通信原理—数字基带传输系统解析
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通信原理-数字基带传输系统
数字基带信号的表示式：表示信息码元的单个脉冲 的波形并非一定是矩形的。
若表示各码元的波形相同而电平取值不同，则 数字基带信号可表示为：
s(t) an g(t nTs ) n
式中，an － 第n个码元所对应的电平值 Ts － 码元持续时间
g(t) －某种脉冲波形
一般情况下，数字基带信号可表示为一随机脉冲序
5
第6章 数字基带传输系统
差分波形：用相邻码元的电平的跳变和不变来表示消息代码 ， 图中，以电平跳变表示“1”，以电平不变表示“0”。它也称 相对码波形。用差分波形传送代码可以消除设备初始状态的 影响。
多电平波形：可以提高频带利用率。图中给出了一个四电平 波形2B1Q。
6
第6章 数字基带传输系统
通信原理
第6章 数字基带传输系统
1
第6章 数字基带传输系统
概述
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。
数字基带传输系统 －不经载波调制而直接传输数字基 带信号的系统，常用于传输距离不太远的情况下。
数字带通传输系统 －包括调制和解调过程的传输系统 研究数字基带传输系统的原因：
4
第6章 数字基带传输系统
单极性归零(RZ)波形：信号电压在一个码元终止时刻前总要 回到零电平。通常，归零波形使用半占空码，即占空比为 50%。从单极性RZ波形可以直接提取定时信息 。 与归零波形相对应，上面的单极性波形和双极性波形属 于非归零(NRZ)波形，其占空比等于100％。
双极性归零波形：兼有双极性和归零波形的特点。使得接收 端很容易识别出每个码元的起止时刻，便于同步。
s(t) sn (t) n
式中
sn
(t)
g1(t nTS ) , g（2 t nTS），
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。
通信原理(第六章 数字基带传输系统)图片公式
七、什么是眼图？眼图模型、说明什么问题？
八、时域均衡：基本原理、解决什么问题？如何衡量均 衡效果？
一、数字基带系统和频带系统结构
一、数字基带信号(电波形)及其频谱特性(1)
二元码：幅度取值只有两种“1”、“0”或“1”、 “-1”
单极性非归零码：用高低电平分别表示“1”和“0”， 如图6-1(a) 。一般用于近距离之间的信号传输 双极性非归零码：用正负电平分别表示“1”和“0”， 如图6-1(b)。应用广泛，适应于在有线和电缆信道中 传输。 单极性归零码：有电脉冲宽度比码元宽度窄，每个脉 冲都回到零电位。如图6-1(c)。利于减小码元间波形 的干扰和同步时钟提取。但码元能量小，匹配接收时 输出信噪比低些
二、基带传输码的常用码型（4）
HDB3特点：保持AMI码的优点，三元码，无直流分量，主 要功率集中在码速率fb的1/2出附近（如图）。 位定时频率分量为零，通过极性交替规律得到检错能力。 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。
对于定时信号的恢复 是十分有利的。广泛应 用于基带传输与接口码。
Pv (w) = 2p å
¥ m =-
Cn d (w - mws )
2
Pv ( f ) = å
2
Cn d ( f - mf s )
2
故稳态波的双边功率谱密度
Pv ( f ) = å
¥ m =-
f s [ PG1 (mf s ) + (1 - P)G2 (mf s )] ? d ( f
mf s )..(6.1 - 14)
代入(6.1-26)得单极性非归零波形的双边功率谱密度
Ps (w) = Ts 2 1 Sa (p fTs ) + d ( f )..(6.1 - 30) 4 4
数字基带传输系统PPT课件(通信原理)
,最高频带利
设系统频带为W (赫), 则该系统无码间 干扰时的最高传输速率为2W (波特)
21
当H(ω)的定义区间超过
时,满足
奈奎斯特第一准则的H(ω)不只有单一的解.
22
将
圆滑处理(滚降),只要
对W1呈奇对称,则 一准则.
满足奈奎斯特第
滚降因数
23
按余弦滚降的 表示为
当α=1时, 带宽比α=0加宽一倍, 此时,频带利用率为1B/Hz 24
译码:V是表示破坏极性交替规律的传号,V是破坏点,译码时,找 到破坏点,断定V及前3个符号必是连0符号,从而恢复4个连0码, 再将-1变成+1,便得到消息代码.
