第5章数字基带传输系统

5.1数字基带信号数字通信系统是以数字信号为载体传输信息。而数字信号可以是模拟信号经数字化处理后而形成的脉冲编码信号，也可能是来自计算机、传真机等数据终端设备的信号。数字基带信号的特点是信号频带通常从直流和低频开始并且未经载波调制。在某些有线信道中，特别是在传输距离不太远的情况下，数字基带信号可以直接传输，这种传输方式称为数字信号的基带传输。由于大多数实际信道都是带通型的，因此必须先用数字基带信号对载波进行调制，形成数字调制信号后再进行传输，这种传输方式称为数字信号的调制传输（或频带传输）。（1）单极性不归零码NRZ用高电平和低电平（常为零电平）两种取值分别表示二进制码1和0，在整个码元期间电平保持不变，此种码通常记作NRZ（不归零）码。这是一种最简单最常用的码型。很多终端设备输出的都是这种码，因为一般终端设备都有一端是固定的0电位，因此输出单极性码最为方便。图5-1单极性不归零码NRZ1111100t0T4T5T7T6T2T3T5.1.1数字基带信号的波形(2)双极性不归零码NRZ用正电平和负电平分别表示1和0，在整个码元期间电平保持不变。双极性码在1、0等概率出现时无直流成分，可以在电缆等无接地的传输线上传输，因此得到了较多的应用。1111100t0T4T5T7T6T2T3T图5-2双极性不归零码NRZ(3)单极性归零码RZ常记作RZ（归零）码。与单极性不归零码不同，RZ码发送1时高电平在整个码元期间T内只持续一段时间，在其余时间则返回到零电平，发送0时用零电平表示。T称为占空比，通常使用半占空码。单极性归零码可以直接提取到定时信号，它是其它码型提取位定时信号时需要采用的一种过渡码型。1111100t0T4T5T7T6T2T3T图5-3单极性归零码NZ(4)双极性归零码RZ用正极性的归零码和负极性的归零码分别表示1和0。这种码兼有双极性和归零的特点。虽然它的幅度取值存在三种电平，但是它用脉冲的正负极性表示两种信息，因此通常仍归入二元码。1111100t0T4T5T7T6T2T3T图5-4双极性归零码NZ以上四种码型是最简单的二元码，它们有丰富的低频乃至直流分量，不能用于有交流耦合的传输信道。另外，当信息中出现长1串或长0串时，不归零码呈现连续的固定电平，没有电平跃变，也就没有定时信息。这些码型还存在的另一个问题是，信息1与0分别对应两个传输电平，相邻信号之间取值独立，相互之间没有制约，所以不具有检测错误的能力。由于以上这些原因，这些码型通常只用于设备内部和近距离的传输。(5)差分码NRZ（M）和NRZ（S）在差分码中，1和0分别用电平的跳变或不变来表示。在电报通信中，常把1称为传号，把0称为空号。若用电平跳变表示1，称为传号差分码。若用电平跳变表示0，则称为空号差分码。传号差分码和空号差分码分别记作NRZ（M）和NRZ（S）。这种码型的信息1和0不直接对应具体的电平幅度，而是用电平的相对变化来表示，由于差分码中电平只具有相对意义，因此又称为相对码。1111100t0T4T5T7T6T2T3T图5-5双极性传号差分码参考电平1111100t0Ts4Ts5Ts7Ts6Ts2Ts3Ts参考电平图5-6双极性空号差分码5.1.2数字基带信号的模型数字基带信号的模型通常采用随机过程表示。若码元宽度是Ts，则数字基带信号可表示成式中，是第个符号所对应的波形。对于二进制数字基带信号，若“1”出现的概率为，“0”出现的概率为则第个符号对应的波形可以表示为s()()nnststnT∞-∞pnTtvpnTtvnTtssssn1),(),()(21)(tsnnpnp1（5-1）（5-2）由数字基带信号的模型可见，数字基带信号通常是一个平稳随机过程。要在数字基带系统中传输它，必须了解它所占的频带宽度、所包含的频谱分量，才能确定信号频谱与传输信道特性是否匹配，以及能否从信号中提取定时分量。