通原实验1-码型变换

厚德博学追求卓越武汉理工大学信息工程学院专业综合实验中心.HDB3/AMI码型变换与位同步提取厚德博学追求卓越数字基带传输系统中信道的编/译码技术目的：是为了保证通信系统的传输可靠性，克服信道中的噪声和干扰。实验技术常用数字基带信号码型→基带信号的传输方式→传输码型选择→码型变换→线路传输码———AMI及HDB3。实验研究内容厚德博学追求卓越数字通信系统对信息的传输有两个基本的传输系统1、数字基带传输系统2、数字频带传输系统用来传输数字基带信号的通信系统称为数字基带传输系统。方法是：将数字基带信号直接进行线路传输。为适应信道传输而将基带信号进行调制，即将基带信号的频谱搬移到某一高频处，变为频带信号进行传输，这种传输信号的方式称为数字频带传输系统。数字频带传输系统特点是：发送端必须使用调制器，接收端必须使用解调器。数字基带传输系统特点是：发送端不使用调制器，接收端不使用解调器。厚德博学追求卓越一、实验目的4.通过给定的实验电路,熟悉并掌握本实验电路的组成和工作过程,学会分析电路方法。1.通过实验,了解几种常见的数字基带信号，掌握常用的数字基带信号的编码规则。2.掌握对二进制单极性码变换为AMI与HDB3码的编译码规则、工作原理和实现方法；进一步明确数字基带信号传输线路码型变换的目的。3.简单了解位同步提取的实现方法。厚德博学追求卓越二、实验内容AMI编译码系统HDB3编译码系统1.AMI码编码规则验证2.AMI码位同步信号观测4.AMI码译码和时延测量3.AMI码单双变换、双单变换定性观测1.HDB3码变换规则验证2.HDB3码位同步信号观测3.HDB3码单双变换、双单变换定性观测4.HDB3码译码和时延测量1.数字基带信号的测量厚德博学追求卓越三、实验应知知识1.数字信号与数字基带信号在数字通信系统中，一般把模拟信号经数字化处理后而形成的脉冲编码信号，或是来自数据终端设备（比如计算机）的原始数据信号，称为数字信号。数字信号的特点是:(1)数字信号:信号的幅值取值是离散的，且幅值被限制在有限个数值之内。常见的二进制码就是一种数字信号。二进制码受噪声的影响小，易于由数字电路进行处理，所以得到了广泛的应用。厚德博学追求卓越三、实验应知知识(2)数字基带信号:101001101数字基带信号，是消息代码的电波形的表示形式。即将信源发出的、未经调制或频谱变换、直接在有效频带与信号频谱相对应的信道上传输的数字信号，用不同的电平或脉冲来表示相应的消息代码。例：若将二进制码的一种数字信号变换为数字基带信号:数字基带信号的电波形表示的类型很多，常见的有矩形脉冲，三角波、高斯脉冲和升余弦脉冲等。最常用的是矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成和变换。厚德博学追求卓越三、实验应知知识数字基带信号（以后简称基带信号）的类型有很多，如以矩形脉冲组成的数字基带信号，主要有以下几种：3.常用数字基带信号类型与编码规则二元码单极性非归零码双极性非归零码单极性归零码差分码（相对码）数字双相码传号反转码密勒码三元码双极性归零码传号交替反转码三阶高密度双极性码厚德博学追求卓越例如三、实验应知知识3.1NRZNRZ码的全称是单极性不归零码，在这种二元码中用高电平和低电平分别表示二进制信息“1”和“0”，其特征是1、0分别对应正电平和零电平，在表示码元时，电压不需要回到零.1+E001001101特点：１．发送能量大，有利于提高接收端的信噪比．２．在信道上占用的频带较窄．３．存在直流成份，将导致信号的失真，无法使用交流耦合的线路和设备４．不能直接提取位同步信号；5.接收NRZ码的判决电平应取”1”码的一半,由于信道衰减或特性随各种因素变化时,接收端波形的振幅和宽度容易变化,因而判决门限不够稳定在最佳电平,使抗噪性能变坏.