数字基带传输系统

第六章数字基带传输系统本章大纲：数字基带信号及其频谱特性AMI码、HDB3码、双相码的编码原理和主要优缺点无码间干扰的基带传输特性无码间干扰时的基带系统的抗噪声性能引言若信道中传输的是数字信号，则称为数字通信系统。来自数据终端的原始数据信号（如计算机输出的二进制序列，电传机输出的代码）来自模拟信号经数字化处理后的序列。这些信号包含丰富的低频分量，甚至直流分量，称为数字基带信号。在某些具有低通特性的有线信道中，特别是传输距离不太远的情况下，数字基带信号可以直接传输。而大多数信道，如各种无线信道和光信道，则是带通型的，数字基带信号必须经过载波调制，把频谱搬移到高的载频处才能在信道中传输。数字基带传输：数字频带传输：本章将讨论数字信号的基带传输。基带传输系统的研究意义：在利用对称电缆构成的近距离数据通信系统中广泛采用了这种传输方式；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。它是在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。把原始基带信号变换成适合于信道传输的基带信号，通过码型变换和波形变换来实现，其目的是与信道匹配，便于传输，减小码间串扰，利于同步提取和抽样判决。它的主要作用是滤除带外噪声，对信道特性均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决。信道信号形成器信道接收滤波器抽样判决器基带脉冲输入干扰基带脉冲输出基带脉冲信道传输信号滤除噪声后的信号位定时脉冲”时发送“”时发送“01sRsRskTnAkTnAkTx1011010t0(g)6.1数字基带信号及其频谱特性6.1.1数字基带信号数字基带信号是指消息代码的电波形，它是用不同的电平或脉冲来表示相应的消息代码。1.单极性不归零波形1－一个码元内持续有脉冲电平0－一个码元内没有脉冲电平有直流分量，要求传输线路具有直流传输能力，不适应有交流耦合的远距离传输，只适用于计算机内部或极近距离传输。特点：电脉冲之间无间隔，极性单一，易于用TTL，CMOS电路产生；可以直接提取定时信息，是其他波形提取位定时信号时需要采用的一种过渡波形。2.单极性归零波形脉冲宽度小于码元宽度。特点：3.双极性不归零波形当0、1符号等可能出现时无直流分量。这样，恢复信号的判决电平为0，因而不受信道特性变化的影响，抗干扰能力也较强。脉冲的正、负电平分别对应于二进制代码1、0。特点：4.双极性归零波形双极性波形的归零形式：相邻脉冲之间必定留有零电位的间隔。除了具有双极性不归零波形的特点外，还有利于同步脉冲的提取。特点：5.差分波形用相邻码元电平的跳变和不变来表示消息代码，称为相对码。以电平跳变表示1，以电平不变表示0用差分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.多电平波形多于一个二进制符号对应一个脉冲。在高数据速率传输系统中，采用这种信号形式是适宜的。6.1.2基带信号的频谱特性了解信号中有无直流分量，有无定时分量，确定是否可从信号中提取位定时信号。了解信号需要占据的频带宽度，针对信号谱的特点来选择相匹配的信道；数字基带信号是随机的脉冲序列，没有确定的频谱函数，所以只能用功率谱来描述它的频谱特性。一种比较简单的方法是以随机过程功率谱的原始定义为出发点，求出数字随机序列的功率谱。一、随机序列的分解g1(t)－－代表“1”；g2(t)－－代表“0”。随机序列s(t)可表示成：nntsts其中：出现以概率出现以概率)(PnTtgPnTtgtsssn121nssnTtgPnTtPgtv211v(t)是一个以Ts为周期的周期函数。稳态波：随机序列s(t)的统计平均分量，取决于每个码元内出现g1(t)、g2(t)的概率加权平均。nntv可以把s(t)分解成稳态波v(t)和交变波u(t)：交变波：s(t)与v(t)之差，即u(t)=s(t)-v(t)其中第n个码元为：un(t)=sn(t)-vn(t)ssnssPgtnTgtnTutPgtnTgtnT12121显然，u(t)是随机脉冲序列。以概率P出现以概率1-P出现2sT2sTg1(t)g1(t-2Ts)g2(t-Ts)g2(t+Ts)g1(t+2Ts)g1(t+3Ts)t2sT2sT-TsTsttv(t)的功率谱密度Pv(f)v(t)是以Ts为周期的周期信号，其功率谱密度为一个离散谱。可求得：mssssvmffmfGPmfPGffP2211二、功率谱密度其中，G1(f)和G2(f)分别是g1(t)和g2(t)的频谱。根据离散谱可确定序列是否包含直流分量和离散分量。ssTf1u(t)的功率谱密度Pu(f)u(t)是功率型的随机脉冲序列，它的功率谱密度可采用截短函数和求统计平均的方法来求：2211fGfGPPffPsu可见，交变波的功率谱Pu(f)是连续谱，它与g1(t)和g2(t)的频谱以及出现概率P有关。其中：fs=1/Ts根据连续谱可以确定随机序列的带宽。随机序列s(t)的功率谱Ps(f)fPfPfPuvsmssssmffmfGPmfPGf22112211fGfGPPfs连续谱：G1(f)≠G2(f)，总是存在的。离散谱：是否存在，取决于g1(t)和g2(t)的波形及其出现的概率P。