5.1.3数字基带信号的功率谱密度按照式（5-1）和式（5-2）所给出的基带信号模型，若基带信号s(t)的相关函数表示为)()()(tstsERs（5-3）则的双边功率谱为)(ts)(fPs2212212)()()1()()()1()()()(fVfVPPfmffmfVPmfPVfdeRfPssmsssfjss（5-4）式中，分别是与的傅里叶变换。)(),(,/121fVfVTfss)(1tv)(2tv由式（5-4）可以看出，的功率谱包含两个部分，第一部分由有冲激函数，所以为离散谱；第二部分由和构成，为连续谱。数字基带信号的功率谱密度对于数字基带传输系统的设计具有非常重要的作用，系统可根据功率谱密度中的连续谱确定数字基带信号的带宽。根据离散谱可以确定随机序列是否包含直流分量（）及定时分量（）。)(ts)(2fV)(1fV)(smff0m1m【例】若单极性二进制数字基带信号的码元传输速率为，表示符号“1”的波形为，表示符号“0”的波形，则由式（5-4）可以得到其功率谱密度为)(tsssBTfR/1)()(1tgtv0)(2tv22)()1()()()(fGPPfmffmfPGffPssmsss式（5-5）中，为的频谱。若是幅度为1，宽为的不归零矩形脉冲，则是单极性不归零波形，。)(fG)(tg)(tgsT)(ts)()(ssfTSaTfG图5-7单极性不归零随机矩形脉冲序列的波形式（5-5）的离散谱中，当时，，因此离散谱中有直流分量；当时，。因而时，，故基带信号不含定时信号的离散谱。式（5-5）中连续谱的形状由决定。0m0)0()(SaTmfGss0m0)(sfG1m)(fG0)0()(SaTmfGss图5-8单极性不归零波形的功率谱密度由图可见，基带信号的带宽取决于连续谱，由频谱函数决定。功率谱密度的第一个零点在处，因此单极性不归零矩形脉冲的第一零点带宽为。)(fGsffssfB式（5-5）的离散谱中，当时，，因此离散谱中有直流分量；当为奇数时，，尤其当时，。因而该信号包含离散的定时分量；当为偶数时，。0m0)0()(SaTmfGssm0)(sfG1m0)2(2)(mSaTmfGss若是幅度为1、占空比为50%的归零矩形脉冲，则。)(tg22)(ssfTSaTfGm0)2(2)(mSaTmfGss图5-9单极性半占空归零波形的功率谱密度在数字基带传输系统中，大部分信道的频带通常是受限的，且对直流分量和低频分量具有很大的衰减。而由原始消息符号所形成的数字基带信号常含有直流分，且低频分量比较丰富，通过基带信道传输，将产生畸，影响接收信号的性能。为了适应大多数基带信道传输的要求，通常在数字基带系统的发送端对信源输出的原始信号进行码型变换，使变换后的基带信号具有较好的功率谱密度形状，同时满足基带传输系统信息处理与同步的需求。5.2码型变换选择线路码必须考虑以下几个方面1.线路码应无直流分量，且低频分量尽量少，功率谱的形状与传输信道匹配。2.线路码或其经过非线性变换后的基带信号中应包含与定时分量相关的离散谱,便于接收端从信号中提取定时信息。3.从信源输出的信息符号到线路码的码型变换应具有透明性，即与信源输出符号的统计特性无关。4.线路码最好具有内存的检错能力，便于接收端进行误码监测。5.在给定传输条件的情况下，线路码应使系统的差错概率尽可能地小。5.2.1线路码的选择原则信源输出的原始信号经过码型变换后称为传输或线路码，接收端通过码型反变换恢复出信源原来的码型。5.2.2常用线路码1.传号交替反转码（AMI）编码规则：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的半占空归零码表示，。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。