由于单极性码存在上述缺点，尽管它具有构成简单的特点，在实际的基带数字信号传输中很少采用这种码型,但它适合极短距离传输，在设备内部的传输多采用单极性码。厚德博学追求卓越数字信号序列：+E010100110TbPx(ω)Tb/4Tb1/1/4f0NRZ码单极性非归零码（NRZ）的功率谱2）由离散谱仅含直流分量可知，单极性NRZ信号的功率谱不含可用于提取同步信息的fb分量。3）由连续分量可方便求出,单极性NRZ信号的功率谱的带宽近似为（Sa函数第一零点）时，上述结论依然成立（请读者自己考虑）单极性NRZ信号的功率谱如图所示。可以看出：1）单极性NRZ信号的功率谱只有连续谱和直流分量单极性非归零码NRZ信号的功率谱NRZ(=Ts)基带信号的带宽为BS=1/=fs；厚德博学追求卓越三、实验应知知识3.2RZRZ码的全称是单极性归零码，与NRZ码不同的是，发送“1”时在整个码元期间高电平只持续一段时间，在码元的其余时间内则返回到零电平，即信号的脉冲宽度小于码元宽度，通常均使脉冲宽度等于码元宽度的一半。+E100电平10010100RZ码与NRZ码相比，除仍具有单极性码的一般特点外，主要优点是可以直接提取同步信号，但不意味可以作为线路传输码使用，它可以为其它码型提取同步信号时，而作为一个过渡码形应用．例如：厚德博学追求卓越单极性归零码RZ信号的功率谱RZ+E0t单极性归零码（RZ）的功率谱Px(ω)1/Tbf01/t数字信号序列：10100110对于单极性RZ信号，有这里为图所示的高度为1、宽度为τ占空比的矩形脉冲1)单极性RZ信号的功率谱不但有连续谱，而且在等处还存在离散谱。2)由离散谱可知，单极性RZ信号的功率谱含可用于提取同步信息的fb分量。3）由连续谱可求出单极性RZ信号的功率谱的带宽近似为较之单极性NRZ信号变宽。RZ(=Ts/2)基带信号的带宽为BS=1/=2fs厚德博学追求卓越三、实验应知知识3.3BNRZBNRZ码的全称是双极性不归零码，在这种二元码中用正电平和负电平分别表示数字基带信号的“1”和“0”。与单极性不归零码相同的是整个码元期间电平保持不变，因而在这种码型中不存在零电平。+E1-E010011双极性不归零（NRZ）码特点：在实际工程应用中:双极性BNRZ码常在CCITT的V系列接口标准或RS-232接口标准中使用。（1）当“1”和“0”数目各占一半时无直流分量，但当“1”和“0”出现概率不相等时，仍有直流成份；（2）连“0”或连“1”时仍不能直接提取位同步信息；（3）对信道特性变化不敏感；（4）可在电缆等无接地线上传输。例如：厚德博学追求卓越数字信号序列：10100110双极性非归零码BNRZ信号的功率谱+E-E双极性不归零（BNRZ）码的功率谱BNRZPx(ω)TbTb1/f0Tb双极性BNRZ信号的功率谱如图所示。可以看出：1）双极性BNRZ信号的功率谱只有连续谱，不含任何离散分量。当然，也不含可用于提取同步信息的fb分量。2）双极性BNRZ信号的功率谱的带宽同于单极性NRZ信号，为3）时，双极性BNRZ信号的功率谱将含有直流分量，其特点与单极性NRZ信号的功率谱相似（请读者自己考虑）NRZ(=Ts)基带信号的带宽为BS=1/=fs；厚德博学追求卓越三、实验应知知识3.4BRZBRZ码的全称是双极性归零码。与BNRZ码不同的是，发送“1”和“0”时，在整个码元期间高电平或低电平只持续一段时间，在码元的其余时间内则返回到零电平。+E10电平-E010011双极性归零码的特点是:(1)“1”和“0”在传输线路上分别用正和负脉冲表示，且相邻脉冲间必有零电平区域存在。(2)对于双极性归零码，在接收端根据接收波形归于零电平便可知道1比特信息已接收完毕，以便准备下一比特信息的接收。所以，在发送端不必按一定的周期发送信息。可以认为正负脉冲前沿起了启动信号的作用，后沿起了终止信号的作用。因此，可以经常保持正确的比特同步。