通信原理(4)—— 数字基带传输系统

数字基带传输系统

• 数字：状态可数、取值离散

• 基带：零频附近、未经载波调制

• 研究：①如何设计基带信号；②如何降低码间干扰；③如何减小信道噪声。

  误码原因：码间干扰（ISI）、信道噪声n(t)。

• 内容主线：基带信号—无ISI特性—抗噪性能—眼图—优化措施

• 学习策略：

  • 数字信号的特征：取值离散、状态可数；
  • 特有的接收方式：抽样、判决、再生。

一. 数字基带信号

1. 基本码型

• 数字基带信号s(t)：信息码元序列的电脉冲表示。码元即二进制码元_{1bit的分组或M进制码元}kbit的分组。

  码元持续时间为T_B。

• 六种基本码型：（单/双极性、绝对/相对、二进制/多进制）

  • 单极性NRZ（1 0表示）/ 双极性NRZ（1 -1表示，抗噪声技能优于单NRZ）

  • 单归零码RZ（存在占空比，归零的目的是产生位定时信息）/ 双RZ——前几种为绝对码元，各码元无关

  • 差分：前后码元相关，称为相对波形。用相邻码元电平的跳变或不变表示信息。（异或）

    优点：消除设备初始状态不确定性带来的影响。——前几种全是二进制。

  • 多电平：实现M进制码元，用于高速数据的传输系统。

2. 基本信号的频谱特性——功率谱

• 目的：了解信号带宽。了解位定时分量、直流分量等。
• 方法：相关函数与功率谱密度是一对傅里叶变换。
• 思路：将数字信号分解为交变波和稳定波，再进行功率谱叠加。
• 功率谱特点:
  • 非归零信号，无定时分量
  • 单极性归零信号，有定时分量、直流分量
  • 等概的双极性信号，无离散谱
  • 非归零带宽 （f=1/t，t为码元长度）是 占空比为1/2的归零（t为码元长度的1/2）带宽的二分之一
  • 零频附近，功率谱值较大
  • 不适合在低频特性差的信道使用，出现连0或者连1时不利于获取定时信息

二. 选码原则和传输码型

1. 设计和选码原则

• 无直流分量，且低频成分小；
• 定时信息分布；
• 高频分量小，即功率谱主瓣宽度窄；
• 不受信源统计特性的影响（透明性）；
• 有自检能力；
• 编译码简单。

2. 常用的传输码型

（1）AMI码（传输交替反转码）

• 编码规则：1—— +1、-1交替，0—— 0。
• 优点：无直流，高、低频分量少；电路简单；自检能力。
• 缺点：信码有长连零串时，难以获取定时信息。
• 应用：PCM 24路基群（北美系列）的线路码型。

（2）HDB₃码（3阶高密度双极性码）

• 编码规则：连0个数不超过3，按AMI规则；连0个数超过3，第4个0改为非0（V₊或V_-）。

  V 破坏脉冲； B 调节脉冲。

• 举例：信码：1000 100 1000 0 1000 0 1100 00 11

  HDB₃码：-1000+100-1000V_- +1000V₊ -1 +1 B_-00 V_- +1 -1

• 优点：无直流，高、低频分量少；自检能力（连0码限制在3个以内，有利于位定时信号的提取）。

• 缺点：编译码电路比较难。

• 应用：A律PCM 四次群以下的线路接口码型。

• 译码：寻找破坏点。

（3）双向码 曼彻斯特码（Manchester）

• 编码规则：1—— 10，0—— 01。
• 特点：
  • 二电平（极性相反）；无直流分量；
  • 定时信息丰富；编译码电路简单；
  • 连码个数不超过2个——用于检错。
• 缺点：带宽比原信码大1倍。

（4）CMI码 传号反转码

• 编码规则：1—— 11、00交替，0—— 01。
• 特点：
  • 二电平；无直流分量；定时信息；电路简单；
  • 连码个数不超过3个——用于检错。
• 应用：A律PCM 四次群的线路接口码型；速率低于8.448Mb/s的光缆传输系统中。

总结：

• 双向码、CMI码——1B2B码
• AMI码、HDB₃——1B1T码

（5）nBmB码(m>n)——1B/2B码的改进型

• 编码规则：n位二进制码（原信码组）变成 m位二进制码（新码组）；

  ​ 从2^m种中选出许用码组，其余为禁用码组。

• 优点：可提供良好的同步和检错功能

• 代价：所需的传输带宽随m增加；

• 选择：m=n+1，如1B2B, 4B5B, 5B6B码…。

三. 无ISI基带传输特性

1. 码间串扰ISI（Inter-Symbol Interference）

2. 奈奎斯特准则

无ISI的时域条件

含义：本码元时刻有值；其他码元抽样时刻均为0。

3. 理想低通特性

存在问题：特性陡峭，不易实现；响应曲线尾部收敛慢，摆幅大，对定时要求严格。

解决方案：在基带传输特性H(w)的f_N处按奇对称条件进行“圆滑滚降”——余弦滚降特性。

四. 眼图

• 成因：示波器的余晖作用，多个码元波形重叠显现。
• 作用：反映ISI的大小和噪声的强弱，从而估计系统性能的优劣；还可指示接收滤波器的调制，以减小ISI。
  • 眼睛长开的大小反映了ISI的强弱；
  • 眼睛大、线迹细且眼图端正，表示ISI小；反之ISI大。
  • 有噪声存在时，线迹模糊。
• 眼图模型
  • 最佳抽样时刻：眼睛张开最大的时刻。
  • 定时误差灵敏度：用眼眶的斜率表示，斜率越大越灵敏。
  • 抽样失真：抽样时刻上阴影的垂直高度，受噪声干扰的畸变程度，越细越好。
  • 判决门限电平：眼轴中央的横轴位置。
  • 噪声容限：眼图高度（抽样时刻峰峰值）的一半。
  • 过零点失真：零点位置的变化范围。

五. 改善系统性能的措施

1. 均衡技术

• 目的：减小码间串扰ISI
• 方法：频域均衡 和 时域均衡（求均衡器的抽头系数）

2. 部分响应技术

• 设计目标：

  • 提高频带利用率
  • 改善频谱特性，压缩传输频带
  • 加快响应波形尾部的衰减，降低对定时的要求

• 设计思想：通过相关编码有控制的在某些抽样时刻引入码间串扰ISI。

  因为引入的ISI是确知的某种规则，所以接收端可以根据规则剔除ISI。