數字信號基帶傳輸系統 - 下載本文

譜搬移到高頻處才能在信道中傳輸,相應地,在接收端必須經過解調過程,才能恢復數字基帶信號。我們把這種包括了調制和解調過程的傳輸系統稱為數字載波傳輸系統。數字基帶傳輸系統的模型如圖 1-1 所示,它主要包括碼型變換器、發送濾波器、信道、接收濾波器、均衡器和取樣判決器等部分。

1.3 數字基帶信號

1.3.1 數字基帶信號的要求

不同形式的數字基帶信號(又稱為碼型)具有不同的頻譜結構,為適應信道的傳輸特性及接收端再生、恢復數字基帶信號的需要,必須合理地設計數字基帶信號,即選擇合適的信號碼型。適合于在有線信道中傳輸的數字基帶信號形式稱為線路傳輸碼型。一般來說,選擇數字基帶信號碼型時,應遵循以下基本原則:

(1) 數字基帶信號應不含有直流分量,且低頻及高頻分量也應盡量的少。在基帶傳輸系統中,往往存在著隔直電容及耦合變壓器,不利于直流及低頻分量的傳輸。此外,高頻分量的衰減隨傳輸距離的增加會快速地增大,另一方面,過多的高頻分量還會引起話路之間的串擾,因此希望數字基帶信號中的高頻分量也要盡量的少。

(2) 數字基帶信號中應含有足夠大的定時信息分量。基帶傳輸系統在接收端進行取樣、判決、再生原始數字基帶信號時,必須有取樣定時脈沖。一般來說,這種定時脈沖信號是從數字基帶信號中直接提取的。這就要求數字基帶信號中含有或經過簡單處理后含有定時脈沖信號的線譜分量,以便同步電路提取。實際經驗告訴我們,所傳輸的信號中不僅要有定時分量,而且定時分量還必須具有足夠大的能量,才能保證同步提取電路穩定可靠的工作。

(3) 基帶傳輸的信號碼型應對任何信源具有透明性,即與信源的統計特性無關。這一點也是為了便于定時信息的提取而提出的。信源的編碼序列中,有時候會出現長時間連―0‖的情況,這使接收端在較長的時間段內無信號,因而同步提取電路無法工作。為避免出現這種現象,基帶傳輸碼型必須保證在任何情況下都能使序列中―1‖和―0‖出現的概率基本相同,且不出現長連―1‖或―0‖的情況。當然,這要通過碼型變換過程來實現。碼型變換實際上是把數字信息用電脈沖信號重新表示的過程。此外,選擇的基帶傳輸信號碼型還應有利于提高系統的傳輸效率;具有較強的抗噪聲和碼間串擾的能力及自檢能力。實際系統中常常根據通信

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距離和傳輸方式等不同的要求,選擇合適的基帶碼型。 1.3.2 數字基帶信號

對不同的數字基帶傳輸系統,應根據不同的信道特性及系統指標要求,選擇不同的數字脈沖波形。原則上可選擇任意形狀的脈沖作為基帶信號波形,如矩形脈沖、三角波、高斯脈沖及升余弦脈沖等。但實際系統常用的數字波形是矩形脈沖,這是由于矩形脈沖易于產生和處理。下面我們就以矩形脈沖為例,介紹常用的幾種數字基帶信號波形。

(1).單極性波形(NRZ)

(2)雙極性波形 單極性歸零波形(RZ) (3)雙極性歸零波形

(4) 差分波形(相對碼波形) 1.3.3 常用的基帶傳輸碼型

前面提到,為滿足基帶傳輸系統的特性要求,必須選擇合適的傳輸碼型。基帶傳輸系統中常用的線路傳輸型碼主要有:傳號交替反轉碼---AMI 碼、三階高密度雙極性碼--- 3 HDB碼、分相碼---Manchester 碼、傳號反轉碼---CMI 碼以及4B3T 碼等。下面我們詳細地介紹這些碼型。 1、傳號交替反轉碼---AMI 碼

