模塊三數(shù)字基帶傳輸技術(shù)課題二數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)課題一數(shù)字基帶信號(hào)課題一數(shù)字基帶信號(hào)學(xué)習(xí)目標(biāo)1．掌握數(shù)字基帶信號(hào)的波形和頻譜。2．了解數(shù)字基帶信號(hào)常用線路傳輸碼型。相關(guān)知識(shí)一、數(shù)字基帶信號(hào)的波形和頻譜1．?dāng)?shù)字基帶信號(hào)的基本概念通常，將信號(hào)的轉(zhuǎn)換用2個(gè)（或3個(gè)、4個(gè)、8個(gè)，視進(jìn)制而定）不同振幅的電壓來表示，其頻譜從零開始未經(jīng)變換處理的信號(hào)稱為數(shù)字基帶信號(hào)。無論是周期信號(hào)還是非周期信號(hào)，其波形和頻譜（或時(shí)間函數(shù)和頻譜函數(shù)）都有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。周期信號(hào)的頻譜是離散譜，非周期信號(hào)的頻譜是連續(xù)譜。波形和頻譜圖a)時(shí)域波形b)對(duì)應(yīng)的頻譜圖2．基帶傳輸對(duì)傳輸信號(hào)的要求(1)基帶信號(hào)應(yīng)有利于提高系統(tǒng)的頻帶利用率。(2)基帶信號(hào)應(yīng)含有盡量少的直流、極低頻和高頻分量。(3)基帶信號(hào)應(yīng)含有足夠大的可供提取同步信號(hào)的信號(hào)分量。(4)基帶信號(hào)的碼型基本上不受信源統(tǒng)計(jì)特性的影響。(5)基帶信號(hào)的頻譜能量要集中，所占的帶寬要窄，以利于增大傳輸距離和減小線對(duì)間的干擾。(6)基帶信號(hào)的碼型對(duì)噪聲和碼間串?dāng)_應(yīng)具有較強(qiáng)的抵抗力和自檢能力，以便在傳輸過程中做到自動(dòng)檢測，保證傳輸質(zhì)量。(7)基帶信號(hào)的變換電路應(yīng)簡單、成本低、性能好，而且易于調(diào)整。3．?dāng)?shù)字基帶信號(hào)的波形信號(hào)的波形反映信號(hào)的電壓或電流隨時(shí)間變化的關(guān)系。對(duì)于不同的基帶傳輸系統(tǒng)，由于信道傳輸特性和要求的不同而需使用不同的基帶信號(hào)波形?；鶐盘?hào)波形有矩形、三角波、高斯脈沖及升余弦脈沖等，其中矩形脈沖為最常用的波形。(1)數(shù)字基帶信號(hào)的分類1)按信號(hào)極性的不同可將其分為單極性信號(hào)和雙極性信號(hào)。2)按每位信號(hào)的單一極性電位是否占滿整個(gè)碼元時(shí)間，可以將其分為歸零信號(hào)和不歸零信號(hào)。3)按信號(hào)幅度取值的不同，可將其分為二電平信號(hào)和多電平信號(hào)。二電平信號(hào)只有兩種電平狀態(tài)，習(xí)慣上稱其為二元碼或二進(jìn)碼。(2)常用基帶信號(hào)的波形1)單極性不歸零碼（NRZ碼）。單極性不歸零碼的波形其編碼規(guī)則為：正電平（+E）——“1”，零電平——“0”。單極性不歸零碼的特點(diǎn)主要有：①發(fā)送能量大，有利于提高接收端信噪比。②在信道上占用頻帶較窄。③有直流分量，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的失真與畸變；由于直流分量的存在，無法使用一些交流耦合的線路和設(shè)備進(jìn)行傳輸。④在輸入為連“1”或連“0”碼時(shí)，不能直接提取同步信號(hào)。⑤接收單極性不歸零碼的判決電平應(yīng)取“1”碼電平的一半。