數字與數據通信基帶傳輸第1頁，課件共76頁，創作于2023年2月

物理實線傳輸信道

1、雙絞線電纜

雙絞線是由兩條相互絕緣的銅導線扭絞起來構成的，一對線作為一條通信線路。雙絞線可用于傳輸模擬信號，也可用于傳輸數字信號，其通信距離一般為幾到幾十公里。信道的傳輸特性呈低通型特性。

由于雙絞線成本低廉且性能較好，在數據通信和計算機特通信網中都是一種普遍采用的傳輸媒介。目前，在某些專門系統中，雙絞線在短距離傳輸中的速率已達100～155Mbit/s。第2頁，課件共76頁，創作于2023年2月內導體芯線絕緣內屏蔽外屏蔽外套雙絞線（擰成扭絞狀的電纜，又稱對稱電纜）優點：較穩定缺點：損耗較大屏蔽雙絞線(STP)非屏蔽雙絞線(UTP)常用的雙絞線為3類(16Mbit/s)和5類(155Mbit/s)兩種以鋁箔屏蔽以減少干擾和串音雙絞線外無任何屏蔽層第3頁，課件共76頁，創作于2023年2月第4頁，課件共76頁，創作于2023年2月

物理實線傳輸信道

2、同軸電纜

由一對導體組成，但它們是按同軸的形式構成線對，其中最里層是內導體芯線，外包一層絕緣材料，外面再套一個空心的圓柱形外導體，最外層是其保護作用的塑料外皮。內導體和外導體構成一組線對。同軸電纜具有很好的抗干擾性，它比雙絞線具有較好的頻率特性，具有更高的傳輸速率。但其成本較高。與雙絞線信道特性相同，同軸電纜信道特性也是低通特性，但它的低通帶寬要比雙絞線的頻帶寬。第5頁，課件共76頁，創作于2023年2月銅芯絕緣層外導體保護套同軸電纜優點：外導體接地、屏蔽干擾第6頁，課件共76頁，創作于2023年2月（b）同軸電纜實例（c）海底同軸電纜實例第7頁，課件共76頁，創作于2023年2月

電話網傳輸信道

所謂電話網傳輸信道是指通過傳輸話音信號的電話網絡傳輸數據信號

電話網是專門設計用于傳輸話音信號的，話音信號的頻帶范圍是300～3400Hz，是屬于帶通型信道。

所以電話網的網絡設計也是對應帶通型信號的帶通型信道，對當前廣泛采用的數字程控交換機電話網絡而言，帶通型信道的限制主要體現在交換機中的PCM編碼、解碼的帶限濾波器，它們的頻帶限制通常是300～3400Hz。電話網傳輸信道的總合特性是屬于帶通型信道，其通帶頻率范圍是300～3400Hz。第8頁，課件共76頁，創作于2023年2月

數字數據傳輸信道

采用PCM數字信道作為數據信號傳輸信道稱為數字數據傳輸信道（DDN數字數據網）

這種信道的連接方式是，將多個低速數據終端輸出的信號經過時分多路復用或集中合成到64Kbit/s速率，然后直接以數字方式合入到PCM30路系統的某一個時隙，最后復用到2.048Mbit/s（一次群或基群速率）在數字線路上傳輸。數字線路：光纖傳輸系統，數字微波及衛星等傳輸系統該傳輸系統的傳輸速率高，傳輸質量好，是比較理想的數據傳輸信道，是當前大力發展的一種數據傳輸方式。

第9頁，課件共76頁，創作于2023年2月第10頁，課件共76頁，創作于2023年2月第11頁，課件共76頁，創作于2023年2月為適應前述三種類型傳輸信道，有三種數據信號傳輸的基本方法，即基帶傳輸、頻帶傳輸（或稱調制傳輸）及數字數據傳輸第12頁，課件共76頁，創作于2023年2月2.基帶傳輸碼型的要求

