通信原理——數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)1

1、華北水利水電學(xué)院信息工程系 王玲數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)本章主要內(nèi)容 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng) 數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜 基帶傳輸?shù)某Ｓ么a型 基帶脈沖傳輸與碼間干擾 無碼間干擾的基帶傳輸特性 無碼間干擾基帶系統(tǒng)的抗噪聲性能 眼圖華北水利水電學(xué)院信息工程系 王玲數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng) 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)是數(shù)字通信中常用的系統(tǒng)，也是研究數(shù)字頻帶傳輸?shù)幕A(chǔ)。幾個(gè)基本概念 基帶信號(hào)：發(fā)送端調(diào)制前和接收端解調(diào)后的信號(hào)稱為基帶信號(hào)。 數(shù)字基帶信號(hào)：消息代碼的電波形(電壓或電流)。它是用不同的電平或脈沖來表示相應(yīng)的消息代碼。 基帶傳輸系統(tǒng)：不使用調(diào)制和解調(diào)裝置而直接傳送基帶信號(hào)的系統(tǒng)。 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)：通信系統(tǒng)的信道

2、中傳輸?shù)男盘?hào)是數(shù)字基帶信號(hào)。華北水利水電學(xué)院信息工程系 王玲數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng) 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用范圍：在某些具有低通特性的信道中，以及近距離傳輸?shù)那闆r下被采用。 一個(gè)典型的數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的組成框圖如圖所示，它是很多實(shí)際應(yīng)用的基帶傳輸系統(tǒng)的概括。華北水利水電學(xué)院信息工程系 王玲華北水利水電學(xué)院信息工程系 王玲華北水利水電學(xué)院信息工程系 王玲數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)各處波形：數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)各部分作用：華北水利水電學(xué)院信息工程系 王玲數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性 為了分析數(shù)字信號(hào)在基帶傳輸系統(tǒng)中的傳輸情況，先來介紹幾種數(shù)字基帶信號(hào)及

3、其頻譜特性。1 數(shù)字基帶信號(hào) 幾種基本的數(shù)字基帶信號(hào)。(1)單極性碼 設(shè)消息代碼由二進(jìn)制符號(hào)0、1組成， “1”和“0”分別對(duì)應(yīng)正電平和零電平，且在整個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)電平保持不變。華北水利水電學(xué)院信息工程系 王玲數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性 一般終端設(shè)備輸出的都是單極性碼，這是因?yàn)橐话憬K端都是接地的，因此輸出單極性碼最為方便。 單極性碼一般不適合直接用于數(shù)字基帶傳輸，因?yàn)樗哂幸韵氯秉c(diǎn)：?jiǎn)螛O性碼具有直流分量，直流和低頻分量直接送入信道傳輸會(huì)發(fā)生畸變。在接收端對(duì)單極性碼進(jìn)行抽樣判決，最佳判決電平一般應(yīng)取 “1”碼電平的一半，那么判決電平不易穩(wěn)定在最佳判決電平上，這樣會(huì)影響判決

4、結(jié)果，造成誤碼，使系統(tǒng)抗噪聲性能下降。華北水利水電學(xué)院信息工程系 王玲數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性單極性碼不能直接提取同步脈沖。單極性碼傳輸時(shí)要求信道的一端接地，這樣不能用兩根芯線均不接地的電纜等傳輸線。 單極性碼不適合直接送入信道傳輸，因此，要通過碼型變換器將其變成適合在信道傳輸?shù)拇a型，其中最簡(jiǎn)單的一種是雙極性碼。(2)雙極性碼 “1”和“0”分別對(duì)應(yīng)正、負(fù)電平，且在整個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)電平保持不變。華北水利水電學(xué)院信息工程系 王玲數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性 主要優(yōu)點(diǎn)：從平均統(tǒng)計(jì)角度來看，消息“1”和“0”的數(shù)目各占一半，所以無直流分量；接收端判決電平

