1,第四章 基带数字信号的表示和传输,引言-意义、系统构成、各部分作用基带数字信号的波形基带数字信号的码型数字基带信号及其频谱特性基带数字信号的频率特性数字基带信号传输与码间串扰 眼图时域均衡,2,1、数字基带信号的产生：,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；也可以是来自模拟信号经数字化处理后得到的信号，如PCM码组或时分复用得到的数字序列，还可以是多进制数字序列等等都是数字信号。,数字基带信号的特点：包含丰富的低频分量，甚至直流分量。,3,2. 数字信号有两种传输方式：,基带传输：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， 称之为数字基带传输系统。频带传输（调制传输）：而大多数信道，如各种无线信道和远距离有线信道， 则是带通型的， 数字基带信号必须经过载波调制，把频谱搬移到高载波处才能在信道中传输，把这种传输称为数字频带（调制或载波）传输系统。,4,3.研究基带传输的意义,1. 近程数据通信系统中广泛采用 2.在频带传输系统中仍然存在基带传输的问题，基带传输的许多问题也是频带传输需要考虑的问题。,3.从广义信道来看，数字频带传输系统也可看成一个基带传输系统。,5,数字基带传输系统的基本结构,6,信道信号形成器：基带传输系统的输入的脉冲序列往往不适合直接送到信道中传输。信道信号形成器的作用就是把原始基带信号变换成适合于信道传输的基带信号，这种变换主要是通过码型变换和波形变换来实现的， 其目的是与信道匹配， 便于传输，减小码间串扰，利于同步提取和抽样判决。 信道：是允许基带信号通过的媒质，通常为有线信道， 如市话电缆、架空明线等。信道的传输特性通常不满足无失真传输条件，甚至是随机变化的。另外信道还会进入噪声。 在通信系统的分析中，常常把噪声n(t)等效，集中在信道中引入。,数字基带传输系统各部分的作用,7,接收滤波器 它的主要作用是滤除带外噪声，对信道特性均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决。 抽样判决器 它是在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻（由位定时脉冲控制）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。而用来抽样的位定时脉冲则依靠同步提取电路从接收信号中提取，位定时的准确与否将直接影响判决效果。,8,同步提取：从接收滤波器输出信号中提取位同步(定时)信号注意：在数字基带信号传输过程中，码间串扰、噪声、位同步信号相位抖动等原因都有可能使判决结果产生误码，因此为了降低误码率，应尽可能减小码间串扰和位同步抖动。,9,基带系统的各点波形示意图,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,10,4.3 数字基带信号的波形,1数字基带信号波形,设计数字传输系统的基本考虑是选择一组有限的、离散的波形来表示数字信息。 数字基带信号是指数字代码的电波形表示形式，它是用不同的电平或脉冲来表示相应的数字代码。数字基带信号(以下简称为基带信号)的类型有很多，常见的有矩形脉冲、三角波、高斯脉冲和升余弦脉冲等。最常用的是矩形脉冲。,11,几种最基本的基带信号波形,1.单极性不归零波形(NRZ) 2.双极性不归零波形(BNRZ) 3.单极性归零波形(RZ) 4.双极性归零波形(BRZ) 5.差分码波形6.多进制波形（多元码）,12,1 单极性不归零(NRZ)码1：正电平0：零电平在表示一个码元时，电压均无需回到零，故称不归零码,单极性码,13,该波形的特点是电脉冲之间无间隔，极性单一，易于用TTL、CMOS电路产生，所以输出单极性码最为简单、方便。,缺点：缺点是有直流分量，要求传输线路具有直流传输能力，因而不适应有交流耦合的远距离传输，只适用于计算机内部或极近距离的传输。不能提取位同步信号。,接收单极性NRZ码的判决电平应取“1”码电平的一半,14,2双极性不归零波形(BNRZ),在一个码元时间内，要么电压（流）为正，要么电压（流）为负，为双极性波形。,优点：当0、1符号等概出现时，它将无直流成分；接收双极性码时判决电平为0，稳定不变，抗噪性能好。,缺点：不能直接从双极性不归零码中提取位同步信号。,15,优点：可以直接提取同步信号。,缺点：含直流成份。,其有电脉冲的宽度小于一个码元宽度的单极性码，即每个脉冲都回到零电位。信号电压在一个码元终止时刻前总要回到零电平。通常，归零波形使用半占空码，即占空比为50%。 与归零波形相对应，上面的单极性波形和双极性波形属于非归零(NRZ)波形，其占空比等于100。,3单极性归零码波形（RZ）,16,优点：无直流成分，可以提取同步信号，因而得到比较广泛的应用。,其有电脉冲的宽度小于一个码元宽度的双极性码，即正、负脉冲都归零。,4双极性归零码波形（BRZ）,17,对0差分码：利用相邻前后码元电平极性改变表示“0”，不变表示“1”对1差分码：利用相邻前后码元极性改变表示“1”，不变表示“0”,5差分码波形,18,采用多进制代码时，一个码元宽度可以对应多个二进制符号。在高数据速率传输系统中常采用这种码型。