1、傳輸碼型的功率譜中應不含直流分量，同時低頻分量要盡量少。

2、傳輸碼型的功率譜高頻分量應盡量少，節省傳輸頻帶并且減少電磁干擾。第三章數據信號傳輸第13頁，課件共76頁，創作于2023年2月

3、便于定時時鐘的提取傳輸碼型功率譜中應含有定時鐘信息，以便接收端能提取必需的定時鐘信息，實現系統的同步。

4、傳輸碼型應具有一定的檢測誤碼的能力

信號在信道中傳輸時，由于各種因素的影響，有可能產生誤碼，若傳輸碼型有一定的規律性，那么就可根據這一規律性來檢測是否有誤碼，做到自動監測，保證傳輸質量。第14頁，課件共76頁，創作于2023年2月

5、對信源統計依賴性最小

對信源具有透明性，信道上傳輸的基帶傳輸碼型應具有對信源統計依賴最小的特性，即對信源經信源編碼后，直接轉換的數字信號的類型不應有任何限制（例如“1”和“0”出現的概率及連“0”多少等）。第15頁，課件共76頁，創作于2023年2月

6、要求碼型變換設備簡單、易于實現

由信息源直接轉換的數字信號不適合于直接在電纜信道中傳輸，需經碼型變換設備轉換成適合于傳輸的碼型，要求碼型變換設備要簡單、易于實現。第16頁，課件共76頁，創作于2023年2月2.常用數據序列形式分別畫出10100110的下列波形單極性不歸0碼單極性歸0碼雙極性不歸0碼雙極性歸0碼AMI碼CMI碼第17頁，課件共76頁，創作于2023年2月3.數據序列的頻譜特性目的：通過研究數據序列的頻譜特性，找出數據序列的能量分布特性，以便決定信道的頻帶特性。對確定信號，可用傅里葉變換方法求得信號頻譜，但數據序列是隨機的，不能再用傅里葉變換確定其頻譜，只能用統計的方法研究其功率譜密度，簡稱功率譜。隨機二進制數字信號序列的功率譜包括連續譜和離散譜兩個部分。第18頁，課件共76頁，創作于2023年2月單極性不歸零碼及其功率譜第19頁，課件共76頁，創作于2023年2月缺點：（1）有直流成分，且信號能量大部分集中在低頻（占空比越大，信號能量越集中在低頻部分）。（2）提取時鐘fB困難。（3）無檢測誤碼能力，因傳輸碼型無規律。（4）與信源統計特性關系密切，長“0”串出現不可避免。第20頁，課件共76頁，創作于2023年2月單極性歸零碼（τ=TB/2）及功率譜第21頁，課件共76頁，創作于2023年2月二進制數字信號序列的功率譜曲線第22頁，課件共76頁，創作于2023年2月AMI碼及功率譜第23頁，課件共76頁，創作于2023年2月優點：（1）無直流成份，低頻成份也少（由于AMI碼的傳號碼極性交替反轉），有利于采用變量器進行遠供電源的隔離，而且對變量器的要求（如體積）也可以降低。（2）高頻成份少。這不僅可節省傳輸頻帶、提高信道利用率，同時也可以減少電磁感應引起的串話。第24頁，課件共76頁，創作于2023年2月（3）碼型功率譜中雖無fB定時鐘頻率成份，但經全波整流，可將AMI碼變換成單極性半占空碼，就會含有定時鐘fB成份，便可從中提取定時鐘成份。（4）AM1碼具有一定的檢錯能力。缺點：長“0”串會出現，不利于定時鐘提取，為克服這一缺點，引入了HDB3碼。第25頁，課件共76頁，創作于2023年2月CMI碼CMI碼是傳號反轉碼的簡稱，編碼規則為：“1”碼交替用“00”和“11”表示；“0”碼用“01”表示。優點：沒有直流分量，且有頻繁出現波形跳變，便于定時信息提取，具有誤碼監測能力。第26頁，課件共76頁，創作于2023年2月曼徹斯特碼（雙相碼）（以太網）每個碼元用兩個連續極性相反的脈沖來表示比如：“0”－10“1”－01優點：無直流分量最長連0數為2定時信息豐富編譯碼電路簡單缺點：碼元速率提高了一倍第27頁，課件共76頁，創作于2023年2月差分曼徹斯特碼先求相對碼，再用相對碼做曼徹斯特碼優點：避免極性反轉時引起的譯碼錯誤第28頁，課件共76頁，創作于2023年2月110001000010“0”－10“1”－01第29頁，課件共76頁，創作于2023年2月各種信號編碼方案頻譜密度第30頁，課件共76頁，創作于2023年2月二、數據信號的基帶傳輸1.基帶傳輸系統構成模型基帶數據信號：數據終端輸出的數據信號代碼序列。基帶數據信號的主要特征是：信號的主要能量是集中于從0開始至某一頻率的低通型頻帶。基帶：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。第31頁，課件共76頁，創作于2023年2月發送濾波信道接收濾波均衡取樣判決噪聲{ak}{ak}12基帶數據傳輸系統構成模型發送濾波器：平滑濾波，起限制信號頻帶的作用；信道：同軸電纜、對稱電纜、架空明線；接收濾波器：濾除帶外噪聲和干擾；均衡：對接收波形進行均衡，改善信道特性的不理想；抽樣判決器：在規定時刻進行抽樣，對抽樣值進行判決，確定是“0”還是“1”；第32頁，課件共76頁，創作于2023年2月2.理想低通網絡波形形成奈奎斯特第一準則碼間干擾：由于傳輸特性的不理想，加上加性噪聲的影響，使脈沖寬度展寬，延伸到相鄰的碼元中去，從而造成鄰近碼元的相互干擾1、無碼間干擾的時域條件第33頁，課件共76頁，創作于2023年2月傳遞函數：其中，fN為截止頻率，也就是理想低通網絡的帶寬理想低通特性第34頁，課件共76頁，創作于2023年2月我們知道，網絡對單位沖激脈沖δ(t)的響應，就是網絡傳遞函數的傅立葉反變換，即為了分析方便，通常令td=0第35頁，課件共76頁，創作于2023年2月單位沖激脈沖通過理想低通網絡的輸出響應(1)t=0時有輸出最大值，且波形出現拖尾，其拖尾的幅度是隨時間而逐漸衰減的；(2)其響應值在時間軸上具有很多零點。第一個零點是±1/2BN，以后各相鄰零點的間隔都是1/2BN