5、為0，容易設(shè)置并且穩(wěn)定，因此抗干擾能力強(qiáng)；可以在電纜等無接地的傳輸線上傳輸，也用于數(shù)字調(diào)制器。 主要缺點(diǎn)：不能直接從雙極性碼中提取同步脈沖分量。華北水利水電學(xué)院信息工程系 王玲數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性(3)單極性歸零碼 歸零碼是指它的電平持續(xù)時(shí)間比碼元周期短，每個(gè)脈沖都要回到零電平。 主要優(yōu)點(diǎn)：可以直接提取同步脈沖。其他適合于信道傳輸?shù)荒苤苯犹崛⊥叫盘?hào)的碼型，可以先變換為單極性歸零碼再提取同步脈沖。(主要用作過渡碼型)華北水利水電學(xué)院信息工程系 王玲數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性(4)雙極性歸零碼 雙極性歸零碼：有電脈沖寬度比碼元寬度窄，每個(gè)脈沖都

6、要回到零電平。 優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)；碼中不含直流成分；作為傳輸碼型時(shí)不能直接提取同步信號(hào)，但是，通過簡(jiǎn)單的變換電路(即全波整流電路)可以變換為單極性歸零碼，從而可以提取同步脈沖；應(yīng)用廣泛。華北水利水電學(xué)院信息工程系 王玲數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性(5)差分碼(相對(duì)碼) 用相鄰碼元電平變化表示“1”；不變表示“0” (或作相反的規(guī)定) 。 特點(diǎn)：即使接收端收到的碼元電平與發(fā)送端完全相反，也能正確地進(jìn)行判決。(主要用于解決相位模糊問題)華北水利水電學(xué)院信息工程系 王玲數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性 前述各種碼型都是一個(gè)二進(jìn)制符號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)電平。實(shí)際上還存在多個(gè)

7、二進(jìn)制符號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)電平的情形。 (6)多電平波形 例如：若令：00對(duì)應(yīng)+3E，01對(duì)應(yīng)+E，10對(duì)應(yīng)-E，11對(duì)應(yīng)-3E，則所得波形為4電平波形。 常用于高速數(shù)據(jù)傳輸中。 消息代碼:0100111001110001華北水利水電學(xué)院信息工程系 王玲數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性 數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜特性1、數(shù)字基帶信號(hào)的數(shù)學(xué)模型： 數(shù)字基帶信號(hào)是消息代碼的電波形，有一串消息代碼：10010101，規(guī)定：g1(t)”0”，g2(t)”1” ，則其脈沖波形如下：華北水利水電學(xué)院信息工程系 王玲數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性數(shù)字基帶信號(hào)的一般表達(dá)式： 有一二進(jìn)制離散信

8、源，發(fā)送“0”和“1”的概率分別為p和1-p， 脈沖g1(t)”0”，g2(t)”1”，碼元周期為Ts，攜帶“0”和“1”的脈沖統(tǒng)一用g(t)表示，則g(t)為： 消息代碼是按照時(shí)間的順序發(fā)送的。若第0個(gè)消息代碼a0g(t)，則第1個(gè)消息代碼a1g(t-Ts)，第2個(gè)消息代碼a2g(t-2Ts)，以此類推，第n個(gè)消息代碼ang(t-nTs)。 ptgptgtg1)()()(21以以概概率率以以概概率率華北水利水電學(xué)院信息工程系 王玲數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性 數(shù)字基帶信號(hào)是所有碼元對(duì)應(yīng)波形的疊加，可表示為： 由于第n個(gè)碼元是0還是1是隨機(jī)的，所以，通常數(shù)字基帶信號(hào)s(t)

9、都是隨機(jī)脈沖序列。 nsnTtgts)()(華北水利水電學(xué)院信息工程系 王玲數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性討論數(shù)字基帶信號(hào)頻譜特性的必要性： 通過頻譜分析，可以了解信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)，信號(hào)的頻帶寬度，信號(hào)中是否直流分量、同步脈沖分量等，適合在何種信道中傳輸。數(shù)字基帶信號(hào)頻譜特性的討論方法：由于數(shù)字基帶信號(hào)是隨機(jī)脈沖序列，因而，要借助于與功率譜密度函數(shù)來討論。功率譜密度函數(shù)的求解方法： 借助于自相關(guān)函數(shù)求解；借助于定義式求解。華北水利水電學(xué)院信息工程系 王玲數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性下面簡(jiǎn)單介紹求s(t)的功率譜密度的求解方法。 為了使頻譜分析的物理概念更加清

