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项目2 信号的基带传输,2.1 模拟信号的基带传输 2.2 模拟信号的数字化 2.3 数字信号的基带传输,2.3 数字信号的基带传输 2.3.1 数字基带传输概述 由消息转换过来的原始信号所固有的频带称为基本频带,简称“基带”。 来自数据终端的原始数据信号,其频谱一般是从零开始的,往往包含丰富的低频成分,甚至直流分量,故称之为数字基带信号。,数字基带传输系统组成:脉冲形成器、发送滤波器、信道、接收滤波器、位同步提取电路、抽样判决器与码元再生电路等,系统传输函数H() 的表达式为: H()= GT() GR() C() 设h(t)为H()的傅氏反变换,则h(t)也是系统的冲激响应,其表达式为:,图5.1 基带传输系统的基本结构,(1) 基带信号脉冲形成器 基带信号脉冲一般是用正电平A表示“1”码、0电平表示“0”码的单极性非归零码。由于单极性代码含有直流成分,不适合在基带信道中直接传输。脉冲形成器的作用之一就是将输入的脉冲序列变换成比较适合在给定基带信道中传输的相应码型,如双极性码,故脉冲形成器又称为码型变换器。脉冲形成器的作用之二是在进行码型变换的同时,提供位同步定时信息,以便接收端能够及时获取该定时信息,保持收发双方同步工作。,(2) 发送滤波器 脉冲形成器输出的各种码型信号d(t),多半都是以矩形脉冲为基础的,由于矩形脉冲边沿陡峭,因而含有丰富的高频分量,使得信号d(t)占用频带较宽,若直接送入频带受限的信道中传输,容易使信号产生失真。因此,要利用发送滤波器对脉冲形成器输出的矩形脉冲进行平滑滤波(即低通滤波),以得到上升沿和下降沿比较平滑的脉冲波形,如图(c)所示的波形,以减少信号在信道传输时的失真。,(3) 信道 基带传输系统的信道通常采用电缆、架空明线等有线信道。由于信道传输特性的不理想以及噪声的影响,使波形产生失真。通常认为信道中的噪声是加性高斯白噪声。加性高斯白噪声是叠加在信号上的平均值为零、瞬时幅度取值的概率分布为高斯分布、功率谱密度均匀分布在整个频率范围内的随机噪声。,(4) 接收滤波器 接收滤波器是接收端为了改善信道传输特性、降低噪声对信号传输的影响而设置的。它的主要作用是滤除大量带外噪声,以及与发送滤波器、信道一起形成对数字信号传输影响尽量小的传输特性H(f),以便抽样判决器能够正确判决。图(e)画出了接收滤波器输出的受到信道不理想等因素影响的一种可能波形。,(5) 位同步提取电路 与模拟信号的传输不同,数字信号的传输要求收发两端一定要在时间上同步工作。发送端某一时刻发出一个码元,接收端则在相应某一时刻(一般滞后一个固定时间),对收到的该码元波形进行抽样判决并再生这个码元,收发定时脉冲使收发两端协调一致,其中接收端的定时脉冲通常是由位同步提取电路从接受到的脉冲波形中获取和产生的。,(6) 抽样判决器和码元再生电路 抽样判决器的作用:对接收滤波器的输出信号,在规定时刻(由位定时脉冲控制)进行抽样,然后对抽样值进行判决(即与设定的判决门限比较),以确定各码元是“1”码还是“0”码。码元再生电路的作用是对判决器输出的“0”、“1”码进行码型反变换,以提供所需码型的脉冲序列。图(f)和图(g)画出了用于抽样的同步抽样冲激序列和码元再生电路的输出信号。 信号传输过程中,由于实际信道特性不理想,并受到噪声和干扰的影响,接收端会出现错判而产生误码,如图(g)中第四个码元就将发送端的“0”码错判为“1”码了。,数字基带传输系统框图,数字基带传输系统各点波形图,误码,2.3.2 数字基带信号及其频谱特性 (1) 数字基带信号 1)单极性不归零波形 2)双极性不归零波形 3)单极性归零波形 4)双极性归零波形 5)差分波形 6)多电平波形,特点?,图5.2 常见的数字基带信号波形,单极性不归零码(NRZ) 双极性不归零码(NRZ) 单极性归零码(RZ) 双极性归零码(RZ) 差分码(分传号、空号) 多电平码(如4电平码),5.2.2 数字基带信号的频谱 对周期性矩形波信号进行傅里叶级数展开,得到: 式中, 是信号的直流分量, 是信号基波分量的振幅, 是信号n次谐波的振幅。