13
5.3 基带脉冲传输与码间干扰
基带系统模型
d(t)
GT（ω）
C（ω） s(t)
发送滤波器 传输信道
发送滤波器输入
r(t)
+ GR（ω）
破坏极性交替
AMI码含有冗余信息，
规律
具有检错能力。
缺点 与信源统计特性有关，功率谱形状 随传号率（出现“1”的概率）而变化。
出现连“0”时，长时间不出现电平 跳变，定时提取困难。
11
归一化功率谱
P=0.5 P=0.4
HDB3 AMI
1
fT
能量集中在频率为1/2码速处,位定时频率(即码速频率)分量 为0,但只要将基带信号经全波整流变为二元归零码,即可得 12 位定时信号.
第k个接收 基本波形
17
码间干扰
随机干扰
5.4 无码间干扰的基带传输特性
基带传输特性
识别
h(t) 为系统
的冲激响应
18
当无码间干扰时, 对h(t)在kTs抽样,有:
通信原理第4章 数字基带传输
其功率谱示意图如图（b）中实线所示。
2020/1/25
第4章 数字基带传输
16
4.3 数字基带传输系统及码间干扰
数字基带传输系统模化为
其中
d(t) bk (t kTs )
k
H( f ) HT ( f )HC ( f )HR ( f )
h(t) F 1[H ( f )] H ( f )e j2 ft df
14
4.2 数字基带信号的功率谱分析
【例4-2】试分析下图a）所示双极性全占空矩形脉冲序列 的功率谱。设“１”、“0”等概。
2020/1/25
第4章 数字基带传输
15
4.2 数字基带信号的功率谱分析
AMI码数字基带信号如下图（a）所示，“1”、“0”等 概，则其功率谱表达式为 P( f ) A2Ts Sa2 ( fTs ) sin2 ( fTs )
y(t) bk h(t kTs ) nR (t) k
研究表明，影响系统正确接收的 因素有两个： ① 码间干扰（Inter-Symbol
Interference—ISI）
② 信道中的噪声
2020/1/25
第4章 数字基带传输
17
4.3 数字基带传输系统及码间干扰
2020/1/25
第4章 数字基带传输
1
第4章 数字基带传输
将输入数字信号 变换成适合信道 传输的信号
低通型 信道
滤除噪声和 校正信道引 起的失真
输入
a
码型
发送
变换 b 滤波器
信道
c
定时脉冲
噪声 n(t)
接收 d
滤波器
取样 判决
2020/1/25
第4章 数字基带传输
16
4.3 数字基带传输系统及码间干扰
数字基带传输系统模化为
其中
d(t) bk (t kTs )
k
H( f ) HT ( f )HC ( f )HR ( f )
h(t) F 1[H ( f )] H ( f )e j2 ft df
14
4.2 数字基带信号的功率谱分析
【例4-2】试分析下图a）所示双极性全占空矩形脉冲序列 的功率谱。设“１”、“0”等概。
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第4章 数字基带传输
15
4.2 数字基带信号的功率谱分析
AMI码数字基带信号如下图（a）所示，“1”、“0”等 概，则其功率谱表达式为 P( f ) A2Ts Sa2 ( fTs ) sin2 ( fTs )
y(t) bk h(t kTs ) nR (t) k
研究表明，影响系统正确接收的 因素有两个： ① 码间干扰（Inter-Symbol
Interference—ISI）
② 信道中的噪声
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第4章 数字基带传输
17
4.3 数字基带传输系统及码间干扰
