第5章數(shù)字基帶傳輸5.1數(shù)字基帶信號的波形與編碼原則5.2數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)本章小結(jié)

5.1數(shù)字基帶信號的波形與編碼原則

5.1.1數(shù)字基帶信號的波形

1.單極性碼

單極性碼也稱不歸零(NotReturnZero，NRZ）碼，是由單極性矩形脈沖所形成的波形。它是一種最簡單的基帶數(shù)據(jù)信號，用脈沖的有、無來表示二進制碼的“1”和“0”。它的

特點是脈沖極性單一，有直流成分，脈沖寬度等于碼元寬度。其波形如圖5.1.1(a)所示。

2.雙極性碼

雙極性碼是由雙極性脈沖形成的。脈沖的正、負分別對應(yīng)二進制碼的“1”和“0”。該碼型信號的特點是電平均值為零，無直流分量，接收端的判決門限也為零，具有良好的抗干擾

性能，廣泛應(yīng)用于基帶傳輸系統(tǒng)。其波形如圖5.1.1(b)所示。

4.雙極性歸零碼

雙極性歸零碼是用正負脈沖分別代表二進制的“1”和“0”，脈沖的寬度小于碼元的寬度，小于碼元寬度的其余部分要回到零電平，該碼型有利于接收端同步時鐘的提取。其波形

如圖5.1.1(d)所示。圖5.1.1常見基帶信號波形圖

5.差分編碼

差分編碼也叫相對脈沖碼。它不是用脈沖本身的電平代表二進制碼“1”和“0”的，而是用脈沖波形的變化來表示碼元取值的。其波形如圖5.1.1(e)所示。對于差分編碼，其變化的波形與差分編碼輸出脈沖bn及原輸入脈沖an有關(guān)，可用式(5.1.1)來表示，其編碼電路原理圖如圖5.1.2所示。圖中，T表示一個碼元延時的延時器。

(mod2)(5.1.1)

差分編碼的解碼公式為

(mod2)(5.1.2)

多電平碼(或多進制碼)是由其取值來代表多位碼元的。如4種電平脈沖，每種代表了lbM=lb4=2位碼元，如圖5.1.1(f)所示，－3V代表00，－1V代表01，+1V代表10，+3V代表11。這種碼型脈沖一般在高速數(shù)據(jù)中來壓縮數(shù)據(jù)率，以提高系統(tǒng)的帶寬利用率。圖5.1.2差分編/解碼電路5.1.2數(shù)字基帶信號的編碼原則

對于基帶傳輸信號，其編碼應(yīng)滿足如下基本要求：

（1）有利于提高系統(tǒng)的頻帶利用率?；鶐盘柕木幋a應(yīng)盡量使頻帶減小，使數(shù)字信號編碼后的數(shù)字信號數(shù)量盡量降低，這樣可以使傳輸系統(tǒng)的信息傳輸效率提高。有些數(shù)字信號碼型經(jīng)變換后，其信號的能量集中在1/2數(shù)碼率附近，經(jīng)過部分相應(yīng)編碼的信號可頻帶利用率達到基帶信號傳輸?shù)臉O限2（b/s）/Hz，且消除了碼間干擾。

（2）基帶數(shù)字信號應(yīng)具有盡量小的直流分量，使帶寬盡量集中在中頻部分。

在傳輸系統(tǒng)中，設(shè)備一般要應(yīng)用一些變壓耦合器，該器件具有隔直流、通交流的特性，如果信號中含有的直流成分較多或頻率過低，則傳輸?shù)男盘柟β蕰蟠鬁p少，從而形成信號失真。另外，高頻成分過多的信號在傳輸中會出現(xiàn)串擾現(xiàn)象，將對其他路信號產(chǎn)生干擾。（3）基帶信號中應(yīng)足夠大地提取碼元同步的信號分量。

基帶信號在接收時，需進行抽樣、判決和再生，這些都需要有定時時鐘。一般來說，這個定時時鐘是通過信號來提取的，這就要求基帶信號中應(yīng)有足夠大的提取定時時鐘的信號分量。

（4）基帶傳輸碼型應(yīng)基本上不受信源統(tǒng)計特性的影響。（5）基帶傳輸碼型應(yīng)對噪聲和碼間干擾有較強的抵抗能力和自檢能力。

（6）盡量降低譯碼過程引起的誤碼擴散，以提高傳輸能力。

5.2數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)

