第五章数字基带传输系统

第五章数字基带传输系统第一页，共78页。5数字基带信号的传输基本要求：了解数字基带信号的常用波形及各自的特点；了解数字基带信号的频谱；能对数字基带信号进行AMI、HDB3编码。第二页，共78页。5.1数字基带信号数字信息可以用数字代码表示，这些数字代码称为信码。如ASCII码等。

第三页，共78页。

当数字信息要进行传输时，必须有一对应的信号作为信息的载体，最常见的例子是用一个一定时间长度的高电平表示代码0（或1），用相同时间长度的低电平表示代码1（或0）。用来表示每一个信码的数字信号单元称为码元（Symbol）。一个码元延续的时间称为码元长度。

010011101

t

U

0

t1

t2

t3

t4

t5

t6

t7

t8

t9

信码

+3

-3

+15

-15

第四页，共78页。未经调制的数字信号称为数字基带信号。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。其来源主要是计算机数据、各种数字设备产生的信号以及模拟信号经过A/D转换得到的信号。

010011101

t

U

0

t1

t2

t3

t4

t5

t6

t7

t8

t9

信码

+3

-3

+15

-15

第五页，共78页。101100010

t

信码

、

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

单极性NRZ波形双极性NRZ波形单极性RZ波形双极性RZ波形差分波形曼彻斯特波形第六页，共78页。单极性非归零（NRZ）波形

设数字信号是二进制信号，每个码元分别用0或1表示。这里，基带信号的0电平及正电平分别与二进制符号0及1一一对应。容易看出，这种信号在一个码元时间内，不是有电压（电流）就是无电压（电流），电脉冲之间无间隔，极性单一。第七页，共78页。双极性非归零波形指二进制码元1、0分别与正负电平相对应的波形。第八页，共78页。单极性归零（RZ）波形

单极性归零波形也称占空码，它的特点是有电脉冲的宽度小于码元长度，每个有电脉冲在一个码元内总是要回到零电平。一个码元内高电平的宽度与零电平的宽度之比称为占空比。第九页，共78页。双极性归零波形

它是双极性波形的归零形式。由图可见，此时对应每一码元都有零电平的间隙，即便是连续的1或0，都能很容易地分辩出每个码元的起止时间，因此接收机在接收这种波形的信号时，很容易从中获取码元同步信息。第十页，共78页。差分波形

差分波形是一种将信码0和1反映在相邻信号码元的相对极性变化上的波形。比如，以相邻码元的极性改变表示信码1，而以极性不改变表示信码0。可见，这样的波形在形式上与单极性或双极性波形相同，但它所代表的信码与码元本身极性无关，而仅与相邻码元的极性变化有关。差分波形也称相对码波形，而相应地称前面的波形为绝对码波形。第十一页，共78页。曼彻斯特波形

每一个码元被分成高电平和低电平两部分，前一半代表码元的值，后一半是前一半的补码。例如，图中的1码，前半个码是高电平，后半个码元是低电平，0码则反之。从这个波形中可以看到，无论信码如何分布，其高、低电平的延续时间最长不会超过一个码元长度，因此很适合从这个信号中提取码元同步信号。这种码常被用作数字信令码。

第十二页，共78页。数字基带信号的频谱

在实际通信中，被传送的信息是收信者事先未知的，因此数字基带信号是随机的脉冲序列。由于随机信号不能用确定的时间函数表示，也就没有确定的频谱函数，因此只能从统计数学的角度，用功率谱来描述它的频域特性。第十三页，共78页。二进制随机脉冲序列的功率谱一般包含连续谱和离散谱两部分。①连续谱总是存在，通过连续谱在频谱上的分布，可以看出信号功率在频率上的分布情况，从而确定传输数字信号的带宽。②离散谱却不一定存在，它与脉冲波形及出现的概率有关。而离散谱的存在与否关系到能否从脉冲序列中直接提取位定时信号，因此，离散谱的存在非常重要。如果一个二进制随机脉冲序列的功率谱中没有离散谱，则要设法变换基带信号的波形（码型）使功率谱中出现离散部分，以利于位定时信号的提取。第十四页，共78页。P（ω）