即收发之间无需特别定时，且各符号独立地构成起止方式，此方式也叫自同步方式。(3)双极性归零码具有双极性非归零码的抗干扰能力强及码中不含直流成分的优点，应用比较广泛。例如：厚德博学追求卓越10100110数字信号序列：双极性BRZ信号的功率谱+E0-E双极性归零（BRZ）码的功率谱Px(ω)f01/tBRZ双极性BRZ信号的功率谱如图所示。可以看出1）双极性BRZ信号的功率谱，只有连续谱，不含任何离散分量。当然，不含可用于提取同步信息的fb分量。2）双极性RZ信号的功率谱的带宽同于单极性RZ信号，为3）时，双极性BRZ信号的功率谱将含有离散分量，其特点与单极性RZ信号的功率谱相似（请读者自己考虑）RZ(=Ts/2)基带信号的带宽为BS=1/=2fs厚德博学追求卓越结论：二进制基带信号的带宽主要依赖单个码元波形的频谱函数G1(f)和G2(f)。时间波形的占空比越小，占用频带越宽。若以谱的第1个零点计算，NRZ(=Ts)基带信号的带宽为BS=1/=fs；RZ(=Ts/2)基带信号的带宽为BS=1/=2fs。其中fs=1/Ts，是位定时信号的频率，它在数值上与码元速率RB相等。单极性基带信号是否存在离散线谱取决于矩形脉冲的占空比。单极性NRZ信号中没有定时分量，若想获取定时分量，要进行波形变换；单极性RZ信号中含有定时分量，可以直接提取。“0”、“1”等概的双极性信号没有离散谱，也就是说没有直流分量和定时分量。双极性0sf3sff实线——NRZ虚线——RZ(1/2)P单极性0sf3sff实线——NRZ虚线——RZ(1/2)P厚德博学追求卓越三、实验应知知识4.为什么要进行码型变换?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），这种经过自然编码的数字信号虽然是名符其实的数字信号，但却并不适合于在信道中直接传输，或者说，数字通信系统（数据通信系统）一般并不采用这样的数字信号进行基带传输。因为用这样的数字信号进行基带传输会出现很多问题，换句话说，就是它的码型不满足通信的要求。传输这种数字基带信号会遇到的问题：(1)由于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。鉴于上述原因:要实现数字基带信号的线路传输,必须进行适当的码型变换.厚德博学追求卓越三、实验应知知识5.对线路传输码型的基本要求：由于不同的码型具有不同的特性，因此在实际应用中,应合理设计或选择适合于在给定信道传输特性的码型，通常要考虑以下因素，或者说要遵循以下原则：1）能从其响应的基带信号中获取定时信息；2）相应的基带信号无直流成份和只有很小的低频成份；4）尽可能地提高传输码型的传输效率；5）具有内在的检错能力，能在线检测传输误码率。3）不受信息源统计特性的影响，即能适应于信息源的变化；即将数字基带信号变换成适合于线路传输的码型。此种码也称为传输码、线路码。厚德博学追求卓越三、实验应知知识以上介绍的各类数字基带信号的码型没有一种码型能满足上述要求，在实际应用中，往往要根据需要全盘考虑，有取有舍，合理选择，并采用信道编码技术，将数字基带信号变换成适合于线路传输的码型。满足传输码型要求的的传输码种类繁多，在通信中主要有两大类。常用传输码型三元码AMIHDB3PST（成对选择三进码）4B3TBPH（Manchester曼彻斯特码）二元码CMI（传号反转码）DMImBnBmB1PmB1H厚德博学追求卓越三、实验应知知识AMI码传号极性交替反转码HDB3码三阶高密度双极性码CMI码传号反转码适合线路传输码型厚德博学追求卓越三、实验应知知识1AMIAMI码的全称是传号极性交替反转码，其编码规则是：信息码中的“0”码,仍变换为传输码的“0”；信息码中的“1”码,极性交替变换为传输码的“+1、－1、＋1、－1、…”。数字基带信号的“0”码仍为0例如：