5.2.1數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)概述

基帶傳輸系統(tǒng)主要由波形變換器、發(fā)送濾波器、信道、匹配濾波器、均衡器和抽樣判決器等構(gòu)成，如圖5.2.1所示。

圖5.2.1基帶傳輸系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖基帶傳輸系統(tǒng)的輸入信號是一個脈沖序列，通常是單極性的脈沖序列(NRZ，不歸零碼），為了使這種序列適合于信道的傳輸，一般要經(jīng)過波形變換器進行碼型變換和波形變換。碼型變換的主要作用是將二進制脈沖序列變?yōu)殡p極性碼（如AMI碼或HDB3碼），有時還要進行適當?shù)牟ㄐ巫儞Q，以減少碼間干擾。當信號通過信道時，信號還要收到噪聲的影響而使信號產(chǎn)生畸變。在接收端，為了減小加性噪聲的影響，要使用匹配濾波器、均衡器來補償碼間干擾和加性噪聲對信號產(chǎn)生的畸變，以盡量修正發(fā)送的原始基帶信號，最后經(jīng)過抽樣判決恢復(fù)出發(fā)送端發(fā)送的基帶信號。由于基帶傳輸系統(tǒng)的信道的傳輸帶寬是有限的，因此一個基帶傳輸系統(tǒng)可以看做是一個頻帶受限的傳輸系統(tǒng)，簡稱為帶限系統(tǒng)。帶限系統(tǒng)對所傳輸?shù)拿}沖信號有影響，一個寬度為Ts的矩形脈沖通過帶限系統(tǒng)后，脈沖信號將發(fā)生畸變，如圖5.2.2所示。圖5.2.2帶限系統(tǒng)對脈沖信號的影響及碼間干擾帶限系統(tǒng)對脈沖信號的畸變主要是由帶限系統(tǒng)的頻率特性所產(chǎn)生的。我們知道，線性系統(tǒng)的輸出信號的頻域函數(shù)是輸入信號的頻域函數(shù)與線性系統(tǒng)的頻域傳輸函數(shù)的乘積，由于

帶限系的頻域傳輸函數(shù)和脈沖信號的頻域函數(shù)均是一sinxt／xt

形式的，因此兩者的乘積就是一非線性的頻域函數(shù)，通過傅里葉反變換后得到的時域函數(shù)一定是有拖尾的、畸變的脈沖波形，同時由于多個拖尾的疊加，將會產(chǎn)生碼間干擾。5.2.2均衡技術(shù)

1.傳輸系統(tǒng)無失真的條件

設(shè)輸入信號x(t)通過線性系統(tǒng)H(ω)后輸出信號y(t)。如果要求輸出信號不失真，則y(t)的波形應(yīng)與x(t)的波形完全相同，僅在幅度上有大小之別，在時間上有一固定的延遲，即滿足

y(t)=Kx(t－τ)

(5.2.1)滿足式(5.2.1)的線性系統(tǒng)H(ω)就是信號傳輸不失真的條件。對式(5.2.1)兩邊進行傅里葉變換，則有

Y(ω)=KX(ω)e－jωτ

即（5.2.2）可見，當信號傳輸不失真時，線性系統(tǒng)的傳輸函數(shù)H(ω)的幅頻特性是一條平行于頻率軸、高度為K的直線，相位特性是一條斜率為τ的直線。其幅頻和相位特性曲線如圖5.2.3

所示。它是一個理想的系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)在實際工程中是不存在的。圖5.2.3幅頻和相位特性曲線一般來說，信道是隨頻率而變化的函數(shù)，信道對信號的不同頻率成分的衰耗是不同的，并且對不同頻率成分的衰耗幅度也不同；同樣，信道對信號時延的影響也同幅度的影響一樣。這樣，信道便形成了一個對信號不同頻率成分的衰減曲線和對時延的相頻曲線，如圖5.2.4所示。圖5.2.4幅頻衰減和相頻曲線

2.頻域均衡器

在接收端，采用頻域均衡器可以補償由于信道的幅頻特性和相頻特性對傳輸信號的影響。頻域均衡補償原理如圖5.2.5所示。

通過均衡器的補償，使得幅頻特性曲線變得平坦，即信道對信號的各頻率成分的衰耗一致；通過相位補償，使時延特性盡量接近理想系統(tǒng)的相頻特性。圖5.2.5頻域均衡補償原理圖

3.時域均衡

頻域均衡對信道特性不變，且僅傳輸?shù)退贁?shù)字信號時，其傳輸效果較理想。但在信道特性不斷變化及傳輸高速數(shù)字信號時，由于產(chǎn)生較強的碼間干擾，其傳輸效果不理想，因此需要采用時域均衡的方法來減少碼間干擾，降低誤碼率，提高傳輸質(zhì)量。

時域均衡的原理是利用均衡器產(chǎn)生的相應(yīng)波形去補償畸變的波形，并在最后通過抽樣判決來最有效地消除碼間干擾。時域均衡器由橫向濾波器構(gòu)成，橫向濾波器是具有固定延遲間隔、增益可調(diào)的多抽頭濾波器，如圖5.2.6所示。圖5.2.6時域均衡器結(jié)構(gòu)原理圖顯然，時域均衡器的輸入和輸出之間有如下關(guān)系：通過調(diào)整抽頭增益ci，可使得(5.2.3)(5.2.4)達到最小，從而消除碼間干擾，提高傳輸質(zhì)量。5.2.3眼圖