Ω

ω

3Ω

5Ω

7Ω

ω

0

0

P（ω）

101010101（a）1、0交替信号

0011010110

（b）随机信号

t

t

第十五页，共78页。5.2数字基带信号的线路码型码型：数字基带信号可以以不同形式的电脉冲出现，电脉冲的存在形式称为码型。码型编码：通常把数字信号的电脉冲表示过程称为码型编码或码型变换，由码型还原为原来数字信号的过程称为码型译码。线路传输码型：在有线信道中传输的数字基带信号又称为线路传输码型第十六页，共78页。

通常由信源编码输出的数字信号多为经自然编码的电脉冲序列（高电平表示1，低电平表示0，或相反），这种信号并不适合于在信道中直接传输。因为：(1)这种数字基带信号包含直流分量或低频分量。那么对于一些具有电容耦合电路的设备或者传输频带低端受限的信道（广义信道），信号将可能传不过去。(2)自然编码后，有可能出现连“0”或连“1”数据。这时的数字信号会出现长时间不变的低电平或高电平，以致收信端在确定各个码元的位置（定时信息）时遇到困难。换句话说，收信端无法从接收到的数字信号中获取定时（定位）信息。(3)对收信端而言，从接收到的这种基带信号中无法判断是否包含有错码。第十七页，共78页。

在设计或选择适合于给定信道传输特性的码型时，要遵循以下原则：能使接收系统从中获取位同步信息。相应的基带信号中无直流成分和极小的低频成分。在信源信码的统计特性发生变化时，不会因此而使系统传输受到影响。不应因编码而使系统的信息传递速率下降。第十八页，共78页。AMI码

传号交替反转码常记作AMI码。在AMI码中，二进制码0用0电平表示，二进制码1交替地用+1和-1表示.AMI码中正负电平脉冲个数大致相等，故无直流分量，低频分量较小；只要将基带信号经全波整流变为单极性归零码，便可提取位定时信号；利用传号交替反转规则，在接收端可以检错纠错。比如发现有不符合这个规则的脉冲时，就说明传输中出现错误。AMI码是目前最常用的传输码型之一。第十九页，共78页。缺点：当出现多个连0时，会给提取定时信号带来困难。其性能与信源统计特性有关，即它的功率谱形状随信息中“1”的出现概率而变化。11010100000111+E0-E第二十页，共78页。HDB3码HDB3码的全称是三阶高密度双极性码。编码原理：如果信码中没有4个以上的连零，则按AMI码的编码规则对信码进行编码；当信码中出现4个以上的连零时，将这4个连零看作是一个连零段，第4个0被改成非零符号（相当于1码），称为V码，如果V码之后紧接着再出现4个以上的连零，则第4个零也改为V码。所有V码的极性必定与其前一个非零符号的极性相同；在编码过程中当相邻两个V码的极性可能会相同时，就在第二个V码所在的连零段中将第一个零码改为非零符号，其极性与前一个非零符号的极性相反。第二十一页，共78页。第二十二页，共78页。编码举例：110000100000000110000110信码原始信号AMIHDB3第二十三页，共78页。

虽然HDB3码的编码规则比较复杂，但译码却相当简单：

只要相邻两个非零符号的极性相同，则后一个码一定是V码，可译作零；V码前一定有三个零码，其中可能存在的B码就可以转换成零码；其余的非零符号无论是正电平或是负电平都译作1码，则HDB3码的译码就可以完成了。第二十四页，共78页。HDB3码的特点是明显的，它除了保持AMI码的优点外，还增加了使连0码减少到至多三个的优点，而不管信息源的统计特性如何。这对于同步信号的提取是十分有利的。第二十五页，共78页。mBnB码HDB3码尽管有许多优点，但它实际上是一个三电平码，给信号的接收带来了很大的不便，而在有些情况下则必须用二电平信号，例如光通信中光只适合于表示两种状态，因此可采用mBnB码。mBnB码又称分组码。它是把输入信码流中每m比特码分为一组，然后变换为n比特，且n>m。这样变换后的码流就有了冗余，除了传原来的信息外，还可以传送与误码监测等有关的信息，并且改善了定时信号的提取和直流分量的起伏问题。m、n越大，编码与解码器也越复杂。在光纤通信中，5B6B码被认为在编码复杂性和比特冗余度之间是最合理的折衷，在国内外三、四次群光通信系统中应用较多。第二十六页，共78页。

