数字基带信号及其频谱特性课件

通信原理第六章 数字基带传输系统(数字基带信号及其频谱特性)1通信原理第六章 数字基带传输系统1复习-增量调制原理延迟+解解码码译码器二二电电平平量化量化延延迟迟+抽样+-编码器数数码码形成形成+-ck=1ck=0ekrk量化特性02复习-增量调制原理延迟+解码译码器二电平量化延迟+抽样+复习-实用编码过程抽抽样样判判决器决器+-积积分器分器脉冲脉冲发发生器生器抽抽样样定定时时 ekmp(t)ttm(t)ck 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 TS 3复习-实用编码过程抽样判决器+-积分器脉冲发生器抽样定复习-实用译码过程脉冲脉冲发发生器生器积积分器分器低通低通滤滤波波ck 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0tm(t)tek4复习-实用译码过程脉冲发生器积分器低通滤波ck 0 复习-时分多路复用原理mi(t)低通1低通2低通N信道低通1低通2低通N同步旋转开关m1(t)m2(t)m2(t)m1(t)mN(t)mN(t)5复习-时分多路复用原理mi(t)低通1低通2低通N信道低通复习-E体系的速率nE体系的速率：n基本层(E-1)：30路PCM数字电话信号，每路PCM信号的比特率为64 kb/s。由于需要加入群同步码元和信令码元等额外开销(overhead)，所以实际占用32路PCM信号的比特率。故其输出总比特率为2.048 Mb/s，此输出称为一次群信号。nE-2层：4个一次群信号进行二次复用，得到二次群信号，其比特率为8.448 Mb/s。nE-3层：按照同样的方法再次复用，得到比特率为34.368 Mb/s的三次群信号nE-4层：比特率为139.264 Mb/s。n由此可见，相邻层次群之间路数成4倍关系，但是比特率之间不是严格的4倍关系。6复习-E体系的速率E体系的速率：6复习-SDH的速率等级等级比特率(Mb/s)STM-1 155.52STM-4 622.08STM-162488.32STM-649953.287复习-SDH的速率等级等级比特率(Mb/s)STM-1 第6章 数字基带传输系统8第6章 数字基带传输系统8教学构想n目的：通过剖析数字基带传输系统，掌握数字通信系统分析和设计的基本方法和思路；n要求：掌握数字基带传输的基本理论，包括数字基带信号 的波形、频谱和码型；熟练掌握数字基带信号无失真传输的基本准则；掌握基带传输误码性能分析方法；掌握时域均衡的基本原理和实现方法;了解评价数字基带传输系统性能的眼图的概念。n方法：理论分析和实际应用相结合。9教学构想目的：通过剖析数字基带传输系统，掌握数字通信系统分析第6章 数字基带传输系统n6.1 数字基带信号及其频谱特性 n6.2 基带传输的常用码型n6.3 数字基带信号传输与码间串扰n6.4 无码间串扰的基带传输特性n6.5 基带传输系统的抗噪声性能n6.6 眼图n6.7 部分响应和时域均衡主要内容主要内容10第6章 数字基带传输系统6.1 数字基带信号及其频谱特性 问题的描述n 什么是数字基带信号？n 什么是数字基带传输？什么是数字频带传输？n 为什么要研究数字基带传输？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：数字基带信号不经载波调制而直接在信道上传输；数字频带传输：数字基带信号经过载波调制后在信道中传输。1、近程数据通信系统中广泛采用，并有迅速发展的趋势；2、基带传输中包含了带通传输的许多基本问题；3、任何一个线性调制的频带传输系统可等效为基带传输系统来研究。11问题的描述 什么是数字基带信号？什么是数字基带传输？什么是6.1 数字基带信号及其频谱特性 n 6.1.1 数字基带信号n 几种基本的基带信号波形(1)单极性（不归零）波形p有直流成份；p判决电平不能稳定在最佳的电平，抗噪声性能不好；p不能直接提取同步信号；p传输时要求信道的一端接地，这样不能用两根芯线均不接地的电缆传输线。126.1 数字基带信号及其频谱特性 6.1.1 数字基带6.1 数字基带信号及其频谱特性(2)双极性（不归零）波形p当1、0符号等概出现时无直流分量；p接收端恢复信号时的判决电平为0，稳定不变，因而不受信道特性变化的影响，抗干扰能力较强,有利于在信道中传输。p主要缺点：（1）不能直接提取同步信号；（2）1、0符号不等概出现时，仍有直流成份。