在信號(hào)隨信道特性變化時(shí)，判決電平不能穩(wěn)定在最佳的電平，抗噪性能不好。⑥傳輸時(shí)要求信道的一端接地，這樣不能用兩根芯線均不接地的電纜傳輸線。2)單極性歸零碼。單極性歸零碼的波形其編碼規(guī)則為：正電平(+E)+零電平——“1”，零電平——“0”。單極性歸零碼的特點(diǎn)主要有：①脈沖窄，碼元所含能量小，接收時(shí)的輸出信噪比低于單極性不歸零碼。②有直流分量，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的失真與畸變；由于直流分量的存在，無法使用一些交流耦合的線路和設(shè)備進(jìn)行傳輸。③接收單極性歸零碼的判決電平應(yīng)取“1”碼電平的一半。在信號(hào)隨信道特性變化時(shí)，難以保持最佳門限。④因碼元間隔明顯，便于提取位同步信息，是其他波形提取位定時(shí)信號(hào)時(shí)需要采用的一種過渡波形。⑤在信道上占用頻帶比單極性不歸零碼要寬。⑥脈沖窄，有利于減小碼元波形的相互影響。3)雙極性不歸零碼。雙極性不歸零碼的波形其編碼規(guī)則為：正電平(+E)——“1”，負(fù)電平(-E)——“0”。雙極性不歸零碼的特點(diǎn)主要有：①從統(tǒng)計(jì)角度來看，當(dāng)“1”和“0”數(shù)目各占一半時(shí)無直流分量，但當(dāng)“1”和“0”出現(xiàn)概率不等時(shí)，仍有直流分量。②接收雙極性不歸零碼時(shí)判決門限為0電平，容易設(shè)置并且穩(wěn)定不變，因此其抗干擾能力強(qiáng)。③不能直接從雙極性碼中提取位同步信息。④可以在電纜等無接地線路上傳輸。4)雙極性歸零碼。雙極性歸零碼的波形其編碼規(guī)則為：正電平(+E)+零電平——“1”，負(fù)電平(-E)+零電平——“0”。雙極性歸零碼的特點(diǎn)主要有：①從統(tǒng)計(jì)角度來看，“1”和“0”數(shù)目各占一半時(shí)無直流分量，但當(dāng)“1”和“0”出現(xiàn)概率不相等時(shí)，仍有直流分量。②接收雙極性歸零碼時(shí)判決門限為0電平，容易設(shè)置并且穩(wěn)定不變，因此其抗干擾能力強(qiáng)。③能直接提取位同步信息。5)差分碼。差分碼的波形6)多值波形（多電平波形）。多值波形（多電平波形）二、數(shù)字基帶信號(hào)常用線路傳輸碼型1．常用線路傳輸碼型(1)曼徹斯特碼曼徹斯特(Manchester)碼又稱分相碼、裂相碼或雙相碼，其波形如圖所示。曼徹斯特碼的波形曼徹斯特碼的每一個(gè)碼元被分成高電平和低電平兩部分，前一半代表碼元的值，后一半和前一半相反。其編碼規(guī)則為：正電平(+E)+負(fù)電平(-E)——“1”，負(fù)電平（-E）+正電平(+E)——“0”。(2)傳號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼AMI碼的波形其編碼規(guī)則為：代碼“0”為“0”，代碼“1”交替變換為+E和-E的歸零碼。此方式是單極性方式的變形，即將單極性方式中的0碼仍與0電平對(duì)應(yīng)，而1碼對(duì)應(yīng)發(fā)送極性交替的正、負(fù)電平。AMI碼實(shí)際上是用三種電平來表示二進(jìn)制信號(hào)的，故又被稱為偽三元碼。其特點(diǎn)如下：1)因?yàn)榘l(fā)送的非0電平交替出現(xiàn)，所以無直流分量。2)可方便地變換為單極性歸零碼，獲取定時(shí)信號(hào)。3)具有一定的檢錯(cuò)能力，可通過觀察非0電平交替出現(xiàn)的規(guī)律是否被破壞而檢錯(cuò)。4)編/譯碼電路實(shí)現(xiàn)簡單。