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第4章 数字基带传输
1
第4章 数字基带传输
将输入数字信号 变换成适合信道 传输的信号
低通型 信道
滤除噪声和 校正信道引 起的失真
输入
a
码型
发送
变换 b 滤波器
信道
c
定时脉冲
噪声 n(t)
接收 d
滤波器
取样 判决
通信原理第5章数字基带传输系统
s(t)的短截。即
N
sT (t) sn (t)
n N
为了使频谱分析的物理概念清楚，推导过程简 化，将sT(t)分解成稳态波vT(t)和交变波uT(t)。
24
稳态波：是随机序列s(t)的统计平均分量，
取决于每个码元内出现g1(t)、 g2(t)的概率加 权平均，且每个码元统计平均波形相同，因
此可表示成：
13
2. 双极性不归零码波形（BNRZ）
脉冲的正、负电平分别对应于二进制代码1、0。
特点：当0、 1符号等概出现时无直流分量（幅度相 等、极性相反的双极性波形） 。 接收端判决电平为 0，不受信道特性变化的影响，抗干扰能力较强。双 极性波形有利于在信道中传输。
E
10
-E
14
3. 单极性归零波形（RZ）
f
s
Pg1(t) (1 P)g2 (t) e jms d
f s PG1(m s ) (1 P)G2 (ms )
28
式中
G1(ms ) g1(t)e jmstdt
G2 (ms ) g2 (t)e jmstdt
29
把得到的Cm代回v(t)表达式得
v(t) f s PG1(m s ) (1 P)G2 (m s )e jmst
代码
10
0
Ts
12
此波型不宜传输。因为：
1）有直流分量，一般信道难于传输零频附近的 频率分量。 2）收端判决门限电平与信号功率有关，受信道特 性变化影响，不方便。 3）不能直接用来提取位同步信号，因NRZ连0序 列中不含有位同步信号频率成分。 4）要求传输线路有直流传输能力，即有一根需要 接地。
此波形只适用于计算机内部或极近传输。
信道匹配， 便于传输，减小码间串扰，利于同步提取
N
sT (t) sn (t)
n N
为了使频谱分析的物理概念清楚，推导过程简 化，将sT(t)分解成稳态波vT(t)和交变波uT(t)。
24
稳态波：是随机序列s(t)的统计平均分量，
取决于每个码元内出现g1(t)、 g2(t)的概率加 权平均，且每个码元统计平均波形相同，因
此可表示成：
13
2. 双极性不归零码波形（BNRZ）
脉冲的正、负电平分别对应于二进制代码1、0。
特点：当0、 1符号等概出现时无直流分量（幅度相 等、极性相反的双极性波形） 。 接收端判决电平为 0，不受信道特性变化的影响，抗干扰能力较强。双 极性波形有利于在信道中传输。
E
10
-E
14
3. 单极性归零波形（RZ）
f
s
Pg1(t) (1 P)g2 (t) e jms d
f s PG1(m s ) (1 P)G2 (ms )
28
式中
G1(ms ) g1(t)e jmstdt
G2 (ms ) g2 (t)e jmstdt
29
把得到的Cm代回v(t)表达式得
v(t) f s PG1(m s ) (1 P)G2 (m s )e jmst
代码
10
0
Ts
12
此波型不宜传输。因为：
1）有直流分量，一般信道难于传输零频附近的 频率分量。 2）收端判决门限电平与信号功率有关，受信道特 性变化影响，不方便。 3）不能直接用来提取位同步信号，因NRZ连0序 列中不含有位同步信号频率成分。 4）要求传输线路有直流传输能力，即有一根需要 接地。
此波形只适用于计算机内部或极近传输。
信道匹配， 便于传输，减小码间串扰，利于同步提取
数字基带传输系统的基本结构及各部...
