通信原理第五章

第五章数字基带传输系统

引言——意义、系统构成、各部分作用

数字基带信号及其频谱特性

基带传输的常用码型

基带脉冲传输与码间干扰

无码间干扰的基带传输特性

部分响应系统

数字基带传输系统的抗噪性能

眼图

5.1 引言

1、数字通信系统较模拟通信系统优越。主要表现为：

（1）抗噪声性能好，可消除噪声的积累、可采用信道编码降低误码率，提高通信质量；（2）便于处理、存储、交换；

（3）便于加密，便于和计算机等连接，综合传递各种消息，使通信系统功能增强。

缺点：占用的频带比较宽

数字信号的产生

?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；

?也可以是来自模拟信号经数字化处理后得到的信号，如PCM码组或时分复用得到的数字序列，还可以是多进制数字序列等等都是数字信号。

?这些信号往往包含丰富的低频分量，甚至直流分量，因而称之为数字基带信号。2、数字通信系统有两种传输方式

?基带传输：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，数字基带信号可以直接传输，称之为数字基带传输。

?频带传输（调制传输）：而大多数信道，如各种无线信道和光信道，则是带通型的，数字基带信号必须经过载波调制，把频谱搬移到高载波处才能在信道中传输，把这种传输称为数字频带（调制或载波）传输。

3、研究基带传输意义

?在频带传输系统中仍然存在基带传输的问题，基带传输的许多问题也是频带传输需要考虑的问题。

?从广义信道来看，数字频带传输系统也可看成一个基带传输系统。

数字基带传输系统的基本结构

数字基带传输系统各部分的作用

?信道信号形成器：基带传输系统的输入的脉冲序列往往不适合直接送到信道中传输。信道信号形成器的作用就是把原始基带信号变换成适合于信道传输的基带信号，这种变换主要是通过码型变换和波形变换来实现的，其目的是与信道匹配，便于传输，减小码间串扰，利于同步提取和抽样判决。

?信道：是允许基带信号通过的媒质，通常为有线信道，如市话电缆、架空明线等。

信道的传输特性一般不满足无失真传输条件，因此会引起传输波形的失真。另外信道还会引入噪声n(t)，并假设它是均值为零的高斯白噪声。

?接收滤波器：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决。

?抽样判决器：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。

数字基带系统各点波形示意图

5.2数字基带信号及其频谱特性

一、数字基带信号

数字基带信号是指消息代码的电表示形式，它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（以下简称为基带信号）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。最常用的是矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成和变换，下面就以矩形脉冲为例介绍几种最常用的基带信号码波形。