编码时，6B线路码组中的20个均等码组与20个5B输入码组一一对应；15个正不均等码组和15个负不均等码组成15对码组（分别称为正模式和负模式），删去其中三对码组（000011和111100、110000和001111、000111和111000），剩余的12对与5B输入码组的另外12个码组对应；这12对码组交替使用。正模式和负模式交替使用，可以保证线路码中出现0和1的个数均等，无直流起伏，减小了判决电平的漂移。这样，用32个（对）6B线路码组表示了32个5B信号码组。第二十七页，共78页。5B6B码表输入5B码组6B线路码组输入5B码组6B线路码组正模式负模式正模式负模式00000110010110010100001100011100010000111001110000110001111001010001000101101101000101001011101001001000011100011100011100110100110100110010011010110010010100110100110100001011001011001011010101010101010100110100110100110101100101100101100011110011100011110111010111010100010001010111010001100011100001100001010101010101010110100110100110100110110110100010111101011101001001第二十八页，共78页。5.3数字信号的基带传输串行传输与并行传输(SerialTransmission)&（ParallelTransmission）第二十九页，共78页。并行传输的速度快，适合于近距离传输；串行传输可以有效地节省信道，远距离通信的唯一的选择。第三十页，共78页。数字基带（串行）传输系统第三十一页，共78页。基带信号传输原理第三十二页，共78页。码间串扰与眼图窄脉冲信号在通过一个频带较窄的传输系统（或电路）时，信号波形会展宽，造成对相邻波形的干扰。这种干扰在数字通信中称为码间串扰（Inter-symbolInterference

）。码间串扰的大小跟脉冲形状及传输系统的传输特性有关，一般来说，脉冲越窄，码间串扰越大；传输带宽越宽，码间串扰越小。从理论上讲，当满足一定的条件时，码间串扰可以消除。第三十三页，共78页。脉冲展宽码元之间的相互干扰第三十四页，共78页。无码间串扰的条件设基带系统频带宽度为WHz，则该系统无码间串扰时最高的传输速率为2W波特。这个传输速率通常被称为:

奈奎斯特速率（Nyquistrate）根据这个条件可知，一个带宽为3kHz的传输系统，其最高的码元速率为600kBaud.

在GSM移动通信系统中，每一个信道的带宽是25kHz，信号的传输速率（二进制传输）是33.8kbps。第三十五页，共78页。

将待测的基带信号加到示波器的输入端，同时把位定时信号作为扫描同步信号。这样示波器对基带信号的扫描周期严格与码元周期同步，各码元的波形就会重叠起来。对于二进制数字信号，这个图形与人眼相像，所以称为“眼图”（EyeDiagram)。

Ts

(b)

(a)

第三十六页，共78页。第三十七页，共78页。眼图模型第三十八页，共78页。判决电平：图形的水平中线是信号的电平分界线，多数情况下就以这个电平作为判决电平，高于中线的可以认为是高电平，低于中线的可认为是低电平最佳判决时刻：图形的垂直中线是最佳的判决时刻，因为在这时，信号高电平最高，低电平最低，而其它时间高低电平相距较近，这样，在相同的噪声条件下，在这时进行判决将高电平判为低电平（或将低电平判为高电平）的可能性最小，也就是抗噪声的能力比较强；噪声容限：表示只要噪声的幅度不超过这个高度，就不会在判决时刻将高电平判为低电平，也不会将低电平判为高电平；第三十九页，共78页。时间误差灵敏度：以眼图斜边的斜率表示，在信号接收时，由于时钟误差，实际的判决时间可能会偏离最佳判决时刻，斜率越大，对时间的误差就越灵敏，也就是对时钟的准确度要求就越高；过零点畸变：无码间串扰时，信号过零点的时间（与判决电平相交点）与最佳判决时刻有固定的时间差，而有码间串扰时，这个时间就会前后变化。因为在同步接收时，接收机提取的时钟相位往往与过零点的时间有关，如果这个时间前后变化，就会造成时钟信号的相位抖动，因而引起判决脉冲的前后抖动，增加误码。取样信号畸变：反映在判决时刻信号一种电平（高电平或低电平）的大小变化范围。第四十页，共78页。误码检测用来进行系统测试的测试码通常采用伪噪声码（简称伪码PN）第四十一页，共78页。5.4同步技术

