第4章数字基带传输系统

第四章数字基带传输系统4.1数字基带信号4.2基带脉冲传输过程与码间串扰4.3无码间串扰的基带传输系统特性4.4部分响应技术4.5无码间串扰时噪声对传输性能的影响4.6眼图4.7均衡技术4.1数字基带信号 数字基带信号是数字消息序列的一种电信号表示形式，它是用不同的电位或脉冲来表示相应的数字消息的，它的主要特点是功率谱集中在零频率附近。1.数字基带信号的波形（1）单极性不归零（NRZ）码 单极性不归零码如图4-2（a）所示。它是用一个脉冲宽度等于码元间隔的矩形脉冲的有无表示信息，有脉冲表示“1”，无脉冲表示“0”。图4-2数字基带信号波形（2）双极性不归零（NRZ）码 双极性不归零码如图4-2（b）所示。脉冲宽度等于码元间隔，正脉冲表示“1”，负脉冲表示“0”，通常数字信息“0”、“1”近似等概出现，因此，这种信号的直流分量近似为零。（3）单极性归零（RZ）码 单极性归零码如图4-2（c）所示。（4）双极性归零（RZ）码 双极性归零码如图4-2（d）所示。（5）差分码 差分码是利用前后码元电平的相对极性来传送信息，而不是用电平或极性本身代表信息，是一种相对码。2.数字基带信号的功率谱 假设随机脉冲序列为其中 【例4-1】己知某单极性NRZ随机脉冲序列，其码元速率为fB=1000B/S，“1”码为幅度是A的矩形脉冲，“0”码为0，且“0”码概率为0.6，求该随机序列的带宽及直流和频率为fB的成分的幅度。 通过讨论可知，分析随机脉冲序列的功率谱可以知道信号功率的分布，根据主要功率集中在哪个频段，便可确定信号带宽，进而考虑信道带宽和传输网络（滤波器、均衡器等）的传输函数等。同时利用它的离散谱是否存在这一特点，可以明确能否从脉冲序列中直接提取所需的离散分量和采取怎样的方法可以从序列中获得所需的离散分量，以便在接收端用这些成份作位同步定时等。3.数字基带传输的常用码型 数字基带信号通常是在电缆线路中传输，为了克服传输损耗，每隔一段距离需设立一个中继站，通常采用的是自定时再生式中继器，这样对传输码型的要求如下。 ①传输信号的频谱中不应有直流分量，低频分量和高频分量也要小。 ②码型中应包含定时信息，有利于定时信息的提取，尽量减小定时抖动。③码型变换设备要简单可靠。④码型具有一定检错能力，若传输码型有一定的规律性，则就可根据这一规律性来检测传输质量，以便做到自动检测。⑤编码方案对发送消息类型不应有任何限制，适合于所有的二进制信号。这种与信源的统计特性无关的特性称为对信源具有透明性。（1）传号交替反转码（AMI） AMI码，又称双极方式码、平衡对称码、交替极性码等。其编码方法是把单极性方式中的“0”码仍与零电平对应，而“1”码对应发送极性交替的正、负电平。（2）三阶高密度双极性码（HDB3码）

HDB3码是在AMI码基础上为克服长连“0”码难以提取定时信息而改进的一种码型，HDB3码改进的基本思想是：不让AMI码连“0”码太多，当连续出现4个“0”码时，则人为添加脉冲，称为破坏脉冲，用V表示；为保证无直流，V脉冲应正负交替插入；同时人为添加的破坏脉冲还应与信码严格区别，以便接收端能正确恢复原信息。（3）分相码 分相码又称数字双相码或曼彻斯特码。它的特点是每个码元用两个连续极性相反的码来表示。如“1”码用正、负脉冲表示，“0”码用负、正脉冲表示。该码的优点是无直流分量，最长连“0”、连“1”数为2，定时信息丰富，编译码电路简单。（4）传号反转码（CMI） CMI码的编码规则是：当为“0”码时，用“01”表示，当出现“1”码时，交替用“00”和“11”表示。它的优点是没有直流分量，且频繁出现波形跳变，便于定时信息提取，具有误码监测能力。4.传输码型的误码增殖 误码增殖现象可用误码增殖比（ε）来表示，定义为5.单片HDB3编译码器 近年来出现的HDB3编码器采用了CMOS型大规模集成电路CD22103，该器件可同时实现HDB3编、译码，误码检测及AIS码检测等功能。4.2基带脉冲传输过程与码间串扰1.基带脉冲传输的基本特点 在图4-1所示的基带传输系统中，系统基带波形被脉冲形成器变换成适应信道传输的码型后，就被送入信道，信号通过信道传输，一方面受到信道特性的影响，使信号产生畸变；另一方面信号被信道中的加性噪声所叠加，造成信号的随机畸变。图4-1数字基带传输系统基本结构2.基带脉冲传输过程 我们可以把基带传输系统用图4-5所示的简化模型来概括，发送滤波器传输特性GT（ω），信道传输特性为C（ω），接收滤波器传输特性为GR（ω）。根据基带脉冲传输的特点和基带传输系统组成，用定量的关系式表达脉冲传输的过程。图4-5基带传输系统简化模型3.码间串扰与清除 要消除码间串扰，从式（4-17）看，只要即可消除码间串扰，但bn是随机变化的，要想通过各项互相抵消使码间串扰为0是不行的。4.3无码间串扰的基带传输系统特性 研究基带脉冲传输的基本出发点，就是使基带脉冲传输获得足够小的误码率，必须最大限度地减小码间串扰和随机噪声的影响。码间串扰的大小取决于bn和系统输出波形gR(t)在抽样时刻上的取值。1.无码间串扰的传输条件从理论上说，我们并不满足于有最小码间串扰，而期望能做到无码间串扰,即若对h（t）在时刻kTB抽样，则下式成立接收波形满足抽样值无码间串扰的充要条件是仅在本码元的抽样时刻上有最大值，而对其他码元抽样时刻信号值无影响（在抽样点上不存在码间串扰）。

