第七章 数字信号的基带传输

本文主要是介绍第七章 数字信号的基带传输，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

第七章 数字信号的基带传输

数字基带传输系统

• 数字基带信号：未经调制的数字信号，所占据频谱从零频或很低频率开始。

• 传输数字基带信号：数字基带信号不经载波调制而直接在信道上传输的方式。

• 数字频带传输：脉数字基带信号经载波调制后再信道上传输
  

• 数字基带传输系统通常由脉冲形成器、发送滤波器、信道、接收滤波器、抽样判决器与码元再生器组成。

• 基带传输系统各点的波形

  

数字基带常用码型

传输码型选择考虑因素

1. 码型中低频、高频分量尽量少。
2. 码型中应包含定时信息，以便定时提取。
3. 码型变换设备要简单可靠。
4. 码型具有一定检错能力，若传输码型有一定的规律性，则就可根据这一规律性来检测传输质量，以便做到自动监测
5. 编码方案对发送消息类型不应有任何限制，适合于所有的二进制信号。这种与信源的统计特性无关的特性称为对信源具有透明性。
6. 低误码增殖。
7. 高的编码效率。

单极性不归零(NRZ)码

• 有直流成份；
• 判决电平不能稳定在最佳的电平，抗噪声性能不好
• 不能直接提取同步信号；
• 传输时要求信道的一端接地，不能用两根芯线均不接地的电缆传输线。

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双极性不归零(NRZ)码

• “1”和“0”符号等概率出现时无直流分量；当“1”和“0”出现概率不相等时，仍有直流成份。
• 接收端判决门限为0，容易设置并且稳定，因此抗干扰能力强
• 不能直接提取同步信号；
• 可以在电缆等无接地线上传输

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单极性归零(RZ)码

• 码元宽度小于码元间隔，每个码元脉冲在下一个码元到来之前回到零电平。
• 接设码元间隔为$T_s$，归零码宽度为$\tau$，则称$T_s$为占空比，特殊$\pi /T_s=0.5$称为半占空码。单极性归零码可以直接提取位定时信息
• 单极性归零码可以直接提取位定时信息

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双极性归零(RZ)码

• 每个码元内的脉冲都回到零电平，即相邻脉冲之间必定留有零电位的间隔。
• 接除了具有双极性不归零码的特点外，还可以通过简单的变换电路（全波整流电路），变换为单极性归零码，有利于同步脉冲的提取

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差分码

$$\begin{gathered} 传号差分:d_k=a_k\oplus d_{k-1} \\ 空号差分:d_k=\overline{a_k}\oplus d_{k-1} \end{gathered}$$

• 不用码元本身的电平表示信息代码，而是用相邻码元的电平的跳变和不变来表示消息代码；
• 用差分码传送代码可以消除设备初始状态的影响，特别是在相位调制系统中用于解决载波相位模糊问题。

传号差分编码

• 传号差分编码是指当前位的值取决于当前位和前一个位的异或（XOR）操作。如果当前位是1，则输出与前一个输出位相反；如果当前位是0，则输出与前一个输出位相同。
  $$传号差分:d_k=a_k\oplus d_{k-1}$$

示例： 假设有一个二进制序列 1 0 1 1 0，按照以下方式进行传号差分编码：

• 初始状态：$d_{-1}=0$（假设初始状态为0）

• 第一位：$a_0=1$，$d_0=a_0\oplus d_{-1}=1\oplus 0=1$

• 第二位：$a_1=0$，$d_1=a_1\oplus d_0=0\oplus 1=1$

• 第三位：$a_2=1$，$d_2=a_2\oplus d_1=1\oplus 1=0$

• 第四位：$a_3=1$，$d_3=a_3\oplus d_2=1\oplus 0=1$

• 第五位：$a_4=0$，$d_4=a_4\oplus d_3=0\oplus 1=1$

• 编码后的序列是 1 1 0 1 1。

空号差分编码

• 空号差分编码是指当前位的值取决于当前位的非（NOT）和前一个位的异或操作。如果当前位是1，则输出与前一个输出位相同；如果当前位是0，则输出与前一个输出位相反。
  $$空号差分:d_k=\overline{a_k}\oplus d_{k-1}$$

示例： 使用相同的二进制序列 1 0 1 1 0，进行空号差分编码：

• 初始状态：$d_{-1}=0$（假设初始状态为0）
• 第一位：$a_0=1$，$d_0=\overline{a_0}\oplus d_{-1}=0\oplus 0=0$
• 第二位：$a_1=0$，$d_1=\overline{a_1}\oplus d_0=1\oplus 0=1$
• 第三位：$a_2=1$，$d_2=\overline{a_2}\oplus d_1=0\oplus 1=1$
• 第四位：$a_3=1$，$d_3=\overline{a_3}\oplus d_2=0\oplus 1=1$
• 第五位：$a_4=0$，$d_4=\overline{a_4}\oplus d_3=1\oplus 1=0$
• 编码后的序列是 0 1 1 1 0。

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交替极性(AMI)码

• 又称双极方式码、平衡对称码、信号交替反转码等

• 单极性方式的变形，即把单极性方式中的“0”码仍与零电平对应，而“1”码对应发送极性交替的正、负电平。这种码型实际上把二进制脉冲序列变为三电平的符号序列（故叫伪三元序列)。