如前所述，数据经过传输到达接收点后波形发生了变化，接收端需要有一个定时脉冲对接收到的每一个码元进行取样判决。显然，接收端的取样脉冲频率与发送端的时钟频率应该相同，等于码元速率，并且相位要适当，以便在最佳判决时刻进行判决。接收端一般有三种方法获得码元定时脉冲：⑴由一个主时钟为收发双方提供码元定时脉冲，称为主时钟方式，如图2-23；⑵接收端从发送端获得码元定时脉冲，称为引导时钟方式，如图2-24；⑶接收端自行产生码元定时脉冲。第四十二页，共78页。第四十三页，共78页。前两种方法接收端与发送端的码元定时脉冲保持同步，相应的数据传输被称为同步传输(SynchronousTransmission)；后一种方法接收端与发送端各自采用两个互不相关的时钟电路，不能同步，故相应的数据传输称为异步传输(AsynchronousTransmission)。第四十四页，共78页。同步传输在同步传输模式下，通信的双方需要有一个公共的时钟。在主时钟方式下，接收端从单独的时钟通道中获取码元定时脉冲；在引导时钟方式下，接收端与发送端之间可以用专用的通道传送码元定时脉冲，也可以由接收端直接从接收的信号中提取码元定时脉冲，这种方法称为自同步。自同步方法要求发端的数据流中携带同步信息，由接收端中的同步系统（通常是PLL）接收并提取，使接收端产生一个与发端相同的时钟信号。在自同步方式下，要求数据流中必须携带同步信息，特别要注意信码出现连续的“1”或“0”时同步信息丢失的问题，双极性RZ波形、曼彻斯特波形以及HDB3码都是很适合于自同步的波形或码型。

同步传输模式不仅传输效率高，可靠性也好，因此被广泛应用于业务量较大的通信系统中。第四十五页，共78页。异步传输

在异步传输模式下，接收端不需要从接收的数据中提取码元同步信息，但必须知道一组码的起始时间和终止时间。异步传输不需要接收端对接收的码元进行同步检测，但必须与发送端进行码组的同步。常见的码组同步方法是起止（同步）法，它将数据流以5或8个码元为单位分组，每组之前加一位起始码，固定为低电平，每组之后加2位结束码，固定为高电平，所有空闲时间也均为高电平。第四十六页，共78页。第四十七页，共78页。

发端不发送数据时，接收端一直接收高电平，接收机以较高的速度对接收的信号进行取样检测，通常的取样速率是传输码率的16倍，也就是说在一个码元长度的时间里接收机要对信号检测16次，如果测到了一次低电平，它就认为发端可能开始发一组数据，从这一次开始计算，连续16次检测（相当于一个码元长度）均为低电平就确认这是起始比特，然后从第8次取样时刻（近似为起始比特的中心时刻）开始每16个取样间隔（近似为每一码元的中心时刻）检测一次，来判定随后码元的电平值，直至一组数据结束。第四十八页，共78页。5.6RS-232-C标准RS-232-C是最常用的数据通信标准之一，全称是EIA-RS-232-C（ElectronicIndustrialAssociate-RecommendedStandard-232-C）标准，它是美国EIA（电子工业联合会）与BELL等公司联合开发的通信协议，准确地定义了0电平与1电平及其它计算机通信所必须的电信号，适合于数据传输速率在0～20000b/s范围内的通信。CCITT定义的与RS-232-C类似的标准是V.24和V.28。V.24标准对信号的定义全部包含在RS-232-C中，V.28标准对信号电平的定义与RS-232-C相同。