当信息中出现连0码时，AMI码将长时间不出现电平跳变，这给提取定时信号带来困难。克服AMI码的长串连“0”问题，可以采用扰码技术打乱符号排列的次序，也可采用HDB3码。AMI码译码：把所有的–1都变成+1即可。2．HDB3码HDB3码是针对AMI码存在的长串连“0”问题，提出的一种改进码。编码规则是：1.将信源符号先编为AMI码;2.对编好的AMI码进行连“0”串长度检测，当连“0”串的长度不超过3时，此时的AMI码就是HDB3码。3.在AMI码中，若出现4个连“0”码，则将“0000”用“000V”来替代，V称为破坏符号，V的极性与前一个非零符号极性相同，且V码自身极性交替。4.当相邻的两个破坏符号之间存在偶数个非零符号时，将后一个“000V”用“B00V”代替，B和V的极性与前面一个非零符号极性相反。自V码后非零符号极性交替。消息码100001000011000011AMI码-10000+10000-1+10000-1+1HDB3码-1000-V+1000+V-1+1-B00-V+1-1译码:V是表示破坏极性交替规律的传号,V是破坏点,译码时,找到破坏点,断定V及前3个符号必是连0符号,从而恢复4个连0码,再将-1变成+1,便得到消息代码.HDB3码的优点是无直流分量,低频万分少,译码比较简单,抑制了长的连“0”码，有利于位同步信号的提取。其缺点是编码电路比较复杂，由于各码元具有一定的相关性，传输中有一个误码，解码后有误码增殖现象。A律PCM四次群以下的接口码型均为HDB3码。图5-10AMI码和HDB3码3．双相码代码：1100101双相码：101001011001100双相码又称曼彻斯特码1.符号“0”用“01”表示，即为先负后正的一个周期的对称方波；2.符号“1”用“10”表示，即为先正后负的一个周期的对称方波。双相码的优点是每个码元周期的中心点都存在电平跳变，便于提取位定时信息，无直流分量，编码过程简单，具有一定的检错能力。其缺点是带宽比原来的信息代码增大一倍。将信源输出的每m个二进制符号分为一组，变换成n位二进制符号的新码组。由于m＞n，新码组可能有2m种组合，故多出(2m-2n)种组合。从中选择一部分有利码组作为可用码组，其余为禁用码组，以获得好的特性。在光纤数字传输系统中，通常选择m＝n+1，有1B2B码、2B3B、3B4B码以及5B6B码等，其中，5B6B码型已实用化，用作三次群和四次群以上的线路传输码型。4．mBnB码5.3数字基带信号传输与码间干扰数字基带传输系统的性能取决于基带信号的传输信道。大部分基带信道的带宽是受限的，且存在幅度频率失真和相位频率失真，使通过基带信道传输的基带信号产生畸变，同时给基带信号叠加上噪声。接收端通过滤波后对基带信号中各个码元对应的滤形进行抽样判决,恢复出发送的信息符号,畸变的波形和噪声都会使恢复出的符号产生错误。在基带信号中，各个符号对应的波形在频域上是无限延展的。基带信道的带宽通常是受限的，无限的频谱经过有限带宽信道传输后，符号对应波形的频谱将是有限的，这将使接收波形在时域上无限延展。传输后的时域波形受到延展，并会对其他的符号在抽样时刻形成干扰，这种干扰称为码间干扰。在基带传输中，除了码间干扰对接收端抽样判决有影响外，信道中的噪声也会影响码元的判决。5.3.1带限基带信道对基带信号传输的影响图5-11符号波形和频谱图图5-12等效特性为RC网络特性的基带信道输入输出波形数字基带信号的传输模型，如图5-13所示。5.3.2数字基带信号传输模型与码间干扰图5-13数字基带信号传输模型在框图中，为发送滤波器的输入符号序列。在二进制的情况下为0、1或-1、+1。为分析方便，把这个序列对应的基带信号表示成这个信号是由时间间隔为的一系列的所组成，每一的强度由决定。当送入发送滤波器时，发送滤波器将产生信号，表示如下式中，是单个作用下形成的发送基本波形。设发送