第五章數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)

1、 重慶工程學院教案課程名稱： 數(shù)字通信技術 課程代碼： 201303011 任課教師： 張洪梅 授課班級： 1301001、1303201 授課時間： 20142015學年第1學期 重慶工程學院教案周課次第9周 第18次課學時2學時教學地點第六教學樓113教學任務名稱數(shù)字基帶信號教學目標【含知識、技能、素養(yǎng)目標】掌握數(shù)字基帶信號的基本概念教學條件多媒體教學教學重點數(shù)字基帶信號概念教學難點數(shù)字基帶信號概念主要教學環(huán)節(jié)、方法及內容設計時間（分）一、從基帶和頻帶的對比中引入基帶的概念 基帶信號是未經過調制的信號，所以它傳輸?shù)木嚯x比頻帶傳輸?shù)木嚯x短。同時存在很多干擾，它通過少量低通帶通濾波器?；鶐盘?/p>

2、未經過調制，所以實現(xiàn)起來電路簡單，便于實現(xiàn)。二、數(shù)字基帶信號的常用碼型 數(shù)字基帶信號都是用攜帶信息的電脈沖來表示的。表示單個數(shù)字信息或碼元的電脈沖形狀稱為波形，如矩形波、三角波、升余弦波等。表示數(shù)字信息序列或碼元序列的電脈沖格式稱為碼型，如單極性歸零碼、雙極性非歸零碼等。在有線信道中傳輸?shù)幕鶐盘栍址Q為線路傳輸碼型，即傳輸碼。 為了適應信道傳輸特性和恢復數(shù)字信號的需要，數(shù)字基帶信號應具有下列主要特性： （1）能從其相應的基帶信號中獲取定時信息。 （2）相應的基帶信號無直流成分，并只有很小的低頻成分。 （3）不受信息源統(tǒng)計特性的影響，即能夠適應信息源的變化。 （4）盡可能地提高傳輸碼型的傳輸效率

3、。 （5）具有內在的檢錯能力，等等。數(shù)字基帶信號的常見碼型：單極性非歸零碼、雙極性非歸零碼、單極性歸零碼、雙極性歸零碼、差分碼等。 三、常用碼型1單極性非歸零（NRZ）碼為單極性非歸零碼實例，它是一種最簡單的碼型，分別用占滿一個碼元周期的正電平（或負電平）和零電平來表示“1”和“0”。在表示一個碼元時，電壓均無需回到零，故稱為非歸零碼。接收端對這種電平的判決是由識別電路來完成的，識別電路由限幅整形器和抽樣判決器組成。限幅整形器是把接收信號整理成“近似的方波”，即把低于限幅門限的信號變成零電平，而把高于限幅門限的信號變成有電脈沖。顯然，最佳門限電平應選擇為脈沖幅度的一半。缺點：在信號隨信道特性變

4、化時，難以保持最佳門限；在輸入為連“1”或連“0”碼時，難以提取位同步信息。 2雙極性非歸零（NRZ）碼雙極性NRZ碼中，“1”和“0”分別對應正、負電平，如圖3-1b）。 雙極性NRZ碼現(xiàn)已在高速網絡技術中得到了應用，以前則有時作為線路碼使用。這是因為雙極性NRZ碼可以在無接地的傳輸線路上傳輸；而且當“1”和“0”等概率出現(xiàn)時，碼流中無直流分量。但當“1”和“0”出現(xiàn)概率不等時，仍含有直流分量；雙極性NRZ碼中仍不能直接提取同步信息。3單極性歸零（RZ）碼圖3-1c）為單極性歸零碼實例。這種碼型用寬度不占滿一個碼元周期的正脈沖（或負脈沖）表示“1”，用零電平表示“0”，即每個脈沖在碼元周期內

