2.2 數字信號的基帶傳輸

2.2.1 數字基帶信號

數字基帶信號用數字信息的電脈沖表示，通常把數字信息的電脈沖的表示形式稱為碼型。不同形式的碼型信號具有不同的頻譜結構，為了在傳輸信道中獲得優質的傳輸特性，需要合理選擇基帶信號的碼型，使數字信息變換為適合于給定信道傳輸特性的頻譜結構，便于數字信號在信道內傳輸。適于在有線信道中傳輸的基帶信號碼型又稱線路傳輸碼型。

線路碼及碼型設計的原則如下：

① 易于從線路碼流中提取時鐘分量。

② 線路碼型頻譜中不含直流分量。

③ 線路碼流中高頻分量應盡量少。

④ 碼型變換過程不受信息源統計特性影響，即能適應信息源的變化。

⑤ 經過信息傳輸后產生的碼間干擾應盡量小。

⑥ 線路碼型具有一定的誤碼檢測能力。

⑦ 設備簡單。

數字基帶的傳輸碼型很多，并不是所有的碼型都能滿足上述要求，往往是根據實際需要進行選擇，下面介紹幾種常用的碼型。

1.單極性不歸零碼

單極性碼指單極性不歸零碼，如圖2.16（a）所示，它用高電平代表二進制符號的“1”；0電平代表“0”，在一個碼元時隙內電平維持不變。

單極性碼的缺點如下：

① 有直流成分，因此不適用于有線信道。

② 判決電平取接收到的高電平的一半，所以不容易穩定在最佳值。

③ 不能直接提取同步信號。

④ 傳輸時，要求信道的一端接地。

2.單極性歸零碼

單極性歸零碼如圖2.16（b）所示，代表二進制符號“1”的高電平在整個碼元時隙持續一段時間后要回到0電平。如果高電平持續時間τ為碼元時隙T的一半，則稱為50%占空比的單極性碼。

單極性歸零碼中含有位同步信息，其他特性同單極性碼。

3.雙極性不歸零碼

雙極性不歸零碼（雙極性碼）如圖2.16（c）所示，它用正電平代表二進制符號的“1”；負電平代表“0”，在整個碼元時隙內電平維持不變。

雙極性碼的優點：當二進制符號序列中的“1”和“0”等概率出現時，序列中無直流分量；判決電平為0，容易設置且穩定，抗噪聲性能好；無接地問題。

缺點是序列中不含位同步信息。

4.雙極性歸零碼

雙極性歸零碼如圖2.16（d）所示，代表二進制符號“1”和“0”的正、負電平在整個碼元時隙持續一段時間之后都要回到0電平，同單極性歸零碼一樣，也可用占空比來表示。

它的優缺點與雙極性不歸零碼相同，但應用時只要在接收端加一級整流電路就可將序列變換為單極性歸零碼，相當于包含了位同步信息。

5.差分碼

在差分碼中，二進制符號的“1”和“0”分別對應著相鄰碼元電平符號的“變”與“不變”，如圖2.16（e）所示。

因為差分碼碼型的高、低電平不再與二進制符號的“1”、“0”直接對應，所以即使當接收端收到的碼元極性與發送端完全相反時也能正確判決，應用很廣。在數字調制中被用來解決移相鍵控中“1”、“0”極性倒π問題。

差分碼可以由一個模2加電路及一級移位寄存器來實現，其邏輯關系為bi=ai⊕bi-1，ai為絕對碼。

6.數字雙相碼

數字雙相碼又稱為分相碼或曼徹斯特碼，如圖2.16（f）所示。它屬于1B2B碼，即在原二進制一個碼元時隙內有兩種電平，如“1”碼可以用“+-”脈沖表示，“0”碼用“-+”脈沖表示。

數字雙相碼的優點：在每個碼元時隙的中心都有電平跳變，因而頻譜中有定時分量，并且由于在一個碼元時隙內的兩種電平各占一半，所以不含直流成分。缺點：傳輸速率增加了1倍，頻帶也展寬了1倍。

數字雙相碼可以用單極性碼和定時脈沖模2運算獲得。

7.CMI碼

CMI碼是傳號反轉碼的簡稱，也可歸類于1B2B碼，CMI碼將信息碼流中的“1”碼用交替出現的“++”、“--”表示，“0”碼統統用“-+”脈沖表示，如圖2.16（g）所示。