5)由于可能長時(shí)間出現(xiàn)連“0”現(xiàn)象，造成定時(shí)信號(hào)提取困難。(3)三階高密度雙極性碼n階高密度雙極性碼HDBn中應(yīng)用最廣泛的是三階高密度雙極性碼（HighDensityBipolar3，HDB3)，其波形如圖所示。HDB3碼的波形1）HDB3碼的編碼規(guī)則如下：①當(dāng)碼流中無4個(gè)及4個(gè)以上連“0”碼時(shí)，HDB3碼的編碼規(guī)則與AMI碼的相同（即“0”碼仍為“0”，“1”碼交替編為“+1”和“-1”）。②當(dāng)碼流中有4個(gè)或4個(gè)以上連“0”碼出現(xiàn)時(shí)，將每4個(gè)連“0”碼劃分為一節(jié)，并將每節(jié)中的第4個(gè)“0”碼變?yōu)椤?”碼，用V脈沖表示，即將“0000”變?yōu)椤?00V”。③相鄰破壞點(diǎn)V脈沖的極性應(yīng)交替變化，以保證傳輸碼中沒有直流分量。2)雖然HDB3碼的編碼規(guī)則比較復(fù)雜，但譯碼比較簡單。其譯碼規(guī)則如下：①由相鄰兩個(gè)同極性碼找出V碼，同極性碼中的后面那個(gè)碼為破壞脈沖V。②由V向前數(shù)第三個(gè)碼如果不是零碼，表明它是B碼。③將V碼和B碼去掉以后留下來的全是信碼。HDB3碼的譯碼過程3)HDB3碼除了保持了AMI碼的優(yōu)點(diǎn)，還增加了使連“0”串減少到至多3個(gè)的優(yōu)點(diǎn)，而不管信息源的統(tǒng)計(jì)特性如何，這對(duì)于同步信號(hào)的恢復(fù)十分有利。HDB3碼的優(yōu)點(diǎn)如下：①正、負(fù)脈沖均衡，無直流分量，便于基帶傳輸。②連“0”最多3個(gè)，便于提取時(shí)鐘同步信號(hào)。③極性交替反轉(zhuǎn)，有檢錯(cuò)能力。④編碼比較復(fù)雜，但解碼比較簡單。(4)傳號(hào)反轉(zhuǎn)(CMI)碼傳號(hào)反轉(zhuǎn)碼的波形如圖所示。傳號(hào)反轉(zhuǎn)碼是一種雙極性二電平不歸零碼。傳號(hào)反轉(zhuǎn)(CMI)碼的波形(5)密勒(Miller)碼密勒碼又稱延遲調(diào)制碼，可看成是曼徹斯特碼的一種變形，其波形如圖所示。其編碼規(guī)則為：“1”碼用碼元持續(xù)時(shí)間中心點(diǎn)出現(xiàn)躍變來表示，即用“10”或“01”來表示?！?”碼分兩種情況處理，對(duì)于單個(gè)“0”時(shí)，在碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)不出現(xiàn)電平躍變，且與相鄰碼元的邊界處也不躍變；對(duì)于連“0”時(shí)，在兩個(gè)“0”碼的邊界處出現(xiàn)電平躍變，即“00”與“11”交替。密勒碼的波形（6）mBnB碼mBnB碼又稱分組碼，它是將輸入碼流每m個(gè)比特碼分為一組，然后變換為n比特，且n>m。這樣變換后的碼流就有了冗余，除了傳輸原來的信息外，還可以傳輸與誤碼檢測等有關(guān)的信息，并且改善了定時(shí)信號(hào)的提取和直流分量的起伏問題。m、n越大，解碼器越復(fù)雜。在光纖通信中5B6B碼被認(rèn)為是在編碼復(fù)雜性和比特冗余之間最合理的折中，在國內(nèi)外的光通信系統(tǒng)中應(yīng)用較多。表所示為5B6B碼的碼表。5B6B碼的碼表5B6B碼的碼表（續(xù)）5B6B碼的輸入碼組長度為5，五位碼有25=32種組合方式，而6B線路碼的碼組長度為6，六位碼有26=64種組合方式。1)碼流平衡情況分析如下：①這64種組合碼組中含有3個(gè)“1”和3個(gè)“0”的平衡碼組共有20個(gè)。所謂平衡是指在1個(gè)碼組中“0”和“l(fā)”的個(gè)數(shù)相同，如111000，001101，100110等。