（BN是理想低通的截止頻率）。第36頁，課件共76頁，創作于2023年2月單位沖激脈沖序列第37頁，課件共76頁，創作于2023年2月最大值點處抽樣判決示意圖第38頁，課件共76頁，創作于2023年2月對于等效成截止頻率為fc的理想低通網絡來說，若數字信號以2fc的符號速率傳輸，則在各碼元的間隔處（即TB=1/2BN的整數倍處）進行抽樣判決，不產生碼間干擾，可正確識別出每一個碼元。第39頁，課件共76頁，創作于2023年2月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BN

，則系統中允許的最高碼元速率（極限速率）為2BN，這時的系統輸出波形在峰值點上不產生碼間干擾。國際上把BN稱為奈奎斯特頻帶,2BN稱為奈奎斯特速率，TB=1/2BN稱為奈奎斯特間隔

無碼間干擾的碼速率為：2BN/k(Bd)，最高頻帶利用率為：2（Bd/Hz）第40頁，課件共76頁，創作于2023年2月無碼間干擾的時域條件也就是說，h(t)的值除t=0時不為零外,在其他所有抽樣點均為零。第41頁，課件共76頁，創作于2023年2月2、無碼間干擾的頻域條件

在頻域看，該系統的傳輸特性按2π/Ts切段疊加后，再搬回（-π/Ts

,π/Ts

）區間疊加，疊加后若其幅度為常數，則表明此基帶傳輸系統可實現無碼間干擾傳輸。第42頁，課件共76頁，創作于2023年2月無碼間干擾的頻域條件碼元傳輸速率與傳輸系統特性之間的關系稱為奈奎斯特第一準則。它為我們確定某基帶系統是否存在碼間串擾提供了理論依據。第43頁，課件共76頁，創作于2023年2月3.具有幅度滾降特性的低通網絡波形形成