由此可得到如图5.3(b)所示的频谱图,从图中可以看到周期性矩形波可以分解为无数个正弦波之和。,图5.3 周期性矩形波的波形与频谱,脉冲宽度与频谱的关系,信号的频带宽度与其脉冲宽度有关。周期相同,相邻谱线的间隔相同,脉冲宽度越窄,其频谱包络线的零点频率越高,相邻两个包络零值之间所占的谐波分量越多,信号所占据的频带宽度越宽。,在数字通信中,由于传输的信号在多数情况下是随机的,也就是说“1”和“0”的出现是不可预知的,它与周期信号有一定的区别,因此,两个信号的频谱也有所不同。 随机脉冲信号的功率在频率轴上的分布是连续的。,下图是典型的矩形波的功率谱。其分布似花瓣状,第一个过零点之内的花瓣最大,称为主瓣,其余的称为旁瓣。主瓣内集中了信号的绝大部分功率,所以主瓣的宽度可以作为信号的近似带宽,通常称为谱零点带宽。,在实际的基带传输中,并不是所有代码的电波形都适合在信道中传输。不适宜在信道中传输的码型有: 单极性基带波形含有直流成分和较丰富低频分量,它不适宜在低频传输特性差的信道中传输。因为它可能造成信号的严重畸变。 当消息代码中包含长串的连续“1”或“0”符号时,非归零波形呈现出连续的固定电平,因而无法获取定时信息。 单极性归零码在传输连续“0”符号时,存在同样的问题。,5.3 数字基带传输常用码型与码型变换,因此,对传输用的基带信号主要有两个方面的要求: 原始消息代码必须编成适合于传输用的码型; 电波形应适应于基带系统的传输。 传输码的结构应具有下列主要特性: 相应的基带信号无直流成分,且低频分量少; 信号中高频分量尽可能少,以节省传输频带,减少码间串扰; 含有时钟分量或经过简单变换就有定时时钟分量; 不受信源统计特性的影响,即能适应信源的变化,解决时间长连“0”和长连“1”问题; 具有内在的检错能力; 编译码设备尽可能简单。,5.3.1 数字基带传输常用码型 (1)AMI码(Alternate Mark Inversion传号交替反转码) 编码规则: 代码的“0”(空号)保持不变, 代码中的“1”(传号)交替地变换为传输码的“+1”、“-1”。 例如:消息代码 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 AMI码: +1 0 0 0 -1 +1 0 0 -1 +1 0 -1 +1,AMI码特点: 优点: P(0)=P(1)时无直流(因+1 -1交替)且低频成分少; 二进制三进制(三元码,即1B/1T码型) 编/译码电路简单 便于观察误码(+1、-1不交替) 2)缺点:信息码流会出现长“0”串 提取位定时困难,AMI码编码电路原理图,AMI码编码电路原理图,(2)HDB3码 (High Density Bipolar3 三阶高密度双极性码) HDB3码编码规则: (P.73),1)先检查消息代码的连“0”个数,当连“0”个数少于4个时,仍按照AMI码规则进行编码,即传号极性交替反转; 2)消息代码的连“0”个数达到或超过4个时,则将每个4连“0”划为一小段, 4连“0”小段的第4个“0”变换成非“0”符号(+1或-1),这个符号称之为破坏符号,用“V”表示,记作“+V”或“-V”。V码的极性必须交替出现,以保证“极性交替反转”的规律,确保编码中无直流分量;,3)V码的极性应与其前一个非“0”符号极性相同,同时满足V码的极性必须交替出现,否则,将4连“0”小段的第1个“0”变换成“+B”或“-B”(称为恢复码或平衡码)。B符号的极性应与其前一个非“0”符号极性相反。