136.1 数字基带信号及其频谱特性(2)双极性（不归零）波6.1 数字基带信号及其频谱特性(3)单极性归零波形n单极性归零码与单极性不归零码的区别是码元宽度小于码元间隔，每个码元脉冲在下一个码元到来之前回到零电平。n设码元间隔为Tb，归零码宽度为，则称/Tb为占空比，/Tb=0.5称为半占空码。n单极性归零码可以直接提取定时信息，是其它波形提取位定时信号时需要采用的一种过渡波形。146.1 数字基带信号及其频谱特性(3)单极性归零波形单极6.1 数字基带信号及其频谱特性(4)双极性归零波形n它是双极性码的归零形式；每个码元内的脉冲都回到零电平，即相邻脉冲之间必定留有零电位的间隔。n它除了具有双极性不归零码的特点外，还可以通过简单的变换电路（全波整流电路），变换为单极性归零码，有利于同步脉冲的提取。1 0 1 0 0 1 1 0156.1 数字基带信号及其频谱特性(4)双极性归零波形它是6.1 数字基带信号及其频谱特性(5)差分波形n不是用码元本身的电平表示消息代码，而是用相邻码元的电平的跳变和不变来表示消息代码；n由于差分码是以相邻脉冲电平的相对变化来表示代码，因此称为相对码，而相应地称前面的单极性或双极性码为绝对码。n用差分码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位模糊问题。166.1 数字基带信号及其频谱特性(5)差分波形不是用码元6.1 数字基带信号及其频谱特性(6)多进制波形n这种波形的一个脉冲可以代表多个二进制符号，在码元速率一定时可以提高信息速率，故在高速数字传输系统中得到广泛应用。176.1 数字基带信号及其频谱特性(6)多进制波形这种波形6.1 数字基带信号及其频谱特性 n 数字基带信号的表示式n 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：注：表示信息码元的单个脉冲的波形并非一定是矩形的。n 数字基带信号的一般表示式（随机脉冲序列）：186.1 数字基带信号及其频谱特性 数字基带信号的表示式 若6.1 数字基带信号及其频谱特性n6.1.2 基带信号的频谱特性n分析思路n由于数字基带信号是一个随机脉冲序列，没有确定的频谱函数，所以只能用功率谱来描述它的频谱特性。n随机脉冲序列的表示式196.1 数字基带信号及其频谱特性6.1.2 基带信号的频谱特6.1 数字基带信号及其频谱特性n该序列可表示为206.1 数字基带信号及其频谱特性206.1 数字基带信号及其频谱特性n随机脉冲序列功率谱密度：n定义：nv(t)是随机序列s(t)的统计平均分量，它取决于每个码元内出现g1(t)和g2(t)的概率加权平均。n由于v(t)在每个码元内的统计平均波形相同，故v(t)是以Ts为周期的周期信号，称之为稳态波。216.1 数字基带信号及其频谱特性随机脉冲序列功率谱密度：216.1 数字基带信号及其频谱特性ns(t)与v(t)之差u(t)称为交变波 226.1 数字基带信号及其频谱特性226.1 数字基带信号及其频谱特性n u(t)的表示式：式中236.1 数字基带信号及其频谱特性 u(t)的表示式：式中26.1 数字基带信号及其频谱特性nv(t)的功率谱密度Pv(f)可以展成傅里叶级数式中由于在（-Ts/2，Ts/2）范围内，所以 246.1 数字基带信号及其频谱特性v(t)的功率谱密度Pv(f6.1 数字基带信号及其频谱特性n由于 只存在于（-Ts/2，Ts/2）范围内，所以上式的积分限可以改为从-到：其中nv(t)的功率谱密度为 256.1 数字基带信号及其频谱特性由于 6.1 数字基带信号及其频谱特性nu(t)的功率谱密度Pu(f)UT(f)u(t)的截短函数uT(t)所对应的频谱函数；E 统计平均 T 截取时间，设 T=(2N+1)Ts 266.1 数字基带信号及其频谱特性u(t)的功率谱密度Pu(f6.1 数字基带信号及其频谱特性n求uT(t)的频谱函数故其中276.1 数字基带信号及其频谱特性求uT(t)的频谱函数276.1 数字基带信号及其频谱特性于是其统计平均为当m=n时所以286.1 数字基带信号及其频谱特性于是286.1 数字基带信号及其频谱特性当m n时所以由以上计算可知，式的统计平均值仅在m=n时存在，故有 296.1 数字基带信号及其频谱特性当m n时296.1 数字基带信号及其频谱特性将其代入即可求得u(t)的功率谱密度n分析：交变波的功率谱Pu(f)是连续谱，它与g1(t)和g2(t)的频谱以及概率P有关。306.1 数字基带信号及其频谱特性将其代入306.1 数字基带信号及其频谱特性ns(t)的功率谱密度Ps(f)：由于s(t)=u(t)+v(t)：?