通信原理辅导及习题解析（第六版）第6章数字基带传输系统本章知识结构及内容小结[本章知识结构]图6－1 第6章知识结构框图[知识要点与考点]1．数字基带信号（1）数字基带信号波形基本的数字基带信号波形有单、双极性不归零波形，单、双极性归零波形、差分波形与多电平波形。
（2）数字基带信号的数学表达式 ①()()nsn s t a g t nT ∞=-∞=-∑式中，()s t 为单极性时，n a 取0或＋1；()s t 为双极性时，n a 取＋1或－1。
()g t 可取矩形 ②()()nn s t s t ∞=-∞=∑（3）数字基带信号的功率谱密度[]212212()(1)()()()(1)()()s s s s s s m P f f P P G f G f f PG mf P G mf f mf δ∞=-∞=--++--∑① 二进制数字基带信号的功率谱密度可能包含连续谱与离散谱。
其中，连续谱总是存在，根据连续谱确定信号带宽；在双极性等概信号时，离散谱不存在，根据离散谱确定直流分量与定时分量；② 二进制不归零基带信号的带宽为s f （1/s s f T =）；二进制归零基带信号的带宽为1/τ。
2．常用传输码型常用传输码型有三电平码（AMI 码、HDB3码）与二电平码（双相码、差分双相码、密勒码、CMI 码、块编码）。
其中，AMI 码与HDB3码需要重点掌握。
（1）AMI 码将消息码的“1”(传号)交替地变换为“+1”和“－1”，而“0”(空号)保持不变。
（2）HDB3码 ① 编码规则：当连0数目不超过3个时，同AMI 码；连0数目超过3时，将每4个连“0”化作一小节，定义为B00V ；V 与前一个相邻的非0脉冲极性相同，相邻的V 码之间极性交替。
V 的取值为+1或-1；B 的取值可选0、+1或-1；V 码后面的传号码极性也要交替。
② 译码规则：寻找破坏脉冲V 码，即寻找两个相邻的同极性码，后一个码为V 码；V 码与其之前的3个码一起为4个连0码；将所有-1变成+1后便得到原消息代码。
通信原理——数字基带传输系统3
－T O (a )
s s
系统带宽：
1 B 2Ts
华北水利水电学院信息工程系 王玲
无码间串扰的基带传输特性
冲激响应波形：
h(t)
-4T s
-3Ts -2Ts
-Ts
0
Ts
2Ts 3Ts
4T s
华北水利水电学院信息工程系 王玲
无码间串扰的基带传输特性
因而，通过分析，可以得到以下结论： (1)对于理想低通系统，若Tb=mTs，m∈N，则可实 现无码间干扰传输，则传码率RB=1/Tb=1/(mTs) ； (2)理想低通系统最大频带利用率为：
基带传输系统的抗噪声性能
二进制双极性基带系统 接收滤波器的输出是一混合波形，即 x(t)=s(t)+nR(t) s(t)：数字基带信号； nR(t) ：接收滤波器输出端噪声。 为了得到第k个码元，选取抽样时刻t=kTs，则抽样值：
1 ’ 时 A nR ( kTs ) 发 送 ‘ x( kTs ) 0’ 时 A nR ( kTs ) 发 送 ‘
s
0 (b)
1s 2T 4W1
t
华北水利水电学院信息工程系 王玲
无码间串扰的基带传输特性
滚降系统无码间串扰的传码率＝与之等效的理想低 通系统的无码间串扰的传码率；理想低通系统的截止 频率为滚降系统传输函数衰减到其最大值一半时对应 的频率点。
码元传输速率：RBMAX=1/Ts 频带利用率：ηmax＝RBmax/B=2/(1+α) 当 α ＝ 0 ，为理想低通特性，此时频带利用率最大， 2Bd/Hz； 当 α ＝ 1 ，称为升余弦特性，此时频带利用率最小， 1Bd/Hz。
t0 ＋ 2Ts
t
无码间串扰的基带传输特性
s s
系统带宽：
1 B 2Ts
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无码间串扰的基带传输特性
冲激响应波形：
h(t)
-4T s
-3Ts -2Ts
-Ts
0
Ts
2Ts 3Ts
4T s
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无码间串扰的基带传输特性
因而，通过分析，可以得到以下结论： (1)对于理想低通系统，若Tb=mTs，m∈N，则可实 现无码间干扰传输，则传码率RB=1/Tb=1/(mTs) ； (2)理想低通系统最大频带利用率为：
基带传输系统的抗噪声性能
二进制双极性基带系统 接收滤波器的输出是一混合波形，即 x(t)=s(t)+nR(t) s(t)：数字基带信号； nR(t) ：接收滤波器输出端噪声。 为了得到第k个码元，选取抽样时刻t=kTs，则抽样值：
1 ’ 时 A nR ( kTs ) 发 送 ‘ x( kTs ) 0’ 时 A nR ( kTs ) 发 送 ‘
s
0 (b)
1s 2T 4W1
t
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无码间串扰的基带传输特性
滚降系统无码间串扰的传码率＝与之等效的理想低 通系统的无码间串扰的传码率；理想低通系统的截止 频率为滚降系统传输函数衰减到其最大值一半时对应 的频率点。
码元传输速率：RBMAX=1/Ts 频带利用率：ηmax＝RBmax/B=2/(1+α) 当 α ＝ 0 ，为理想低通特性，此时频带利用率最大， 2Bd/Hz； 当 α ＝ 1 ，称为升余弦特性，此时频带利用率最小， 1Bd/Hz。
t0 ＋ 2Ts
t
无码间串扰的基带传输特性
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特点是无直流分量。这样，
恢复信号的判决电平为 0，因而不受信道特性变化的影响，抗
干扰能力也较强。故双极性波形有利于在信道中传输。
3. 单极性归零波形
单极性归零波形可以直接提取定
时信息，是其他波形提取位定时信号时需要采用的一种过渡波
形。
信息工程《通信原理》
软件工程学院
5.2.1 数字基带信号
4. 双极性归零波形
