现代通信理论第三章

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1、第三章 数字信号的基带传输理论 n引言n数字基带信号及其功率谱 n基带脉冲的传输-无码间干扰条件 n部分响应n数字基带传输系统的抗噪性能 n时域均衡 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，或者是来自模拟信号经数字化处理后的PCM码组、M或时分 复用序列等等都是数字信号。 这些信号往往包含丰富的低频分量，甚至直流分量，因而称之为数字基 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， 我们称之为数字基带传输。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，把频谱搬移到高载

2、处才能在信道中传输，我们把这 种传输称为数字频带（调制或载波）传输。 3.1 引言 数字基带信号的功率谱往往包含丰富的低频分量，甚至直流分量目前，虽然在实际应用场合，数字基带传输不如频带传输那样广泛，但对于基带传输系统的研究仍是十分有意义的 。 一是因为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；二是因为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。 数字基带传输系统研究的意义数字基带传输系统的基本结构基带传输系统主要由信道信号形成器、信道、接收滤波器和抽样判 决器组成。为了保证系统可靠有序地工作，还应有同步系统

3、。 3.2 数字基带信号及其频谱特性1数字基带信号数字基带信号是指消息代码的电波形。在实际基带传输系统中，并非所有的原始数字基带信号都能在信道中传输，例如，含有丰富直流和低频成分的基带信号就不适宜在 信道中传输，因为它有可能造成信号严重畸变；再例如，一般基带 传输系统都是从接收到的基带信号中提取位同步信号，而位同步信 号却又依赖于代码的码型，如果代码出现长时间的连 “0” 符号，则 基带信号可能会长时间出现 0 电位，从而使位同步恢复系统难以保证位同步信号的准确性。实际的基带传输系统还可能提出其它要求 ，从而导致对基带信号也存在各种可能的要求。 对传输用的基带信号的要求主要有两点：（ 1 ）对

4、各种代码的要求，期望将原始信息 符号编制成适合于传输用的码型；（ 2 ）对所选的码型的电波形的要求，期望 电波形适宜于在信道中传输。前一问题称为传输码型的选择，后一问题 称为基带脉冲（传输波形）的选择。这是两个 既彼此独立又相互联系的问题，也是基带传输 原理中十分重要的两个问题。 数字基带信号码型设计原则n传输码（常称为线路码）的结构将取决于实际信道的特性和系统工作的条件。概括 起来，在设计数字基带信号码型时应考虑以下原则：(1)码型中应不含直流分量，低频分量尽量少。(2)码型中高频分量尽量少。(3)码型中应包含定时信息。(4)码型具有一定检错能力。(5)编码方案对发送消息类型不应有任何限制，

5、即能适用于信源 变化。这种与信源的统计特性无关的性质称为对信源具有透明 性。(6)低误码增殖。对于某些基带传输码型，信道中产生的单个误 码会扰乱一段译码过程，从而导致译码输出信息中出现多个错 误，这种现象称为误码增殖。(7)高的编码效率。(8)编译码设备应尽量简单。数字基带信号的码型种类繁多，下面仅以矩形脉冲组 成的基带信号为例， 介绍一些目前常用的基本码型。主要关注的几点： 能从基带信号中获取定时信息。 无直流和很小的低频成份，因信道在低时传输特性不好， 且有电容特性。 具有检错能力（内在的）。 传输效率高。数字基带信号常用码型最基本的基带信号码型1.单极性不归零码 2.双极性不归零码 3.

6、单极性归零码 4.双极性归零码 5.差分码 6.传号极性交替反转码 7.三阶高密度双极性码 8.曼彻斯特码 9.传号反转码 10.多电平码这是一种最简单、 最常用的基带信号形式。这种信号脉冲的零电平和 正电平分别对应着二进制代码0和1，或者说，它在一个码元时间内用脉冲 的有或无来对应表示0或1码。其特点是:极性单一，有直流分量，脉冲之间无间隔, 位同步信息包含在电平的转换之中，当出现连0序列时 没有位同步信息无检错能力 n只在近距离传输时（如印制板内或印制板间）使用,不适合线路传输。1. 单极性不归零码 (NRZ)1100110 E02. 双极性不归零波形(BNRZ)在双极性不归零波形中。脉冲

7、的正、负电平分别对应于二进制代 码1、0，由于它是幅度相等极性相反的双极性波形， 故当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。双极性波形有利于在信道中传输。0 1 0 1 1 0 0 1 +E -E 该波形常在CCITV的V系列接口标准或RS-232C接口标准中使用,但仍存在连0时定 时少问题。单极性归零波形与单极性不归零波形的区别是有电脉冲宽度小于码元宽度，每个有电脉冲在小于码元长度内总要回到零 电平，所以称为归零波形。 单极性归零波形可以直接提取定 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。

