通信原理-第4章-数字基带传输系统素材

第4章数字基带传输系统数字基带信号波形（码型）数字基带信号的功率谱基带传输系统结构与码间干扰无码间串扰的基带传输系统设计无码间串扰基带系统的抗噪声性能分析眼图的概念时域均衡原理*部分响应系统*引言一、什么是数字基带信号？（1）基带信号：消息代码的电波形。（2）数字：具有有限个电平状态。来源：消息数字基带信号数字终端对比：数字频带信号数字调制数字基带信号举例：ASK/FSK/PSK信号PCM、ΔM信号特点：信号含丰富的低频分量，甚至直流分量。二、什么是数字基带传输系统？（1）含义：不使用调制解调器而直接传输数字基带信号的通信系统。如利用电传机在市内进行电报通信、利用中继方式长距离传输PCM信号等。（2）数字基带传输系统的基本结构（模型）：图4-4数字基带传输系统原理框图二进制符号码型变换器发送滤波器信道接受滤波器抽样判决同步提取电路定时脉冲输出cp)(ty()stna()TGf()RGf()Cf'natn（3）各部分功能：•码型变换器--把原始基带信号变换成适合于信道传输的的各种码型，达到与信道匹配的目的；•发送滤波器--码型变换器输出的各种码型是以矩形为基础的，发送滤波器的作用就是把它变换为比较平滑的波形，如升余弦波形等，这样利于压缩频带、便于传输；•信道--它是允许基带信号通过的媒质，通常不满足无失真传输条件，甚至是随机变化的。另外信道还会进入噪声。一般认为噪声为AWGN；•接收滤波器--滤除带外噪声，对信道特性均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决；•抽样判决器--传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻（由位定时脉冲控制）对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号。ttttt10101100000(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)0nat0t10111001'na()st()yt()rt基带系统各点波形示意图在利用对称电缆构成的近程数据通信系统广泛采用了这种传输方式；数字基带传输中包含频带传输的许多基本问题，也就是说，基带传输系统的许多问题也是频带传输系统必须考虑的问题；任何一个采用线性调制的频带传输系统可等效为基带传输系统来研究。三、为什么要研究数字基带传输系统？码型设计原则：1、码型变换与线路传输码型数字基带信号是数字信息的电脉冲表示，不同形式的数字基带信号或码型具有不同的频谱结构，合理地设计数字基带信号以使数字信息变换为适合于给定信道传输特性的频谱结构，是基带传输首先要考虑的问题。把数字信息的电脉冲表示过程称为码型变换。在有线信道中传输的数字基带信号又称为线路传输码型。4.1数字基带信号码型与波形2、有线信道的传输特性传输线的等效电路：数字设备之间长距离有线传输时，高频分量衰减随距离的增加而增大。隔直流电容或耦合变压器：信道中往往还存在隔直流电容或耦合变压器，因而在传输频带的高频和低频部分均受限时，必须考虑码型选择问题。3、码型设计原则①对于传输频带低端受限的信道，一般来说线路传输码型的频谱中应不含直流分量。②尽量减少基带信号频谱中的高频分量，以便节省传输频带和减小串扰。③信号抗噪声能力强，波型间相关性越小越好。产生误码时，在译码中不产生误码的扩散或误差的增值，如果有，也希望越小越好。④便于从信号中提取定时信息；若采用分组形式传输时，不但要从基带信号中提取位定时信息，而且要便于提取分组同步信息。⑤要求基带传输信号具有内在的检错能力。⑥编译码的设备应尽量简单。1、二元码型10100110+E0（a（（（（NRZ（+E-E（b）（（（NRZ（+E0（c）（（（RZ（+E-E（d）（（（RZ（+E-E（e）（（（（f）AMI（+E-E（g（（（（+E-E（h（CMI（+E-E图4-1几种基本的基带信号二元码波形1）单极性不归零码（NRZ）(UnipolarNonreturn-to-zeroCoding)用一种信号电平代表“1”码，用另一种信号电平代表“0”码，在码元持续期间电平保持不变。