②6位碼中含有4個(gè)“1”、2個(gè)“0”或4個(gè)“0”、2個(gè)“1”的不完全平衡碼組各有15個(gè)，共30個(gè)，如101101，011011等，而在5B6B碼中只選用其中的各12個(gè)。③除上述兩種碼組外，尚有64-20-2×15=14種碼組禁用。2)碼組的選用規(guī)則如下：①首先選用6B碼組中含有3個(gè)“1”和3個(gè)“0”的20個(gè)平衡碼，與20個(gè)5B輸入碼組一一對(duì)應(yīng)。②選用含有4個(gè)“1”、2個(gè)“0”的15個(gè)正不完全平衡碼和含有4個(gè)“0”、2個(gè)“1”的15個(gè)負(fù)不完全平衡碼（分別稱為正模式和負(fù)模式，正模式中“1”的個(gè)數(shù)多，負(fù)模式中“0”的個(gè)數(shù)多，兩種模式交替使用，以保持直流分量穩(wěn)定，基線不起伏），刪除其中3對(duì)碼組(000011和111100，110000和001111，100111和011000)，剩余的12對(duì)共24個(gè)碼組與5B輸入碼組的另外12個(gè)碼組對(duì)應(yīng)。2．基帶傳輸碼型的分析(1)基帶傳輸碼型分析的主要目的1)了解信號(hào)功率的分布情況，以便考慮信號(hào)頻帶寬度與傳輸網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)之間的匹配問題。2)了解信號(hào)的頻譜成分，以便在接收端設(shè)法提取或建立定時(shí)同步信息甚至群同步信息，實(shí)現(xiàn)收、發(fā)之間的同步。3)了解信號(hào)中是否含有直流分量，以便考慮與線路的匹配問題。4)了解信號(hào)碼流中錯(cuò)誤的信號(hào)狀態(tài)，以便對(duì)基帶信號(hào)本身應(yīng)具有的內(nèi)在檢錯(cuò)能力提出要求，實(shí)時(shí)監(jiān)測傳輸系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量。5)分析鄰道干擾問題。因?yàn)榛鶐盘?hào)中的高頻成分越豐富，對(duì)鄰近線產(chǎn)生的干擾就越嚴(yán)重。(2)基帶傳輸碼型的特點(diǎn)在交流傳輸方式中，基帶傳輸碼型具有以下特點(diǎn)：1)曼徹斯特碼、密勒碼、AMI碼、HDB3碼都不含有直流分量，可以作為線路碼型。其中，密勒碼、HDB3碼更適合于速率低于9600bps的場合。2)從各種碼型所占頻帶寬度來看，以二階雙極性碼最窄，為0~f0/2；以曼徹斯特碼最寬，為0~2f0；其他碼型介于兩者之間。3)從提取定時(shí)同步信號(hào)的難易程度來看，不歸零碼、單極性歸零碼、密勒碼和AMI碼在原始數(shù)據(jù)中出現(xiàn)連“0”碼時(shí)，將使提取定時(shí)同步信號(hào)變得困難，因而這幾種碼型不具有透明性，其他碼型則是透明的。4)在傳輸過程中，如兩根傳輸線對(duì)調(diào)接線位置，曼徹斯特碼解碼后易發(fā)生極性錯(cuò)誤，其他碼型則不會(huì)發(fā)生極性錯(cuò)誤。5)在各種碼型發(fā)送峰值相同的條件下，AMI碼和HDB3碼的發(fā)送功率低于其他碼型的發(fā)送功率，故對(duì)鄰道干擾最小。6)從抗干擾性能來看，以二電平碼為最好，因?yàn)槠淇捎孟薹飨B加在信號(hào)電平上的噪聲。7)密勒碼、AMI碼和HDB3碼均有較好的檢錯(cuò)能力，這是利用了相鄰碼元之間存在的某種相關(guān)性。課題二數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)學(xué)習(xí)目標(biāo)1．