第五章数字基带传输系统 51引言 数字通信系统较模拟通信系统有很多优越性,所以得到飞速发展。数字通信系统有两 种传输方式:基带传输和频带传输(调制传输)。目前,虽然在实际的数字通信系统中基 带传输不如频带传输那样广泛,但对基带传输的研究仍然具有十分重要的意义:(1)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;(2)数字基带传输系统也在随着数字通信技术的发展而迅速发展;(3)理论上,任何 一个采用线性调制的频带传输系统,总是可以由一个等效的基带传输系统所替代 数字基带传输系统模型如图5-1所示 基带脉 基带信 信 接收 挝基带脉 信号 冲信号 输入 形成器 滤波器 决 输出 (发送端) (接收端) 噪声源 图5-1数字基带通信系统模型 1.基带(信道)信号形成器 数字基带传输系统的输入端通常是二进制或多进制脉冲序列,这种信号往往不大适合 于基带信道的传输,而要变换成比较适合于信道传输的各种码型,这个任务由基带(信道) 信号形成器完成 2.信道 信道是适合基带信号传输的媒质(通常是电缆、架空明线等有线信道),这样的信道 一般不满足不失真传输的条件。另外,信道中要引入噪声,一般均假设是均值为0的高斯 白噪声,由于信道的频带有限,因此可以认为是均值为0的窄带高斯白噪声 3.接收滤波器 接收滤波器一方面滤除大量的带外噪声,另一方面对失真的波形进行均衡,以便得到 有利于抽样判决器判决的波形。 4.抽样判决 通过抽样判决器判定和再生基带信号 除了以上各部分以外,还有发送滤波器、同步电路、定时脉冲电路等。各点的波形如 图5-2所
5－1 第五章 数字基带传输系统 5.1 引 言 数字通信系统较模拟通信系统有很多优越性，所以得到飞速发展。数字通信系统有两 种传输方式：基带传输和频带传输（调制传输）。目前，虽然在实际的数字通信系统中基 带传输不如频带传输那样广泛，但对基带传输的研究仍然具有十分重要的意义：（1）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；（2）数字基带传输系统也在随着数字通信技术的发展而迅速发展；（3）理论上，任何 一个采用线性调制的频带传输系统，总是可以由一个等效的基带传输系统所替代。 数字基带传输系统模型如图 5-1 所示。 基带脉 冲信号 输入 噪声源 图 5-1 数字基带通信系统模型 （发送端） （接收端） 基带信号 形成器 信 道 接收 滤波器 抽 样 判 决 基带脉 冲信号 输出 1．基带（信道）信号形成器 数字基带传输系统的输入端通常是二进制或多进制脉冲序列，这种信号往往不大适合 于基带信道的传输，而要变换成比较适合于信道传输的各种码型，这个任务由基带（信道） 信号形成器完成。 2．信道 信道是适合基带信号传输的媒质（通常是电缆、架空明线等有线信道），这样的信道 一般不满足不失真传输的条件。另外，信道中要引入噪声，一般均假设是均值为 0 的高斯 白噪声，由于信道的频带有限，因此可以认为是均值为 0 的窄带高斯白噪声。 3．接收滤波器 接收滤波器一方面滤除大量的带外噪声，另一方面对失真的波形进行均衡，以便得到 有利于抽样判决器判决的波形。 4．抽样判决 通过抽样判决器判定和再生基带信号。 除了以上各部分以外，还有发送滤波器、同步电路、定时脉冲电路等。各点的波形如 图 5-2 所示
,「,, 图5-2数字基带通信系统各点波形 52数字基带信号及其频谱特性 数字基带信号码波形 为了使数字基带信号适于在信道中传输,往往对其电波形有一定要求。以矩形脉冲组 成的主要基带信号码的电波形如图5-3所示。 单极性码(如图5-3(a)所示) 在一个码元时间内,要么有电压(流),要么无电压(流),极性单一。因为一般的终 端设备都要接地,所以输出单极性码最为简单、方便。但单极性码含有直流成分,不利于 信道传输:抗噪性能差:不能提取同步信号:不能用两根芯线均不接地的电缆传输线,这 些是它的主要缺点。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.双极性码(如图5-3(b)所示) 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。其 优点是: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:可以在电缆等无接地的传输线上传输。其缺点是:不能直接从双极性 码中提取同步信号:0、1不等概出现时,仍有支流成分。它常用于CCIT的V系列接口 标准或RS-232接口标准中使用 3.单极性归零码(如图5-3(c)所示)