第四十九页，共78页。RS-232-C电压电平1码的电平范围是-3V～-15V；0码的电平为+3V～+15V。超出这个范围的电平未定义，接收机将不作识别。因此，通信终端应能发送与接收电平范围在-15V～+15V的信号。例如，要发送ASCII码“A”，信码为，加一位偶校验码0，再加上一位起始码0与一位终止码1，整个码组为1010000010共十位，其信号的波形如图2-29。如果信号以1200bps的速率传输，则每一位码元的长度为833ms。要注意的是，每一码元的电平不要求严格等于15V，可以有一个范围。当一组码发送完毕后，发送设备一直发送低电平，直到下一组码的起始码到来。第五十页，共78页。第五十一页，共78页。DTE与DCEDCE的作用通常是用来使DTE能在较远的距离上进行通信。RS-232-C可用于解决DTE与DCE之间的通信，但不能用于DCE之间的通信。RS-232-C对DTE与DCE之间的交换信号作了规定，但并不规定使用的连接器的类型。DB25连接器是用得较广的一种连接器。第五十二页，共78页。第五十三页，共78页。RS-232C规标准接口有25条线，4条数据线、11条控制线、3条定时线、7条备用和未定义线，常用的只有9根，它们是:2个数据信号线：发送TXD；接收RXD。1个信号地线：SG。6个控制信号线：DSR、DTR、RTS、CTS、DCD、RI第五十四页，共78页。数据信号线发送数据(Transmitteddata-TxD)：通过TxD终端将串行数据发送到MODEM，(DTE→DCE)。接收数据(Receiveddata-RxD)：通过RxD线终端接收从MODEM发来的串行数据，(DCE→DTE)。第五十五页，共78页。地线信号地（SignalGround,SG）:它被作为所有信号的0电平参考，信号可以以此为基准做比较。

另外一个地是GND，称为保护地，它对于信号传输来说并不是必须的，但可以用来防止发生某些错误。第五十六页，共78页。控制信号线数据装置准备好（Datasetready-DSR)：有效时（ON）状态，表明MODEM处于可以使用的状态。数据终端准备好(Datasetready-DTR)：有效时（ON）状态，表明数据终端可以使用。两个设备状态信号有效，只表示设备本身可用，并不这两个信号有时连到电源上，一上电就立即有效。这说明通信链路可以开始进行通信了，能否开始进行通信要由下面的控制信号决定。第五十七页，共78页。请求发送(Requesttosend-RTS)：用来表示DTE请求DCE发送数据，即当终端要发送数据时，使该信号有效（ON状态），向MODEM请求发送。它用来控制MODEM是否要进入发送状态。允许发送（Cleartosend-CTS）：用来表示DCE准备好接收DTE发来的数据，是对请求发送信号RTS的响应信号。当MODEM已准备好接收终端传来的数据，并向前发送时，使该信号有效，通知终端开始沿发送数据线TxD发送数据。这对RTS/CTS请求应答联络信号是用于半双工MODEM系统中发送方式和接收方式之间的切换。在全双工系统中作发送方式和接收方式之间的切换。在全双工系统中，因配置双向通道，故不需要RTS/CTS联络信号，使其变高。第五十八页，共78页。接收线信号检出(ReceivedLinedetection-RLSD)：用来表示DCE已接通通信链路，告知DTE准备接收数据。当本地的MODEM收到由通信链路另一端（远地）的MODEM送来的载波信号时，使RLSD信号有效，通知终端准备接收，并且由MODEM将接收下来的载波信号解调成数字两数据后，沿接收数据线RxD送到终端。此线也叫做数据载波检出(DataCarrierdectection-DCD）线。振铃指示(Ringing-RI)：当MODEM收到交换台送来的振铃呼叫信号时，使该信号有效（ON状态），通知终端，已被呼叫。第五十九页，共78页。2.4.2