CMI碼的優點除了與數字雙相碼一樣外，還具有在線錯誤檢測功能，如果傳輸正確，則接收碼流中出現的最大脈沖寬度是一個半碼元時隙。因此，CMI碼以其優良性能被原CCITT建議作為PCM四次群的接口碼型，它還是光纖通信中常用的線路傳輸碼型。

8.密勒碼

密勒（Miller）碼也稱為延遲調制碼。它的“1”碼要求碼元起點電平取其前面相鄰碼元的末相，并且在碼元時隙的中點有極性跳變（由前面相鄰碼元的末相決定是選用“+-”還是“-+”脈沖）；對于單個“0”碼，其電平與前面相鄰碼元的末相一致，并且在整個碼元時隙中維持此電平不變；遇到連“0”情況，兩個相鄰的“0”碼之間在邊界處要有極性跳變，如圖2.16（h）所示。

書書

密勒碼也可以進行誤碼檢測，因為在它的輸出碼流中最大脈沖寬度是兩個碼元時隙，最小寬度是一個碼元時隙。

因用數字雙相碼再加一級觸發電路就可得到密勒碼，故密勒碼是數字雙相碼的差分形式，它能克服數字雙相碼中存在的相位不確定問題，而頻帶寬度僅是數字雙相碼的一半，常用于低速率的數傳機中。

9.AMI碼

AMI碼是傳號交替反轉碼，編碼時將原二進制信息碼流中的“1”用交替出現的正、負電平（+B碼、-B碼）表示，“0”用0電平表示。在AMI碼的輸出碼流中總共有三種電平出現，但并不代表三進制，因此，它又可歸類為偽三元碼，如圖2.16（i）所示。

AMI碼的優點：功率譜中無直流分量，低頻分量較小；解碼容易；利用傳號時是否符合極性交替原則，可以檢測誤碼。

AMI碼的缺點：當信息流中出現長連“0”碼時AMI碼中無電平跳變，會丟失定時信息（通常PCM傳輸線中連“0”碼不允許超過15個）。

10.HDB3碼

高密度雙極性碼的英文名稱為HighDensityBipolar，三階高密度雙極性碼通常簡記為HDB3碼。它改進了AMI碼中對長連“0”個數無法限制的缺點，如圖2.16（j）所示。

HDB3碼編碼規則如下：

當數碼流中連“0”個數不超過3個時，按AMI碼處理。

當數碼流中連“0”個數達到4個時，將0000碼用000V或B′00V代替，其中B′和V為非“0”碼（正負極性的B′和V分別用B+′、B-′、V+、V-表示），稱為取代碼，并按以下規律處理。

① 凡出現4個或4個以上連“0”碼時，從第一個“0”碼起，每4個連“0”碼為一組，稱為四連零組。

② 將每個四連零組的第4個“0”用碼值為“+1”或“-1”的取代碼V代替，即為000V或B′00V型。

③ 保證相鄰兩個V碼之間有奇數個傳號。

若相鄰兩個V碼之間已有奇數個傳號時，用000V取代；若相鄰兩個V碼之間有偶數個傳號時，用B′00V取代。

④ V碼的極性與相鄰的前一個傳號（包括B′）極性相同。相鄰兩個V碼的極性正負交替，相鄰兩個B碼（包括B′）極性正負交替。

2.2.2 基帶傳輸系統

1.數字基帶信號無碼間干擾傳輸準則

數字信號的頻帶寬度是無限的，而這無限寬的信號通過有限的實際通道傳輸時，信號波形必然會產生失真。

設信道具有理想的低通特性，如圖2.17所示。

其傳遞函數可表示為

式中，

td是信號通過信道傳輸后的延遲時間；

ωtd表示信道的線性相移特性；

ωc是等效理想低通信道的截止頻率；

K是通帶內傳遞函數，通常設K=1。

一個近似矩形的數字脈沖m（t），通過該理想低通濾波器后，可以證明，其響應時間波形如圖2.18所示。

從圖2.18的波形中可以看出，理想低通輸出的波形不僅在時間上產生了延遲，波形還產生了失真，即出現了很長的拖尾，其拖尾幅度隨時間而衰減；另外，在t=td時刻，信號幅度最大，在c（n=1，2，…）處，波形出現零點。

