）整流后可用滤波提取位同步信号（2）NRZ的缺点都不存在5、差分码电平跳变表1，电平不变表0 称传号差分码电平跳变表0，电平不变表1 称空号差分码特点：反映相邻代码的码元变化。
6、传号交替反转码（AMI）τ）归零码表0用零电平表示，1交替地用+1和-1半占空（T5.0=示。
优点：（1）“0”、“1”不等概时也无直流（2）零频附近低频分量小（3）整流后即为RZ码。
缺点：连0码多时，AMI整流后的RZ码连零也多，不利于提取高质量的位同步信号（位同频道抖动大）应用：μ律一、二、三次群接口码型：AMI加随机化。
7、三阶高密度双极性码()3HDBHDB3码编码步骤如下。
①取代变换：将信码中4个连0码用取代节000V或B00V代替，当两个相邻的V码中间有奇数个1码时用000V代替4个连0码，有偶数个1码时用B00V代替4个连0码。
第5章 数字信号的基带传输系统
HDB3码： －1000 －V ＋1000 ＋V －1 ＋1 －B00 －V ＋1 —1
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
一、单极性不归0二进制脉冲序列的功率谱密度数字 基带信号单个波形的频谱：
（设“1”、“0”码等概率出现，码元宽度）。
19
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20
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二、单极性归零二进制码序列的功率谱密度：
g1(t)
g2 (t )
A
Ts 2 Ts
2Ts 3Ts t
(a) 单极性归0二进制序列
6
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占空比指的是脉冲宽度τ与码元宽度Tb之比τ/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5-1d）。 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。
1
1…
AMI码： ＋100 —1 ＋1000 －1 ＋1 －1 …
第5章数字信号的基带传输
(5.2 - 23)
Pu
(
f
)
lim
N
(2N
1)P(1 P) G1( f (2N 1)Ts
)
G2
(
f
)
2
fs P(1 P) G1( f ) G2 ( f ) 2
(5.2 - 24)
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。根据连续谱可以确定随机
抽样判决器
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，位定时的准确与否将直接影响判决效 果。
(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；
m
fs )
(5.2 - 28)
(1) g(t)为单极性不归零矩形脉冲
g
(t)
1,
0,
t Ts 2
其它
G(
f
)
Ts
s
in
f
f Ts Ts
Ts Sa(
f
Ts )
m 有直流分量
m 0 : G(m fs ) TsSa(m ) 0 离散谱均为零，因而无定时信号。
g2(t＋ 4Ts) g1(t＋ 3Ts) g1(t＋ 2Ts) g2(t＋Ts)
g (t) g1 (t)
g2(t－ 2Ts)
g2(t－Ts)
(a)
－Ts O Ts
t
2
2
v(t)
(b)
－Ts －Ts O Ts Ts
数字信号的基带传输
，图
5 - 4（c）画出了
ut ut
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 ut 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。
1. V的功t 率谱密度
Pv f
由于 是以 为周期的周期信号，
另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。
设二进制的随机脉冲序列如图 5 - 4（a）所示，其中，假设
表示“0”码， 表示“1”码。 和 在实际中可以是任意的脉冲，但为了便于在
图上g1区分t ，这里我们把
g画2成宽t 度为Ts的方波，把 g1 画t 成宽度g为2 Tst的三角波。
g
t
A t
2
0 t 其它值
T 22
T
22
其频谱为：G
A
Sa
2
4 2
2 4
此双极性信号的功率谱密度为：
PS
1 TS
G 2
1 TS
A2
2
Sa2
2
A2TS 4
Sa2
TS
4
近似带宽可视为：
BS
4
TS
2 2 1 TS
TS 2
8 4
TS
TS
4 8
TS
TS
(2) 若 g t 为单极性信号，则：
数字基带信号是随机的脉冲序列，没有确定的频谱函数， 所以只能用功率谱来描述它 的频谱特性。方法有二：
1：由随机过程的相关函数去求随机 过程的功率(或能量)谱密度就是一种典型 的分析广义平稳随机过程的方法。但这 种计算方法比较复杂。
基带传输的三种调制方式
基带传输的三种调制方式在通信领域中，基带传输是指将数字信号直接传输到信道上的一种方式。
为了能够在信道上传输数字信号，需要对其进行调制处理。
基带传输的调制方式有三种：振幅调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM）。
下面将逐一介绍这三种调制方式的原理和特点。
1. 振幅调制（AM）振幅调制是将数字信号的振幅与载波的振幅进行调制，以实现信号的传输。
在振幅调制中，载波的频率和相位保持不变，只调制其振幅。
当数字信号为1时，振幅调制会使得载波的振幅增大；当数字信号为0时，振幅调制会使得载波的振幅减小。
通过这种方式，可以将数字信号转换为模拟信号，便于在信道上传输。
振幅调制的优点是实现简单，对信道的要求较低。
然而，由于调制信号是通过改变载波的振幅来传输信息的，因此容易受到噪声的干扰，信号的可靠性较低。
2. 频率调制（FM）频率调制是将数字信号的频率与载波的频率进行调制。
