通信原理课件第6章 数字基带传输系统

数字基带信号
数字基带信号波形
实际系统常用的数字波形是矩形脉冲，这是由于 矩形脉冲易于产生和处理。 1. 单极性波形（NRZ） 2. 双极性波形 3. 单极性归零波形（RZ） 4. 双极性归零波形 5. 差分波形（相对码波形） 6. 多电平脉冲波形（多进制波形）
6.1.1
数字基带信号
单极性波形（NRZ）
第6章 数字基带传输系统
主讲人：刘丽
第6章 数字基带传输系统
相关知识：
1.基带信号：频带分布在低频段（通常包含直流） 且未经调制的信号。
2.基带传输：不经载波调制而直接传输数字基带信
号的通信方式，常用于传输距离不太远的情况下。
6.1 数字基带信号及其频谱特性

数字基带传输系统：不使用载波调制解调 装置而直接传送基带信号的系统。
6.2 基带传输的常用码型
HDB3码－3阶高密度双极性码
编码规则： 首先，将消息码变换成AMI码， 然后，检查AMI码中连“0”的情况： •当没有发现4个以上（包括4个）连“0”时， 则不作改变，AMI码就是HDB3码。 •当发现4个或4个以上连“0”的码元串时， 就将第4个“0”变成与其前一个非“0”码元 （“＋1”或“－1”）同极性的码元。 •将这个码元称为“破坏码元”，并用符号 “V”表示，即用“+V”表示“＋1”，用“－V” 表示“－1”。
6.2 基带传输的常用码型
举例1.1：
消息码: 1 AMI码: +1 HDB3码:+1 +1 译 码：+1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 +V +1 0 0 1 -1 -1 -1 -1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 –V –1 0 0 1 1 0 +1-1 0 +1-1+B +1-1+1 +1-1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 +V +1 0 0 1 +1 -1 -1 -1 1
6.1.1 数字基带信号 常用的基带信号波形
6.1.2 基带信号的频谱特性

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 )
n
a

n
g (t nTs )
式中，an － 第n个码元所对应的电平值 Ts － 码元持续时间
编码原则：这种波形是用正电平和负电平分别表示 二进制码元的“1”码和“0”码，但每个电脉冲在小 于码元宽度的时间内都要回到零电平。 波形特点：兼有双极性波形和归零波形的特点。

6.1.1 数字基带信号 差分波形（相对码波形）

绝对码波形：信息码元与脉冲电平之间的对应关系 是固定不变的（绝对的）波形。此时，信息码也称 为绝对码。 差分波形：信息码元“1”和“0”反映在相邻信号码 元的相对电平变化上的波形。差分波形中，码元 “1”和“0”分别用电平的跳变和不变来表示，即用 相邻信号码元的相对电平来表示码元“1”和“0”， 故差分波形也称为相对码波形。 差分波形也可以看成是差分码序列对应的绝对码波形。 差分码 bn与绝对码 an之间关系：
6.1.1
数字基带信号
由上式看出，当绝对码每出现一个“1”码时，差分 码电平变化一次；当出现“0”码时，差分码电平与 前一码元相同。可见，前后码元取值的变化代表了 原信码中的“1”和“0”。 译码方程为 由上式看出，译码时只要检查前后码元电平是否有 变化就可以判决发送的是“1”码还是“0”码。
6.1.1
1 -1 +1 +1 +1 1
译码： 发现相连的两个同符号的“1”时，后面的“1”及 其前面的3个符号都译为“0”。 然后，将“+1”和“-1”都译为“1”，其它为“0”。
6.2 基带传输的常用码型
HDB3码是目前实际系 统中应用最广泛的码 型。
6.2 基带传输的常用码型
双相码－曼彻斯特码
编码规则：用一个周期的方波来代表码元“1”， 而用它的反相波形来代表码元“0”。 消息码“0” 传输码“01” 消息码“1” 传输码“10” 例： 消息码： 1 1 0 0 1 0 1 双相码： 10 10 01 01 10 01 10 • 译码规则：消息码“0”和“1”交替处有连“0”和连 “1”，可以作为码组的边界。 • 优缺点：每个码元的中心部位都发生电平跳变，因 此有利于定时同步信号的提取，只有2电平，无直流 分量； 但是占用带宽较宽。
17
6.1.2 基带信号的频谱特性
PS ( f ) f S P(1 P) G1 ( f ) G2 ( f )
2 m


