第六章 数字基带传输系统
学习目标
通过对本章的学习，应该掌握以下要点：
? 数字基带传输系统结构及各部件作用； ? 6种基带信号波形和频谱特性； ? 基带传输码型的编译及其特点； ? 码间串扰和奈奎斯特第一准则； ? 理想低通传输特性和奈奎斯特带宽； ? 余弦滚降特性???及关系； ? 第I类和第IV类部分响应系统； ? 无码间串扰基带系统的抗噪声性能；
? 眼图和均衡的概念。
6.1 内容提要
6.1.1 数字基带传输系统
(1) 数字基带信号：基频、取值离散的信号，如来自计算机、电传机等数据终端的信号，或者是模拟信号经数字化处理后的PCM信号等。
(2) 数字基带传输系统：不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统，其基本结构如图6-1所示。
图6-1 数字基带传输系统框图
图6-1中各部件的功能如下：
发送滤波器：即信道信号信道形成器，产生适合于信道中传输的基带信号波形。 信道：基带信号传输媒介（通常为有线信道）。介入的噪声n(t)是均值为零的高斯白噪声。
接收滤波器：接收有用信号，滤除带外噪声，对信道特性均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决。
抽样判决器：对接收滤波器的输出波形进行抽样、判决和再生（恢复基带信号）。 同步提取：从接收信号中提取用来抽样的未定时脉冲。
6.1.2 数字基带信号及其频谱特性
1. 数字基带信号
与消息代码相对应的电波形（多种）。图6-2给出了几种基本的基带信号波形。
图6-2 几种基本信号波形
图6-2（a）单极性波形：用正和零电平脉冲分别表示代码“0”和“1”。特点：极性单一，易于产生。缺点：有直流和丰富的低频分量，不适应有交流耦合的远距离传输；且抽样判决电平与信号幅度有关，且易受信道特性变化的影响。
图6-2（b）双极性波形：用正、负电平脉冲分别表示代码“1”和“0”。特点：等概时无直流，有利于传输，且判决电平为零值，不受信道特性变化的影响。
图6-2（c）单极性归零波形：单极性波形的归零形式。它含有丰富的位定时信息，因而是其他码型提取位同步信息时常采用的一种过渡波形。
图6-2（d）双极性归零波形：兼有双极性和归零波形的特点。 注①归零（RZ）：脉冲宽度<码元宽度
。当占空比（
）为50%时，信号带宽加倍。
）为100%，如图6-2
②非归零（NRZ）波形：脉冲宽度=码元宽度（a）和（b）所示。
，即占空比（
③图6-2（a）、（b）（c）和（d）中4种波形均属于绝对码波形，它们的消息代码与本码元的电位或极性一一对应。
图6-2（e）差分波形：以相邻脉冲电平的相对变化来表示代码，因而也称相对码波行。特点：可以消除设备初始状态的影响，特别是在相位调制系统中（参见第七章）可用于解决载波相位模糊问题。
差分波形可分为：传号差分波（“1”表示相邻电平跳变，而“0”不变），如图6-2（e）所示；空号差分波（“0”表示相邻电平跳变，而“1”不变）。
图6-2（f）多电平波形。多电平波形的一个脉冲对应多个二进制码，故在波特率（传输带宽）一定时，比特率提高了，如四进制码的比特率是二进制码的2倍。
数字基带信号通常是一个随机的脉冲序列。若其各码元波形相同而电平取值不同，则可表示为
s(t)?式中，
ang(t?n?????nTs) （6.1-1）
是第n个码元所对应的电平值（随机量）；为码元持续时间；g(t)为某种脉冲波
形。一般情况下，数字基地信号可表示为s(t)?sn(t) （6.1-2） ?n????