RS-232-C在异步通信中的例子第六十页，共78页。1、

全双工通信（1）、DTE-A加电后立即发出DTR信号，DCE-A回应DSR信号，且与DCE-B建立通信。（2）、DCE-B向DTE-B发出RI信号以提醒DTE-B有用户希望与其通信。如果DTE-B也已通电，就会发出DTR信号，DCE-B置RI“OFF”表示响应并发出DSR信号，这样就完成了两个数据终端设备的连接。（3）、两个DTE将几乎立即在收到各自的DCE的DSR信号后发出RTS信号。发出RTS信号的目的是请求建立发送通道。一旦在两个DCE之间建立通信，两个DCE就会以CTS和DCD信号响应以证实从DCE到DTE的发送通道已建立。这样，两个DTE之间应可以同时进行双向的数据传输。第六十一页，共78页。（4）、DTE-A在TD线上发送数据到DCE-A，后者将数据发送到远端的DCE-B（传输方法另外讨论），DCE-B在RD线上将数据发送到远端的DTE-B，而不是通过TD线，因为远端的DTE-B也只能在RD线上接收信号。（5）、通信结束，拆除连接：只需任一个DTE将DTR和RTS置“OFF”就可以了。第六十二页，共78页。2.

半双工方式通信

（1）、DTE-A加电后立即发出DTR信号，DCE-A回应DSR信号，且与DCE-B建立通信。（2）、DCE-B向DTE-B发出RI信号以提醒DTE-B有用户希望与其通信。如果DTE-B也已通电，就会发出DTR信号，DCE-B置RI“OFF”表示响应并发出DSR信号，这样就完成了两个数据终端设备的连接。（3）、其中的一个DTE想发送数据（假定是DTE-A），DTE-A置RTS为“ON”，DCE-A将这个信息发送到DCE-B，告诉它将有数据到达。

第六十三页，共78页。（4）、DCE-B发DCD信号给DTE-B，转达即有数据到达，几乎同时DCE-A发出CTS信号，指示DTE-A可以发送数据了。现在一个单向的传输通道已经建立，DTE-B不再试图发送数据，因为它收到了DCD信号，意味着已有数据在向它传来。（5）、当DTE-A结束数据发送后，它将RTS置“OFF”，DCE-A也将CTS置“OFF”并告诉DCE-B数据发送完成。DCE-B然后置DCD“OFF”，这样DTE-B可以随意将RTS置“ON”以开始另一方向的数据传输。第六十四页，共78页。

RS-232-C的DTE之间的连接1.

远距离通信远距离通信（传输距离大于15m的通信）一般要加调制解调器MODEM，因此使用的信号线较多。注意：在以下各图中，DTE信号为RS-232-C信号，DTE与计算机间的电平转换电路未画出。

第六十五页，共78页。(1)采用Modem(DCE)和电话网通信时的信号连接：

若在双方MODEM之间采用普通电话交换线进行通信，除了需要2～8号信号线外还要增加RI(22号)和DTR(20号)两个信号线进行联络，如图所示。第六十六页，共78页。DSR、DTR：数传机（DCE）准备好、数据终端（DTE）准备好，只表示设备本身可用。首先，通过电话机拔号呼叫对方，电话交换台向对方发出拔号呼叫信号，当对方DCE收到该信号后，使RI（振铃信号）有效，通知DTE，已被呼叫。当对方“摘机”后，两方建立了通信链路。若计算机要发送数据至对方，首先通过接口电路（DTE）发出RTS（请求发送）信号。此时，若DCE（Modem）允许传送，则向DTE回答CTS（允许发送）信号。一般可直接将RTS/CTS接高电平，即只要通信链路已建立，就可传送信号。（RTS/CTS可只用于半双工系统中作发送方式和接收方式的切换。

第六十七页，共78页。当DTE获得CTS信号后，通过TXD线向DCE发出串行信号，DCE（Modem）将这些数字信号调制成模拟信号（又称载波信号），传向对方。

计算机向DTE“数据输出寄存器”传送新的数据前，应检查Modem状态和数据输出寄存器为空。当对方的DCE收到载波信号后，向对方的DTE发出DCD信号（数据载波检出），通知其DTE准备接收，同时，将载波信号解调为数据信号，从RXD线上送给DTE，DTE通过串行接收移位寄存器对接收到的位流进行移位，当收到1个字符的全部位流后，把该字符的数据位送到数据输入寄存器，CPU可以从数据输入寄存器读取字符。第六十八页，共78页。（2）、采用专用电话线通信

在通信双方的MODEM之间采用电话线进行通信，则只要使用2～8号信号线进行联络与控制。不需要电话机、振铃信号RI和DTR信号，其信号线的连接如图所示。第六十九页，共78页。2

近距离通信

当通