2.2 数字信号的基带传输

2.2.1 数字基带信号

数字基带信号用数字信息的电脉冲表示，通常把数字信息的电脉冲的表示形式称为码型。不同形式的码型信号具有不同的频谱结构，为了在传输信道中获得优质的传输特性，需要合理选择基带信号的码型，使数字信息变换为适合于给定信道传输特性的频谱结构，便于数字信号在信道内传输。适于在有线信道中传输的基带信号码型又称线路传输码型。

线路码及码型设计的原则如下：

① 易于从线路码流中提取时钟分量。

② 线路码型频谱中不含直流分量。

③ 线路码流中高频分量应尽量少。

④ 码型变换过程不受信息源统计特性影响，即能适应信息源的变化。

⑤ 经过信息传输后产生的码间干扰应尽量小。

⑥ 线路码型具有一定的误码检测能力。

⑦ 设备简单。

数字基带的传输码型很多，并不是所有的码型都能满足上述要求，往往是根据实际需要进行选择，下面介绍几种常用的码型。

1.单极性不归零码

单极性码指单极性不归零码，如图2.16（a）所示，它用高电平代表二进制符号的“1”；0电平代表“0”，在一个码元时隙内电平维持不变。

单极性码的缺点如下：

① 有直流成分，因此不适用于有线信道。

② 判决电平取接收到的高电平的一半，所以不容易稳定在最佳值。

③ 不能直接提取同步信号。

④ 传输时，要求信道的一端接地。

2.单极性归零码

单极性归零码如图2.16（b）所示，代表二进制符号“1”的高电平在整个码元时隙持续一段时间后要回到0电平。如果高电平持续时间τ为码元时隙T的一半，则称为50%占空比的单极性码。

单极性归零码中含有位同步信息，其他特性同单极性码。

3.双极性不归零码

双极性不归零码（双极性码）如图2.16（c）所示，它用正电平代表二进制符号的“1”；负电平代表“0”，在整个码元时隙内电平维持不变。

双极性码的优点：当二进制符号序列中的“1”和“0”等概率出现时，序列中无直流分量；判决电平为0，容易设置且稳定，抗噪声性能好；无接地问题。

缺点是序列中不含位同步信息。

4.双极性归零码

双极性归零码如图2.16（d）所示，代表二进制符号“1”和“0”的正、负电平在整个码元时隙持续一段时间之后都要回到0电平，同单极性归零码一样，也可用占空比来表示。

它的优缺点与双极性不归零码相同，但应用时只要在接收端加一级整流电路就可将序列变换为单极性归零码，相当于包含了位同步信息。

5.差分码

在差分码中，二进制符号的“1”和“0”分别对应着相邻码元电平符号的“变”与“不变”，如图2.16（e）所示。

因为差分码码型的高、低电平不再与二进制符号的“1”、“0”直接对应，所以即使当接收端收到的码元极性与发送端完全相反时也能正确判决，应用很广。在数字调制中被用来解决移相键控中“1”、“0”极性倒π问题。

差分码可以由一个模2加电路及一级移位寄存器来实现，其逻辑关系为bi=ai⊕bi-1，ai为绝对码。

6.数字双相码

数字双相码又称为分相码或曼彻斯特码，如图2.16（f）所示。它属于1B2B码，即在原二进制一个码元时隙内有两种电平，如“1”码可以用“+-”脉冲表示，“0”码用“-+”脉冲表示。

数字双相码的优点：在每个码元时隙的中心都有电平跳变，因而频谱中有定时分量，并且由于在一个码元时隙内的两种电平各占一半，所以不含直流成分。缺点：传输速率增加了1倍，频带也展宽了1倍。

数字双相码可以用单极性码和定时脉冲模2运算获得。

7.CMI码

CMI码是传号反转码的简称，也可归类于1B2B码，CMI码将信息码流中的“1”码用交替出现的“++”、“--”表示，“0”码统统用“-+”脉冲表示，如图2.16（g）所示。

CMI码的优点除了与数字双相码一样外，还具有在线错误检测功能，如果传输正确，则接收码流中出现的最大脉冲宽度是一个半码元时隙。因此，CMI码以其优良性能被原CCITT建议作为PCM四次群的接口码型，它还是光纤通信中常用的线路传输码型。

8.密勒码

密勒（Miller）码也称为延迟调制码。它的“1”码要求码元起点电平取其前面相邻码元的末相，并且在码元时隙的中点有极性跳变（由前面相邻码元的末相决定是选用“+-”还是“-+”脉冲）；对于单个“0”码，其电平与前面相邻码元的末相一致，并且在整个码元时隙中维持此电平不变；遇到连“0”情况，两个相邻的“0”码之间在边界处要有极性跳变，如图2.16（h）所示。

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密勒码也可以进行误码检测，因为在它的输出码流中最大脉冲宽度是两个码元时隙，最小宽度是一个码元时隙。

因用数字双相码再加一级触发电路就可得到密勒码，故密勒码是数字双相码的差分形式，它能克服数字双相码中存在的相位不确定问题，而频带宽度仅是数字双相码的一半，常用于低速率的数传机中。

9.AMI码

AMI码是传号交替反转码，编码时将原二进制信息码流中的“1”用交替出现的正、负电平（+B码、-B码）表示，“0”用0电平表示。在AMI码的输出码流中总共有三种电平出现，但并不代表三进制，因此，它又可归类为伪三元码，如图2.16（i）所示。

AMI码的优点：功率谱中无直流分量，低频分量较小；解码容易；利用传号时是否符合极性交替原则，可以检测误码。

AMI码的缺点：当信息流中出现长连“0”码时AMI码中无电平跳变，会丢失定时信息（通常PCM传输线中连“0”码不允许超过15个）。

10.HDB3码

高密度双极性码的英文名称为HighDensityBipolar，三阶高密度双极性码通常简记为HDB3码。它改进了AMI码中对长连“0”个数无法限制的缺点，如图2.16（j）所示。