f s [ PG1 (mfs ) (1 P)G2 (mfs )] ( f mfs )
2
由上式可见： 1.二进制随机脉冲序列的功率谱Ps(f)可能包含连续谱（第一项 ）和离散谱（第二项）。 2.连续谱总是存在的，这是因为代表数据信息的g1(t)和g2(t) 波形不能完全相同，故有G1(f) ≠ G2(f) 。谱的形状取决于 g1(t)和g2(t)的频谱以及出现的概率P。 3.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。一般情况下，它也总是存在的，但对于双极性信号 g1(t) = - g2(t) = g(t) ，且概率P=1/2（等概）时，则没 有离散分量(f - mfs)。根据离散谱可以确定随机序列是否有 直流分量和定时分量。
S(t)的功率谱密度表示为
PS ( f ) f S P(1 P) G1 ( f ) G2 ( f )
2
m
f [PG (mf ) (1 P)G (mf )] ( f mf )
2 s 1 s 2 s s

fs = 1/Ts －码元速率；Ts - 码元宽度（持续时间） G1(f)和G2(f)分别是g1(t)和g2(t)的傅里叶变换
数字基带信号
编译码电路和波形的变化关系
6.1.1 数字基带信号 多电平脉冲波形(多进制波形)
多进制波形取值是多值的 例如，代表四种状态的四电平脉冲波形，每种电平 可用两位二进制码元来表示，如00代表-3E，01代 表-E，10代表+E，11代表+3E。这种波形一般在高 速数据传输系统中用来压缩码元速率，提高系统的 频带利用率。但在相同信号功率的条件下，多进制 传输系统的抗干扰性能不如二进制系统。
“1”，为任意波形。 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，则该序列可表示为
16
6.1.2 基带信号的频谱特性
s(t )
n
s

n
(t )
g (t nTS ) , 以概率 P 出现 sn (t ) 1 2 g（t nTS）， 以概率 (1 P)出现
18
6.1.2 基带信号的频谱特性
Hale Waihona Puke Baidu
信号的功率谱密度分别如下图中的实线和虚线所示
双极性 ( P 1/ 2)
实线——NRZ 虚线——RZ
单极性
( P 1/ 2)
实线——NRZ 虚线——RZ
f0 3 fs fs f 3 fs 1.二进制基带信号的带宽主要依赖单个码元波形的频谱函数G1(f)和G2(f) 。时间波形的占空比越小，占用频带越宽。若以谱的第1个零点计算， NRZ( = Ts)基带信号的带宽为BS = 1/ = fs ；RZ( = Ts / 2)基带信号的 带宽为BS = 1/ = 2fs 。其中fs = 1/Ts ，是位定时信号的频率，它在数值 上与码元速率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 NRZ信号中没有定时分量，若想获取定时分量，要进行波形变换；单极性 RZ信号中含有定时分量，可以直接提取它。“0”、“1”等概的双极性信号 没有离散谱，也就是说没有直流分量和定时分量。
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 列： s(t ) s n (t )
n
式中，sn(t)可以有N种不同的脉冲波形。
15
6.1.2 基带信号的频谱特性