5、總要回歸到零電平。它同樣存在判決門限不易保持最佳，以及在輸入連“1”或連“0”時，難以提取位同步信息的缺點，而且它所占用的信道帶寬比單極性非歸零碼要寬。 占空比指的是脈沖寬度與碼元寬度Tb之比/Tb。單極性RZ碼的占空比為50。4雙極性歸零（RZ）碼雙極性歸零碼的構成原理與單極性歸零碼相同，如圖3-1d）。每一個碼元被分成兩個相等的間隔，“1”碼是在前一個間隔為正電平而后一個間隔回到零電平，而“0”碼則是在前一個間隔內為負電平而后一個間隔回到零電平。 雙極性RZ碼的優(yōu)點：發(fā)送端不必按固定頻率發(fā)送信號，而接收端也不必提取同步信息。因為雙極性RZ碼在傳輸線上分別用正脈沖和負脈沖表示，且相鄰脈沖間必

6、有零電平區(qū)域存在，因此，在接收端根據(jù)接收波形歸于零電平便可知道1比特信息已接收完畢，從而為下一比特信息的接收做了準備，所以在發(fā)送端不必按固定頻率發(fā)送信號。相當于正負脈沖前沿起啟動信號的作用，后沿起終止信號的作用，故能夠經常保持正確的比特同步，5差分碼差分碼利用前后碼元電平的相對極性來傳送信息，是一種相對碼。差分碼分為“0”差分碼和“1”差分碼兩種碼型?！?”差分碼是利用相鄰前后碼元電平極性改變來表示“0”，不變表示“1”?！?”差分碼則與“0”差分碼的規(guī)定相反，如圖3-1e）。對于差分碼，即使接收端收到的碼元極性與發(fā)送端完全相反，也能正確地進行判決。6. 曼徹斯特碼每一個碼元被分成高電平和低電

7、平兩部分，前一半代表碼元的值，后一半是前一半的補碼。例如，圖中的1碼，前半個碼是高電平，后半個碼元是低電平，0碼則反之。 從這個波形中可以看到，無論信碼如何分布，其高、低電平的延續(xù)時間最長不會超過一個碼元長度，因此很適合從這個信號中提取碼元同步信號。這種碼常被用作數(shù)字信令碼。 教學小結：數(shù)字基帶信號基本概念。作業(yè)布置：教學后記重慶工程學院教案周課次第10周 第19次課學時2學時教學地點第六教學樓113教學任務名稱數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的基本組成教學目標【含知識、技能、素養(yǎng)目標】了解數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的基本組成教學條件多媒體教學教學重點數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的基本組成教學難點數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的基本組成主要教學

8、環(huán)節(jié)、方法及內容設計時間（分）一、數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的基本組成1數(shù)字基帶系統(tǒng)組成框圖 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)組成：脈沖形成器、發(fā)送濾波器、信道、接收濾波器、位同步提取電路、抽樣判決器與碼元再生電路等，如圖3-6a）。 圖3-6b）為數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的簡化圖，系統(tǒng)傳輸函數(shù)H() 的表達式為： H()= GT() GR() C() 設h(t)為H()的傅氏反變換，則h(t)也是系統(tǒng)的沖激響應2數(shù)字基帶系統(tǒng)各部分功能（1） 脈沖形成器 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的輸入通常是由電傳機、計算機等終端設備送來的二進制脈沖序列，也可以是信源編碼器、加密器或信道編碼器輸出的二進制（或多進制）脈沖序列，如圖3-6中的符號集dk。

9、一般用fb表示其碼元速率，Tb1/fb為碼元寬度。二進制基帶信號脈沖一般是用正電平A表示“1”碼、0電平表示“0”碼的單極性非歸零碼，如圖3-7a）（參看教材，下同）。由前述討論得知，單極性代碼含有直流成分，不適合在基帶信道中直接傳輸。脈沖形成器的作用之一就是將輸入的脈沖序列dk變換成比較適合在給定基帶信道中傳輸?shù)南鄳a型，如圖3-7b）的雙極性碼，故脈沖形成器又稱為碼型變換器。脈沖形成器的作用之二是在進行碼型變換的同時，提供位同步定時信息，以便接收端能夠及時獲取該定時信息，保持收發(fā)雙方同步工作。 （2） 發(fā)送濾波器脈沖形成器輸出的各種碼型信號d(t)，多半都是以矩形脈沖為基礎的，由于矩形脈沖