5－2 图 5-2 数字基带通信系统各点波形 1 0 0 1 1 0 0 Tb 2Tb 3Tb 4Tb 5 Tb 6 Tb 1 0 0 1 1 0 0 5.2 数字基带信号及其频谱特性 一、数字基带信号码波形 为了使数字基带信号适于在信道中传输，往往对其电波形有一定要求。以矩形脉冲组 成的主要基带信号码的电波形如图 5-3 所示。 1．单极性码（如图 5-3（a）所示） 在一个码元时间内，要么有电压（流），要么无电压（流），极性单一。因为一般的终 端设备都要接地，所以输出单极性码最为简单、方便。但单极性码含有直流成分，不利于 信道传输；抗噪性能差；不能提取同步信号；不能用两根芯线均不接地的电缆传输线，这 些是它的主要缺点。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．双极性码（如图 5-3（b）所示） 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。其 优点是：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；可以在电缆等无接地的传输线上传输。其缺点是：不能直接从双极性 码中提取同步信号；0、1 不等概出现时，仍有支流成分。它常用于 CCITT 的 V 系列接口 标准或 RS-232 接口标准中使用。 3．单极性归零码（如图 5-3（c）所示）
+E 0 +E +E +E E 00 +3E 01 +E E 3E 图5-3数字基带信号基本波形 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。它比单 极性码多了一个优点:可以直接提取同步信号。常用于近距离内实行波形变换用,是其它 码型提取同步信号的一个过度码型。 4.双极性归零码(如图5-3(d所示) 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。它除了具有 双极性码的一般优点外,还可以通过简单的电路变换为单极性归零码,从而可以提取同步 信号,因而得到比较广泛的应用。 5.差分码(如图5-3(e)所示)
5－3 图 5-3 数字基带信号基本波形 1 0 0 1 1 0 1 +E +E 0 -E +E 0 +E 0 -E 0 +E -E 0 +E -E 0 +3E -3E 01 00 10 11 01 00 10 (a) (b) (c) (d) (e) (f) 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。它比单 极性码多了一个优点：可以直接提取同步信号。常用于近距离内实行波形变换用，是其它 码型提取同步信号的一个过度码型。 4．双极性归零码（如图 5-3（d）所示） 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。它除了具有 双极性码的一般优点外，还可以通过简单的电路变换为单极性归零码，从而可以提取同步 信号，因而得到比较广泛的应用。 5．差分码（如图 5-3（e）所示）
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,则称为传号差分码(NRZM);反之,称之为空号差 分码(NRZS)。它常用于相位调制系统中的码变换器中使用。 6.多元码(如图5-3(f)所示) 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。在高数据速率传输系统 中常采用这种码型。 、基带信号的频谱特性 在硏究数字基带传输系统时,对于基带信号的频谱分析是很重要的,它可以帮助我们 弄清楚信号传输中的一些重要问题:如信号中有没有直流成分、有没有可提取同步信号的 离散分量、信号的带宽等。由于基带信号是一个随机的脉冲序列,因此我们面临的是一个 随机序列的谱分析问题。 1.随机脉冲序列的数学表示式及波形 实际上,组成基带信号的单个码元并非一定是矩形脉冲,还可以是升余弦脉冲、高斯 形脉冲、半余弦脉冲等。若令g(1)对应于二进制符号的0,g()对应于二进制符号的1,码 元间隔为T,则基带信号可以表示为: s()=∑a18(t-mT,) 式中an为第n个信息符号对应的电平值(0、1或-1、1等) g(t-nT) g1(t-nT)(出现符号"0时) g2(-n7)(出现符号时) 由于ωm是信息符号对应的电平值,它是一个随机量。因此,通常在实际中遇到的基带 信号都是一个随机的脉冲序列 现假设序列中在任一码元时间间隔T中g()和g2()出现的概率分别为P和(l-P),且 认为它们是统计独立的,则基带信号可以表示为: s(1)=∑Sn(t,) 式中 ()=8(-m,)(以概率P出现) g2(t-nT)(以概率1-P出现) 为分析问题方便,假设g1(1)、g(1)分别是宽度为T的矩形脉冲和三角波,则随机脉冲 序列()的一个实现如图5-4(a所示