• 缺点：连“0”码过多时提取定时信号困难

• 优点：

  • 在“1"、“0"码不等概率情况下，也无直流成分，且零频附近低频分量小。因此，对具有变压器或其他交流耦合的传输信道来说，不易受隔直特性影响。
  • 若接收端收到的码元极性与发送端完全相反，也能正确判决。
  • 只要进行全波整流就可以变为单极性码。如果交替极性码是归零的，变为单极性归零码后就可提取同步信息。北美系列的一、二、三次群接口码均使用经扰码后的AMI码。

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三阶高密度双极性(HDB3)码

• HDB3码就是一系列高密度双极性码（HDB1、HDB2、HDB3等）中最重要的一种。
• 为克服连“0”码过多时提取定时信号困难，以及非连“0”码时提取的位同步信号又不能保持足够的时间的一种方案。
• 将发送序列先经过一扰码器，将输入的码序列按一定规律进行扰乱，使得输出码序列不再出现长串的连“0”或连“1”等规律序列，在接收端通过去扰恢复原始的发送码序列。
• 优点：直流成分，低频成分少，即使有长连“0"码时也能提取位同步信号。
• 缺点：译码电路比较复杂。HDB是CCITT建议欧洲系列一、二、三次群的接口码型。

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编码原理

1. 先把消息变成AMI码，然后检查AMI的连“0"情况，当无3个以上连“0"串时，AMI码就是HDB3码。
2. 当出现4个或4个以上连“0"情况，则将每4个连“0"小段的第4个“0"变换成“1”码。这个由“0"码改变来的“1”码称为破坏脉冲(符号)，用符号$V$表示。原来的二进制码元序列中所有的“1”码称为信码，用符号$B$表示。
3. 下图$口(a)、(b)、(c)口$分别表示一个二进制码元序列、$相应的AMI码$以及$信码B$和$破坏脉冲V$的位置。当信码序列中加入破坏脉冲以后，信码B和破坏脉冲$V$的正负必须满足如下两个条件

1. B码和V码各自都应始终保持极性交替变化的规律，以便确保编好的码中没有直流成分。
2. V码必须与前一个码(信码B)同极性，以便和正常的AMI码区分开来。如果这个条件得不到满足，那么应该在四个连“0"码的第一个“0"码位置上加一个与V码同极性的补信码，用符号B’表示。此时B码和B’码合起来保持条件(1)中信码极性交替变换的规律。

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成对选择的三进制码（PST码）

• 编码过程是：先将二进制代码两两分组，然后再把每一码组编码成两个三进制数字（+、0)。因为两位三进制数字共有9种状态，故可灵活地选择其中的4种状态。表7－1列出了其中一种使用最广的格式。

• 为防止PST码的直流漂移，当在一个码组中仅发送单个脉冲时，即二进制码为10或01，两个模式应交替变换；而当码组为00或11时，+模式和-模式编码规律相同。
  
• PST码能提供足够的定时分量，且无直流成分，编码过程也较简单。但这种码在识别时需要提供“分组”信息，即需要建立帧同步。

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• 的AMI码、HDB码和PST码中，每位二进制信码都被变换成1个三电平取值(+1、0、-1)的码，属于三电平码，有时把这类码称为1B／1T码。

曼彻斯特码(双相码)

• 特点：每个二进制代码分别用两个具有不同相位的二进制代码来取代。如“1”码用10表示，“0”码用01表示。

• 优点：无直流分量，最长连“0"、连“1"数为2，定时信息丰富，编译码电路简单。但其码元速率比输入的信码速率提高了一倍。

• 双相码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。

密勒码(延迟调制码)

• 双相码的一种变形

• 编码规则：“1"码用码元持续中心点出现跃变来表示，即用10和01交替变化来表示。“0"码有两种情况：单个“0"时，在码元持续内不出现电平跃变，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和11交替。

• 两个“1”码中间有一个“0”码时，密勒码流中出现最大宽度为2T的波形，即两个码元周期。这一性质可用来进行误码检错。

信号反转(CMI)码

• 编码规则：当为“0"码时，用01表示，当出现“1"码时，交替用00和11表示。

• 优点：没有直流分量，且有频繁出现波形跳变，便于定时信息提取，具有误码监测能力。CMI码同样有因极性反转而引起的译码错误问题。

• 由于CMI码具有上述优点，再加上编、译码电路简单，容易实现，因此，在高次群脉冲码调制终端设备中广泛用作接口码型。在速率低于8448kb/s的光纤数字传输系统中也被建议作为线路传输码型。

• 国际电联(ITU)的G.703建议中，也规定CMI码为PCM四次群的接口码型。日本电报电话公司在32kb/s及更低速率的光纤通信系统中也采用CMI码。

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差分模式反转(DMI)码

• DMI码是也是一种1B2B码
• 变换规则是：对于输入二元码0，若前面变换码为01或11，则DMI码为01；若前面变换码为10或00，则DMI码为10。对于输入二元码1，则DMI码00和11交替变化。

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