10、邊沿陡峭，因而含有豐富的高頻分量，使得信號d(t)占用頻帶較寬，若直接送入頻帶受限的信道中傳輸，容易使信號產生失真。因此，要利用發(fā)送濾波器對脈沖形成器輸出的矩形脈沖進行平滑濾波（即低通濾波），以得到上升沿和下降沿比較平滑的脈沖波形，如圖3-7c）所示的gT(t)波形，以減少信號在信道傳輸時的失真。（3） 信道 基帶傳輸系統(tǒng)的信道通常采用電纜、架空明線等有線信道。由于信道傳輸特性的不理想以及噪聲的影響，使波形產生失真。通常認為信道中的噪聲是加性高斯白噪聲。加性高斯白噪聲是疊加在信號上的平均值為零、瞬時幅度取值的概率分布為高斯分布、功率譜密度均勻分布在整個頻率范圍內的隨機噪聲。（4） 接收濾波器

11、接收濾波器是接收端為了改善信道傳輸特性、降低噪聲對信號傳輸?shù)挠绊懚O置的。它的主要作用是濾除大量帶外噪聲，以及與發(fā)送濾波器、信道一起形成對數(shù)字信號傳輸影響盡量小的傳輸特性H(f)，以便抽樣判決器能夠正確判決。圖3-7d）畫出了接收濾波器輸出的受到信道不理想等因素影響的一種可能波形。（5） 位同步提取電路 與模擬信號的傳輸不同，數(shù)字信號的傳輸要求收發(fā)兩端一定要在時間上同步工作。發(fā)送端某一時刻發(fā)出一個碼元，接收端則在相應某一時刻（一般滯后一個固定時間），對收到的該碼元波形進行抽樣判決并再生這個碼元，收發(fā)定時脈沖使收發(fā)兩端協(xié)調一致，其中接收端的定時脈沖通常是由位同步提取電路從接受到的脈沖波形中獲取和

12、產生的。（6） 抽樣判決器和碼元再生電路 抽樣判決器的作用：對接收濾波器的輸出信號，在規(guī)定時刻（由位定時脈沖控制）進行抽樣，然后對抽樣值進行判決（即與設定的判決門限比較），以確定各碼元是“1”碼還是“0”碼。碼元再生電路的作用是對判決器輸出的“0”、“1”碼進行碼型反變換，以提供所需碼型的脈沖序列。圖3-7e）和圖3-7f）畫出了用于抽樣的同步抽樣沖激序列和碼元再生電路的輸出信號。信號傳輸過程中，由于實際信道特性不理想，并受到噪聲和干擾的影響，接收端會出現(xiàn)錯判而產生誤碼，如圖3-7f）中第四個碼元就將發(fā)送端的“1”碼錯判為“0”碼了。教學小結：數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的基本組成作業(yè)布置：教學后記重慶工

13、程學院教案周課次第10周 第20次課學時2學時教學地點第六教學樓113教學任務名稱數(shù)字基帶信號的功率譜密度教學目標【含知識、技能、素養(yǎng)目標】了解數(shù)字基帶信號的功率譜密度教學條件多媒體教學教學重點數(shù)字基帶信號的功率譜密度教學難點數(shù)字基帶信號的功率譜密度主要教學環(huán)節(jié)、方法及內容設計時間（分）一、數(shù)字基帶信號的頻譜在實際通信中，被傳送的信息是收信者事先未知的，因此數(shù)字基帶信號是隨機的脈沖序列。由于隨機信號不能用確定的時間函數(shù)表示，也就沒有確定的頻譜函數(shù)，因此只能從統(tǒng)計數(shù)學的角度，用功率譜來描述它的頻域特性。二進制隨機脈沖序列的功率譜一般包含連續(xù)譜和離散譜兩部分。連續(xù)譜總是存在，通過連續(xù)譜在頻譜上的分

