第2章 数据信号的传输

2.1 数据信号及特性描述
2.1.2基带数据信号的功率谱特性
在通信中,除特殊情况(如测试信号)外,数
字基带信号通常都是随机脉冲序列。因为 若在数字通信系统中所传输的数字序列不 是随机的,而是确知的,则消息就不携带任 何信息,通信就失去意义。 研究随机脉冲序列的频谱,要从统计分析 的角度出发,研究它的功率谱密度。

幅移键控法(ASK)的载波幅度是随着调制 信号而变化的， 其最简单的形式是，载波 在 二进制调制信号控制下通断， 此时又可称 作 开关键控法(OOK)。

2 多进制数字调幅

多电平MASK调制方式是一种比较高效的传 输方式，但由于它的抗噪声能力较差，尤其 是抗衰落的能力不强，因而一般只适宜在恒 参信道下采用。
第2章 数据信号的传输
第2章 数据信号的传输
数据信号传输是数据通信的基本问题 三种传输方式：基带传输、频带传输和数字传输 基带传输：不搬移基带信号频谱直接传输基带信 号 频带传输：经过调制将基带信号的频谱搬移到相 应的载频频带再进行传输 数字数据传输：在数字信道中传输数据信号


2.3.3数字调相

以基带数据信号控制载波的相位，称为数字调相，又称相 移键控，简写为PSK。

1. PSK信号及功率谱密度
按PSK的基本定义可画出如图2-46所示数据信号与PSK 信号 的对应波形。图中2-46 (a)是信号序列；2-46 (b)是未调载波 信 cos t 号 ，2-44 (c)为二相绝对调相信号，记为2PSK；2-46 (d) 为二相对调相信号，或称差分调相信号，记为2DPSK。
2.1 数据信号及特性描述
2.1.1数据序列的电信号表示 1 单极性不归零信号（NRZ），码元间隔内， 用正电位表示1码，用零电位表示0码 2 单极性归零信号，用宽度为t的正脉冲表示1， 用零电位表示0 3 双极性不归零信号 分别用正和负表示1和0 4 双极性归零信号 结合2和3 5 差分信号 前后码元电位改变表示1，不变为0


2.2.3 时域均衡
1.

时域均衡的作用
时域均衡的思路是消除接收的时域信号波 形的取样点处的码间干扰,并不要求传输波形的 所有细节都与奈氏准则所要求的理想波形完全 一致。 时域均衡器主要是由横截滤波器构成,它是 由多级抽头迟延线、可变增益电路和求和器组 成的线性系统,构成结构图如图2-15所示。
2

几种数据序列的功率谱密度 （1）单极性归零序列 功率谱密度为


（2）双极性归零序列 功率谱密度为

（3）双极性不归零序列 功率谱密度为
分析系带数据信号的功率谱意义有： 1 研究能否获取时钟频率分量 2 大致了解传播数据信号所需基带宽度 3 判断能否用基带传输

2.2 数据信号的基带传输
2.3 数据信号的频带传输


频带传输又称调制传输。电话网传输信道是带通型 信道。 通带范围是300~3400,带通型信道不适合于 直接传输基带信号，需要对基带信号进行调制以实 现频谱搬移使信号频带适合于信道频带。 理想低通信道“就是信号的所有低频分量，只要其频 率不超过某个上限值，都能够不失真地通过此信道。 而频率超过该上限值的所有高频分量都不能通过该 信道。 带通信道只允许上下限之间 的信号频率成分不失真 的通过，其他频率成分不能通过。

数据终端输出的数据信号代码序列为基带数据信号， 基带数据信号的主要特征是：信号的主要能量是集中 于 0 开始至某一频率带。 这种基带数据信号所占的 通型频带即为基带。不搬移基带信号频谱的传输方式 为基带传输。
2.2.1 基带数据传输构成模型 基带传输系统的基本原理框图,如图2-6所示。


2.3 数据信号的频带传输
频带传输系统与基带传输系统的区别在于：频 带 传输系统在发送端增加了调制，在接收端增加 了 解调，以实现信号的频带搬移。 基带传输和频带传输主要是由于传输的信道不 同，频带传输需要对信号进行调制。


2.3 数据信号的频带ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ输



调制的定义：用基带信号对载波波形的某些参数进 行控制，使这些参量随基带信号的变化而变化。 所谓调制，就是在基带数据信号上附加一个载 波，通过载波的帮助使基带信号在带通信道上传输， 就如我们骑马上山，马就相当于载波。频带传输又 称 调制传输，它主要适用于电话网信道的传输。 用以调制的基带信号是数字信号，所以又称为数字 调制。
2.1.2基带数据信号的频谱特性
傅立叶变换能将满足一定条件的某个函数表 示成三角函数（正弦和/或余弦函数）或者它 们的积分的线性组合。 傅里叶变换是一种分析信号的方法，它可分 析信号的成分，也可用这些成分合成信号。 许多波形可作为信号的成分，比如正弦波、 方波、锯齿波等，傅里叶变换用正弦波作为 信号的成分。

2 基本原理
最有效的数据序列扰乱方法是用一个 随机序列与输入数据序列进行逻辑加,这 样就能把任何输入数据序列变换为随机 序列。 扰乱器与解扰器原理如图2-17所示。

