数字信号的传输

第六章数字信号的传输数字信号的传输方式可分为基带传输和频带传输。所谓基带传输就是编码处理后的数字信号（此信号叫基带信号）直接在电缆信道中传输；而频带传输则是将基带信号的频带搬到适合于光纤、无线信道传输的频带上再进行传输。第一节数字信号基带传输的基本理论第二节基带传输的线路码型第三节基带数字信号的再生中继传输第四节再生中继传输性能的分析第五节数字信号的频带传输第一节数字信号基带传输的基本理论一、数字信号波形与功率谱数字信号波形的种类很多，其中较典型的是二进制矩形脉冲信号，它可以构成多种形式的信号序列，如图6.1所示。图6.1二进制数字信号序列的基本波形该频谱图表明，矩形脉冲信号的频谱函数分布于整个频率轴上，而其主要能量集中在直流和低频段。图6.2单元矩形脉冲及频谱图6.3二进制数字信号序列的功率谱曲线二、基带传输系统的构成基带数字信号所占的频带都是从直流或零频开始的某一段频带。图6.4数字基带传输系统的基本构成图6.5单位冲激脉冲函数及所对应的频谱图6.6孔径均衡特性图6.7基带传输系统简化模型三、数字信号传输的基本准则（无码间干扰的条件）1.无码间干扰的时域条件（不考虑噪声干扰）图6.8理想低通特性图6.9理想低通网络的输出响应（1）t=0时有输出最大值，且波形出现拖尾，其拖尾的幅度是随时间而逐渐衰减的；(2)其响应值在时间轴上具有很多零点。第一个零点是±1/2fc，以后各相邻零点的间隔都是1/2fc（fc是理想低通的截止频率）。图6.10单位冲激脉冲序列图6.11最大值点处抽样判决示意图对于等效成截止频率为fc的理想低通网络来说，若数字信号以2fc的符号速率传输，则在各码元的间隔处（即TB=1/2fc的整数倍处）进行抽样判决，不产生码间干扰，可正确识别出每一个码元。2.理想基带传输系统理想基带传输系统有以下三个主要特(1)R(t)在抽样判决点（识别点）(2)达到最高传输效率。(3)在给定发送信号能量和信道噪声条件下，在抽样判决点上能给出最大信噪比（此处只给出结论，公式推导从略）。3.滚降低通传输网络图6.12滚降低通的幅频特性第二节基带传输的线路码型一、对基带传输码型的要求1.传输码型的功率谱中应不含直流分量，同时低频分量要尽量少满足这种要求的原因是PCM端机、再生中继器与电缆线路相互连接时，需要安装变量器，以便实现远端供电（因设置无人站）以及平衡电路与不平衡电路的连接。2.传输码型的功率谱中高这是因为一条电缆中包含有许多线对，线对间由于电磁感应会引起串话，且这种串话随频率的升高而加剧。3.传输码型功率谱中应含有定时钟信息，以便再生中继器或接收端能提取必需的定时钟信息。4.传输码型应具有一定的检测误码能力数字信号在信道中传输时，由于各种因素的影响，有可能产生误码：若传输码型有一定的规律性，那么就可根据这一规律性来检测是否有误码，即做到自动监测，以保证传输质量。5.对信源统计依赖性最小信道上传输的基带传输码型应具有对信源统计依赖最小的特性，即对信源经信源编码后，直接转换的数字信号的类型不应有任何限制（例如“1”和“0”出现的概率及连“0”多少等）。6.要求码型变换设备简单、易于实现由信息源直接转换的数字信号不适合于直接在电缆信道中传输（原因见后），需经码型变换设备转换成适合于传输的码型，要求码型变换设备要简单、易于实现。二、1.单极性不归零码（即NRZ码）图6.13单极性不归零码及其功率谱由图可见，单极性不归零码有如（1）有直流成分，且信号能量大部分集中在低频（占空比越大，信号能量越集中在低频部分）。（2）提取时钟fB困难。（3）无检测误码能力，因传输码型无规律。2.单极性归零码（即RZ码）图6.14单极性归零码（τ=TB/2）及功率谱3.传号交替反转码（AMI码）图6.15AMI码及功率谱从AMI码的功率谱中可以看出它（1）无直流成份，低频成份也少（由于AMI码的传号码极性交替反转），有利于采用变量器进行远供电源的隔离，而且对变量器的要求（如体积）也可以降低。