理想低通特性的理想基帶傳輸系統，頻譜窄，能達到極限傳輸速率，但有如下兩個缺點：⑴理想低通傳遞函數物理上不可實現的，頻率截止特性過于陡峭，且拖尾振蕩幅度大，收斂慢；⑵對接收端定時抽樣時鐘信號的準確度要求極高因其具有波動幅度很大的拖尾，必須嚴格在規定的時間取樣，稍有偏差，就會有碼間干擾。第44頁，課件共76頁，創作于2023年2月圖中，C點稱為奇對稱點，傳輸特性的曲線段關于這點作奇對稱。

幅頻特性滾降的傳遞函數α的取值應是在0～1的范圍內H(f)100.5(1+α)(1-α)BNfCH(f)100.5BN(1+α)BNfC第45頁，課件共76頁，創作于2023年2月余弦滾降系統第46頁，課件共76頁，創作于2023年2月引入滾降系數α后，系統的最高傳碼率不變，但是此時系統的帶寬擴展為系統的頻帶利用率為

第47頁，課件共76頁，創作于2023年2月4.部分響應形成系統部分響應系統的思想：

一種可實現的形成系統，它允許存在一定的、但受控的碼間干擾，而在接收端可以加以消除，這樣的系統既能使頻帶利用率提高到理論上的最大值，使其響應波形的前導和后尾波動隨時間有較快衰減，又近似地物理實現。第48頁，課件共76頁，創作于2023年2月

1、第一類部分響應編碼二個在時間上錯開T的理想低通的沖激響應波形相加tg(t)T2T3T4T－T－2T－3T01碼間干擾第49頁，課件共76頁，創作于2023年2月第50頁，課件共76頁，創作于2023年2月特別提醒1、波形的拖尾按照t^2速率衰減2、頻譜限制在（-π/Ts

,π/Ts

）之間傳輸帶寬為BN=1/2Ts頻帶利用率為2（Bd/Hz）第51頁，課件共76頁，創作于2023年2月

碼間串擾只發生在前后碼元之間，對其他碼元不影響，是確定的，可控的，在接收端可以消除的tg(t)T2T3T4T－T－2T－3T01碼元發生串擾示意圖第52頁，課件共76頁，創作于2023年2月怎么消除？發送端發1個“1”碼，接收端會收到2個“1”碼，在接收端收到的前一個“1”碼作為接收的“1”碼，而延遲T時間后收到的“1”就可以不計，判為“0”第53頁，課件共76頁，創作于2023年2月誤碼擴散

碼元的恢復必須參考前一碼元的判決結果，只要有一個碼元發生錯誤判決，會相繼影響后面的碼元

為了避免誤碼擴散現象，在部分響應系統中通常采用預編碼，來解決誤碼擴散問題。

預編碼：即產生差分碼整個過程可概括為：預編碼－相關編碼－模2判決第54頁，課件共76頁，創作于2023年2月TT相加發送低通信道接收低通取樣判決bkakbk-1bk-1ckak模2判決預編碼相關編碼①②模2理想低通形成網絡預編碼部分的信號變換關系為：相關編碼部分的信號變換關系為：第一類部分響應編碼的原理性框圖第55頁，課件共76頁，創作于2023年2月信號變換過程舉例如下：設ak為0011100101，則有：收端ck=0或2時，可判決ak=0；ck=1時，可判決ak=1ak0011100101bkckak111001100000111221010011100101ak0011100101bkckak00011001112211100121001110010101第56頁，課件共76頁，創作于2023年2月由上面例題可得出兩點結論：①不論bk-1的初始狀態為0或1，接收端都能恢復原發數據序列，即數據的傳輸不受預編碼電路初始值影響；

