第5章_数字基带传输系统

1第5章数字基带传输系统5.1概述数字基带信号－未经调制的数字信号，它所占据的频谱是从零频或很低频率开始的。数字基带传输系统－不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统，常用于传输距离不太远的情况下。数字带通传输系统－包括调制和解调过程的传输系统研究数字基带传输系统的原因：近程数据通信系统中广泛采用基带传输方式也有迅速发展的趋势基带传输中包含带通传输的许多基本问题任何一个采用线性调制的带通传输系统，可以等效为一个基带传输系统来研究。5.2数字基带信号的常用码型码型：用来表示数字基带信号的电脉冲。码型变换：把原始信号转变成电脉冲形式的过程就叫码型变换。传输码型的选择，主要考虑以下几点：（1）码型变换与信源统计特性无关(2)对于频带低端受限的信道，码型频谱不能含有直流分量，低频分量也尽量少。（3）高频分量尽量少；(4)码型中应包含定时信息，以便定时提取；(5)码型具有一定检错能力，若传输码型有一定的规律性，则就可根据这一规律性来检测传输质量，以便做到自动监测(6)码型变换设备要简单可靠；(7)低误码增殖；(8)高的编码效率。1.单极性不归零(NRZ)码用高电平代表二进制的1，用零电平代表0码。特点：(1)发送能量大，有利于提高接收端信噪比；(2)在信道上占用频带较窄；(3)有直流分量，将导致信号的失真与畸变；且由于直流分量的存在，无法使用一些交流耦合的线路和设备；(4)不能直接提取位同步信息；(5)接收单极性NRZ码的判决电平应取“1”码电平的一半。二元码2.单极性归零(RZ)码如图5-1(6)所示。在传送“1”码时发送1个宽度小于码元持续时间的归零脉冲；在传送“0”码时不发送脉冲。其特征是所用脉冲宽度比码元宽度窄，即还没有到一个码元终止时刻就回到零值，因此，称其为单极性归零码。脉冲宽度τ与码元宽度Tb之比τ/Tb叫占空比。单极性RZ码与单极性NRZ码比较，除仍具有单极性码的一般缺点外，主要优点是可以直接提取同步信号。此优点虽不意味着单极性归零码能广泛应用到信道上传输，但它却是其它码型提取同步信号需采用的一个过渡码型。即它是适合信道传输的，但不能直接提取同步信号的码型，可先变为单极性归零码，再提取同步信号。图5-1（b）单极性归零码3.双极性不归零(NRZ)特点：(1)从统计平均角度来看，“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)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。如图5-1（c）所示，用正电平代表二进制码元1，用负电平代表0，在整个码元时隙内电平维持不变。图5-1（c）双极性不归零(NRZ)码4.双极性归零(RZ)码如图5-1（d）,用正电平持续一段时间后归零来表示1，用负电平持续一段时间归零后来表示0码。兼有双极性和归零波形的特点。使得接收端很容易识别出每个码元的起止时刻，便于同步。图5-1（d）双极性归零(RZ)码5.差分码用相邻码元的电平的跳变和不变来表示消息代码，图5-1（e）中，以电平跳变表示“1”，以电平不变表示“0”。它也称相对码波形。用差分波形传送代码可以消除设备初始状态的影响。图5-1（e）差分码86、数字双相码：又称曼彻斯特（Manchester）码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”。“0”码用“01”两位码表示，“1”码用“10”两位码表示例：消息码：1100101双相码：10100101100110优缺点：双相码波形是一种双极性NRZ波形，只有极性相反的两个电平。它在每个码元间隔的中心点都存在电平跳变，所以含有丰富的位定时信息，且没有直流分量，编码过程也简单。缺点是占用带宽加倍，使频带利用率降低。97、传号反转码（CMI码）编码规则：“1”码交替用“11”和“00”两位码表示；“0”码固定地用“01”表示。波形图举例：如下图(c)CMI码易于实现，含有丰富的定时信息。此外，由于10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。11110000A-A0A-A0A-A2STSTabcttt108、密勒码：又称延迟调制码编码规则：“1”码用码元中心点出现跃变来表示，即用“10”或“01”表示。“0”码有两种情况：单个“0”时，在码元持续时间内不出现电平跃变，且与相邻码元的边界处也不跃变，连“0”时，在两个“0”码的边界处出现电平跃变，即00”与“11”交替。三元码三元码指对应二进制码元0和1，，脉冲幅度可能取值还有+1,0，-1三种。9、AMI码：传号交替反转码编码规则：将消息码的“1”(传号)交替地变换为“+1”和“-1”，而“0”(空号)保持不变。例：消息码：0110000000110011…AMI码：0-1+10000000–1+100–1+1…AMI码对应的波形是具有正、负、零三种电平的脉冲序列。12AMI码的优点：没有直流成分，且高、低频分量少，编译码电路简单，且可利用传号极性交替这一规律观察误码情况；如果它是AMI-RZ波形，接收后只要全波整流，就可变为单极性RZ波形，从中可以提取位定时分量AMI码的缺点：当原信码出现长连“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。解决连“0”码问题的有效方法之一是采用HDB码。1310、HDB3码：3阶高密度双极性码它是AMI码的一种改进型，改进目的是为了保持AMI码的优点而克服其缺点，使连“0”个数不超过3个。编码规则：（1）检查消息码中“0”的个数。