在频率调制中，载波的振幅和相位保持不变，只调制其频率。
当数字信号为1时，频率调制会使得载波的频率增加；当数字信号为0时，频率调制会使得载波的频率减小。
通过这种方式，可以将数字信号转换为模拟信号，便于在信道上传输。
频率调制的优点是抗干扰能力较强，信号的可靠性较高。
然而，频率调制的实现相对复杂，对信道的要求也较高。
3. 相位调制（PM）相位调制是将数字信号的相位与载波的相位进行调制。
在相位调制中，载波的振幅和频率保持不变，只调制其相位。
当数字信号为1时，相位调制会使得载波的相位发生变化；当数字信号为0时，相位调制会使得载波的相位保持不变。
通过这种方式，可以将数字信号转换为模拟信号，便于在信道上传输。
相位调制的优点是调制过程简单，对信道的要求较低。
然而，相位调制容易受到相位偏移和多径效应的影响，导致信号失真。
总结起来，振幅调制、频率调制和相位调制是基带传输中常用的调制方式。
每种调制方式都有其独特的优点和适用场景。
振幅调制简单易实现，适用于对信号可靠性要求不高的场景；频率调制抗干扰能力较强，适用于抗干扰能力要求较高的场景；相位调制实现简单，适用于对信道要求不高的场景。
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实训三数字信号的基带传输
一、实验目的
1.掌握基带信号的功率谱密度方法。
2.掌握数字基带传输系统的误码率计算。
3.理解码间干扰和信道噪声对眼图的影响。
4.理解匹配滤波器的原理。
二、实验内容
1.基带信号采用不归零矩形脉冲或升余弦滚降波形，基带信号的功率谱密度分析。
2.误码率的计算：A/σ和误码率之间的性能曲线。
3.眼图的生成。
4.匹配滤波器。
三．实验结果
1.基带信号采用矩形脉冲和根号升余弦信号波形的功率谱。
（1）二进制不归零矩形脉冲的时域波形与功率谱（对应的m 文件为rectpul.m）。
012345678910
-1
1
时间
幅度2012210178 黄亮平
-5-4-3-2-1012345
01
2
3
频率功率
双极性矩形脉冲信号的功率谱密
度（2）二进制滚降系数为1的升余弦信号的时域波形和功率谱(对应的m 文件为rcos.m)。
0102030405060708090100
-1
1
时间
幅度2012210178 黄亮平 滚降系数为1的基带信号波形
00.51 1.52 2.53 3.5
x 104
00.1
0.2
0.3
0.4
升余弦信号功率谱2、误码率的计算
随机产生10^6个二进制信息数据，采用双极性码，映射为±A。
随机产生高斯噪声(要求A/σ为0～12dB)，叠加在发送信号上，直接按判决规则进行判决，然后与原始数据进行比较，统计出错的数据量，与发送数据量相除得到误码率。
画出A/σ和误码率之间的性能曲线，并与理论误码率曲线相比较(对应的m 文件为bercompared.m)。
0246
81012
10
101010
1010
2012210178 黄亮平 误码率仿真曲线与理论曲线的比较
A/sigma b e r
3.绘制波形和眼图
（1)设基带信号波形为滚降系数为1的升余弦波形,符号周期Ts,试绘出不同滚降系数a=1,0.75,0.5,0.25时的时域脉冲波形（对应的m 文件为diffrcosa.m）。
02468101214161820
0.5
1
2012210178 黄亮平 滚降信号波形 a=1
02468101214161820
0.5
1
滚降信号波形 a=0.75
02468101214161820
0.5
1
2012210178 黄亮平 滚降信号波形 a=0.5
02468101214161820
0.5
1
滚降信号波形 a=0.25
（2）随机生成一系列二进制序列，滚降系数a=1，画出多个信号的升余弦波形（对应的m 文件为multicossignals.m）。
0102030405060708090100
-1.5-1
-0.5
0.5
1
1.5
时间幅度2012210178 黄亮平 滚降系数为1的基带信号波形
0102030405060708090100
-1.5-1
-0.5
0.5
1
1.5时间幅度2012210178 黄亮平 滚降系数为1的基带信号波形
0102030405060708090100
-1.5-1
-0.5
0.5
1
1.5时间幅度2012210178 黄亮平 滚降系数为1的基带信号波形
(3)通过高斯白噪声信道,选择a=1的升余弦波形,分别绘制出无噪声干扰以及信噪比为30,20,10,0dB 时的眼图（对应的m 文件为eyes.m）。
<1>无噪声干扰时的眼图：
-2-1.5-1-0.50
0.51 1.52
-1.5-1
-0.5
0.5
1
1.5Time A m p l i t u d e 2012210178 黄亮平 无噪声时的眼图
<2>SNR=30dB 时的眼图：
-2-1.5-1-0.50
0.51 1.52
-1.5-1
-0.5
0.5
1
1.5Time A m p l i t u d e 2012210178 黄亮平 SNR=30dB 的眼图
<3>SNR=20dB 时的眼图：
-2-1.5-1-0.50
0.51 1.52
-1.5-1
-0.5
0.5
1
1.5Time A m p l i t u d e <4>SNR=10dB 时的眼图：
-2-1.5-1-0.50
0.51 1.52-2.5-2
-1.5
-1
-0.5
00.51
1.5
2
2.5
Time A m p l i t u d e 2012210178 黄亮平 SNR=10dB 的眼图
<5>SNR=0dB 时的眼图：
-2-1.5-1-0.50
0.51 1.52
-6
-4
-2
2
4
6
Time A m p l i t u d e 四．实验中遇到的问题
1.编程过程中基带信号的功率谱密度只能显示正频部分，后来利用频谱的对称性将频谱反折得到双边功率谱密度。
2.绘制理论误码率曲线时公式推导不正确，导致最后仿真曲线与理论曲线相差较大。
3.本次实验编程过程中计算功率谱密度及误码率均需要运用for 循环，由于对MATLAB 中循环语句的误解，导致编程时思路中断，不时出现语法错误。