②由于采用預編碼后，ak的判決僅與ck有關，而與ak-1無關，所以ak的判決與先行碼無關，即解決了誤碼擴散的問題。第57頁，課件共76頁，創作于2023年2月第一類部分響應信號的頻譜如書表2-1（38頁）所示，頻譜是余弦形的，對于某些低頻特性不好的信道來說，傳輸這樣的信號會帶來信號失真，基帶信號還要經過單邊帶調制，則要求基帶信號的低頻分量越小越好，要求得到一個正弦形的頻譜信號。T發送低通信道接收低通判決bkakbk-1ak取樣脈沖預編碼①取樣ck第一類部分響應編碼的系統框圖第58頁，課件共76頁，創作于2023年2月形成SSB信號的濾波特性理想高通得到上邊帶理想低通得到下邊帶第59頁，課件共76頁，創作于2023年2月單邊帶信號的頻譜

理想高通得到上邊帶理想低通得到下邊帶第60頁，課件共76頁，創作于2023年2月tg(t)T2T3T4T－T－2T－3T01-1第四類部分響應形成波形g(t)2、第四類部分響應編碼采用時間上錯開2T的兩個理想低通的形成波形相減作為基本傳輸波形，頻譜為正弦形的第61頁，課件共76頁，創作于2023年2月由上圖可見波形的前導和后尾波動隨時間的衰減比單個理想低通的形成波形加快。但是帶寬與理想低通網絡的帶寬一樣，因此，以該波形作為系統傳輸波形可以達到每赫2Bd的極限速率。

誤碼擴散問題仍需通過預編碼解決。第62頁，課件共76頁，創作于2023年2月信號變換過程舉例如下：同樣設ak為0011100101，則有：ak0011100101bkckakak0011100101bkckak0011100101110000110100010011-100-1010011100101110010111000-1-110010-1當收端ck=0時，可判決ak=0；ck=±1時，可判決ak=1第63頁，課件共76頁，創作于2023年2月

由上面例題可得出兩點結論：①不論bk-1和bk-2的初始狀態為0或1，接收端都能恢復原發數據序列；②由于采用預編碼后，ak的判決僅與ck有關，而與ak-2無關，所以ak的判決與先行碼無關，即解決了誤碼擴散的問題。第64頁，課件共76頁，創作于2023年2月6.數據傳輸系統中的時域均衡

在實際通信系統中，總的傳輸特性一般不能完全理想，不可避免地存在碼間干擾，采用均衡器可以消除或減小通信系統參數變化引起的碼間干擾。頻域均衡（了解）

頻域均衡的思路是利用幅度均衡器和相位均衡器來補償傳輸系統幅頻特性和相頻特性的不理想，即保證傳輸系統對各頻率分量具有相同的傳輸系數(即在通帶內應有平直的幅頻特性)和相同的傳輸時延(線性相頻特性)，這樣，就可消除符號間干擾。01ffNH(f)2πftd第65頁，課件共76頁，創作于2023年2月時域均衡：

思路是消除接收的時域信號波形的取樣點處的碼間干擾，并不是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。

時域均衡是對信號在時域上進行處理，較頻域均衡更直接，更直觀，數字通信系統常常采用。第66頁，課件共76頁，創作于2023年2月時域均衡的原理（教材39頁）多級抽頭延遲線、可變增益電路和求和器組成。第67頁，課件共76頁，創作于2023年2月5.數據序列的擾亂與解擾在前面的討論中，我們假定數據序列是隨機的，但是有時有一些特殊情況，如一段短時間的連“0”或連“1”、一些短周期的確定性數據序列等

例如：

10101010100000000000

在這個序列中，11個連“0”串、共有15“0”，只有5個“1”，“1”和“0”嚴重不平衡，失去了隨機性第68頁，課件共76頁，創作于2023年2月這樣的數據信號對傳輸系統是不利的這主要是由于：

⑴可能產生交調串音。長“0”或“1”序列具有很強的單頻分量，造成對相鄰信道數據信號的干擾

⑵可能造成傳輸系統失步。長“0”或長“1”序列可能造成接收端提取定時信息困難

⑶可能造成均衡器調節信息丟失。時域均衡器調節加權系數需要數據信號具有足夠的隨機性，否則可能導致均衡器中的濾波器發散而不能正常工作。第69頁，課件共76頁，創作于2023年2月擾亂：就是將輸入數據按某種規律變換成長周期（隨機）序列，且“0”和“1”平衡