HDB3码编码规则如下：

当数码流中连“0”个数不超过3个时，按AMI码处理。

当数码流中连“0”个数达到4个时，将0000码用000V或B′00V代替，其中B′和V为非“0”码（正负极性的B′和V分别用B+′、B-′、V+、V-表示），称为取代码，并按以下规律处理。

① 凡出现4个或4个以上连“0”码时，从第一个“0”码起，每4个连“0”码为一组，称为四连零组。

② 将每个四连零组的第4个“0”用码值为“+1”或“-1”的取代码V代替，即为000V或B′00V型。

③ 保证相邻两个V码之间有奇数个传号。

若相邻两个V码之间已有奇数个传号时，用000V取代；若相邻两个V码之间有偶数个传号时，用B′00V取代。

④ V码的极性与相邻的前一个传号（包括B′）极性相同。相邻两个V码的极性正负交替，相邻两个B码（包括B′）极性正负交替。

2.2.2 基带传输系统

1.数字基带信号无码间干扰传输准则

数字信号的频带宽度是无限的，而这无限宽的信号通过有限的实际通道传输时，信号波形必然会产生失真。

设信道具有理想的低通特性，如图2.17所示。

其传递函数可表示为

式中，

td是信号通过信道传输后的延迟时间；

ωtd表示信道的线性相移特性；

ωc是等效理想低通信道的截止频率；

K是通带内传递函数，通常设K=1。

一个近似矩形的数字脉冲m（t），通过该理想低通滤波器后，可以证明，其响应时间波形如图2.18所示。

从图2.18的波形中可以看出，理想低通输出的波形不仅在时间上产生了延迟，波形还产生了失真，即出现了很长的拖尾，其拖尾幅度随时间而衰减；另外，在t=td时刻，信号幅度最大，在c（n=1，2，…）处，波形出现零点。

将一随机序列输入等效理想低通滤波器进行传输，其输出响应是各输入信号响应之和。相邻两个近似矩形数字信号经过低通滤波器后，当和时的输出响应如图2.19所示。其中，T为发送脉冲周期。

由图2.19（a）可以看出，当时，在t=T处，a1有最大值，而a2值为零；t=2T时，a2有最大值，而a1值为零，因此在t=T或t=2T处判决时不存在码间干扰。由图2.19（b）可以看出，时，在t=T处，a1值最大，a2不为零，因此形成码间干扰。

由此分析后得出结论，数字信号无码间传输准则为：数字脉冲的传输速率fb是等效理想低通信道截止频率fc的两倍，即以fb=2fc的速率传输数码信号时，可实现无码间干扰传输。

例如，传输速率为2.048Mbp/s的数字信号，理想情况下，要求最小的信道带宽为1.024MHz。

实际中的传输网络不可能是理想低通，通常采用满足奇对称条件的滚降低通滤波器来等效理想低通，如图2.20所示。

图2.20中虚线特性表示滚降低通特性，fc+fa为滚降低通滤波器截止频率，其滚降特性用滚降系数α来表示：

α在0～1之间变化。当α=1时，即100%滚降，此时称为滚降系数为100%的滚降滤波器。若取fc，则可构成滚降系数为50%的滚降低通滤波器。

2.眼图

衡量码间干扰的最直观方法是眼图。眼图是利用示波器显示波形的方法。示波器采用外同步方式，扫描周期为码元周期TB或TB的整数倍。由于示波器荧光屏的余辉作用，使多个波形叠加在一起，这样在荧光屏上显示出类似人眼的图形，故得名“眼图”。

当输出码间不存在码间干扰时，其理想眼图如图2.21（a）所示。示波器同步周期取2TB，图中显示一个完全张开的“眼睛”，其特点是“眼睛”大而清晰。

如果码间出现干扰，使眼图劣化，眼眶明显减小且模糊，如图2.21（b）所示。可以看出，眼图的“眼睛”张开的大小反映了码间串扰的程度。眼图可以简化为一个模型，如图2.22所示。该图显示的特性如下：

① 最佳抽样判决时刻对应于眼睛张开最大的时刻。

② 判决门限电平对应于眼图的横轴。

③ 最大信号失真量即信号畸变范围，用眼皮厚度（图2.22中上下阴影的垂直厚度）表示。

④ 噪声容限是用信号电平减去眼皮厚度，它体现了系统的抗噪声能力。

⑤过零点畸变为压在横轴上的阴影长度，它会影响系统的定时标准（有些接收机的定时标准是由经过判决门限点的平均位置决定的）。

⑥ 对定时误差的灵敏度由斜边的斜率反映，越大灵敏度越高，对系统的影响越大。

2.2.3 再生中继系统

数字信号在信道中以基带方式传输时，由于信道不理想且存在噪声和干扰，使传输信号波形失真及信码幅度减小。随着传输距离的增加，这种影响越来越严重，当传输到一定距离后，接收端无法识别接收到的信码是“1”码还是“0”码，从而使通信无法进行，如图2.23所示。

为了延长通信距离，采用一定距离加一个再生中继器的方式对已经失真的信号进行再生，如图2.24所示。

再生中继器方框图如图2.25所示。再生中继器由均衡放大、时钟提取和判决再生三部分组成。

① 均衡放大：均衡放大的任务是对收到的失真波形予以放大和均衡。

② 时钟提取：时钟提取的任务是从收到的信码流中提取时钟频率，得到与发端同频同相的时钟，以获得最佳判决的定时时钟。

③ 判决再生：判决再生的任务是对已均衡放大的信号进行抽样判决，并进行脉冲形成，形成与发端同形状的脉冲。