數據通信原理方莉北京郵電大學信通院TelEmail：mrs.fangli@課程簡介第一章概述第二章數據信號傳輸第三章差錯控制第四章數據交換第五章通信協議第六章數據通信網目錄2

第二章數據信號傳輸第一節數據信號及特性描述第二節數據信號的基帶傳輸第三節數據信號的頻帶傳輸第四節數據信號的數字傳輸3

第二節數據信號的基帶傳輸什么是基帶傳輸？基帶是指未經調制變換的信號所占的頻帶，基帶信號的頻譜一般從零開始，一直到一定的頻率，是低通型信號；不搬移基帶信號頻譜的傳輸方式。為什么要研究數據信號的基帶傳輸？頻帶系統也存在基帶傳輸問題，基帶系統中的許多概念、理論可直接應用于頻帶系統；理論上，頻帶傳輸系統總有一個基帶傳輸系統與之對應—等效基帶系統；實際中存在基帶傳輸(設備內部、外設)，不只用于低速率傳輸，還有高速傳輸，并有迅速發展的趨勢；4

第二節數據信號的基帶傳輸主要內容基帶傳輸系統的構成模型幾種形成網絡數據傳輸系統中的時域均衡5

第二節數據信號的基帶傳輸掌握基帶傳輸系統構成模型中各部分的作用、形成網絡的概念幾種形成網絡的特點，，符號間干擾情況和特點；時域均衡的思路6

第二節數據信號的基帶傳輸2.1數據基帶信號分析2.2基帶傳輸系統組成2.3理想低通網絡2.4滾降低通網絡2.5部分響應系統2.6數據序列的擾亂和解擾2.7基帶傳輸的時域均衡72.1數據基帶信號分析基帶數據信號：DTE輸出的數據信號代碼序列稱為基帶數據信號。其特征為信號的能量主要集中于從0開始至某一頻率的低通型頻帶。基帶：這種基帶數據信號所占的低通型頻帶。基帶傳輸：不搬移基帶信號頻譜的傳輸方式。數據通信系統的基本構成8

第二節數據信號的基帶傳輸2.1數據基帶信號分析2.2基帶傳輸系統組成2.3理想低通網絡2.4滾降低通網絡2.5部分響應系統2.6數據序列的擾亂和解擾2.7基帶傳輸的時域均衡9

碼型變換器是將數據信號轉換成更適合于信道傳輸的碼型；同步系統作用是通過特定方法提取同步信息，并產生同步控制信號；

抽樣判決器是在位同步脈沖的控制下對信號波形抽樣，并按照特定碼型的判決規則恢復原始數據信號（可能產生差錯）。

2.2基帶傳輸系統組成二進制傳輸基帶傳輸系統102.2基帶傳輸系統組成發送濾波器：限制信號頻帶并起波形形成作用。發送濾波器和加寬電路合起來作為圖中發送濾波器。112.2基帶傳輸系統組成信道：信號的傳輸媒介，如雙絞線、電纜或無線信道等；接收濾波器(包含均衡器)：用來濾除帶外噪聲和干擾，并起波形形成作用；均衡器用來均衡信道特性的不理想。12

2.2基帶傳輸系統組成13

2.2基帶傳輸系統組成基帶傳輸系統的構成模型發送濾波器和加寬電路合起來作為圖中發送濾波器；因此圖中{ak}是數據終端輸出的數據序列，可以用沖激脈沖序列來表示：{ak}14

多進制基帶傳輸系統結構與二進制系統相比較，區別在于收發兩端加二進制和M進制的轉換設備；

和二進制相比較，多進制數據傳輸系統具有以下特點：在碼元速率相同的條件下，多進制系統可以實現更高的信息速率；多進制系統需要維持多個判決電平，在相同信號功率輸入時，抵抗噪聲干擾的能力較弱，所以此時其系統誤碼率比二進制大多進制系統設備更復雜。