2. 基带信号的频谱特性
数字基带信号s(t)的频谱特性可以用功率谱密度来描述。
设二进制随机信号为s(t)?sn(t) (6.1-3) ?n????其中 =
则s(t)的功率谱密度为()=+
(6.1-4)
式中，
为码元速率；
和
分别为
(t)和
(t)的傅里叶变换。
式(6.1-4)告诉我们以下结论：
（1）二进制随机信号的功率谱密度包括连续谱（第一项）和离散谱（第二项）。 （2）连续谱总是存在的，因为实际中频谱及概率p。
（3）离散谱通常也存在，但对于双极性信号
(t)=-(t)，且等概（P=1/2）时离散谱消
≠
。谱的形状取决于
(t)和
(t)的
失。
（4）通常，根据连续谱可以确定信号的带宽；根据离散谱可以确定随即序列是否有直流分量和位定时分量。这也正是我们分析频谱的目的。 应该指出，在以上的分析中没有限定
(t)和
(t)的波形。因此，式(6.1-4)也可用来计算
数字调制信号的功率谱。
作为示例，图6-3中画了图6-2中4种波形在等概率（P=1/2）条件下的功率谱密度。
图6-3 二进制基带信号的功率谱密度
讨论：
（1）方波谱（第1个零点）带宽等于脉冲宽度的倒数1/。NRZ（==1/=2
。其中=1/
，是位定时信号的频谱，它在数值上与码元速率
）信号带宽为相等。
（2）单极性NRZ信号没有定时分量，只有直流分量；单极性RZ信号含有直流、以及的基次谐波项。等概的双极性信号没有离散谱。
6.1.3 基带传输的常用码型
1. 选码原则
（1）不含直流，且低频分量少； （2）含有丰富的定时信息；
（3）功率谱主瓣宽度窄，以节省传输频带； （4）不受信源统计特性的影响； （5）具有宏观自检能力；
（6）编译码简单，以降低通信延时和成本。 满足或部分满足以上特性的传输码型种类很多。 2. 几种常用的传输码型
1）AMI码（传号交替反转码）
编码规则：输入消息码为“1”（传号）时，AMI码交替地变换为“+1”和“-1”；输入信息码为“0”（空号）时，AMI码为“0”。例如：
消息码：0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1‥‥ AMI码：0 -1 +1 0 0 0 0 0 0 0 -1 +1 0 0 -1 +1‥‥
特点：无直流，且高、低频分量小；编译码简单；具有宏观检错能力（利用传号极性交替这一规律）；以三电平（正、负、零）波形传输。
缺点：长连“0”时难以获取定时信号。 2）HD
码（3阶高密度双极型码）
它是AMI码的一种改进，改进的目的是为了保持AMI码的优点而克服其缺点，使连“0”个数不超过3个。例如：
消息码： 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 HD
码：-1 0 0 0
+1 0 0 0
-1 +1
0 0
0 0
-1 +1
特点：保留了AMI码的优点，且连“0”个数不超过3，有利于定时信息的提取。 应用：A律PCM四次群以下的接口码型为HD3）双相码（Manchester码）
编码规则：“0”→“01”，“1” →“10”。例如： 消息码： 1 1 0 0 1 0 1 双相码： 10 10 01 01 10 01 10
特点：无直流；位定时信息丰富（因为每个码元的中心点都存在电平跳变）；可宏观检错（利用连码个数不超过2这一规律）；以双极性NRZ波形传输。
缺点：占用带宽加倍，使频带利用率降低。
应用：数据终端设备近距离传输，局域网中的传输码型。 4）密勒码（Miller码）
密勒码又称延迟调制码，它是双相码的一种变形。
编码规则：“1”→“10”或“01”（应使相邻信码之间的电平不跳变）；“0” →“00”或“11”（应使两个“0”信码之间的电平跳变）。
特点：二电平，连“0”或连“1”个数不超过4个（两个码元周期） 应用：气象卫星、磁记录和低速基带数传机中。 5）CMI码（传好反转码）
编码规则：“1”→“11”或“00”（交替反转），“0” →“01”。
特点：易于实现；无直流；富含定时信息；不会出现3个以上的连码（这个规律可用来实现宏观检错）。
应用：PCM四次群的接口码型，速率低于8.448Mb/s的光缆传输系统中。
码。
6.1.4 基带传输和码间干扰
1. 数字基带传输
数字基带传输模型如图6-4所示。
图6-4 数字基带传输系统模型
设输入序列｛
｝所对应的数字基带信号为
d(t)??an?(t?nTs) （6.1-5）
???