例如: 消息代码 1000 0 1000 0 1 1 000 0 1 1 AMI码: -1000 0 +1000 0 -1 +1 000 0 -1 +1 HDB3码:-1000 -V +1000 +V -1 +1 -B00V +1 -1,特点: HDB3码保留了AMI码的优点; 连“0”符号不超过3个,有利于定时信号的恢复; 破坏码V易识别,B不影响译码。,【例5.1】原消息代码为1010000110000111000000001,求相应的AMI码和HDB3码,并画出相应的波形。,图5.4 原消息代码及相应AMI码和HDB3码波形,HDB3码编码电路原理图,HDB3码编码电路时间波形图,(3)PST码(成对选择三进码) PST码编码规则:(P74) 先将二进制消息代码划分成两个码元为一组的码组序列,然后将每一码组编码成两个三进制数字(+、-、0)。 由于两个三进制数字共有9种状态,因而可以灵活地选择其中的4种状态。 表5.1列出其中一种常用的PST码的格式。为防止PST码的直流漂移,当在一个码组中仅发送单个脉冲时,两个模式应交替变换使用。 PST码的特点是有足够的定时分量,而且无直流成分,编码过程也较简单。但这种码在识别时需要提供“分组”信息,即需要建立帧同步。,消息代码: PST码: 或:,表5.1 一种常用的PST格式,特点: 1) 定时容易(码元同步) 2) 无直流 3) 缺点:有帧同步问题(分组通信时),注意: 单脉冲时(10、01),两模式应交换(防止直流漂移),(4)数字双相码 数字双相码(又称曼彻斯特码)是一种双极性二电平码。它分别用两个具有相反相位的二进制码取代原来的二进制码。 编码方案之一:用“01”表示“0”代码;用“10”表示“1”代码。例如: 原消息代码: 数字双相码:,特点:1) 仅两电平 2) 有足够的定时信息;无直流;编码简单 3) 缺点:频带利用率低,基带传输常用码型,110 0 01,111或00 0 01,(5)密勒(Miller)码 (又称延迟调制码) 密勒码是数字双相码的一种变形。 编码规则:“1”码用码元持续时间中心点出现跳变来表示,即用“01”或“10”表示。“0”码分两种情况处理:单个“0”码时,在码元持续时间内不出现电平跳变,且与相邻码元的交界处也不跳变;出现连“0”码时,在两个“0”码的交界处出现电平跳变,即“00”与“11”交替。,若两个“1”码中间有一个“0”码时,密勒码流中出现最大宽度为2Tb(Tb为码元周期)的波形,可以此特性来进行误码检测。,(6)CMI码 CMI码是传号反转码的简称,它也是一种双极性二电平码。 编码规则:“1”码用“11”和“00”交替表示;“0”码用“01”表示。 【例】1 1 0 1 0 0 1 0 11 00 01 11 01 01 00 01 特点:1)CMI码有较多的电平跳变,含有丰富的定时信息。 2)由于“10”为禁用码组,不会出现3个以上的连“1”码,可利用这一规律进行误码检测。 缺点:1)CMI码存在因极性反转而引起的译码错误问题。 2) 频带利用率低,(7)nBmB码 nBmB码是一类分组码,它是把原信息流码的n位二进制码作为一组,变换成m位二进制码作为新的码组。由于mn,新码组可能有2m种组合,故多出(2m-2n)种组合。为了获得好的特性,从中选择一部分有利的码组作为可用码组,其余为禁用码组。 如前面介绍的数字双相码、密勒码、CMI码都可以看作是1B2B码。,5B6B码:是将信码流中每五位码分为一组,然后再将五位码变换为六位码。,编码的情况:五位码的排列数25=32种 六位码的排列数26=64种,码流“平衡”情况的分析:,(1)六位码中含有3个“1”和3个“0”的平衡码组共有20个。所谓平衡是指在一个码组中“0”和“1”的个数相同。 (2)六位码中含有四个“1”两个“0”或四个“0”二个“1”的不完全平衡码组各有15个,共30个,在5B6B码中只选用其中的各12个。 (3)除上述码组外,尚有64-20-215=14种码组禁用。,码组的选用: 首先选用码组中六位码中含有3个“1”和3个“0”的20个平衡码。 