如用高电平代表“1”，低电平（一般为零电平）代表“0”，为正逻辑；反之为负逻辑。单极性NRZ波形的主要特点：（1）有直流分量，无法使用一些交流耦合的线路和设备；（2）不能直接提取位同步信息；（3）判决电平不能稳定在最佳的电平，即抗噪性能差；（4）传输时需一端接地。不能用两根芯线均不接地的电缆传输线。01010011E2）双极性不归零码（BNRZ）（BipolarNonreturn-to-zeroCoding）用正电平和负电平分别表示二进制数字码元“1”和“0”，在码元持续期间电平保持不变。其特点为：（1）直流分量小。当二进制符号“1”、“0”等可能出现时，无直流成分；（2）接收端判决门限为0，容易设置并且稳定，因此抗干扰能力强；（3）可以在电缆等无接地线上传输。1010011EE3）单极性归零码（RZ）（UnipolarReturn-to-zeroCoding）这种码与单极性不归零码的区别在于，高电平不是在整个码元期间保持不变，而是只持续一段时间，然后在码元的其余时间内返回到零（低）电平。即它的脉冲宽度比码元宽度窄，每个脉冲都回到零电平。优点是可以直接提取同步信号，它是其它码型提取同步信号需采用的一个过渡码型。τTsτ:脉冲宽度Ts：码元宽度τ/Ts：占空比010100114）双极性归零码（BRZ）双极性归零码具有抗干扰能力强及码中不含直流成分的优点，应用比较广泛。101001105）差分波形1010011EE不是用码元本身的电平表示消息代码，而是用相邻码元的电平的跳变和不变来表示消息代码；由于差分码是以相邻脉冲电平的相对变化来表示代码，因此称它为相对码，而相应地称前面的单极性或双极性码为绝对码。用差分码波形传送代码可以消除设备初始状态的影响，特别是在相位调制系统中用于解决载波相位模糊问题。6）多进制波形（略）0000E3011110011101EEE3这种波形的一个脉冲可以代表多个二进制符号，在码元速率一定时可以提高信息速率，故在高速数字传输系统中得到广泛应用。2、1B2B码1）双相码（DigitalDiphaseCode）又称分相码或曼彻斯特（Manchester）码。它用一个周期的正负对称方波表示“1”，而用它的反相波形表示“0”。它的编码规则可以看作是当输入“1”时固定输出“10”，当输入“0”时固定输出“01”，使编码后的传输速率为编码前的原信号速率的两倍，占用的频带加倍。数字双相码可以用单极性不归零码与定时信号的模二加来产生。A-A双相码特点：1、无直流漂移。2、能提供足够的定时分量。3、编码过程简单。数字双相码可以用单极性不归零码与定时信号的模二加来产生。4、占用频带宽。5、存在相位不确定问题。2）密勒（Miller)码又称延迟调制码，它是数字双相码的改进。编码规则：在密勒码中，“1”用码元周期中点处出现跳变来表示，而对于“0”则有两种情况，当出现单个“0”时，在码元周期内不出现跳变；但若遇到连“0”时，则在前一个“0”结束，后一个“0”开始时刻出现跳变。密勒码无跳变的最大间隔为两个码元，这种情况只出现在两个“1”中间有一个“0”的情况，即“101”情况。/btT/btT0011010010AAAA双相码密勒码密勒码实际上是双相码的差分形式。它可以克服双相码中存在的相位不确定问题，且直流分量很少，频带窄，约为双相码的一半。利用密勒码的脉冲最大宽度为两个码元周期，最小宽度为一个码元周期的特点，可以检测传输的误码或线路的故障。这种码最初被用于气象、卫星通信及磁带记录，后来在低速基带数传机中也得到了应用。3）CMI码又称传号反转码，是一种二电平不归零码。CCITT已建议CMI码作为脉冲编码调制器四次群的接口码型。在CMI码中，数字“1”交替用正电平、负电平表示，而“0”用确定相位的方波表示。实质上，这种码的编码规则可以看作是当输入“1”时输出“11”或“00”，二者交替出现；当输入“0”时固定输出“01”。