為了便于理解，先不考慮噪聲的影響。在無噪聲的情況下，一個二進制基帶系統(tǒng)將在接收濾波器輸出端得到一個基帶脈沖序列。如果基帶傳輸特性是無碼間干擾的，則將得到一個如圖5.2.7(a)所示的波形;如果基帶傳輸是有碼間干擾的，則得到如圖5.2.7(b)的波形?，F(xiàn)用示波器觀察圖5.2.7(a)所示的波形，并將示波器掃描周期調(diào)整到碼元周期，這時每個碼元將重疊在一起，雖然波形不是周期的，但由于熒光屏的余暉作用，仍將若干碼元重

復(fù)顯示在熒光屏上。顯然，由于圖5.2.7(a)所示的波形無碼間干擾，因而重復(fù)顯示的波形相互重疊，故而顯示器的圖像線跡清晰，如圖5.2.7(c)所示。圖5.2.7基帶信號波形與眼圖當觀察圖5.2.7(b)所示的波形時，由于存在碼間干擾，示波器的掃描跡線就不能完全重合，于是形成的跡線也不清晰，如圖5.2.7(d)所示。從圖5.2.7(c)及圖5.2.7(d)可以看到，當波形無碼間干擾時，眼圖像一只睜開的眼睛，并且，眼圖中央的垂直線表示最佳的抽樣時刻，信號取值為±1，眼圖中央的橫軸位置為最佳判決門限電平。當波形存在碼間干擾時，在抽樣時刻得到的信號取值不再等于±1，而分布在比1小或比－1大的附近，因此眼圖將部分閉合。由此可見，眼圖的“眼睛”睜開的大小反映著碼間干擾的強弱。當存在噪聲時，噪聲疊加在信號上，因而眼圖的跡線更不清晰。該眼圖并不能觀察到隨機噪聲的全部形態(tài)，僅能大體估計噪聲的強弱。

為了說明眼圖和系統(tǒng)性能之間的關(guān)系，把眼圖簡化為如圖5.2.8所示的模型。圖5.2.8眼圖模型衡量眼圖的性能指標有以下幾個參數(shù)：

（1）眼圖開啟度。

式中，U=U++U－，是指在最佳抽樣時刻該眼圖張開最大的程度，無畸變眼圖的開啟程度為100%。

（2）眼皮厚度?！把燮ぁ焙穸仁侵冈谧罴殉闃狱c處眼圖幅度的閉合部分與最大幅度之比，無畸變眼圖的“眼皮”厚度為零。

（3）交叉點發(fā)散度。 交叉點發(fā)散度是指眼圖波形過零點交叉線的發(fā)散程度。無畸變眼圖的交叉線的發(fā)散程度為零。（4）正、負極性不對稱度。正、負極性

不對稱度是指在最佳抽樣點處眼圖正、負幅度不對稱的程度。無畸變眼圖的正、負極性不對稱度為零。

（5）定時誤差靈敏度。定時誤差靈敏度由眼圖斜邊的斜率決定，斜率越大，定時誤差就越靈敏。

眼圖陰影區(qū)的垂直高度（眼皮厚）表示信號畸變范圍。在抽樣時刻，上下兩陰影的間隔的一半為噪聲容限，若噪聲的瞬時值超過該容限，則可能發(fā)生誤判。本章小結(jié)

所謂基帶信號，是指把消息變換為二進制（或多進制）的脈沖序列的信號，將消息變?yōu)槊}沖序列的過程稱為基帶變換。一般來說，基帶信號的帶寬相當寬，為了使基帶信號能有效地在信道中傳輸，需對基帶信號進行適當?shù)淖儞Q，這種變換稱為頻帶變換，它對應(yīng)于第二類變換。傳輸基帶信號的系統(tǒng)稱為基帶傳輸系統(tǒng)。數(shù)字脈沖信號的波形與傳輸信道的特性及基帶傳輸系統(tǒng)的技術(shù)指標有著密切的關(guān)系，不同的波形適應(yīng)于不同的傳輸系統(tǒng)和信道。由于矩形脈沖易于形成和變換，因此常用的數(shù)字脈沖的波形均是矩形脈沖。常用的碼型有單極性碼、雙極性碼、單極性歸零碼、雙極性歸零碼、差分編碼等。對于基帶傳輸信號，其編碼應(yīng)滿足有利于提高系統(tǒng)的頻帶利用率，基帶數(shù)字信號應(yīng)具有盡量小的直流分量，使帶寬盡量集中在中頻部分，基帶信號中應(yīng)足夠大地提取碼元同步的信號分量，基帶傳輸碼型應(yīng)基本上不受信源統(tǒng)計特性的影響，基帶傳輸碼型應(yīng)對噪聲和碼間干擾有較強的抵抗能力和自檢能力，以及盡量降低譯碼過程引起的