若二进制的两个符号等概率出现，即P=1/2，则：msssssmffmfGffGffP22241411、对于单极性二进制波形，若设g1(t)=0，g2(t)=g(t)，则随机脉冲序列的双边功率谱密度为：2211fGPPfmffmfGPffPsmssss三、几种常见码型的功率谱msssssmffmfGPmfPGffP22112211fGfGPPfsPv(f)1)若表示“1”码的波形g2(t)=g(t)为不归零矩形脉冲，即：sinssasssTfGfTSTfTTf其稳态波：msssvmffmfGffP2241离散谱中有直流分量；但无位定时信号。10400fmm-2fs-fs0fs2fsf1/4msssssmffmfGffGffP22241412214sfGf2214sssmfGmffmfs(t)的功率谱密度为：ssasfTSTff221144msssssmffmfGffGffP2224141Pv(f)2)若表示“1”码的波形g2(t)=g(t)为半占空归零矩形脉冲，即脉冲宽度τ=Ts/2时，其频谱函数为：()()sSTTGfSaf222214vsssmPffGmffmf其稳态波分量：离散谱中有直流分量；m为奇数时，有离散分量，能据此恢复定时信号；m为偶数时，无离散分量。-3fs-2fs-fs0fs2fs3fsf1/16msssssmffmfGffGffP22241412214sfGfs(t)的功率谱密度为：()()()ssssmTTmPfSafSafmf221162162单极性半占空归零信号的带宽为2fs单极性不归零矩形脉冲信号的带宽为fs2、对于双极性波形：g1(t)=g(t)，g2(t)=-g(t)，则序列的功率谱密度：msssssmffmfGPffGPPffP212142若两个符号等概率出现，即P=1/2时：2fGffPss其功率谱只含有交变波的分量，因此没有直流分量和位定时分量。从以上两例可以看出：1.随机序列的带宽主要依赖单个码元波形的频谱函数G1(f)或G2(f)，两者之中应取较大带宽的一个作为序列带宽。时间波形的占空比越小，频带越宽。通常取谱的第一个零点作为矩形脉冲的近似带宽，它等于脉宽τ的倒数，即Bs=1/τ。2.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。单极性不归零信号中无定时分量，若想获取定时分量，要进行波形变换。3.0、1等概的双极性信号没有离散谱，也就是说无直流分量和定时分量。单极性归零信号中有定时分量，可直接提取。6.2基带传输的常用码型含有直流分量和较丰富低频分量的单极性基带波形不适宜在低频传输特性差的信道中传输；当消息代码中包含长串的连续“1”或“0”符号时，非归零波形呈现出连续的固定电平，因而无法获取定时信息。对传输用的基带信号主要有两个方面的要求：1)对代码的要求，原始消息代码必须编成适合于传输用的码型；2)对所选码型的电波形要求，电波形应适合于基带系统的传输。前者属于传输码型的选择，后者是基带脉冲的选择。这是两个既独立又有联系的问题。传输码(或称线路码)的结构将取决于实际信道特性和系统工作的条件。通常，传输码的结构应具有下列主要特性：1)相应的基带信号无直流分量，且低频分量少；2)便于从信号中提取定时信息；3)信号中高频分量尽量少，以节省传输频带并减少码间串扰；5)具有内在的检错能力，传输码型应具有一定规律性，以便利用这一规律性进行宏观监测；6)编译码设备要尽可能简单，等等。4)不受信息源统计特性的影响，即能适应于信息源的变化；几种常见的传输码型：1.AMI码AMI码是传号交替反转码。其编码规则是将二进制消息代码“1”（传号）交替地变换为传输码的“+1”和“-1”，而“0”（空号）保持不变。例如：消息代码：100110000000110011…AMI码：+100–1+10000000-1+100-1+1…功率谱中不含直流成分，高、低频分量少，能量集中在频率为1/2码速处。当原信码出现连“0”串时，信号的电平长时间不跳变，造成提取定时信号的困难。优点：位定时频率分量虽然为0，但只要将基带信号经全波整流变为单极性归零波形，便可提取位定时信号。不足：AMI码的编译码电路简单，便于利用传号极性交替规律观察误码情况。2.HDB3码为了保持AMI码的优点而克服其缺点，人们提出了许多种类的改进AMI码，HDB3码即为其中一种。全称3阶高密度双极性码。其编码规则如下：1)当信源码的连“0”个数不超过3时，仍按AMI码的规则编，即传号极性交替；2)当连“0”个数超过3时，则将第4个“0”改为非“0”脉冲，记为+V或-V，称之为破坏脉冲。相邻V码的极性必须交替出现，以确保编好的码中无直流；3)为了便于识别，V码的极性应与其前一个非“0”脉冲的极性相同，否则，将四连“0”的第一个“0”更改为与该破坏脉冲相同极性的脉冲，并记为+B或-B4)破坏脉冲之后的传号码极性也要交替。信源码：1000010000110000l1例如：HDB3码：-1000-V+1000+V-1+10-B00-V+1-1AMI码：-10000+10000-1+10000-1+1虽然HDB3码的编码规则比较复杂，但译码却比较简单。从上述原理看出，每一个破坏符号V总是与前一非0符号同极性(包括B符号在内)。HDB3码：-1000-V+1000+V-1+1-B00-V+1-1这就是说，从收到的符号序列中可以容易地找到破坏点V，于是也断定V符号及其前面的3个符号必是连0符号，从而恢复4个连0码，再将所有-1变成+1后便得到原消息代码。HDB3码保持了AMI码的优点外，同时还将连“0”码限制在3个以内，故有利于位定时信号的提取。HDB3码是应用最为广泛的码