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1、第三章 数字信号的基带传输,3.1 数字基带信号常用码型与传输理论 3.2 信号的分类 3.3 信号的基本特性 3.4 数字基带传输系统 3.5 再生中继传输 3.6 眼图和均衡,3.1 数字基带信号,数字基带信号 指编码处理后不经调制的原始数字信号。它所占据的频带是从零频（即直流）或很低频率开始到某个截止频率的基本频带。 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。 基带传输直接利用基带信号通过传输信道进行传输的方式。 数字基带信号的表示方法可用不同的电平或脉冲来表示相应的代码。数字基带信号的类型很多，常见的有矩形脉冲、三角波和升余弦脉冲等。最常
2、见的是矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成和变换。,基带信号的单个码元波形,1）传输用的基带信号的要求:,在实际基带传输系统中，并非所有原始基带数字信号都能在信道中传输， 为了在传输信道中获得优良的传输特性，一般要将信码信号变化为适合于信道传输特性的传输码(又叫线路码)，即进行适当的码型变换。,2) 数字基带信号的码型设计原则,码型中应不含直流，且低频分量尽量少； 码型中应含有丰富的定时信息，以便于从接收码流中提取定时信号； 码型只高频分量尽量少，这样即可以节省传输频带，提高信道的频带利用率； 编码方案对发送消息类型不应有任何限制，即能适用于信源的变化。也就是对信源具有透明性； 码型具有一定的检错能
3、力。即传输码型有一定的规律性，就可根据这一规律性来检测传输质量； 编译码设备应尽量简单，以降低通信延时和成本 以上各项原则并不是任何基带传输码型均能完全满足，往往是依照实际要求满足其中诺干项。,3）数字基带信号的常用码型, 单极性不归零码 (NRZ（L）) 单极性归零码 (RZ(L) ) 双极性不归零码 (NRZ) 双极性归零码 (RZ) AMI波形 :（传号交替反转码） HDB3码 : （3阶高密度双极性码） 双相码： 又称曼彻斯特（Manchester）码 密勒码： 又称延迟调制码 CMI码： CMI码是传号反转码的简称, 单极性不归零(NRZ)码,在一个码元周期T内电位维持不变，用高电位
4、代表“1”码，低电位代表“0”码。如图所示。其特点是极性单一，脉冲间无间隔，但有直流分量。, 单极性归零码（RZ）,“1”码在一个码元周期T内，高电位只维持一段时间就返回零位,在传送“0”码时不发送脉冲。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。脉冲宽度与码元宽度Tb之比/Tb叫占空比。 这种信号序列含有较大的直流分量，对传输信道的直流和低频特性要求较高。其特征是单极性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
5、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。, 双极性不归零(NRZ)码,此编码中，“1”和“0”分别对应正、负电平。在“1”和“0”等概率出现的情况下，双极性序列中不含有直流分量，对传输信道的直流特性没有要求。, 双极性归零(RZ)码,双极性归零码构成原理与单极性归零码相同， “1”和“0”在传输线路上分别用正和负脉冲表示， 且相邻脉冲间必有零电平区域存在。因此，在接收端根据接收波形归于零电平便知道1比特信息已接收完毕， 以便准备下一比特信息的接收。所以，在发送端不必按一定的周期发送信息。 可以认为正负脉冲前沿起了启动信号的作用
6、，后沿起了终止信号的作用, 因此，可以经常保持正确的比特同步。 即收发之间无需特别定时，且各符号独立地构成起止方式， 此方式也叫自同步方式。此外，双极性归零码也具有双极性不归零码的抗干扰能力强及码中不含直流成分的优点。双极性归零码得到了比较广泛的应用。, 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： 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 AMI码： 0 -1 +1 0 0 0 0 0 0 0 1 +1 0 0 1 +1 AMI码对应的波形是具有正、负、零三种电平的脉冲序列。,A
7、MI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HDB3码。 应用：在高密度信息流的数据传输中得到广泛应用。, 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，H