14、布，可以看出信號功率在頻率上的分布情況，從而確定傳輸數(shù)字信號的帶寬。離散譜卻不一定存在，它與脈沖波形及出現(xiàn)的概率有關。而離散譜的存在與否關系到能否從脈沖序列中直接提取位定時信號，因此，離散譜的存在非常重要。如果一個二進制隨機脈沖序列的功率譜中沒有離散譜，則要設法變換基帶信號的波形（碼型）使功率譜中出現(xiàn)離散部分，以利于位定時信號的提取。教學小結：數(shù)字基帶信號的功率譜密度作業(yè)布置：教學后記重慶工程學院教案周課次第11周 第21次課學時2學時教學地點第六教學樓113教學任務名稱數(shù)字基帶信號常用碼型教學目標【含知識、技能、素養(yǎng)目標】掌握數(shù)字基帶信號的常用碼型教學條件多媒體教學教學重點數(shù)字基帶信號的常用

15、碼型教學難點數(shù)字基帶信號的常用碼型主要教學環(huán)節(jié)、方法及內容設計時間（分）一、上節(jié)課的總結引出這節(jié)課的主要內容二、數(shù)字基帶信號的常用碼型1.交替極性（AMI）碼 交替極性碼又稱為雙極方式碼、平衡對稱碼、信號交替反轉碼等。AMI碼是單極性方式的變形，即將單極性方式中的“0”碼仍與零電平對應，而“1”碼交替地變換為傳輸碼的1、1、1、1、.，如圖3-1f）所示。 AMI碼實際上是用三種電平來表示二進制信號的，故又稱為偽三元碼。 AMI碼經過全波整流變?yōu)閱螛O性RZ碼后即可提取同步信息。并具有一定的檢錯能力，如果接收端收到的碼元極性與發(fā)送端完全相反，仍能夠正確判決。碼流中無直流成分，且只有很小的低頻成分

16、，所以AMI碼特別適合在有交流耦合的信道中傳輸。但當碼流中出現(xiàn)長連“0”時，難以提取同步信息。2三階高密度雙極性（HDB3）碼 為了克服AMI碼的缺點而保持其優(yōu)點，出現(xiàn)了許多改進的AMI碼，HDB3碼就是其中具有代表性的AMI碼，也是CCITT推薦使用的碼型之一。 HDB3碼的全稱為三階高密度雙極性碼。編碼原理是：先把消息代碼變換成AMI碼，然后去檢查AMI碼的連“0”串情況，當沒有4個以上連“0”串時，則這時的AMI碼就是HDB3碼；當出現(xiàn)4個以上連“0”串時，則將每4個連“0”小段的第4個“0”變換成與其前一非“0”符號（1或1）同極性的符號。因為這樣做有可能破壞“極性交替反轉”的規(guī)律，故

17、將該符號稱為破壞符號，用V符號表示（即1記為V，1記為V）。為使附加V符號后的序列不破壞“極性交替反轉”造成的無直流特性，必須保證相鄰V符號也為極性交替。顯然，當相鄰V符號之間有奇數(shù)個非“0”符號時，是能夠保證無直流特性的；而當有偶數(shù)個非“0”符號時則得不到保證，這時，再將該小段的第一個“0”變換成B或B，而B符號的極性與前一非“0”符號的相反，并讓后面的非“0”符號從V符號開始再交替變換，如圖3-1g）。再例如： 雖然HDB3碼的編碼規(guī)則比較復雜，但譯碼比較簡單。從上述原理看出，每一個破壞符號V總是與前一非“0”符號同極性（包括B符號在內），故從收到的符號序列中可以容易地找到破壞點V，從而斷

