第5章-物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)(曾憲武)LXX20147

第5章數(shù)字基帶傳輸5.1數(shù)字基帶信號(hào)的波形與編碼原則5.2數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)本章小結(jié)

5.1數(shù)字基帶信號(hào)的波形與編碼原則

5.1.1數(shù)字基帶信號(hào)的波形

1.單極性碼

單極性碼也稱不歸零(NotReturnZero，NRZ）碼，是由單極性矩形脈沖所形成的波形。它是一種最簡(jiǎn)單的基帶數(shù)據(jù)信號(hào)，用脈沖的有、無來表示二進(jìn)制碼的“1”和“0”。它的

特點(diǎn)是脈沖極性單一，有直流成分，脈沖寬度等于碼元寬度。其波形如圖5.1.1(a)所示。

2.雙極性碼

雙極性碼是由雙極性脈沖形成的。脈沖的正、負(fù)分別對(duì)應(yīng)二進(jìn)制碼的“1”和“0”。該碼型信號(hào)的特點(diǎn)是電平均值為零，無直流分量，接收端的判決門限也為零，具有良好的抗干擾

性能，廣泛應(yīng)用于基帶傳輸系統(tǒng)。其波形如圖5.1.1(b)所示。

4.雙極性歸零碼

雙極性歸零碼是用正負(fù)脈沖分別代表二進(jìn)制的“1”和“0”，脈沖的寬度小于碼元的寬度，小于碼元寬度的其余部分要回到零電平，該碼型有利于接收端同步時(shí)鐘的提取。其波形

如圖5.1.1(d)所示。圖5.1.1常見基帶信號(hào)波形圖

5.差分編碼

差分編碼也叫相對(duì)脈沖碼。它不是用脈沖本身的電平代表二進(jìn)制碼“1”和“0”的，而是用脈沖波形的變化來表示碼元取值的。其波形如圖5.1.1(e)所示。對(duì)于差分編碼，其變化的波形與差分編碼輸出脈沖bn及原輸入脈沖an有關(guān)，可用式(5.1.1)來表示，其編碼電路原理圖如圖5.1.2所示。圖中，T表示一個(gè)碼元延時(shí)的延時(shí)器。

(mod2)(5.1.1)

差分編碼的解碼公式為

(mod2)(5.1.2)

多電平碼(或多進(jìn)制碼)是由其取值來代表多位碼元的。如4種電平脈沖，每種代表了lbM=lb4=2位碼元，如圖5.1.1(f)所示，－3V代表00，－1V代表01，+1V代表10，+3V代表11。這種碼型脈沖一般在高速數(shù)據(jù)中來壓縮數(shù)據(jù)率，以提高系統(tǒng)的帶寬利用率。圖5.1.2差分編/解碼電路5.1.2數(shù)字基帶信號(hào)的編碼原則

對(duì)于基帶傳輸信號(hào)，其編碼應(yīng)滿足如下基本要求：

（1）有利于提高系統(tǒng)的頻帶利用率。基帶信號(hào)的編碼應(yīng)盡量使頻帶減小，使數(shù)字信號(hào)編碼后的數(shù)字信號(hào)數(shù)量盡量降低，這樣可以使傳輸系統(tǒng)的信息傳輸效率提高。有些數(shù)字信號(hào)碼型經(jīng)變換后，其信號(hào)的能量集中在1/2數(shù)碼率附近，經(jīng)過部分相應(yīng)編碼的信號(hào)可頻帶利用率達(dá)到基帶信號(hào)傳輸?shù)臉O限2（b/s）/Hz，且消除了碼間干擾。

（2）基帶數(shù)字信號(hào)應(yīng)具有盡量小的直流分量，使帶寬盡量集中在中頻部分。

在傳輸系統(tǒng)中，設(shè)備一般要應(yīng)用一些變壓耦合器，該器件具有隔直流、通交流的特性，如果信號(hào)中含有的直流成分較多或頻率過低，則傳輸?shù)男盘?hào)功率會(huì)大大減少，從而形成信號(hào)失真。另外，高頻成分過多的信號(hào)在傳輸中會(huì)出現(xiàn)串?dāng)_現(xiàn)象，將對(duì)其他路信號(hào)產(chǎn)生干擾。（3）基帶信號(hào)中應(yīng)足夠大地提取碼元同步的信號(hào)分量。