了解數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的組成。2．了解數(shù)字基帶傳輸?shù)幕緶?zhǔn)則。3．了解再生中繼系統(tǒng)及RS—232標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)知識(shí)一、基帶傳輸系統(tǒng)的組成不使用調(diào)制和解調(diào)裝置而直接傳輸基帶信號(hào)的系統(tǒng)稱為基帶傳輸系統(tǒng)。基帶傳輸系統(tǒng)的組成框圖基帶傳輸系統(tǒng)的輸入信號(hào)是由信息源(DTE設(shè)備)產(chǎn)生的脈沖序列。數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)中各點(diǎn)波形如圖所示，在傳輸過程中有誤碼現(xiàn)象。數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)各點(diǎn)波形示意圖1．基帶碼型編碼基帶碼型編碼電路的輸入是信源編碼輸出的二進(jìn)制脈沖序列，它們一般是單極性不歸零碼，不適合信道傳輸。2．發(fā)送濾波器發(fā)送濾波器又稱信道信號(hào)形成網(wǎng)絡(luò)。3．信道信道是允許基帶信號(hào)通過的媒介，通常不滿足無失真?zhèn)鬏敆l件，甚至是隨機(jī)變化的。4．接收濾波器接收濾波器的作用是濾除混在接收信號(hào)中的帶外噪聲和由信道引入的噪聲，對(duì)失真波形進(jìn)行盡可能地補(bǔ)償（均衡），使輸出的基帶波形有利于取樣判決。5．取樣判決器取樣判決器是一個(gè)識(shí)別電路，在傳輸特性不理想及噪聲背景下，在規(guī)定時(shí)刻（由位定時(shí)脈沖控制）對(duì)接收濾波器的輸出波形進(jìn)行取樣判決，再恢復(fù)或再生基帶信號(hào)。6．基帶碼型譯碼基帶碼型譯碼將取樣判決器送出的信號(hào)還原成原始信碼。二、數(shù)字基帶傳輸?shù)幕緶?zhǔn)則1．基帶傳輸中的碼間串?dāng)_數(shù)字通信的主要質(zhì)量指標(biāo)是傳輸速率和誤碼率，兩者之間密切相關(guān)、互相影響。矩形脈沖傳輸波形失真示意圖a)傳輸前的半占空比矩形脈沖b）傳輸后的失真脈沖波形碼間串?dāng)_對(duì)誤碼的影響2．奈奎斯特第一準(zhǔn)則當(dāng)基帶傳輸系統(tǒng)具有理想低通濾波器特性（截止頻率為fc）時(shí)，以截止頻率兩倍的速率RB=2fc傳輸數(shù)字信號(hào)，則信道輸出響應(yīng)將無碼間串?dāng)_，這便是奈奎斯特第一準(zhǔn)則，這個(gè)速率也稱奈奎斯特速率。奈奎斯特第一準(zhǔn)則本質(zhì)上是取樣值無失真條件，它表明了無碼間串?dāng)_和充分利用頻帶的基本關(guān)系。奈奎斯特速率是信號(hào)傳輸?shù)臉O限速率。3．碼間串?dāng)_的衡量——眼圖一個(gè)實(shí)際的數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)是不可能完全消除碼間串?dāng)_的，尤其是在信道不可能完全確知的情況下，要計(jì)算誤碼率非常困難。評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的實(shí)用方法是分析眼圖，即利用示波器觀察接收信號(hào)波形的質(zhì)量。具體做法是：用一臺(tái)示波器跨接在接收濾波器的輸出端，然后調(diào)整示波器掃描周期，使示波器水平掃描周期與接收碼元的周期嚴(yán)格同步，也就是將示波器的掃描周期調(diào)整為所接收脈沖序列碼元間隔TS的整數(shù)倍，并適當(dāng)調(diào)整相位，使波形的中心對(duì)準(zhǔn)取樣時(shí)刻，這樣在示波器屏幕上出現(xiàn)一個(gè)或幾個(gè)接收信號(hào)波形。