2.2基帶傳輸系統組成152.2基帶傳輸系統組成研究基帶傳輸系統的基本出發點：誤碼率足夠小，必須最大限度的減少符號間干擾和隨機噪聲的影響。不考慮噪聲，只考慮信道的傳輸特性對系統的影響和改進措施；信道傳輸特性理想時，考慮噪聲對系統性能的影響；162.2基帶傳輸系統組成形成濾波器（形成網絡）：從發送濾波器到接收濾波器(均衡器）。

172.2基帶傳輸系統組成對于形成網絡的要求：（1）在有效的頻帶范圍內，頻帶利用率要高；（2）可靠性高，誤碼率要低，即要求e點的波形無碼間干擾；（3）物理上可實現；

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第二節數據信號的基帶傳輸2.1數據基帶信號分析2.2基帶傳輸系統組成2.3理想低通網絡2.4滾降低通網絡2.5部分響應系統2.6數據序列的擾亂和解擾2.7基帶傳輸的時域均衡192.3理想低通網絡描述網絡特性傳輸函數H(f)沖激響應函數h(t)H(f)和h(t)是傅氏變換的關系；202.3理想低通網絡理想低通形成網絡特性假定基帶數據傳輸系統構成模型中，形成網絡特性是理想低通傳輸特性。其傳輸函數為：

212.3理想低通網絡理想低通形成網絡傳輸函數為：

fH(f)10fN-fN222.3理想低通網絡沖激響應：這樣的網絡對單位沖激脈沖δ(t)的響應為網絡傳遞函數的傅立葉反變換：232.3理想低通網絡沖激響應h(t)波形的特點：①每隔1/2fN出現一個零點；②波形“尾巴”以1/t的速度衰減，衰減很慢。

242.3理想低通網絡無碼間干擾條件252.3理想低通網絡例如：數據序列（單極性碼）101101經過理想低通波形形成網絡后的波形結論：抽樣脈沖周期T＝1/2fN時，抽樣最準確，無碼間干擾。262.3理想低通網絡奈奎斯特第一準則

如果系統等效網絡具有理想低通特性，且截止頻率為fN時，則該系統中允許的最高碼元（符號）速率為2fN，這時系統輸出波形在峰值點上不產生前后符號間干擾。272.3理想低通網絡奈奎斯特第一準則理解要點：①把fN稱為奈奎斯特頻帶，2fN波特稱為奈奎斯特速率，T＝1/2fN稱為奈奎斯特間隔。②這個定理表明，在頻帶fN內，2fN波特是極限速率，所以系統的最高頻帶利用率為2Bd/Hz。282.3理想低通網絡奈奎斯特第一準則理解要點：③在比特速率相同下，采用多電平傳輸的符號速率要下降，從而使碼元間隔增大，最后導致奈氏帶寬下降。29

2.3理想低通網絡例：一個理想基帶傳輸系統，若奈氏帶寬不變，采用8電平傳輸時的傳信速率與4電平傳輸時的傳信速率的關系是什么？解：30

2.3理想低通網絡理想低通網絡的特點：滿足奈氏第一準則（無符號間干擾）。頻帶利用率達到了2Bd/Hz的極限。波形“尾巴”衰減較慢，對定時脈沖的精度要求較高。物理上不可實現。31知識回顧理想低通形成網絡特點：32

2.3理想低通網絡理想低通在實際應用中存在兩個問題理想矩形特性的物理實現極為困難；理想的沖激響應h(t)的“尾巴”很長，衰減很慢，當存在定時偏差時，可能出現嚴重的碼間串擾；理想低通陡峭的截止帶使得其時域沖擊響應旁瓣時間長，衰減慢33

2.3理想低通網絡由于理想低通在實際應用中的問題，1)物理不可實現2)對定時要求高需要設計一個傳輸系統，既可以物理實現，又能滿足奈氏第一準則：速率為2fN的序列通過該系統后能在所有按間隔T=1/2fN的取樣點處不產生碼間干擾。解決辦法：適當放寬頻帶，將理想矩形截止邊際修正為一個圓滑的滾降形狀；34