随机脉冲序列的表示式

设一个二进制的随机脉冲序列如下图所示：
图中
Ts － 码元宽度 g1(t)和g2(t) － 分别表示消息码“0”和
6.2 基带传输的常用码型
密勒码
编码规则： 消息码“1” 用中点处电压的突跳表示，或 者说用“01”或“10”表示； 消息码“0” 单个消息码“0”不产生电位变 化，连“0”消息码则在边界使电平突变，或者 说用“11”或“00”表示。
6.2 基带传输的常用码型
消息码： 1 双相码： 10 双相码波形： 双相码相位： 0 密勒码： 0 01 1 10 0 1 10 0 0 01 0 01 0 01 1 10
6.2 基带传输的常用码型
为了保证相邻“V”的符号也是极性交替： •当相邻“V”之间有奇数个非“0”码元时，这是能够 保证的。 • 当相邻“V”之间有偶数个非“0”码元时，不符合 此“极性交替”要求。这时，需将这个连“0”码元 串的第1个“0”变成“＋B”或“－B”。B的符号与前 一个非“0”码元的符号相反；并且让后面的非“0” 码元符号从V码元开始再交替变化。

6.2 基带传输的常用码型
基带传输系统中常用的线路传输型码
1. 传号交替反转码 --- AMI码
2. HDB3码
3. 双相码
4. 密勒码
5. CMI码
6.2 基带传输的常用码型
AMI码：传号交替反转码
• 编码规则：“1” 交替变成“＋1”和“－1”， “0” 仍保持为“0”。 • 例： 消息码： 0 1 0 1 1 0 0 0 1 AMI码： 0 +1 0 -1 +1 0 0 0 -1 • 优点：没有直流分量 、译码电路简单 、能发现 错码 • 缺点：出现长串连“0”时，将使接收端无法取得 定时信息。
干扰 输入 输出
GT
GC
GR
数字基带传输系统模型
6.1.1
数字基带信号
数字基带信号的要求： 无直流分量和只有很小的低频分量； 含有码元的定时信息； 传输效率高； 最好有一定的检错能力； 适用于各种信源，即要求以上性能和信源 的统计特性无关
6.1.1


编码原则：正电平和负电平分别表示二进制码 元的“1”码和“0”码，这种波形的脉冲之间也 无空隙。 波形特点：从信源的统计规律来看，“1”码和 “0”码出现的概率相等，所以这种波形无直流 分量。同时这种波形具有较强的抗干扰能力。 故双极性波形在基带传输系统中应用广泛。
6.1.1 数字基带信号 单极性归零波形（RZ）
0




0
0
特点：当 “1”之间有一个 “0”时，码元宽度最长 （等于两倍消息码的长度）。这一性质也可以用来 检测误码。 产生：双相码的下降沿正好对应密勒码的突变沿。 因此，用双相码的下降沿触发双稳触发器就可以得 到密勒码。
6.2 基带传输的常用码型
CMI码－传号反转码


编码原则：这种波形用正（或负）电平和零电平分 别表示二进制码元的“1”码和“0”码，也就是用脉 冲的有无来表示码元的“1”和“0”。 波形特点：脉冲的极性单一，有直流分量，且脉冲 之间无空隙，即脉冲的宽度等于码元宽度。
NRZ波形一般用于近距离的电传机之间的信号传输。
6.1.1 数字基带信号 双极性波形
0
fs
19
6.2 基带传输的常用码型
传输码的码型选择原则
不含直流，且低频分量尽量少； 应含有丰富的定时信息，以便于从接收码流中提 取定时信号； 功率谱主瓣宽度窄，以节省传输频带； 不受信息源统计特性的影响，即能适应于信息源 的变化； 具有内在的检错能力，即码型应具有一定规律性， 以便利用这一规律性进行宏观监测。 编译码简单，以降低通信延时和成本。


编码原则：脉冲的宽度小于码元的宽度，每个电脉 冲在小于码元宽度的时间内总要回到零电平，故这 种波形又称为归零波形。 波形特点：由于码元间隔明显，因此有利于定时信 息的提取。但单极性RZ波形中仍含有直流分量，且 由于脉冲变窄，码元能量减小，因而在匹配接收时 ，输出信噪比较不归零波形的低。
6.1.1 数字基带信号 双极性归零波形