2.2.5数据传输系统中的时钟同步


数据传输系统接收端就需要有一个定时时钟信号， 并对这定时时钟信号的要求是：定时时钟信号速率与 接收信号码元速率完全相同，并使定时时钟信号与接 收信号码元保持固定的最佳相位关系。接收端获得或 产生符合这一要求的定时时钟信号的过程称为时钟同 步，或称为位同步或比特同步。 在数据通信系统中通常是采用时钟提取的方法实 现时钟同步，时钟提取的 方法分为两类：自同步法和 外同步法，在基带数据传输中，多数场合是采用自同 步法。


傅里叶分析的结果之一就是Parseval定理， 这个定理表明能量谱密度曲线下的面积等于 信号幅度平方下的面积，总的能量是：
2.1.2基带数据信号的频谱特性



随机信号的功率谱密度是用来描述信号的能量特征随 频率的变化关系。 功率谱密度简称为功率谱，是自相关函数的傅里叶变 换。对功率谱密度的估计又称功率谱估计。 由于随机信号的随机性，各样本函数不同，故任一样 本函数对应的功率谱密度函数都不能用来代表随机过 程的功率谱密度函数。因此，只有将所有可能出现的 每一个样本函数的功率谱密度函数的统计平均值作为 随机过程的功率谱密度函数才是合理的。

当基带信号为二进制时，所进行的数字
调 制就是二进制数字调制，常见的有二进制 振 幅键控2ASK、频移键控2FSK和相移键控 2PSK及差分相移键控2DPSK。
2.3.2数字调幅
以基带数据信号控制一个载波的幅度，称为 数字调幅，又称幅移键控，ASK。


1. 二进制数字调幅

2.3 数据信号的频带传输
在调制解调器中都选择正弦（或余弦）信号 作为载波。这是因为正弦信号形式简单，便 于 产生和接受，且由于正弦信号有幅度、频率、 相位3种基本参量，因此可以构造数字调幅、 数字调相和数字调频3种基本调制方式。

2.3.1频带传输系统的构成

频带传输系统与基带传输系统的区别在于 在发送端增加了调制，在接收端增加了解 调，以实现信号的频带搬移，调制和解调 合起来称为Modem。
2.2.2 几种基带形成网络 1 理想低通网络


假定图2-6中1--2点的系统传输特性是理想低通传输特性，如图2-7所示。
其传递函数可表示为

据信号与传输理论可知，网络对单位冲激脉冲的响应，就 是网络传递函数的傅立叶反变换，即


3 部分响应系统
1. 基本原理 部分响应形成系统是一种可实现的传输系统， 它允许存在一定的、受控的码间干扰，而在接收端 可以加以消除，这样的系统既能使频带利用率提高 到理论上的最大值，又可近似地物理实现。这类系 统称为部分响应形成系统。 2.第一类部分响应形成系统 sin 2f N t 这里采用两个在时间错开的 波形相加， 2f N t 即系统的冲激响应为
功率谱密度定义是：对于具有连续频谱和有限 平均功率的信号或噪声，表示其频谱分量的单位带宽 功率的频率函数。 在物理学中，信号通常是波的形式，例如电磁波、 随机振动或者声波。当波的频谱密度乘以一个适当的 系数后将得到每单位频率波携带的功率，这被称为信 号的功率谱密度或者谱功率分布。功率谱密度的单位 通常用每赫兹的瓦特数（W/Hz）表示，或者使用波 长而不是频率，即每纳米的瓦特数（W/nm）来表示。 上面能量谱密度的定义要求信号的傅里叶变换必 须存在，也就是说信号平方可积或者平方可加。如果 信号可以看作是平稳随机过程，那么功率谱密度就是 信号自相关函数的傅里叶变换。
幅度键控可以通过乘法器和开关电路来实现。载波 在 数字信号1或0的控制下通或断，在信号为1的状态 载 波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为0 的 状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送。 那么在接收端我们就可以根据载波的有无还原出数 字信号的1和0。对于二进制幅度键控信号的频带宽 度为二进制基带信号宽度的两倍。


1. 基带数据信号的一般表示式 一般令g1 (t)代表二进制数据符号的“0”,g2 (t)代 表“1”,码元的时间间隔为T。 假设数据序列出现 “0”,“1”概率分别为P和1-P,且认为它们的出现彼此 统计独立,则基带数据信号可表示为
f (t )
k
g (t kT )

信道（Channel）是通信系统中必不可少的 部分。信道是指以传输介质为基础的信号通 路。具体地说，信道是指由有线或无线电线 路提供的信号通路；抽象的说，信道是指定 的一段频带，它让信号通过，同时又给信号 以限制和损害。信道的作用是传输信号。

①基带传输是指由数据终端设备（DTE）送出的二进制“1” 或“0”的电信号直接送到电路的传输方式。基带信号未经调制， 可 以经过码形变换（或波形变换）进行驱动后直接传输。基带信 号 的特点是频谱中含有直流、低频和高频分量，随着频率升高， 其 幅度相应减小，最后趋于零。基带传输多用在短距离的数据传 输 中，如近程计算机间数据通信或局域网中用双绞线或同轴电缆 为 介质的数据传输。 ②大多数传输信道是带通型特性，基带信号通不过。采用调制 方法把基带信号调制到信道带宽范围内进行传输，接收端通过 解 调方法再还原出基带信号的方式，称为频带传输。这种方式可 实 现远距离的数据通信，例如利用电话网可实现全国或全球范围