10、楚，并且使推導(dǎo)過程簡(jiǎn)化，把隨機(jī)脈沖序列s(t)分解成穩(wěn)態(tài)波v(t)和交變波u(t)兩部分來分別討論； 分別求穩(wěn)態(tài)波v(t)和交變波u(t)的功率譜密度函數(shù)：穩(wěn)態(tài)波v(t)是隨機(jī)脈沖序列s(t)的平均分量，并且可以證明v(t)是周期為Ts的周期信號(hào)，則周期信號(hào)的頻譜是離散譜，因而，穩(wěn)態(tài)波v(t)的功率譜也是離散譜；交變波u(t)是非周期信號(hào)，則交變波u(t)的頻譜是連續(xù)譜，因而，交變波u(t)的功率譜也是連續(xù)譜。 隨機(jī)脈沖序列的頻譜由連續(xù)譜和離散譜組成。華北水利水電學(xué)院信息工程系 王玲數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性經(jīng)分析，可得隨機(jī)脈沖序列s(t)的功率譜密度函數(shù)： 相關(guān)討論：(

11、1) 各符號(hào)的含義： fs=1/Ts，fs在數(shù)值上等于碼元速率，mZ。 G1(f)g1(t) 、G2(f)g2(t) g1(t)、g2(t)分別為0碼和1碼的基本波形。 P為0碼出現(xiàn)的概率。)()()()(| )()(| )()()()(smssssvusmffmfGpmfpGffGfGppfppP 22122111華北水利水電學(xué)院信息工程系 王玲數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性(2) 關(guān)于連續(xù)譜： 一定存在，根據(jù)連續(xù)譜可以確定數(shù)字基帶信號(hào)的功率分布情況及其帶寬。(3) 關(guān)于離散譜 不一定存在，是否存在與g1(t)和g2(t)的頻譜密度函數(shù)以及出現(xiàn)概率P有關(guān)。華北水利水電學(xué)院信

12、息工程系 王玲數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性離散譜fs的作用： 當(dāng)功率譜密度函數(shù)中存在頻率等于fs的離散譜時(shí)，可以直接用濾波法提取同步信號(hào)，其原理如下圖： 華北水利水電學(xué)院信息工程系 王玲數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性【例6-1】求單極性波形、單極性歸零波形的功率譜密度。 單極性波形： 設(shè)消息代碼由“0” “1” 組成，P(0)=p，P(1)=1-p，“0”g1(t)，“1”g2(t) ，g1(t) =0, g2(t)為矩形脈沖 則： G1(f)=0elseTttgs02/|1)(2sin)(2sssfTfTTfG華北水利水電學(xué)院信息工程系 王玲數(shù)字基帶信號(hào)

13、及其頻譜特性數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性 當(dāng)p=1/2時(shí)，可得： 可見， 單極性波形含直流分量；無定時(shí)/同步脈沖分量； 第一零點(diǎn)帶寬為fs。)(41)(4)(2ffTSaTfPsss華北水利水電學(xué)院信息工程系 王玲數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性 單極性歸零波形 若表示“1”碼的波形g2(t)為半占空歸零矩形脈沖，即脈沖寬度=Ts/2 其頻譜函數(shù)為： 若p=1/2，功率譜密度函數(shù)：)2(2)(2SsfTSaTfG)()2(161)2(16)(22smSSsmffmSafTSaTfPelseTttgs04/|1)(2華北水利水電學(xué)院信息工程系 王玲數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性數(shù)字基帶信號(hào)

14、及其頻譜特性可以看出： 離散譜中有直流分量；含定時(shí)/同步分量； 占空比為1/2時(shí)單極性歸零波形的帶寬為Bs=2fs。 華北水利水電學(xué)院信息工程系 王玲數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性華北水利水電學(xué)院信息工程系 王玲數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性【例6-2】求雙極性波形及雙極性歸零波形的功率譜。雙極性波形： 設(shè)消息代碼由“0” “1” 組成，P(0)=p，P(1)=1-p，“0”g1(t)，“1”g2(t) ，g1(t) =-g2(t)=g(t)，g(t)為矩形脈沖： 其功率譜為： 當(dāng)p=1/2時(shí)，雙極性波形的功率譜為：)()(2sssfTSaTfP120/( )stTg telsesin)(2sssfTfTTfG華北水利水電學(xué)院信息工程系 王玲數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性數(shù)字基帶信號(hào)及其頻譜特性 可見， 雙極性波形第一零點(diǎn)帶寬fs； 不含離散譜，那么它不含直流和定時(shí)/同步分量， 華北水利水電學(xué)院信息工程系