2.无码间串扰频谱形状及频带利用率 如果不考虑系统的频带，而从消除码间串扰来说，基带传输特性H（ω）的形式并不是惟一的。（1）理想基带传输特性 理想基带传输系统的传输特性具有理想低通特性，其传输函数为图4-10理想基带传输系统的H（ω）和h（t）（2）升余弦滚降传输特性 升余弦滚降传输特性H（ω）可表示为H（ω）=H0（ω）+H1（ω）①当α＝0时，无“滚降”，即为理想基带传输系统，“尾巴”按1/t的规律衰减。②当α≠0，即采用升余弦滚降时，对应的h（t）仍旧保持在t=±TB开始，向右和向左每隔TB出现一个零点，满足抽样瞬间无码间串扰的条件，而式（4-28）中第二个因子对波形的衰减速度是有影响的。4.4部分响应技术1.部分响应波形 为了阐明一般部分响应波形的概念，这里用一个实例加以说明。 让两个时间上相隔一个码元TB的sinx/x波形相加，如图4-13（a）所示，则相加后的波形g（t）为图4-13g（t）及其频谱 由此看出，第一，g（t）的尾巴幅度按1t2变化，即g（t）的尾巴幅度与t2成反比，这说明它比由理想低通形成的h（t）衰减大，收敛也快。第二，若用g（t）作为传送波形，且传送码元间隔为TB，则在抽样时刻上仅发生发送码元与其前后码元相互干扰，而与其他码元不发生干扰，如图4-14所示。图4-14码间发生干扰的示意图2.错误传播现象 设输入二进制码元序列｛ak｝，并设ak在抽样点上取值为+1和-1。当发送ak时，接收波形g（t）在抽样时刻取值为ck，则ck=ak+ak-1因此ck将可能有-2，0及+2三种取值，因而成为一种伪三元序列。如果ak-1已经判定，则可从下式确定发送码元ak=ck-ak-14.5无码间串扰时噪声对传输性能的影响 假设基带传输系统中的噪声n（t）为平稳的，均值为零，方差为σ2n的加性高斯白噪声，单边功率谱密度为n0，接收滤波器是一个线性网络，其传输特性为GR（ω），则判决器输入端的噪声特性nR(t)确定，nR（t）也是均值为零，方差为σ2n高斯平稳随机噪声。功率谱密度是n0/2|GR（ω）|2，其瞬时值V的统计特性由一维高斯概率密度描述4.6眼图 具体的做法是：用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元的周期严格同步，并适当调整相位，使波形的中心对准取样时刻，这样在示波器屏幕上看到的图形像“眼睛”，故称为“眼图”。从“眼图”上可以观察出码间串扰和噪声的影响，从而估计系统优劣程度，并借助眼图对电路进行调整。眼图对于数字信号传输系统性能分析很有用，它能直观地表明码间串扰和噪声的影响，能评价一个基带系统的性能优劣。因此可把眼睛理想化，简化为一个模型，如图4-19所示，该图表示如下意义。（1）最佳抽样时刻应选择在眼图中眼睛张开的最大处。图4-19眼图的模型（2）对定时误差的灵敏度，由斜边斜率决定。斜率越大，对定时信号误差应越灵敏。（3）在抽样时刻上，眼图上下两分支的垂直宽度，表示了最大信号畸变。（4）在抽样时刻上，上、下两分支离门限最近的一根迹线至门限的距离表示各自相应电平的噪声容限，噪声瞬时值超过它就可能发生判决差错。（5）对于信号过零点取平均来得到定时信息的接收系统，眼图倾斜分支与横轴相交的区域的大小，表示零点位置的变动范围，这个变动范围的大小对提取定时信息有重要影响。4.7均衡技术1.时域均衡原理 时域均衡的基本思想可用图4-20所示波形来简单说明。它是利用波形补偿的方法将失真的波形直接加以校正，这可以利用观察波形的方法直接调节。图4-20时域均衡基本波形 时域均衡最常用的方法是在基带信号接收滤波器后插入一个横向滤波器，又称横截滤波器，如图4-21所示。图4-21线性横向滤波器结构虽然相邻近抽样点的码间串扰已校正为零，但相隔稍远的抽样点却出现了新的干扰。产生这种情况的原因是抽头太少，尽管一般来说有限抽头的横向滤波器不可能完全消除串扰，但当抽头数较多时，可以将串扰减小到相当小的程度。那么在极限情况下，无穷多抽头横向滤波器，可完全消除串扰。2.抽头系数的确定 横向滤波器设计最重要的问题就是确定各抽头系数，抽头系数应根据信道特性的改变进行设计，使输出序列抽样点码间串扰为零。 横向滤波器由一系列带抽头的延时电路组成。当它的输入为δ（t）时，它的输出为一系列分别经不同时延和加权的冲激之和，此时的输出也就是横向滤波器的冲激响应，记为hT（t），且 设横向滤波器的频谱为T（