8、DB3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，称为破坏节，其中V称为破坏脉冲，而B称为补偿点；B的极性要与它后面V的极性相同。 （3）V与前一个相邻的非“0”脉冲的极性相同(这破坏了极性交替的规则，所以V称为破坏点)，并且要求相邻的V码之间极性必须交替。V的取值为+1或-1； （4）B的取值可选0、+1或-1，以使V同时满足（3）中的两个要求； （5）V码后面的传号码极性也要交替。,例： 消息码: 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 l 1 AMI码: -1 0 0 0 0 +1 0
9、 0 0 0 -1 +1 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 +1 HDB码 : -1 0 0 0 V +1 0 0 0 +V -1 +1-B 0 0 V +B 0 0 +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。 该码是CCITT推荐使用的码型。,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： 1 1 0 0 1 0 1 双相码： 10 10 01 01 10 01
10、 10 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。 应用：适用于数据终端设备在中速短距离上传输，如以太网采用分相码作为线路传输码。,Miller(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。 例题：把消息
11、码1100010110变为密勒码,例：图(a)是双相码的波形； 图(b)为密勒码的波形；若两个“1”码中间有一个“0”码时，密勒码流中出现最大宽度为2Ts的波形，即两个码元周期。这一性质可用来进行宏观检错。 用双相码的下降沿去触发双稳电路，即可输出密勒码。, CMI码：CMI码是传号反转码的简称。,编码规则：“1”码交替用“1 1”和“0 0”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。该码已被CCITT推荐为PCM四次群的接口码型，在光传输系统中也用做线路
12、传输码型。,模2加算法,0+1=1 1+0=1 0+0=0 1+1=0 这是一种二进制的运算，等同于“异或”运算。 通常用于计算机和电子领域。 规则是两个序列模二相加，即两个序列中对应位，相加，不进位，相同为0，不同为1。,3.4 数字基带传输系统,1.数字基带信号传输系统的组成,信道信号形成器（发送滤波器）：压缩输入信号频带，把传输码变换成适宜于信道传输的基带信号波形。包括码型变换和波形变换来实现。目的是减少码间干扰，便于同步提取和接收端取样判决。 信道：信道的传输特性一般不满足无失真传输条件，因此会引起传输波形的失真。另外信道还会引入噪声n(t)，并假设它是均值为零的高斯白噪声。 接收滤波
13、器： 它用来接收信号，滤除信道噪声和其他干扰，对信道特性进行均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决。 抽样判决器：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。 同步提取：用同步提取电路从接收信号中提取定时脉冲,输入信号,码型变换后,传输的波形,信道输出,接收滤波输出,位定时脉冲,恢复的信息,误码原因：,1.码间串扰 2.信道加性噪声,码间串扰原因：根据信号与系统的相关理论，数字信号用傅里叶级数展开可知，其频谱是无限的。而信道带宽是有限的，无限带宽的数字信号通过带宽有限的信道，必然会造成高频分量的丢失，会造成脉冲波形的顶部变圆、底部展宽。如果底部展宽后的拖尾很长，叠加到相邻码元的位置
14、，就会形成码间干扰，使接收还原时的抽样判决产生错判。,无码间串扰的基带传输系统,在模拟基带信号传输系统中，要求传输信号的波形不失真或者失真很小，而为了使传输信号在传输系统中的波形不失真，要求信道的带宽大于或等于信号的最高频率。 在数字基带信号传输系统中，要求的是无码间串扰，波形的失真不但是允许的，而且容许有很大的失真，只要无码间串扰和噪声足够小，这样在抽样判决时不会发生错误判决，就可以通过码元再生技术恢复波形。,理想低通滤波器的特性,一个系统，如果它的H()对不同频率成分的正弦信号， 有的让其通过，有的予以抑制，则该系统称为滤波器。所谓理想滤波器，是指不允许通过的频率成分，一点也不让它通过，
15、百分之百地被抑制掉；而允许通过的频率成分，让其顺利通过， 百分之百地让其通过。,理想低通滤波器的冲激响应,该频谱图表明，矩形脉冲信号的频谱函数分布于整个频率轴上，而其主要能量集中在直流和低频段。基带数字信号所占的频带都是从直流或零频开始的某一段频带。,此波形的特点为： (1)t=0时有输出最大值，且波形出现拖尾，其拖尾的幅度是随时间而逐渐衰减的； (2)其响应值在时间轴上具有很多零点。第一个零点是1/2fc，以后各相邻零点的间隔都是1/2fc（fc是理想低通的截止频率）。,奈奎斯特第一准则（72页）,对于等效成截止频率为fc的理想低通网络来说，若数字信号以2fc的符号速率传输，则在各码元的间隔