(AMI Alternate Mark Inversion)碼又稱為平衡對稱碼。這種碼的編碼規則是:把碼元序列中的―1‖碼變為極性交替變化的傳輸碼1、-1、1、-1、…,而碼元序列中的―0‖碼保持不變。

例如: 碼元序列: 1 00 1 1 0 1 0 1 1 1 1 00 AMI碼: 1 00-110-101-11-100

由AMI 碼的編碼規則可以看出,由于1和-1各占一半,因此,這種碼中無直流分量,且其低頻和高頻分量也較少,信號的能量主要集中在2 T f 處,其中Tf 為碼元速率。此外,AMI 碼編碼過程中,將一個二進制符號變成了一個三進制符號,即這種碼脈沖有三種電平,因此我們把這種碼稱為偽三電平碼,也稱為1B/1T 碼型。AMI碼除了上述特點外,還有編譯碼電路簡單及便于觀察誤碼情況等優點。但是AMI碼有一個重要的缺陷,就是當碼元序列中出現長連―0‖時,會造成提取定時信號的困難,因而實際系統中常采用AMI 碼的改進型 HDB3碼。

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2、 HDB3 碼

HDB3 (High Density Bipolar 3)是三階高密度雙極性碼,它是為了克服傳輸波形中出現長連―0‖碼情況而設計的AMI 碼的改進型。

HDB3 碼的編碼規則是:1把碼元序列進行AMI 編碼,然后去檢查AMI 碼中連0 的個數,如果沒有四個以上(包括四個)連0 串時,則這時的AMI 碼就是3 HDB 碼。2如果出現四個以上連0 串時,則將每4 個連0 小段的第4 個0變成與其前一個非0 碼(1 或-1)相同的碼。顯然,這個碼破壞了―極性交替反轉‖的規則,因而稱其為破壞碼,用符號V 表示(即1 記為V, 記為-V) -1 。3為了使附加V 碼后的序列中仍不含直流分量,必須保證相鄰的V 碼極性交替。這一點,當相鄰的V 碼之間有奇數個非0 碼時,是能得到保證的;但當相鄰的V 碼之間有偶數個非0 碼時,則得不到保證。這時再將該連0 小段中的第1 個0 變成B 或-B,B 的極性與其前一個非0 碼相反,并讓后面的非零碼從V 碼后開始再極性交替變化。

例如: 碼元序列: 1 0000 1 0 1 0 0 0 0 1 000 0 1 1 AMI 碼: 1 0000 -1 0 1 0 0 0 0 –1 000 0 1–1 HDB3 碼: 1 000V -1 0 1 -B00-V 1 000V -1 1

上例中,第1個V碼和第2個V碼之間,有2個非0 碼(偶數),故將第2個4 連0小段中的第1個0變成-B;第2個V碼和第3個V碼之間,有1個非0碼(奇數),不需變化。最后可看出, HDB3 碼中,V碼與其前一個非0碼(1 或-1)極性相同,起破壞作用;相鄰的V碼極性交替;除V碼外,包括B碼在內的所有非0碼極性交替。

雖然HDB3 碼的編碼規則比較復雜,但譯碼卻比較簡單。從編碼過程中可以看出,每一個V碼總是與其前一個非0碼(包括B碼在內)同極性,因此從收到的碼序列中可以很容易地找到破壞點V碼,于是可斷定V碼及其前3個碼都為0碼,再將所有的-1變為1后,便可恢復原始信息代碼。

HDB3碼的特點是明顯的,它既保留AMI碼無直流分量,便于直接傳輸的優點,又克服了長連0串(連0的個數最多3個)的出現,HDB3 碼的頻譜中既消除了直流和甚低頻分量,又消除了方波中的高頻分量,非常適合基帶傳輸系統的特性要求。因此,HDB3碼是目前實際系統中應用最廣泛的碼型。雖然HDB3