当连“0”数目小于等于3时，HDB3码与AMI码一样，+1与-1交替；（2）连“0”数目超过3时，将每4个连“0”化作一小节，定义为B00V或者000V，称为破坏节，其中V称为破坏脉冲，而B称为调节脉冲（3）当两个V码之间1码的个数为奇数时，0000用000V取代，反之，用B00V取代（4）序列中个V码之间具有极性正负交替规律，B和1、-1满足正负交替规则（5）V码后面的传号码极性也要交替。14第5章数字基带传输系统例：消息码：10000100001100000000l1AMI码：-10000+10000-1+100000000-1+1HDB码：-1000–V+1000+V-1+1-B00–V+B00+V-l+1其中的V脉冲和B脉冲与1脉冲波形相同，用V或B符号表示的目的是为了示意该非“0”码是由原信码的“0”变换而来的。HDB3编码步骤：第一步变为AMI码；第二步，将第一个0000用000V表示，V的符号与它相邻的前一个非零码符号相同，再依次将其他0000小节变为000V或000-V，V正负交替；第三步，看V的符号是否与前一个码符号相同，不同就加入调节符号B，B与V符号相同，第四步，B与-1，+1满足交替反转，不满足就进行调整。消息码：1000010000110000000011AMI码：-10000+10000-1+100000000-1+1-1000–V+1000+V-1+1000–V000+V-1+1-1000–V+1000+V-1+1-B00–V+B00+V-1+115HDB3码的译码：HDB3码的编码虽然比较复杂，但译码却比较简单。从上述编码规则看出，每一个破坏脉冲V总是与前一非“0”脉冲同极性(包括B在内)。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。1617181920本小节讨论的问题由于数字基带信号是一个随机脉冲序列，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。这里将从随机过程功率谱的原始定义出发，求出数字随机序列的功率谱公式。随机脉冲序列的表示式设一个二进制的随机脉冲序列如下图所示：5.3数字基带信号的频谱分析21图中Ts－码元宽度g1(t)和g2(t)－分别表示消息码“0”和“1”，为任意波形。设序列中任一码元时间Ts内g1(t)和g2(t)出现的概率分别为P和(1-P)，且认为它们的出现是统计独立的，则该序列可表示为式中nntsts)()(12(),()(1)SnSgtnTPstgtnTP以概率出现（），以概率出现22g1(t)和g2(t)－分别表示消息码“0”和“1”，为任意波形。则其单边带功率谱密度表达式为：为码元周期设序列中任一码元时间，Ts内g1(t)和g2(t)出现的概率分别为P和(1-P)0)()()1(1)()()1()(2)()0()1()0(1(f)221122122212ffGfGPPTmffmfGPmfPGTfGPPGTSsmSSSssD的频谱函数。和时分别为和的频谱函数，和分别为和)()()()()()()()(21212121tgtgmffmfGmfGtgtgfGfGsssT23由上式可见：二进制随机脉冲序列的功率谱Ss(f）第一项包含直流分量，第二项代表离散频谱，第三项为连续谱部分，有连续谱可以分析信号的能量分布，求得信号的带宽。连续谱总是存在的，这是因为代表数据信息的g1(t)和g2(t)波形不能完全相同，故有G1(f)≠G2(f)。谱的形状取决于g1(t)和g2(t)的频谱以及出现的概率P。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。一般情况下，它也总是存在的，但对于双极性信号g1(t)=-g2(t)=g(t)，且概率P=1/2（等概）时，则没有离散分量(f-mfs)。根据离散谱可以确定随机序列是否有直流分量和定时分量。241.单极性不归零码序列的功率谱对于二进制单极性不归零码，其基本表达式为:其频谱函数为当f=mfs时：若m=0，G(0)=TsSa(0)0，故频谱Ps(f)中有直流分量。若m为不等于零的整数，频谱Ps(f)中离散谱为零，因而无定时分量0)()(nSaTmfGSS2)-(51A(t)00(t)12码码sTtgg3)-(51)fT(TA(f)G00(f)ss12码码SaGsssfT)fT(sin)fT(Sa其中25将（5-3）式带入5-1式得单极性不归零码的功率谱函数为：由5-4可得，单极性NRZ存在直流分量和连续谱，不存在离散频谱，即不存在同步信息，由其连续谱成分可以求出其谱零点带宽B=fs.2.单极性归零码序列的功率谱4)-(50)(4A)(2A(f)222fffTSaTSSSD5)-(512A(t)00(t)12码码sTtgg对应的频谱函数为：）（码码6-51)fT(2TA)fT(TA(f)G00(f)ssss12SaSaG将式（5-6）带入式（5-1），整理得单极性NZ码序列的功率谱函数为：7)-(50)2(8A)-()2(8A)(16A(f)222122ffTSaTTmfmSafSSSsmD由5-7可见，单极性归零码序列存在直流分量、离散谱和连续谱。离散谱能提取为同步信息，连续谱成分可以提取其谱零点带宽B=2fs，是不归零码序列的两倍。3.双极性不归零码序列的功率谱对于二进制双极性不归零码，其基本表达式为：8)-(51A(t)0-A(t)12码码ssTtgTtg9)-(51)fT(TA(f)G0)fT(TA-(f)ss1ss2码码SaSaG对应的频谱函数为：将5-9带入5-1式得双极性不归零码序列的功率谱函数为：10)-(50)(2A(f)22ffTSaTSSSD由5-10可得，双极性不归零码序列不存在直流分量和离散谱，即不存在位同步信息由其连续谱可以求出其谱零点带宽B=f4.双极性归零码序列的功率谱对于二进制双极性归零码，其基本表达式为：11)-(512A(t)02-A(t)12码码ssTtgTtg12)-(51)2Tf(2TA(f)G0)2Tf(2TA-(f)ss1ss2码码Sa