（2）高频成份少。这不仅可节省传输频带、提高信道利用率，同时也可以减少电磁感应引起的串话。（3）码型功率谱中虽无fB定时钟频率成份，但经全波整流，可将AMI码变换成单极性半占空码，就会含有定时钟fB成份（见图6.14），便可从中提取定时钟成份。（4）AM1码具有一定的检错能力。4.三阶高密度双极性码（HDB3码）HDB3（1）进码序列中的“0”码在HDB3码中原则上仍编为“0”码，但当出现4个连“0”码时，用取代节000V或B00V代替。（2）取代节的安排顺序是：先用000V，当它不能用时，再用B00V。①各取代节之间的V码要极性交替出现。②V码要与前一个传号码的极性相同。（3）HDB3码序列中的传号码（包括“1”码、V码和B码）除V码外要满足极性交替出现的原则。5.传号反转码（CMI码）图6.16CMI码及功率谱三、传输码型的误码增殖误码增殖是由各码元的相关性引起的。误码增殖现象可用误码增殖比（ε）来表示，ε=反变换后误码个数/线路误码个数四、传输码型特性的分析比较1.最大连“0”数及定时钟提取2.AMI码、HDB3码和CMI码均具有一定的检测误码能力。3.由前面分析可见：AMI码和CMI码无误码增殖，而HDB3码有误码增殖。4.AMI码和CMl码的实现电路（即码型变换电路）简单，HDB3码实现电路比较复杂一些，也可以实现。第三节基带数字信号的再生中继传输一、基带传输信道特性信道是指信号的传输通道，目前狭义信道——是指信号的传输媒介，其范围是从发送设备到接收设备之间的媒质。广义信道——指消息的传输媒介。如果把信道特性等效成为一个传输网络，则信号通过信道的传输可用图6.17所示模型来表示。e0(t)=ei(t)*h(t)＋n(t)图6.17信道等效模型图6.18三种电缆的衰减特性图6.19经电缆传输后的脉冲波形示意图由图可见，这种矩形脉冲信号经信道传输后，波形产生失真，其失真主要反映（1）接收到的信号波形幅度变小。（2）波峰延后。（3）脉冲宽度大大增加。图6.20双极性半占空码序列及经信道传输后失真波形二、1.再生中继系统的方框图如图6.21所示。再生中继的目的是：当信噪比不太大的时候，对失真的波形及时识别判决（识别出是“1”码还是“0”码），只要不误判，经过再生中继后的输出脉冲会完全恢复为原数字信号序列。图6.21基带传输的再生中继系统2.再生中继系统的特点再生中继系统中，由于每隔一定的距离加一再生中继器，所以它（1）无噪声积累（2）有误码率的积累三、再生中继器图6.22再生中继器方框简图均衡放大——将接收的失真信号均衡放大成宜于抽样判决的波形（均衡波形）。定时钟提取——从接收信码流中提取定时钟频率成份，以获得再生判决电路的定时脉冲。抽样判决与码形成（判决再生）——对均衡波形进行抽样判决，并进行脉冲整形，形成与发端一样的脉冲形状。1.（1）均衡放大的作用再生中继器不是对经线路传输后的波形（称为接收波形）直接进行判决再生，而是先将其均放成均衡波形R(t)，再对R(t)进行判决再生。(2)适合再生判决的波形应满足以下的要求。①波形幅度大且波峰附近变化要平坦。②相邻码间干扰尽量小。图6.23定时抖动对抽样判决的影响(3)升余弦特性（时域）①升余弦特性②均放特性的实现图6.24升余弦均衡波形图6.25总衰减aT与线路衰减情况（4）①有理函数均衡时的传递函数T(ω)图6.26基本节的电路模型与频率响应②有理函数均衡波形R(t)根据推导，定性地画出有理函数均衡波形如图6.27所示。表征均衡波形R(t)的特点有：R(t)的峰值、半幅值（峰值/2）时的脉宽、占空比a=脉宽/TＢ，下冲拖尾（造成码间干扰）的幅度等，它们主要受有理函数的四个参数的影响，即m、n、fL及fH。图6.27有理函数均衡波形③均放特性图6.28按有理函数均衡时的均放特性（5）码间干扰的衡量——眼图均衡波形的码间干扰情况，可用眼图来衡量。