將一隨機序列輸入等效理想低通濾波器進行傳輸，其輸出響應是各輸入信號響應之和。相鄰兩個近似矩形數字信號經過低通濾波器后，當和時的輸出響應如圖2.19所示。其中，T為發送脈沖周期。

由圖2.19（a）可以看出，當時，在t=T處，a1有最大值，而a2值為零；t=2T時，a2有最大值，而a1值為零，因此在t=T或t=2T處判決時不存在碼間干擾。由圖2.19（b）可以看出，時，在t=T處，a1值最大，a2不為零，因此形成碼間干擾。

由此分析后得出結論，數字信號無碼間傳輸準則為：數字脈沖的傳輸速率fb是等效理想低通信道截止頻率fc的兩倍，即以fb=2fc的速率傳輸數碼信號時，可實現無碼間干擾傳輸。

例如，傳輸速率為2.048Mbp/s的數字信號，理想情況下，要求最小的信道帶寬為1.024MHz。

實際中的傳輸網絡不可能是理想低通，通常采用滿足奇對稱條件的滾降低通濾波器來等效理想低通，如圖2.20所示。

圖2.20中虛線特性表示滾降低通特性，fc+fa為滾降低通濾波器截止頻率，其滾降特性用滾降系數α來表示：

α在0～1之間變化。當α=1時，即100%滾降，此時稱為滾降系數為100%的滾降濾波器。若取fc，則可構成滾降系數為50%的滾降低通濾波器。

2.眼圖

衡量碼間干擾的最直觀方法是眼圖。眼圖是利用示波器顯示波形的方法。示波器采用外同步方式，掃描周期為碼元周期TB或TB的整數倍。由于示波器熒光屏的余輝作用，使多個波形疊加在一起，這樣在熒光屏上顯示出類似人眼的圖形，故得名“眼圖”。

當輸出碼間不存在碼間干擾時，其理想眼圖如圖2.21（a）所示。示波器同步周期取2TB，圖中顯示一個完全張開的“眼睛”，其特點是“眼睛”大而清晰。

如果碼間出現干擾，使眼圖劣化，眼眶明顯減小且模糊，如圖2.21（b）所示。可以看出，眼圖的“眼睛”張開的大小反映了碼間串擾的程度。眼圖可以簡化為一個模型，如圖2.22所示。該圖顯示的特性如下：

① 最佳抽樣判決時刻對應于眼睛張開最大的時刻。

② 判決門限電平對應于眼圖的橫軸。

③ 最大信號失真量即信號畸變范圍，用眼皮厚度（圖2.22中上下陰影的垂直厚度）表示。

④ 噪聲容限是用信號電平減去眼皮厚度，它體現了系統的抗噪聲能力。

⑤過零點畸變為壓在橫軸上的陰影長度，它會影響系統的定時標準（有些接收機的定時標準是由經過判決門限點的平均位置決定的）。

⑥ 對定時誤差的靈敏度由斜邊的斜率反映，越大靈敏度越高，對系統的影響越大。

2.2.3 再生中繼系統

數字信號在信道中以基帶方式傳輸時，由于信道不理想且存在噪聲和干擾，使傳輸信號波形失真及信碼幅度減小。隨著傳輸距離的增加，這種影響越來越嚴重，當傳輸到一定距離后，接收端無法識別接收到的信碼是“1”碼還是“0”碼，從而使通信無法進行，如圖2.23所示。

為了延長通信距離，采用一定距離加一個再生中繼器的方式對已經失真的信號進行再生，如圖2.24所示。

再生中繼器方框圖如圖2.25所示。再生中繼器由均衡放大、時鐘提取和判決再生三部分組成。

① 均衡放大：均衡放大的任務是對收到的失真波形予以放大和均衡。

② 時鐘提取：時鐘提取的任務是從收到的信碼流中提取時鐘頻率，得到與發端同頻同相的時鐘，以獲得最佳判決的定時時鐘。

③ 判決再生：判決再生的任務是對已均衡放大的信號進行抽樣判決，并進行脈沖形成，形成與發端同形狀的脈沖。