基帶信號(hào)在接收時(shí)，需進(jìn)行抽樣、判決和再生，這些都需要有定時(shí)時(shí)鐘。一般來說，這個(gè)定時(shí)時(shí)鐘是通過信號(hào)來提取的，這就要求基帶信號(hào)中應(yīng)有足夠大的提取定時(shí)時(shí)鐘的信號(hào)分量。

（4）基帶傳輸碼型應(yīng)基本上不受信源統(tǒng)計(jì)特性的影響。（5）基帶傳輸碼型應(yīng)對(duì)噪聲和碼間干擾有較強(qiáng)的抵抗能力和自檢能力。

（6）盡量降低譯碼過程引起的誤碼擴(kuò)散，以提高傳輸能力。

5.2數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)

5.2.1數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)概述

基帶傳輸系統(tǒng)主要由波形變換器、發(fā)送濾波器、信道、匹配濾波器、均衡器和抽樣判決器等構(gòu)成，如圖5.2.1所示。

圖5.2.1基帶傳輸系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖基帶傳輸系統(tǒng)的輸入信號(hào)是一個(gè)脈沖序列，通常是單極性的脈沖序列(NRZ，不歸零碼），為了使這種序列適合于信道的傳輸，一般要經(jīng)過波形變換器進(jìn)行碼型變換和波形變換。碼型變換的主要作用是將二進(jìn)制脈沖序列變?yōu)殡p極性碼（如AMI碼或HDB3碼），有時(shí)還要進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟ㄐ巫儞Q，以減少碼間干擾。當(dāng)信號(hào)通過信道時(shí)，信號(hào)還要收到噪聲的影響而使信號(hào)產(chǎn)生畸變。在接收端，為了減小加性噪聲的影響，要使用匹配濾波器、均衡器來補(bǔ)償碼間干擾和加性噪聲對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的畸變，以盡量修正發(fā)送的原始基帶信號(hào)，最后經(jīng)過抽樣判決恢復(fù)出發(fā)送端發(fā)送的基帶信號(hào)。由于基帶傳輸系統(tǒng)的信道的傳輸帶寬是有限的，因此一個(gè)基帶傳輸系統(tǒng)可以看做是一個(gè)頻帶受限的傳輸系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱為帶限系統(tǒng)。帶限系統(tǒng)對(duì)所傳輸?shù)拿}沖信號(hào)有影響，一個(gè)寬度為Ts的矩形脈沖通過帶限系統(tǒng)后，脈沖信號(hào)將發(fā)生畸變，如圖5.2.2所示。圖5.2.2帶限系統(tǒng)對(duì)脈沖信號(hào)的影響及碼間干擾帶限系統(tǒng)對(duì)脈沖信號(hào)的畸變主要是由帶限系統(tǒng)的頻率特性所產(chǎn)生的。我們知道，線性系統(tǒng)的輸出信號(hào)的頻域函數(shù)是輸入信號(hào)的頻域函數(shù)與線性系統(tǒng)的頻域傳輸函數(shù)的乘積，由于

帶限系的頻域傳輸函數(shù)和脈沖信號(hào)的頻域函數(shù)均是一sinxt／xt

形式的，因此兩者的乘積就是一非線性的頻域函數(shù)，通過傅里葉反變換后得到的時(shí)域函數(shù)一定是有拖尾的、畸變的脈沖波形，同時(shí)由于多個(gè)拖尾的疊加，將會(huì)產(chǎn)生碼間干擾。5.2.2均衡技術(shù)

1.傳輸系統(tǒng)無失真的條件

設(shè)輸入信號(hào)x(t)通過線性系統(tǒng)H(ω)后輸出信號(hào)y(t)。如果要求輸出信號(hào)不失真，則y(t)的波形應(yīng)與x(t)的波形完全相同，僅在幅度上有大小之別，在時(shí)間上有一固定的延遲，即滿足

y(t)=Kx(t－τ)

(5.2.1)滿足式(5.2.1)的線性系統(tǒng)H(ω)就是信號(hào)傳輸不失真的條件。對(duì)式(5.2.1)兩邊進(jìn)行傅里葉變換，則有