第二節數據信號的基帶傳輸2.1數據基帶信號分析2.2基帶傳輸系統組成2.3理想低通網絡2.4滾降低通網絡2.5部分響應系統2.6數據序列的擾亂和解擾2.7基帶傳輸的時域均衡352.4滾降低通網絡滾降特性的低通網絡為滿足奈氏準則，要求形成滾降特性的條件是過理想低通特性的(fN,1/2)點處作奇對稱的函數。362.4滾降低通網絡滾降特性的低通網絡(fN,0.5)372.4滾降低通網絡從網絡理論可知，滾降低通特性網絡是物理可實現的;并可證明，只要按奇對稱條件所構成滾降特性低通網絡，其沖激響應的前導和后尾仍是每隔T=1/2fN的時間經過零點，從而滿足按間隔T=1/2fN的采樣間隔不產生碼間干擾的要求。由于奇對稱的滾降條件，滾降后的低通網絡的截止頻率比理想低通特性的截止頻率有所展寬，具體展寬的數值與所實現的滾降特性有關。382.4滾降低通網絡設為滾降因子；fa為由于滾降而使截止頻率與fN相比所增加的頻帶，為滿足奇對稱的條件，0≤fa≤fN，則0≤≤1。帶寬B=(1+)fN頻帶利用率=2/(1+)波特／赫茲392.4滾降低通網絡滾降的條件是奇對稱，對具體的形狀沒有具體要求，因此有多種幅頻特性可以滿足這一要求；采用較多的是升余弦形狀的幅頻特性，如下圖：402.4滾降低通網絡升余弦幅頻特性網絡的沖激響應為：412.4滾降低通網絡從曲線可以看出：波形的“尾巴”以1/t3的速度衰減，越大，其沖激響應的前導和后尾衰減越快，因此越大允許采樣定時相位有較大的偏移；越大，頻帶利用率就越小，因為=2/(1+);當=1，=1Bd/Hz;422.4滾降低通網絡滾降低通特性結論：

若滾降低通網絡的幅度特性以C點（fN,1/2）呈奇對稱滾降，則其輸出響應波形在取樣判決點無符號間干擾，即滿足奈氏第一準則。432.4滾降低通網絡滾降低通特性結論：

滿足無符號間干擾的條件;頻帶利用率不能達到2Bd/Hz的極限;波形“尾巴”衰減較快，對定時脈沖的精度要求不高;物理上可實現。44

2.4滾降低通網絡滾降低通特性結論：

(a)η與α成反比(b)1≤η<2（2Bd/Hz是極限頻帶利用率）

452.4滾降低通網絡例1：一形成濾波器幅度特性如下圖所示。①如果符合奈氏第一準則，其符號速率為多少？α為多少？②采用八電平傳輸時，傳信速率為多少？③頻帶利用率η為多少？f01|H(f)|1/220004000C462.4滾降低通網絡例1：一形成濾波器幅度特性如下圖所示。①如果符合奈氏第一準則，其符號速率為多少？α為多少？解：①如果符合奈氏第一準則，應以（fN,0.5）呈奇對稱滾降特性，由圖可得：472.4滾降低通網絡例1：一形成濾波器幅度特性如下圖所示。②采用八電平傳輸時，傳信速率為多少？③頻帶利用率η為多少？解：②傳信速率:③頻帶利用率:482.4滾降低通網絡例2：按奈氏第一準則設計一個基帶傳輸系統。該系統采用4電平傳輸，滾降系數α＝0.2，傳信速率為128kbit/s。試定性畫出系統的傳遞函數幅度特性。解：49知識回顧滾降低通形成網絡特點：50