再把30个含有四个“1”两个“0”或四个“0”二个“1”的不完全平衡码组中的24个码组,分为正、负两种模式。正模式中“1”的个数多;负正模式中“0”的个数多。两中模式交替使用,以保持直流分量稳定,基线不起伏。 综上所述,在5B6B的64个码组中共采用了44个码组。,【例】将输入信码10000,11101,01111,01100,11001,00001变换为5B6B码。,解:5B6B码的对应关系如下: 5B:10000, 11101, 01111, 01100, 11001, 00001 6B:001011,100011,110100,010100, 001101,011100,(8)4B/3T码 4B/3T码是1B/1T码的改进型。它是把4位二进制符号变换成3个三进制符号。显然在相同的码速率下,4B/3T码的信息容量大于1B/1T码,从而可提高频带利用率。 4B/3T码适用于较高速率的数据传输系统,如高次群同轴电缆传输系统。,5.3.2 码型变换的基本方法 (与P73相同) 码型变换的基本方法(以AMI码和HDB3码为例) : 进行AMI码型变换时,原消息代码的“0”(空号)保持不变,而把原消息代码中的“1”(传号)交替地变换为传输码的“+1”、“-1”,保证变换后所得到的AMI码无直流成分。 进行HDB3码型变换时应注意:首先应检查消息代码的连“0”个数,当连“0”个数不超过4个时,仍按照AMI码规则进行编码,即传号极性交替反转;,当消息代码的连“0”个数达到或超过4个时,则将每个4连“0”小段的第4个“0”变换成非“0”符号(破坏符号V)。相邻V码的极性必须交替出现,以保证“极性交替反转”的规律不变,确保编好的码中无直流分量; V码的极性应与其前一个非“0”符号极性相同,同时V码的极性必须交替出现。 当相邻V符号之间有奇数个非“0”符号时,用“000V”替代4连“0”组,当相邻V符号之间有偶数个非“0”符号时,用“BOOV”替代4连“0”组,即将4连“0”小段的第1个“0”变换成平衡符号B(B的取值可以为“+1”或“-1”),B符号应与紧随其后的V符号极性相同,与其前一个非“0”符号极性相反。,5.4 码间串扰产生的原因及消除方法 5.4.1 码间串扰产生的原因 当矩形脉冲的高频分量丢失后,会造成脉冲波形的顶部变圆,底部展宽。对于数字基带信号传输系统而言,并不像模拟通信系统一样要求在传输过程中不出现信号失真。只要在接收端能够正确进行抽样判决,就可以原样恢复数字基带信号的原始代码。但是,如果矩形脉冲的失真较大,底部展宽后的拖尾较长,侵占到随后的码元的位置,就形成了码间串扰。如图5.5所示。,图5.5 码间串扰的形成,5.4.2 消除码间串扰的方法 (1)部分响应法: 在理想情况下,传输信道特性等效于理想低通滤波器,并使该理想低通滤波器的带宽等于所传数字信号传输速率的一半时,根据奈奎斯特第一准则,码间串扰的拖尾在每一个抽样判决时刻正好等于0,这就是消除码间串扰的方法之一部分响应法。 (2)均衡法,5.4.2 消除码间串扰的方法 (2)均衡法 均衡法就是在数字基带传输系统中插入一个(或一系列)经过计算机辅助设计的滤波器,以减小码间串扰的影响,这种起补偿作用的滤波器就称为均衡器。,通过在图5.1所示基带传输系统的接收滤波器GR(f)之后插入一个横向滤波器的方法,就可以完成时域均衡。 横向滤波器如图5.6所示,通过调节抽头系数Ci,使各抽头系数调整到合适的位置,从而达到减少或消除码间串扰的目的。,图5.6 横向滤波器,横向滤波器的结构,5.4.3 眼图 在数字通信系统中,尤其在基带传输系统中,码间串扰是使误码率增大的一个重要原因。当系统同时存在码间串扰和噪声时,它们都会对判决产生影响,也很难对系统的性能作定量分析。 工程上常用“眼图”来估计系统性能和直接观察码间串扰的大小,也可以用此图形来调整接收滤波器的特性,以减

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