當(dāng)?shù)?個(gè)波形過去之后，由于熒光屏的余暉作用，使多個(gè)波形重疊在一起，在示波器上可觀察到的波形類似于人的“眼睛”，故稱其為眼圖。從眼圖上可以觀察出碼間串?dāng)_和噪聲的影響，從而估計(jì)系統(tǒng)的誤碼情況。基帶信號(hào)波形及眼圖眼圖模型上圖的含義如下：(1)最佳取樣判決時(shí)刻對(duì)應(yīng)于“眼睛”張開最大的時(shí)刻。(2)判決門限電平對(duì)應(yīng)于眼圖的橫軸。(3)最大信號(hào)失真量即信號(hào)畸變范圍用眼皮厚度（“圖中”上下陰影的垂直厚度）表示。(4)噪聲容限是用信號(hào)電平減去“眼皮”厚度的值，它體現(xiàn)了系統(tǒng)的抗噪聲能力。(5)過零點(diǎn)畸變?yōu)閴涸跈M軸上的陰影長度，它會(huì)影響系統(tǒng)的定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)（有些接收機(jī)的定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)是由經(jīng)過判決門限點(diǎn)的平均位置決定的）。(6)對(duì)定時(shí)誤差的靈敏度由斜邊的斜率反映，斜率越大靈敏度越高，對(duì)系統(tǒng)的影響越大。三、再生中繼系統(tǒng)1．再生中繼系統(tǒng)的特點(diǎn)及作用再生中繼的目的是：當(dāng)信噪比不太大的時(shí)候，對(duì)失真的波形及時(shí)識(shí)別判決（識(shí)別出是“1”碼還是“0”碼），只要不誤判，經(jīng)過再生中繼后的輸出脈沖會(huì)完全恢復(fù)為原數(shù)字信號(hào)序列?；鶐鬏?shù)脑偕欣^系統(tǒng)框圖(1)再生中繼系統(tǒng)的特點(diǎn)在再生中繼系統(tǒng)中，由于每隔一定的距離加一個(gè)中繼器，所以它有以下兩個(gè)特點(diǎn)：1)無噪聲積累。2)有誤碼積累。(2)再生中繼系統(tǒng)的作用由于在傳輸過程中信道對(duì)信號(hào)存在衰減作用，以及信道的帶寬不夠和各種噪聲干擾等因素的存在，數(shù)字信號(hào)通過信道傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生失真，而且傳輸距離越長，波形失真越嚴(yán)重，當(dāng)傳輸距離增加到一定長度時(shí)，收到的信號(hào)將很難識(shí)別，造成誤碼率增加，通信質(zhì)量下降。如圖所示為三種電纜的衰減特性。三種電纜的衰減特性脈沖信號(hào)經(jīng)過不同長度的電纜后波形的變化情況由圖可見，這種矩形脈沖信號(hào)經(jīng)信道傳輸后，波形產(chǎn)生失真，其失真主要反映在以下幾個(gè)方面：1)接收到的信號(hào)波形幅度變小。2)波峰延后。3)脈沖寬度增加。雙極性半占空碼序列經(jīng)過信道傳輸后的失真波形a)傳輸前的波形b）傳輸后的波形2．再生中繼器(1)電路組成1)均衡放大電路。2)時(shí)鐘提取電路。3)判決再生電路。再生中繼器的電路組成再生中繼器電路中各點(diǎn)波形(2)大規(guī)模集成電路再生中繼器(CD22301)1)技術(shù)特點(diǎn)①典型工作速率：1.544Mbps，2.048Mbps。②編碼碼型：二元碼或三元碼。③電源電壓：+5.1V。④電源電流：22mA。⑤功耗：110mW。⑥工藝：CMOS。⑦18引腳DIP（雙列直插）封裝。2)引腳功能說明。CD223