上式为双边的功率谱密度表示式。单边功率谱密度为316.1 数字基带信号及其频谱特性s(t)的功率谱密度Ps(f6.1 数字基带信号及其频谱特性连续谱决定信号带宽离散谱决定信号是否有直流及定时分量326.1 数字基带信号及其频谱特性连续谱决定信号带宽离散谱6.1 数字基带信号及其频谱特性【例】【例】假设二进制随机脉冲序列由g1(t)、g2(t)组成，出现 概率分别为P、1-P。证明时脉冲序列没有离散谱证明：离散谱由稳态波产生所以，离散谱为0，即没有离散谱336.1 数字基带信号及其频谱特性【例】假设二进制随机脉冲序列nM进制基带信号的功率谱6.1 数字基带信号及其频谱特性n M 进制基带信号的表示式：n 假设an 是广义平稳随机过程，则34M进制基带信号的功率谱6.1 数字基带信号及其频谱特性 M 6.1 数字基带信号及其频谱特性356.1 数字基带信号及其频谱特性356.1 数字基带信号及其频谱特性n s(t)的平均功率谱密度为366.1 数字基带信号及其频谱特性 s(t)的平均功率谱6.1 数字基带信号及其频谱特性n s(t)的平均功率谱密度为376.1 数字基带信号及其频谱特性 s(t)的平均功率谱n 讨论n S(t)的功率密度谱中离散谱线为：的功率谱密度中连续谱部分为：连续谱的形状由脉冲波形g(t)的频谱决定，信息序列an的方差起加权作用。6.1 数字基带信号及其频谱特性38 讨论 S(t)的功率密度谱中离散谱线为：的功率谱密度中连续6.1 数字基带信号及其频谱特性【例【例6-1】求单极性NRZ和RZ矩形脉冲序列的功率谱。【解】【解】对于单极性波形：若设g1(t)=0，g2(t)=g(t)，将其代入下式 可得到由其构成的随机脉冲序列的双边功率谱密度为 当P=1/2时，上式简化为396.1 数字基带信号及其频谱特性【例6-1】求单极性NR6.1 数字基带信号及其频谱特性n讨论：n若表示“1”码的波形g2(t)=g(t)为不归零（NRZ）矩形脉 冲，即 其频谱函数为当 f=mfs 时：若m=0，G(0)=Ts Sa(0)0，故频谱Ps(f)中有直流分量。若m为不等于零的整数，频谱Ps(f)中离散谱为零，因而无定时分量。406.1 数字基带信号及其频谱特性讨论：406.1 数字基带信号及其频谱特性这时，双边功率谱密度变成416.1 数字基带信号及其频谱特性这时，416.1 数字基带信号及其频谱特性n 若表示“1”码的波形g2(t)=g(t)为半占空归零矩形脉冲，即 脉冲宽度=Ts/2 时，其频谱函数为当 f=mfs 时：若m=0，G(0)=Ts Sa(0)/2 0，故功率谱 Ps(f)中有直流分量。若m为奇数，此时有离散谱，因而 有定时分量（m=1时）。若m为偶数，此时无离散谱。g(t)为半占空归零矩形脉冲时的基带信号功率谱Ps(f)为 426.1 数字基带信号及其频谱特性 若表示“1”码的波形g2(6.1 数字基带信号及其频谱特性n单极性信号的功率谱密度分别如下图中的实线和虚线所示436.1 数字基带信号及其频谱特性单极性信号的功率谱密度分别如6.1 数字基带信号及其频谱特性【例【例6-2】求双极性NRZ和RZ矩形脉冲序列的功率谱。【解】【解】对于双极性波形：若设g1(t)=-g2(t)=g(t)，则由 式 可得当P=1/2时，上式变为 446.1 数字基带信号及其频谱特性【例6-2】求双极性NR6.1 数字基带信号及其频谱特性n讨论：n若g(t)是高度为1的NRZ矩形脉冲，那么上式可写成 n若g(t)是高度为1的半占空RZ矩形脉冲，则有456.1 数字基带信号及其频谱特性456.1 数字基带信号及其频谱特性n双极性信号的功率谱密度曲线如下图中的实线和虚线所示466.1 数字基带信号及其频谱特性双极性信号的功率谱密度曲线如6.1 数字基带信号及其频谱特性n结论：n 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。n 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。“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。476.1 数字基带信号及其频谱特性结论：47小结思考题：1、构成AMI码和HDB3码的规则是什么？2、何谓码间串扰？可做可做习题习题：6-16-1，6-2，6-3n 数字基带信号的典型 波形；n 数字基带信号的频谱 分析方法；n 几种典型波形的频谱；48小结思考题：可做习题：6-1，6-2，6-3 数字基带信号