16、处（即TB=1/2fc的整数倍处）进行抽样判决，不产生码间干扰，可正确识别出每一个码元。,奈奎斯特第一准则(又称为第一无失真条件)的本质,如果信号经传输后整个波形发生变化，但只要其特定点的抽样值保持不变，那么用再次抽样的方法(这在抽样判决电路中完成)，仍然可以准确无误地恢复原始信码，这就是奈奎斯特第一准则(又称为第一无失真条件)的本质,理想基带传输系统的特点（72页）,理想基带传输系统有以下三个主要特点： (1)若输入数据以RB = 1/Ts波特的速率进行传输，则在抽样时刻上不存在码间串扰。 (2)若以高于1/Ts波特的码元速率传送时，将存在码间串扰。 通常将此带宽B称为奈奎斯特带宽 ，将RB
17、称为奈奎斯特速率。 但是，这种特性在物理上是无法实现的；并且h(t)的振荡衰减慢，使之对定时精度要求很高。故不能实用。,3.5 再生中继系统(86页),1）再生中继传输的作用： 传输信道中不可避免存在噪声和干扰，同时随着信道长度的增加，还会使信号衰减（由传输线理论可知，传输线衰减频率特性与传输信号f成比例变化），因此数字信号经过信道传输后会产生波形失真，而且传输距离越远，波形失真越严重，当传输距离增加到一定长度时，接收到的信号将很难识别，无法再生。从而使PCM信号传输距离缩短，为延长通信距离，在传输通路的适当位置处应设置再生中继器，即每隔一定距离加一个再生中继器，使已失真的信号经过再生后向更远
18、的距离传输。,三种电缆的衰减特性,一个脉宽为0.4us，幅度为1V的矩形脉冲通过不同长度的电缆传输后的波形示意图,经电缆传输后的脉冲波形示意图,由图可见，这种矩形脉冲信号经信道传输后，波形产生失真，其失真主要反映在以下几个方面： （1） 接收到的信号波形幅度变小。 （2） 波峰延后。 （3） 脉冲宽度大大增加。,双极性半占空码序列及经信道传输后失真波形,2）再生中继的目的 在基带信号信噪比不太大的条件下,再生中继系统对失真的波形及时识别判决,识别出“1”码和“0”码,只要不误判,经过再生中继后的输出脉冲就会完全恢复为原数字信号序列。 3）再生中继的结构 由均衡放大、定时钟提取和抽样判决与码形成
19、(即判决再生)三部分构成。,（1）均衡放大,将接收的失真信号均衡放大成适于抽样判决的波形（均衡波形）。 a）均衡放大的作用 再生中继器不是对经线路传输后的波形（称为接收波形）直接进行判决再生，而是先将其均放成均衡波形R(t)，再对R(t)进行判决再生。,（2）定时时钟的提取,定时钟提取就是从已接收的信号中提取与发送端定时钟同步的定时脉冲,以便在最佳时刻识别判决均衡波的“1”码“0”码,并把它们恢复成一定宽度和幅度的脉冲。 定时钟提取的方法有外同步定时法和自同步定时法两种,这些将在第7章同步系统中详细论述,（3）抽样判决与码形成判决再生,抽样判决与码形成就是判决再生,也叫识别再生,识别是指从已经
20、均衡好的均衡波形中识别出“1”码还是“0”码;再生就是将判决出来的码元进行整形与变换,形成半占空的双极性码,即码形成。为了达到正确的识别,抽样判决应该在最佳时刻进行,即在均衡波的波峰处进行识别。,4）再生中继系统的结构,基带传输的再生中继系统,5） 再生中继系统的特点,再生中继系统中，由于每隔一定的距离加一再生中继器，所以它有以下两个特点： （1） 无噪声积累 （2） 有误码率的积累,3.6 眼图,在实际应用中需要用简便的实验手段来定性评价系统 的性能。眼图是一种有效的实验方法。 眼图是指通过用示波器观察接收端的基带信号波形，从而估计和调整系统性能的一种方法。 具体方法：用一个示波器跨接在抽样
21、判决器的输入端,然后调整示波器水平扫描周期,使其与接收码元的周期同步.由于示波器的余辉作用，扫描所得的每一个码元波形将重叠在一起，示波器显示的图形很像人的眼睛，故名“眼图”。此时可以观察码间干扰和信道噪声等因素影响的情况,从而估计系统性能的优劣程度。,图(a)是接收滤波器输出的无码间串扰的双极性基带波形 图(d)是接收滤波器输出的有码间串扰的双极性基带波形 眼图的“眼睛”张开的越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小；反之，表示码间串扰越大。,眼图模型,最佳抽样时刻是“眼睛”张开最大的时刻； 定时误差灵敏度是眼图斜边的斜率。斜率越大，对位定时误差越敏感； 图的阴影区的垂直高度表示抽样时刻上信号受噪声干扰的畸变程度； 图中央的横轴位置对应于判决门限电平； 抽样时刻上，上下两阴影区的间隔距离之半为噪声容限,若噪声瞬时值超过它就可能发生错判； 图中倾斜阴影带与横轴相交的区间表示了接收波形零点位置的变化范围，即过零点畸变，它对于利用信号零交点的平均位置来提取定时信息的接收系统有很大影响。,总结,1.码型变换 2.数字基带传输系统的组成 3.误码的原因 4.奈奎斯特第一准则（奈奎斯特带宽和速率） 5.再生中继的结构,由均衡放大、定时钟提取和抽样判决与码形成(即判决再生)三部分构成。,作业,课本第97页 第5、6题,