第二節數據信號的基帶傳輸2.1數據基帶信號分析2.2基帶傳輸系統組成2.3理想低通網絡2.4滾降低通網絡2.5部分響應系統2.6數據序列的擾亂和解擾2.7基帶傳輸的時域均衡512.5部分響應系統理想低通：波形Sa(x)，頻帶利用率可達理論上的最大值2Bd/Hz，物理不可實現；它的h(t)的尾巴振蕩幅度大、收斂慢，從而對定時要求十分嚴格；滾降低通：物理可實現，所需的頻帶卻加寬了，頻帶利用率<2Bd/Hz，降低了系統的頻帶利用率；共同點：取樣判決時刻不產生碼間干擾。522.5部分響應系統問題：能否找到頻帶利用率為2Bd/Hz，滿足“尾巴”衰減大、收斂快，實際中又可以實現的傳輸特性？答案：有控制地在某些碼元的抽樣時刻引入碼間干擾，而在其余碼元的抽樣時刻無碼間干擾，那么就能使頻帶利用率提高到理論上的最大值，同時又可以降低對定時精度的要求。通常把這種波形稱為部分響應波形。利用部分響應波形進行傳送的基帶傳輸系統稱為部分響應系統。532.5部分響應系統奈奎斯特第二準則：引入一定的、受控的ISI(采用相關編碼，在前后符號之間引入相關性，以改變信號功率譜特性)，壓縮傳輸頻帶，可達到2Baud/Hz的理論極限，同時降低對定時精度的要求。ISI:intersymbolinterference，符號間干擾部分響應波形和部分響應傳輸系統542.5部分響應系統理想低通的沖激響應：部分響應系統思路：如果形成波形是兩個（或兩個以上）這樣的項在時間錯開所組成，這樣合成波的表達式在分母通分之后將出現t2（或t3等）項，即隨著t2（或t3等）波動衰減，從而加快了響應波形的前導和后尾的衰減。

55常見的部分響應形成系統有：

第一類部分響應形成系統

第四類部分響應形成系統

2.5部分響應系統562.5.1第一類部分響應系統觀察：相距一個碼元間隔的兩個sinx/x波形的“拖尾”剛好正負相反，思路：利用這樣的波形組合肯定可以構成“拖尾”衰減很快的脈沖波形572.5.1第一類部分響應系統采用兩個間隔為一個碼元寬度T的sinx/x相加582.5.1第一類部分響應系統第一類部分響應系統①給出h(t)公式②畫出方框圖③推導H(f)

④分析h(t)特性⑤引出有預編碼的第一類部分響應（形成）系統592.5.1第一類部分響應系統①h(t)②系統方框圖602.5.1第一類部分響應系統②系統方框圖等效系統方框圖①→②：相關編碼器612.5.1第一類部分響應系統③推導H(f)先求H12(f)，然后求H(f);h12(t)←→H12(f)傅氏變換關系622.5.1第一類部分響應系統③推導H(f)632.5.1第一類部分響應系統③推導H(f)642.5.1第一類部分響應系統③推導H(f)652.5.1第一類部分響應系統④h(t)的特性662.5.1第一類部分響應系統④h(t)的特性：td＝01)零點的位置t=k/4fN,k=±3,±5...2)波形的“尾巴”以1/t2的速度衰減672.5.1第一類部分響應系統問題：是否存在碼間干擾？

除第一個樣值c0以外，其它樣值中前一個碼元對后一個碼元都有碼間干擾，這種碼間干擾可以按照下式消除:682.5.1第一類部分響應系統④h(t)的特性結論：

第一類部分響應形成系統的波形有碼間干擾。但若取樣判決點選在波峰往前T/2處，只有前一個碼元對它有干擾，此干擾是固定的，可以消除的。69發端數據ak：0101100101收端樣值ck：0111210111判決結果ak,：0101100101實例分析該系統中必須知道初始值a0

，并存在錯誤傳播發端數據ak：0101100101收端樣值ck：0111210111判決結果ak,：010101-12-12解決錯誤傳播的有效方法是采用預編碼和相關編碼2.5.1第一類部分響應系統702.5.1第一類部分響應系統④h(t)的特性結論：

存在誤碼擴散問題：如果接收時因信道噪聲使接受判決錯誤，就可能使下一個碼發生誤判，這種現象稱為誤碼擴散。采用預編碼的方式解決。712.5.1第一類部分響應系統⑤有預編碼的第一類部分響應系統72