8、0 1 0 1 1 0 0 1 +E 0 3. 单极性归零波形(RZ)4. 双极性归零波形(BRZ) 它是双极性波形的归零形式，每个码元内的脉冲都回到零点平，即相邻脉冲之间必定留有零电位的间隔 。它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。 0 1 0 1 1 0 0 1 +E -E 这种波形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，图中，以电平跳变表示1，以电平不变 表示0，当然上述规定也可以反过来。由于差分波形是以相邻脉冲电平的相对变化来表示代码，因此称它为相 对码波形，而相应地称前面的单极性或双极性波形为绝对码波形。用差分波形

9、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。 0 1 0 1 1 0 0 1 +E -E 5. 差分波形 6传号极性交替反转码(AMI)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。有长连零问题AMI码的优点是，由于+1与-1 交替， AMI码的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。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。此外，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。鉴于这些优点，

10、AMI码是CCITT建议采用的传输码性之一。消息代码 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 AMI码： +1 0 0 1 +1 0 0 0 0 0 0 0 -1 +1 0 0 -1 +17三阶高密度双极性码（HDB3）它是AMI码的一种改进型， 其目的是为了保持AMI码的优点而克服其缺点， 使连“0”个数不超过3个。其编码规则如下： （1） 当信码的连“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

11、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-B；（4） 破坏脉冲之后的传号码极性也要交替。 代码： 1000 0 1000 0 1 1 000 0 l 1AMI码： -1000 0 +1000 0 -1 +1 000 0 -1 +1HDB3码： -1000 -V +100 +V -1 +1 -B00 -V +1 -1其中的V脉冲和B脉冲与1脉冲波形相同，用V或B符 号的目的是为了示意是将原信码的“0”变换成“1”码。 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

12、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在内)。HDB3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型，A律PCM四次群以下的接口码型均为HDB3码。HDB3AMI 码和HDB3码的功率谱它用一个周期的正负对称方波表示“0”，而用其反相波形表示“1”。 编 码规则之一是： “0”码用“01”两位码表示， “1”码用“10 ”两位码表示，例

13、如：代码： 1 1 0 0 1 0 1双相码： 10 10 01 01 10 01 10 双相码只有极性相反的两个电平，而不像前面的三种码具有三个电 平。因为双相码在每个码元周期的中心点都存在电平跳变，所以富含位 定时信息。又因为这种码的正、负电平各半，所以无直流分量， 编码过 程也简单。 但带宽比原信码大1倍。在以太网中用 8. 数字双相码（曼彻斯特码-Manchester）OAAt / T0110100109.传号反转码（CMI） 编码规则是：“1”码交替用“11”和“00”两位码表示； “0”码固定地用 “01”表示， CMI 码有较多的电平跃变，因此含有丰富的定时信息。 此外，由 于1

14、0为禁用码组，不会出现3个以上的连码， 这个规律可用来宏观检错 。 由于CMI码易于实现，且具有上述特点，因此是CCITT推荐的PCM 高次群采用的接口码型，在速率低于8.448 Mb/s的光纤传输系统中有 时也用作线路传输码型。 在数字双相码和CMI码中，每个原二进制信码都用一组2位的二进 码表示，因此这类码又称为1B2B码。AOAt / T01101001010. 多电平波形（多进制码）上述各种信号都是一个二进制符号对应一个脉冲。 实际上还存在多于一个二进制符号对应一个脉冲的情 形。这种波形统称为多电平波形或多值波形。 优点:频带利用率高常用的基带线路码型nHDB3nManchestern

15、CMI码nNRZ不适合做线路传输码,一般用作设备内码。其它基带码型n密勒码n5B6B码n4B3Tn2B1Q密勒码n密勒码是双相码的变形。编码规则是在”1” 的中点发生电平跳变，出现单个”0”时,电平 保持不变,出现连零时,在连”0”的起始出发生 电平跳变。密勒码的功率谱n密勒码的最大宽度为两个码元周期，最小宽度为一个 码元周期。由此，可具有一定的误码检测性能。它的 直流分量很小，频带宽度约为数字双相码的一半. n最初用于气象卫星及磁带记录，现用于传输低速数据 的基带数传机。5B6B码n nBmB码是把原信息码流的n位二进制码作 为一组，编成m位二进制码的新码组。n 由于mn，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、2