5－4 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，则称为传号差分码（NRZM）；反之，称之为空号差 分码（NRZS）。它常用于相位调制系统中的码变换器中使用。 6．多元码（如图 5-3（f）所示） 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。在高数据速率传输系统 中常采用这种码型。 二、基带信号的频谱特性 在研究数字基带传输系统时，对于基带信号的频谱分析是很重要的，它可以帮助我们 弄清楚信号传输中的一些重要问题：如信号中有没有直流成分、有没有可提取同步信号的 离散分量、信号的带宽等。由于基带信号是一个随机的脉冲序列，因此我们面临的是一个 随机序列的谱分析问题。 1．随机脉冲序列的数学表示式及波形 实际上，组成基带信号的单个码元并非一定是矩形脉冲，还可以是升余弦脉冲、高斯 形脉冲、半余弦脉冲等。若令 g1(t)对应于二进制符号的 0，g2(t)对应于二进制符号的 1，码 元间隔为 Ts，则基带信号可以表示为： =− = − n n nTs s(t) a g(t ) 式中 an 为第 n 个信息符号对应的电平值（0、1 或-1、1 等）； − − − = 出现符号 时） 出现符号 时） ( ) ( "1" ( ) ( "0" ( ) 2 1 s s s g t nT g t nT g t nT 由于 an 是信息符号对应的电平值，它是一个随机量。因此，通常在实际中遇到的基带 信号都是一个随机的脉冲序列。 现假设序列中在任一码元时间间隔 Ts 中 g1(t)和 g2(t)出现的概率分别为 P 和(1-P)，且 认为它们是统计独立的，则基带信号可以表示为： =− = n n s s(t) s (t ) 式中 − − − = 以概率 出现） 以概率 出现） g t nT P g t nT P s t s s n ( ) ( 1 ( ) ( ( ) 2 1 为分析问题方便，假设 g1(t)、g2(t)分别是宽度为 Ts 的矩形脉冲和三角波，则随机脉冲 序列 s(t)的一个实现如图 5-4(a)所示
1010100 v(1) (1) 图5-4随机脉冲序列的波形图 2.随机脉冲序列的分解 随机脉冲序列s(n)可分解为稳态项η(0和交变项(1)(如图5-4b、c所示),以使频谱分 析更清晰、简化。 (1)稳态项v(1)及其功率谱密度 稳态项v()是随机脉冲序列s(n)的平均分量: v()=p∑81(-m7)+(-p)∑82(-m7) >,(t-nT, )+(1-p)g2(t-nT, ) 其功率谱密度为: P,()=∑LpG(m/)+(-p)G2(m)6(-m,) (2)交变项u(1)及其功率谱密度 ()=s()-v(1)=∑un() 式中: )s(-P1(-mT)-82(-mT以概率P Pg1(-n7)-82(t-mT以概率1-P a, lg, (t-nT,)-g2(t-nT ) ∫(-P)以概率P 其中(0=(P以概率-P
5－5 图 5-4 随机脉冲序列的波形图 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 vT(t) S(t) 0 0 (a) (b) 0 (c) 2 Ts 2 Ts − uT(t) 2．随机脉冲序列的分解 随机脉冲序列 s(t)可分解为稳态项 v(t)和交变项 u(t)（如图 5-4b、c 所示），以使频谱分 析更清晰、简化。 (1) 稳态项 v(t)及其功率谱密度 稳态项 vT(t)是随机脉冲序列 s(t)的平均分量： [ ( ) (1 ) ( )] ( ) ( ) (1 ) ( ) 1 2 1 2 s n s N n N s n s pg t nT p g t nT v t p g t nT p g t nT = − + − − = − + − − =− =− =− 其功率谱密度为： ( ) [ ( ) (1 ) ( )] ( ) 2 1 2 s m v s s s p = f pG mf + − p G mf f − fm =− (2) 交变项 u(t)及其功率谱密度 =− = − = n n u(t) s(t) v(t) u (t) 式中： [ ( ) ( )] [ ( ) ( )], 1 (1 )[ ( ) ( )], ( ) 1 2 1 2 1 2 n s s s s s s n a g t nT g t nT P g t nT g t nT P P g t nT g t nT P u t = − − − − − − − − − − − − = 以概率 以概率 其中： − − − = P P P P a t n , 1 (1 ), ( ) 以概率 以概率