Y(ω)=KX(ω)e－jωτ

即（5.2.2）可見，當(dāng)信號(hào)傳輸不失真時(shí)，線性系統(tǒng)的傳輸函數(shù)H(ω)的幅頻特性是一條平行于頻率軸、高度為K的直線，相位特性是一條斜率為τ的直線。其幅頻和相位特性曲線如圖5.2.3

所示。它是一個(gè)理想的系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)在實(shí)際工程中是不存在的。圖5.2.3幅頻和相位特性曲線一般來說，信道是隨頻率而變化的函數(shù)，信道對(duì)信號(hào)的不同頻率成分的衰耗是不同的，并且對(duì)不同頻率成分的衰耗幅度也不同；同樣，信道對(duì)信號(hào)時(shí)延的影響也同幅度的影響一樣。這樣，信道便形成了一個(gè)對(duì)信號(hào)不同頻率成分的衰減曲線和對(duì)時(shí)延的相頻曲線，如圖5.2.4所示。圖5.2.4幅頻衰減和相頻曲線

2.頻域均衡器

在接收端，采用頻域均衡器可以補(bǔ)償由于信道的幅頻特性和相頻特性對(duì)傳輸信號(hào)的影響。頻域均衡補(bǔ)償原理如圖5.2.5所示。

通過均衡器的補(bǔ)償，使得幅頻特性曲線變得平坦，即信道對(duì)信號(hào)的各頻率成分的衰耗一致；通過相位補(bǔ)償，使時(shí)延特性盡量接近理想系統(tǒng)的相頻特性。圖5.2.5頻域均衡補(bǔ)償原理圖

3.時(shí)域均衡

頻域均衡對(duì)信道特性不變，且僅傳輸?shù)退贁?shù)字信號(hào)時(shí)，其傳輸效果較理想。但在信道特性不斷變化及傳輸高速數(shù)字信號(hào)時(shí)，由于產(chǎn)生較強(qiáng)的碼間干擾，其傳輸效果不理想，因此需要采用時(shí)域均衡的方法來減少碼間干擾，降低誤碼率，提高傳輸質(zhì)量。

時(shí)域均衡的原理是利用均衡器產(chǎn)生的相應(yīng)波形去補(bǔ)償畸變的波形，并在最后通過抽樣判決來最有效地消除碼間干擾。時(shí)域均衡器由橫向?yàn)V波器構(gòu)成，橫向?yàn)V波器是具有固定延遲間隔、增益可調(diào)的多抽頭濾波器，如圖5.2.6所示。圖5.2.6時(shí)域均衡器結(jié)構(gòu)原理圖顯然，時(shí)域均衡器的輸入和輸出之間有如下關(guān)系：通過調(diào)整抽頭增益ci，可使得(5.2.3)(5.2.4)達(dá)到最小，從而消除碼間干擾，提高傳輸質(zhì)量。5.2.3眼圖

為了便于理解，先不考慮噪聲的影響。在無噪聲的情況下，一個(gè)二進(jìn)制基帶系統(tǒng)將在接收濾波器輸出端得到一個(gè)基帶脈沖序列。如果基帶傳輸特性是無碼間干擾的，則將得到一個(gè)如圖5.2.7(a)所示的波形;如果基帶傳輸是有碼間干擾的，則得到如圖5.2.7(b)的波形?，F(xiàn)用示波器觀察圖5.2.7(a)所示的波形，并將示波器掃描周期調(diào)整到碼元周期，這時(shí)每個(gè)碼元將重疊在一起，雖然波形不是周期的，但由于熒光屏的余暉作用，仍將若干碼元重