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。
5. 差分波形
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，而相应地称前面的单极性或双
极性波形为绝对码波形。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相
＋E 10 1 1 ＋E
－E (e)
＋3E 0 0
00
＋E 0 1 －E －3E
01
10
11
11
01
信息工程《通信原理》
(c)
图 5.3 几种常见的基带信号波形
(f)
软件工程学院
5.2.1 数字基带信号
数字基带信号 s(t) ang(t nTs ) n
5.1 数字基带传输概述
接收滤波器
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
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。
信息工程《通信原理》
软件工程学院
5.1 数字基带传输概述
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
到高载处才能在信道中传输，这被称为数字频带（调
制或载波）传输
基带传输系统的研究
1. 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
n(t)
数字 基带信号
信道信号 形成器
GT( )
信道 C( )
接收 滤波器
GR( )
同步 提取
抽样 判决器
信息工程《通信原理》
图 5.1 数字基带传输系统
软件工程学院
5.1 数字基带传输概述
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
τ m (t)
r (t)
m1 (t)
信息工程《通信原理》
cp (t) m3 (t)
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5.1 数字基带传输概述
码间串扰
m(t)
r(t)
码间串扰
cp(t)
码元发生误码的原因之一是信道加性噪声，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迟、展宽、拖尾等 畸变，使码元之间相互串扰。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。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。
最常用的是矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成和 变换。
信息工程《通信原理》
软件工程学院
5.2.1 数字基带信号
1. 单极性不归零波形
特点是极性单一，有直流分量，
脉冲之间无间隔。另外位同步信息包含在电平的转换之中，当
出现连0序列时没有位同步信息。
2. 双极性不归零波形
位模糊问题。
6. 多电平波形
是多于一个二进制符号对应一个脉冲
的情形，适合于高数据速率传输系统。
信息工程《通信原理》
软件工程学院
5.2.1 数字基带信号
＋E 1 0 1 0 0 0 (a)
11
10 1 0 0 ＋E
－E (d)
11
10 10 ＋E
－E (b)
11
信息工程《通信原理》
软件工程学院
5.1 数字基带传输概述
m'(t)
码型 编码
m(t) 发滤
波器
m1(t) 信道
m2(t) 收滤
波器
r(t)
抽样 m3(t) 码型
判决
译码
m0(t)
信道信号形成器
n(t)
1 0 011
cp(t)
位同 步器
m/(t)
Ts
m2 (t)
5.1 数字基带传输概述
数字基带信号------来自数据终端的原始数据信号。 ▪ 计算机输出的二进制序列 ▪ 电传机输出的代码 ▪ PCM码组，ΔM序列
这些信号往往包含丰富的低频分量，甚至直流分量。 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，它们可以直接传输， 故称为数字基 带传输。
(5.2 - 1)
2. 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 3. 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
信息工程《通信原理》
软件工程学院
5.1 数字基带传输概述
基带传输系统主要由信道信号形成器、信道、接收滤波器和 抽样判决器组成。为了保证系统可靠有序地工作，还应有同 步系统。
信息工程《通信原理》
软件工程学院
5.2 数字基带信号及其频谱特性
5.2.1 数字基带信号 数字基带信号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。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。
第 5 章 数字基带传输系统
5.1 数字基带传输概述 5.2 数字基带信号及其频谱特性 5.3 基带传输的常用码型 5.4 基带脉冲传输与码间串扰 5.5 无码间串扰的基带传输特性 5.6 无码间串扰基带系统的抗噪声性能 5.7 眼图 5.8 部分响应系统
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间串扰，利于同步提取和抽样判决。
信道
它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。信道的传输特性通常
不满足无失真传输条件，甚至是随机变化的。另外信道还
会进入噪声。 在通信系统的分析中，常常把噪声n(t)等效，
集中在信道中引入。
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