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碼比AMI 碼的性能更好,但它仍屬于1B/1T 碼型。

(3)曼徹斯特Manchester碼

曼徹斯特碼又稱數字雙相碼或分相碼,曼徹斯特碼用一個周期的方波來代表碼元―1‖,而用它的反相波形來代表碼元―0‖。這種碼在每個碼元的中心部位都發生電平跳變,因此有利于定時同步信號的提取,而且定時分量的大小不受信源統計特性的影響。曼徹斯特碼中,由于正負脈沖各占一半,因此無直流分量,但這種碼占用的頻帶增加了一倍。曼徹斯特碼適合在較短距離的同軸電纜信道上傳輸。

(4)CMI 碼 CMI 碼稱為傳號反轉碼。

在CMI 碼中,―1‖碼(傳號)交替地用正、負電平脈沖來表示,而―0‖碼則用固定相位的一個周期方波表示,CMI 碼和曼徹斯特碼相似,不含有直流分量,且易于提取同步信號。CMI 碼的另一個特點是具有一定的誤碼檢測能力。這是因為,CMI 碼中的―1‖碼相當于用交替的―00‖和―11‖兩位碼組表示,而―0‖碼則固定地用―01‖ 碼組表示。正常情況下,序列中不會出現―10‖碼組,且―00‖和―11‖碼組連續出現的情況也不會發生,這種相關性可以用來檢測因干擾而產生的部分錯碼。根據原CCITT 的建議,CMI碼可用作脈沖編碼調制四次群的接口碼型以及速率低于8448 kb / s的光纖數字傳輸系統中的線路傳輸碼型。此外,CMI 碼和曼徹斯特碼一樣都是將一位二進制碼用一組兩位二進制碼表示,因此稱其為1B2B 碼。

(5)4 B/3T 碼4B/3T 碼是1B/1T 碼的改進型

它把4 個二進制碼元變換為3 個三進制碼元。顯然,在相同信息速率的條件下,4B/3T 碼的碼元傳輸速率要比1B/1T 碼的低,因而提高了系統的傳輸效率。 4B/3T 碼的變換過程中需要同步信號,變換電路比較復雜,故一般較少采用。 1)常見的基帶信號波形有:單極性波形、雙極性波形、單極性歸零波形和雙極性歸零波形。雙極性波形可用正負電平的脈沖分別表示二進制碼―1‖和―0‖,故當―1‖和―O‖等概率出現時無直流分量,有利于在信道中傳輸,且在接收端恢復信號的判決電平為零,抗干擾能力較強。而單極性波形的極性單一,雖然易于用TTL,CMOS電路產生,但直流分量大,要求傳輸線路具有直流傳輸能力,不利于信道傳輸。

2)歸零信號的占空比小于1,即:電脈沖寬度小于碼元寬度,每個有電脈

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沖在小于碼元長度內總要回到零電平,這樣的波形有利于同步脈沖的提取。

3)基于以上考慮采用雙極性歸零碼——曼徹斯特碼作為基帶信號[2]。

1.4 基帶系統的理論分析

1.4.1 基帶系統傳輸模型及工作原理如圖1-4所示:

圖1-4 基帶系統傳輸模型

1)系統總的傳輸特性為H(ω),n(t)是信道中的噪聲。

2)基帶系統的工作原理:信源是不經過調制解調的數字基帶信號,信源在發送端經過發送濾波器形成適合信道傳輸的碼型,經過含有加性噪聲的有線信道后,在接收端通過接收濾波器的濾波去噪,由抽樣判決器進一步去噪恢復基帶信號,從而完成基帶信號的傳輸。

1.4.2 基帶系統設計中的碼間干擾及噪聲干擾

碼間干擾及噪聲干擾將造成基帶系統傳輸誤碼率的提升,影響基帶系統工作性能。

1.4.3 碼間干擾及解決方案

碼間干擾:由于基帶信號受信道傳輸時延的影響,信號波形將被延遲從而擴展到下一碼元,形成碼間干擾,造成系統誤碼。 解決方案:

基帶系統的系統函數H(ω)應具有升余弦滾降特性。如圖1-5所示。這樣對應的h(t)拖尾收斂速度快,能夠減小抽樣時刻對其他信號的影響即減小碼間干擾。

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