所谓眼图，是一种利用示波器来显示均衡波形的方法。图6.29无码间干扰时的理想眼图图6.30眼图的恶化2.定时钟提取（1它有两种方式。一种是和PCM信码共占用一条电缆信道。利用伪三进码功率谱的特点来传送主时钟，伪三进码功率谱中在主时钟fB处能量为0，利用这一特点把主时钟信号插在这个缝隙处，如图6.31所示。图6.31定时信号的插入（2）从发送的PCM信号序列中提取定时信号（简称定时钟提取），这种办法经济方便，目前采用较多。3.抽样判决与码形成——判决再生判决再生又称识别再生，识别是指从已经均衡好的均衡波形中识别出是“1”码还是“0”码。4.再生中继器方框图图6.32再生中继器方框图四、大规模集成电路再生中继器（CD22301)CD22301是单片集成的PCM线路再生中继器，通常用作PCM基群信号传输中。1.（1）典型工作速率为1.544Mbit／s，2.048Mbit／s（2）编码码型为二元码或三元码；（3）电源电压＋5.1V（4）电源电流22mA（5）功耗110mW（6）工艺CM0S（7）18引脚DIP（双列直插）封装。2.引脚功能说明图6.33CD22301引脚排列图3.CD22301图6.34CD22301的电路组成4.CD22301再生中继电路的应用图6.35CD22301再生中继电路原理图第四节再生中继传输性能的分析一、信道噪声及干扰电缆信道中的传输噪声和干扰主要有两个方面：一是信道噪声；二是串音干扰。1.信道噪声2.串音干扰图6.36噪声特性图6.37电缆线对间串音干扰示意图二、误码率及误码率的累积1.前面己说过，产生误码的原因是多方面的，现仅考虑由热噪声形成的误码，以便求出信道误码率的理论极限值。（1）单极性码的误码率图6.38单极性码误码情况（2）双极性码的误码率这里双极性码实际上是指伪三进码（+1，0，-1），其中传号码“1”码的峰值是交替采用A和-A值，“0”码则取零值。图6.39理想再生中继系统的Pe与A/σ的关系2.在实际PCM系统中包含着很多个再生中继段，而上述的误码率是指一个再生中继段的误码率。PCM通信系统要求总误码率在10-6以下，因此要分析一下总误码率PE与每一个再生中继段的误码率Ｐei的关系。三、误码信噪比具有误码的码字被解码后将产生幅值失真，这种失真引起的噪声称误码噪声。图6.40A律13折线误码信噪比四、PCM信号脉冲流经过信道传输，各中继站和终端站接收的脉冲信号在时间上不再是等间隔的，而是随时间变动的，这种现象称为相位抖动，如图6.41所示。图6.41相位抖动相位抖动不仅使再生判决时刻的时钟信号偏离被判决信号的最大值而产生误码，同时使解码后的PAM脉冲流发生相位抖动，使重建的波形产生失真，如图6.42所示。图6.42解码后的PAM波形及其抖动情形第五节数字信号的频带传输所谓数字信号的频带传输是对基带数字信号进行调制，将其频带搬移到光波频段或微波频段上，利用光纤、微波和卫星等信道传输数字信号。一、对基带数字信号进行调制称为数字调制。通过调制把基带数字信号进行了频率搬移，而且数字信号转换成了模拟信号，所以频带传输实际传输的是模拟信号。数字调幅（ASK）是利用基带数字信号控制载波幅度变化。数字调相（PSK）是指载波的相位受数字信号的控制作不连续的、有限取值的变化的一种调制方式。数字调频（FSK）是用基带数字信号控制载波频率。二、数字信号的频带传输系统数字信号的频带传输系统主要有光纤数字传输系统、数字微波传输系统和数字卫星传输系统，下面分别加以介绍。1.（1）光纤数字传输系统的构成光纤数字传输系统的方框图，如图6.43所示。图6.43光纤数字传输系统它由电端机（PCM数字设备）、光端机、光中继机、光纤线路和光活动连接器等组成。①电端机的作用是为光端机提供各种标准速率等级的数字信号源和接口。②光端机把电端机送来的数字信号进行适当处理后变成光脉冲送入光纤线路进行传输，接收端则完成相反的变换。③光中继