几种最基本的基带信号码波形

1、单极性不归零码波形

2、双极性不归零码波形

3、单极性归零码波形

4、双极性归零码波形

5、差分码波形

6、多电平码波形（多元码）

1、单极性不归零码波形（NRZ）

在一个码元时间内，要么有电压（流），要么无电压（流），极性单一。

?优点：因为一般的终端设备接地，所以输出单极性码最为简单、方便。

?缺点：单极性码含有直流成分，不利于信道传输；抗噪性能差；不能提取位同步信号。

?用途：一般只适于在短距离传输（如印刷电路板内或相近印刷电路板间）。

2、双极性不归零码波形（BNRZ）

?在一个码元时间内，要么电压（流）为正，要么电压（流）为负，为双极性波形。

?优点：当0、1符号等概出现时，它将无直流成分；接收双极性码时判决电平为0，稳定不变，抗噪性能好。

?缺点：不能直接从双极性不归零码中提取位同步信号。

?用途：常用于CCITT的V系列接口标准。

3、单极性归零码波形（RZ）

?其有电脉冲的宽度小于一个码元宽度的单极性码，即每个脉冲都回到零电位。

?优点：可以直接提取同步信号。

?缺点：含直流成份。

?用途：常用于近距离内实行波形变换用，是其他码型提取同步信号的一个过渡码型。

4、双极性归零码波形（BRZ）

?其有电脉冲的宽度小于一个码元宽度的双极性码，即正、负脉冲都归零。

?优点：无直流成分，可以提取同步信号，因而得到比较广泛的应用。

5、差分码波形

它把二进制脉冲序列中的1、0反映在相邻信号码元的相对极性变化上。若相邻码元极性变化表示1、而极性不变表示0，也称相对码，它常用于相位调制系统中的码变换器中使用。

6、多电平码波形多元码

?采用多进制代码时，一个码元宽度可以对应多个二进制符号。在高速数据速率传输系统中常采用这种码型。

?优点：效率高

二、数字基带信号的频谱特性

?研究基带信号的频谱结构是十分必要的，通过频谱分析，我们可以了解信号需要占据的频带宽度，所包含的频谱分量中，有无直流分量，有无定时分量等。这样，我们才能针对信号谱的特点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。

?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。

1、随机脉冲序列示意波形

?设二进制的随机脉冲序列如图所示，其中，假设g1(t)表示“0”码，g2(t)表示“1”码。

g1(t)和g2(t)在实际中可以是任意的脉冲，但为了便于在图上区分，这里我们把g1(t)画成宽度为Ts的方波，把g2(t)画成宽度为Ts的三角波。

? 现在假设序列中任一码元时间Ts 内g1(t)和g2(t)出现的概率分别为P 和（1-P ），且

认为它们的出现是统计独立的，则s(t)表示为

)()(t s t s n n ∑∞

-∞==

2、s(t)的功率谱密度Ps(f)

结 论

随机脉冲序列的功率谱密度可能包含连续谱和离散谱。

? 对于连续谱而言，由于代表数字信息的g1(t)和g2(t)不能完全相同，

故 ,因而连续谱总是存在的，连续谱用于确定带宽；

? 而离散谱是否存在，取决于g1(t)和g2(t)的波形及其出现的概率P ，离散谱用于确定

是否存在直流成份和定时成份。

二进制基带信号的功率谱密度

? 随机序列的带宽取决于连续谱，实际由单个码元的频谱函数G(f)决定，该频谱的第

一个零点在f=fs.

? 因此单极性不归零信号的带宽为B=fs,因为fs=1/Ts ，故也可写成B=RB

? 单极性半占空归零信号的带宽为B=2fs ，即B=2RB

? 双极性码，功率谱连续部分确定的带宽与单极性结果相同，但无离散谱。

分析以上两例可以看出

（1）随机序列的带宽主要依赖单个码元波形的频谱函数G1(f) 或G2(f)，两者之中应取较大带宽的一个作为数字序列带宽。时间波形的占空比越小，频带越宽。通常以谱的第一个零点作为矩形脉冲的近似带宽，它等于脉宽τ的倒数，即τ/1=B 。可知，不归零脉冲的Ts =τ 则B=fs ；50% 占空比归零脉冲的 则s f B 21

==τ。其中fs=1/Ts ，位定时信号的频率，在数值上与码速率RB 相等。

(2)单极性基带信号是否存在离散线谱取决于矩形脉冲的占空比，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，要进行波形变换。

0、1等概的双极性信号没有离散谱，也就是说无直流分量和定时分量。

说明

综上分析，研究随机脉冲序列的功率谱是十分有意义的，一方面我们可以根据它的连续谱来确定序列的带宽，另一方面根据它的离散谱是否存在这一特点，使我们明确能否从脉冲序列中直接提取定时分量，以及采用怎样的方法可以从基带脉冲序列中获得所需的离散分量。这一点，在研究位同步、载波同步等问题时将是十分重要的。

以上的分析方法中，没有限定g1(t)和g2(t)的波形，因此功率谱结果不仅适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。由式很容易得到二进制幅度键控（ASK）、相位键控（PSK）和移频键控（FSK）的功率谱。