復(fù)顯示在熒光屏上。顯然，由于圖5.2.7(a)所示的波形無碼間干擾，因而重復(fù)顯示的波形相互重疊，故而顯示器的圖像線跡清晰，如圖5.2.7(c)所示。圖5.2.7基帶信號(hào)波形與眼圖當(dāng)觀察圖5.2.7(b)所示的波形時(shí)，由于存在碼間干擾，示波器的掃描跡線就不能完全重合，于是形成的跡線也不清晰，如圖5.2.7(d)所示。從圖5.2.7(c)及圖5.2.7(d)可以看到，當(dāng)波形無碼間干擾時(shí)，眼圖像一只睜開的眼睛，并且，眼圖中央的垂直線表示最佳的抽樣時(shí)刻，信號(hào)取值為±1，眼圖中央的橫軸位置為最佳判決門限電平。當(dāng)波形存在碼間干擾時(shí)，在抽樣時(shí)刻得到的信號(hào)取值不再等于±1，而分布在比1小或比－1大的附近，因此眼圖將部分閉合。由此可見，眼圖的“眼睛”睜開的大小反映著碼間干擾的強(qiáng)弱。當(dāng)存在噪聲時(shí)，噪聲疊加在信號(hào)上，因而眼圖的跡線更不清晰。該眼圖并不能觀察到隨機(jī)噪聲的全部形態(tài)，僅能大體估計(jì)噪聲的強(qiáng)弱。

為了說明眼圖和系統(tǒng)性能之間的關(guān)系，把眼圖簡(jiǎn)化為如圖5.2.8所示的模型。圖5.2.8眼圖模型衡量眼圖的性能指標(biāo)有以下幾個(gè)參數(shù)：

（1）眼圖開啟度。

式中，U=U++U－，是指在最佳抽樣時(shí)刻該眼圖張開最大的程度，無畸變眼圖的開啟程度為100%。

（2）眼皮厚度?！把燮ぁ焙穸仁侵冈谧罴殉闃狱c(diǎn)處眼圖幅度的閉合部分與最大幅度之比，無畸變眼圖的“眼皮”厚度為零。

（3）交叉點(diǎn)發(fā)散度。 交叉點(diǎn)發(fā)散度是指眼圖波形過零點(diǎn)交叉線的發(fā)散程度。無畸變眼圖的交叉線的發(fā)散程度為零。（4）正、負(fù)極性不對(duì)稱度。正、負(fù)極性

不對(duì)稱度是指在最佳抽樣點(diǎn)處眼圖正、負(fù)幅度不對(duì)稱的程度。無畸變眼圖的正、負(fù)極性不對(duì)稱度為零。

（5）定時(shí)誤差靈敏度。定時(shí)誤差靈敏度由眼圖斜邊的斜率決定，斜率越大，定時(shí)誤差就越靈敏。

眼圖陰影區(qū)的垂直高度（眼皮厚）表示信號(hào)畸變范圍。在抽樣時(shí)刻，上下兩陰影的間隔的一半為噪聲容限，若噪聲的瞬時(shí)值超過該容限，則可能發(fā)生誤判。本章小結(jié)

所謂基帶信號(hào)，是指把消息變換為二進(jìn)制（或多進(jìn)制）的脈沖序列的信號(hào)，將消息變?yōu)槊}沖序列的過程稱為基帶變換。一般來說，基帶信號(hào)的帶寬相當(dāng)寬，為了使基帶信號(hào)能有效地在信道中傳輸，需對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q，這種變換稱為頻帶變換，它對(duì)應(yīng)于第二類變換。傳輸基帶信號(hào)的系統(tǒng)稱為基帶傳輸系統(tǒng)。數(shù)字脈沖信號(hào)的波形與傳輸信道的特性及基帶傳輸系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)有著密切的關(guān)系，不同的波形適應(yīng)于不同的傳輸系統(tǒng)和信道。由于矩形脈沖易于形成和變換，因此常用的數(shù)字脈沖的波形均是矩形脈沖。常用的碼型有單極性碼、雙極性碼、單極性歸零碼、雙極性歸零碼、差分編碼等。對(duì)于基帶傳輸信號(hào)，其編碼應(yīng)滿足有利于提高系統(tǒng)的頻帶利用率，基帶數(shù)字信號(hào)應(yīng)具有盡量小的直流分量，使帶寬盡量集中在中頻部分，基帶信號(hào)中應(yīng)足夠大地提取碼元同步的信號(hào)分量，基帶傳輸碼型應(yīng)基本上不受信源統(tǒng)計(jì)特性的影響，基帶傳輸碼型應(yīng)對(duì)噪聲和碼間干擾有較強(qiáng)的抵抗能力和自檢能力，以及盡量降低譯碼過程引起的