,6多电平波形（多元码、多进制码）,优点：效率高,19,几种基本的基带信号波形,20,4.4 数字基带信号的传输码型对传输用的基带信号的主要要求:对代码的要求：原始消息代码必须编成适合于传输用的码型；对所选码型的电波形要求：电波形应适合于基带系统的传输。 前者属于传输码型的选择，后者是基带波形的选择。这是两个既独立又有联系的问题。本节先讨论码型的选择问题。,21,对于传输码型，有如下一些要求：无直流分量和只有很小的低频分量；含有码元的定时信息；传输效率高；最好有一定的检错能力；适用于各种信源，即要求以上性能和信源的统计特性无关满足或部分满足以上特性的传输码型种类很多，下面将介绍目前常用的几种。,22,22,1.AMI码 传号交替反转码 编码规则：“1” 交替变成“1”和“1”， “0” 仍保持为“0”， 例：消息码： 0 1 0 1 1 0 0 0 1 AMI码：0 +1 0 -1 +1 0 0 0 -1优点：没有直流分量 、译码电路简单 、能发现错码缺点：出现长串连“0”时，将使接收端无法取得定时信息。,23,23,2.HDB3码 3阶高密度双极性码 编码规则：首先，将消息码变换成AMI码，然后，检查AMI码中连“0”的情况：当没有发现4个以上（包括4个）连“0”时，则不作改变，AMI码就是HDB3码。当发现4个或4个以上连“0”的码元串时，就将第4个“0”变成与其前一个非“0”码元（“1”或“1”）同极性的码元。将这个码元称为“破坏码元”，并用符号“V”表示，即用“+V”表示“1”，用“V”表示“1”。为了保证相邻“V”的符号也是极性交替： * 当相邻“V”之间有奇数个非“0”码元时，这是能够保证的。 * 当相邻“V”之间有偶数个非“0”码元时，不符合此“极性交替”要求。这时，需将这个连“0”码元串的第1个“0”变成“B”或“B”。B的符号与前一个非“0”码元的符号相反；并且让后面的非“0”码元符号从V码元开始再交替变化。,24,代码： 1000 0 1000 0 1 1 000 0 l 1 AMI码： -1000 0 +1000 0 -1 +1 000 0 -1 +1 HDB3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。 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 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 +1,25,25,译码：发现相连的两个同符号的“1”时，后面的“1”及其前面的3个符号都译为“0”。然后，将“+1”和“-1”都译为“1”，其它为“0”。优点：除了具有AMI码的优点外，还可以使连“0”码元串中“0”的数目不多于3个，而且与信源的统计特性无关。在AMI码和HDB3码中，每位二进制信码都变换成了一位三电平取值（+1,0-1）的码，因此也称这类 码为1B1T码,26,AMI 码和HDB3码的功率谱,27,AMI码和HDB3码及波形（有些资料将+1用1表示）,提示：AMI码和HDB3码也称作1B1T码,28,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，例如： 代码： 1 1 0 0 1 0 1 双相码： 10 10 01 01 10 01 10 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。在计算机以太网中用。,3. 数字双相码（也称彻斯特码-Manchester或分相码 ）,29,密勒码是双相码的一种变形。编码规则如下： “1”码用码元间隔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，在码元间隔内不出现电平跃变，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。,4. 密勒码(Miller),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误码检测。,30,5.传号反转码（CMI- Coded Mark Inversion）,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10为禁用码组，不会出现3个以上的连码， 这个规律可用来检错。,CMI码是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。 数字双相码、密勒码和CMI码又称为1B2B码。,31,31,6.nBmB码 （块编码）这是一类分组码，它把消息码流的n位二进制码元编为一组，并变换成为m位二进制的码组，其中mn。后者有2m种不同组合。由于mn，所以后者多出(2m 2n)种组合。在2m种组合中，可以选择特定部分为可用码组，其余部分为禁用码组，以获得好的编码特性。双相码、密勒码和CMI码等都可以看作是1B2B码。在光纤通信系统中，常选用m = n + 1，例如5B6B码等。除了nBmB码外，还可以有nBmT码等等。nBmT码表示将n个二进制码元变成m个三进制码元。例：4B3T码，8B6T码适用于较高速率的数据传输系统，如高次群同轴电缆传输系统。,32,4.5基带信号的频谱特性 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：,