这几种码有时又称为1B2B码，它的传输速率为编码前的原信号速率的两倍，要占用较宽的频带。其优点是无直流分量，波形跳变频繁，便于提取定时信号，并具有一定的检测错误的能力，因为在正常情况下“10”不可能出现，连续的“00”和“11”也不可能出现，从而不会连续出现4个以上的“0”码或“1”码，这种相关性就可以用来检测因信道而产生的部分错误。传号：“1”；空号：“0”A-A3、三元码所谓三元码是利用信号幅度取值＋1，0，－1来表示二进制数字“1”和“0”，而不是将二进制数变为三进制数。因此，这种码又称为“准三元码”或“伪三元码”。三元码的种类很多，被广泛地用作脉冲编码调制的线路传输码型。AMI码、HDB3码是2种最常用的三元码。。1）极性交替转换码（AMI码）AMI码又称为传号交替反转码。编码规则：二进制的“0”用三元码的“0”来表示，二进制的“1”则交替地变换为“＋1”和“－1”的归零码，通常脉宽为码元周期之半。代码100001000011000011AMI–10000+10000–1+10000–1+1AMI码的优点是无直流分量，低频分量较小。若将基带信号进行全波整流变为二元归零码可以提取定时信号。AMI码具有检错能力，这是因为传号“1”的极性具有交替反转的规律，如果该规律遭到破坏，则说明存在误码。该码的主要缺点是信号的频谱形状与信息中传号率（即出现“1”的概率）有关，当出现长连“0”时，提取定时信号困难。AMI码的优点如下：（1）在“1”、“0”码不等概率情况下，也无直流成分，对具有变压器或其它交流耦合的传输信道来说，不易受隔直特性的影响。（2）若接收端收到的码元极性与发送端的完全相反，也能正确判决。（3）便于观察误码情况。缺点：长连“0”时，提取定时信号困难。2）HDB3码(重点)HDB3码是三阶高密度双极性码。编码步骤：当代码序列中连“0”的个数小于4时，与AMI码一样；当连“0”的个数大于或等于4时，则(1)取代变换。将每4个连0码用OOOV或BOOV代替。当2个相邻的V码中间有奇数个1码时用OOOV；有偶数个1码时用BOOV。(2)加符号。对1码、破坏码V及平衡码B加符号。原则是：V码的符号与前面第一个非0码的符号相同，1码、B码的符号与前面第一个非0码的符号相反。例如：代码100001000011000011AMI–10000+10000–1+10000–1+1HDB3–1000–V+1000+V–1+1–B00–V+1–1B码：平衡符号V码：破坏符号译码规则：只要找到二个同极性的非“0”符号，则后者必为V，由此可将V和它前面的3个符号恢复成4个连“0”符号，再将所有–1变成+1就是原码。HDB3码保持了AMI码的优点，克服了AMI码在长串“0”时不能反映码定时信息的缺点，使位定时信号容易提取。代码100001000011000011AMI–10000+10000–1+10000–1+1HDB3–1000–V+1000+V–1+1–B00–V+1–1HDB3码译码规则：由相邻两个同极性码找出V码，同极性码中的后面那个码为破坏符号V；由V向前数第三个码如果不是零码，表明它是B码；把V码和B码去掉以后留下来的全是信码。HDB3码字：-1000–1+1000+1-1+1-100–1+1-1译码1：-1000–V+1000+V-1+1-B00–V+1-1译码2：-10000+10000-1+10000+1-1代码：100001000011000011例子：平衡码B与破坏码V的正负必须满足如下两个条件：①B码和V码各自都应始终保持极性交替变化的规律，以便确保编好的码中没有直流成分；②V码必须与前一个非0码（信码）同极性，以便和正常的AMI码区分开来。如果这个条件得不到满足，那么应该在四个连“0”码的第一个“0”码位置上加一个与V码同极性的平衡码，用符号B表示，并做调整。4.1.2数字基带信号的波形矩形脉冲上升和下降是突变的往往低频分量和高频分量都比较大，占用频带也比较宽，如果信道带宽有限，而采用以矩形脉冲为基础的码信号带宽较宽，直接送入信道