收端只需對ck作模2運算即可得到ak，即ak≡ck[模2]預編碼bk=ak⊕bk-1

相關編碼

ck=bk+bk-1實例分析ak：0101100101

bk-1：00110111001bk=ak⊕bk-1：00110111001ck=bk+bk-1：0121122101ak=ck[模2]：0101100101c’k：0121112101a’k=ck[模2]：01011101012.5.1第一類部分響應系統732.5.1第一類部分響應系統⑤有預編碼的第一類部分響應系統

收端只需對ck作模2運算即可得到ak，即ak≡ck[模2],不需預先知道ak-1就可以進行判決，所以不存在誤碼擴散問題。742.5.1第一類部分響應系統第一類部分響應形成系統的特點：有碼間干擾，但是固定的，可以消除的。頻帶利用率能達到2Bd/Hz的極限。波形“尾巴”衰減較快，對定時脈沖的精度要求不高。物理上可實現。75知識回顧第一類部分響應系統76

第一類部分響應系統例：已知一個數據序列ak，通過第一類部分響應形成系統，如圖所示，試填出表中所列其它各行的數據。

ak00110010bk(0)bk-1ck77

第二節數據信號的基帶傳輸2.1數據基帶信號分析2.2基帶傳輸系統組成2.3理想低通網絡2.4滾降低通網絡2.5部分響應系統2.6數據序列的擾亂和解擾2.7基帶傳輸的時域均衡78

2.6數據序列的擾亂與解擾擾亂：就是將輸入數據按某種規律進行變換，使之具有足夠的隨機性。解擾：經過擾亂的數據通過系統傳輸后，在接收端還要還原成原始數據序列，這就需要在接收端進行擾亂的逆過程。79

2.6數據序列的擾亂與解擾擾亂的作用破壞數據序列中存在的長連“0”或長連“1”以及一些短周期序列。因為這樣的數據序列對傳輸系統是不利的，后果如下：可能產生串音干擾；可能造成傳輸系統失步；可能造成均衡器調節信息丟失；80

數據加擾系統

2.6數據序列的擾亂與解擾81

第二節數據信號的基帶傳輸2.1數據基帶信號分析2.2基帶傳輸系統組成2.3理想低通網絡2.4滾降低通網絡2.5部分響應系統2.6數據序列的擾亂和解擾2.7基帶傳輸的時域均衡822.7基帶傳輸的時域均衡問題：實際實現時，由于難免存在濾波器的設計、實現誤差和信道特性的變化，所以無法實現理想的傳輸特性，因而導致系統性能的下降。解決方法：在接收濾波器和抽樣判決器間加均衡器;作用：校正或補償系統特性，減小碼間串擾的影響;假設：信道特性C(f)已知；832.7基帶傳輸的時域均衡頻域和時域均衡頻域均衡：利用可調濾波器的頻率特性去補償基帶系統的頻率特性(校正幅頻特性和群遲延特性)時域均衡:直接從時域校正系統的沖激響應；線性和非線性均衡線性均衡：線性濾波器作均衡器非線性均衡：判決反饋均衡器(DFE)和最大似然序列估計器(MLSE)842.7基帶傳輸的時域均衡時域均衡的作用：

利用接收波形本身來進行補償以消除采樣點的符號間干擾，提高判決的可靠性；時域均衡是對信號在時域上進行處理，較頻域均衡更直接、直觀。85時域均衡的思路消除接收的時域信號波形的取樣點處的碼間干擾，并不要求傳輸波形的所有細節都與奈氏準則所要求的理想波形完全一致。可以利用接收波形本身來進行補償以消除取樣點的符號間干擾，提高判決的可靠性。2.7基帶傳輸的時域均衡862.7基帶傳輸的時域均衡時域均衡器的組成主要是由橫截濾波器構成，它是由三部分(多級抽頭遲延線、可變增益電路和求和器)組成的線性系統。時域均衡器構成872.7基帶傳輸的時域均衡時域均衡的基本原理滿足無碼間干擾的條件：882.7基帶傳輸的時域均衡時域均衡的均衡目標調整各增益加權系數，使