18、定V符號及其前面的3個符號必是連“0”符號，然后恢復4個連“0”碼，再將所有1變成1，最后便得到原消息代碼。 HDB3碼除保持了AMI碼的優(yōu)點外，還增加了使連“0”串減少到至多3個的優(yōu)點，而不管信息源的統(tǒng)計特性如何。這對于同步信息的恢復十分有利。 3曼徹斯特（Manchester）碼 曼徹斯特碼又稱為分相碼或雙相碼。是對每個二進制代碼分別利用兩個具有2個不同相位的二進制新碼去取代的碼型。如“1”碼用正、負脈沖表示，“0”碼用負、正脈沖表示，如圖3-1h）。 優(yōu)點：無直流分量，最長連“0”、連“1”數(shù)為2，定時信息豐富，編譯碼電路簡單。但其碼元速率比輸入的信碼速率要高一倍。4傳號反轉（CMI）碼

19、 傳號反轉碼的編碼規(guī)則：“1”碼交替用“11”和“00”表示；“0”碼用“01”表示）。 優(yōu)點：無直流分量，且有頻繁出現(xiàn)的波形跳變，便于提取同步信息，具有誤碼監(jiān)測能力。但CMI碼存在因極性反轉而引起的譯碼錯誤問題。密勒（Miller）碼 密勒碼又稱為延遲調制碼，可看成是曼徹斯特碼的一種變形。編碼規(guī)則：“1”碼用碼元持續(xù)時間中心點出現(xiàn)躍變來表示，即用“10”或“01”來表示?！?”碼分兩種情況處理，對于單個“0”時，在碼元持續(xù)時間內不出現(xiàn)電平躍變，且與相鄰碼元的邊界處也不躍變；對于連“0”時，在兩個“0”碼的邊界處出現(xiàn)電平躍變，即“00”與“11”交替，如圖3-2。由圖可見，若兩個“1”碼中間有

20、一個“0”碼時，密勒碼流中出現(xiàn)最大寬度為2Tb（Tb為碼元周期）的波形，可以此特性來進行誤碼檢測。教學小結：數(shù)字基帶信號的常用碼型作業(yè)布置：P102 3,4教學后記重慶工程學院教案周課次第11周 第22次課學時2學時教學地點第六教學樓113教學任務名稱數(shù)字基帶信號傳輸特性與碼間干擾教學目標【含知識、技能、素養(yǎng)目標】了解數(shù)字基帶信號傳輸特性與碼間干擾教學條件多媒體教學教學重點數(shù)字基帶信號傳輸特性與碼間干擾教學難點數(shù)字基帶信號傳輸特性與碼間干擾主要教學環(huán)節(jié)、方法及內容設計時間（分）一、上節(jié)課的總結引出這節(jié)課的主要內容二、碼間串擾的消除 從數(shù)字基帶信號的傳輸過程來看，產生誤碼是因為接收端抽樣判決器的

21、錯誤判決，而造成錯誤判決的主要原因是碼間串擾和噪聲影響。 碼間串擾又稱為碼間干擾：指因數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)特性不理想引起數(shù)字基帶信號各碼元波形失真，而使前后碼元波形相互重疊，最終導致接收端抽樣判決困難的現(xiàn)象。 一般情況下，原始數(shù)字基帶信號都是矩形脈沖，它們在頻域內是無限延伸的。若直接將矩形脈沖的基帶信號送入信道傳輸，由于實際信道的頻帶有限，并產生衰耗和相移，傳輸系統(tǒng)接收端所得到的信號必定與發(fā)送端不同，波形產生失真。圖3-8a）是一 個表示“1”碼的半占空比脈沖（虛線所示脈沖為下一碼元應出現(xiàn)的位置）；圖3-8b）為“1”碼脈沖經信道傳輸后出現(xiàn)在接收端的波形，其中傳輸信道的衰耗使接收端脈沖幅度變小。傳

22、輸信道的延遲特性（相移）使接收端脈沖波峰延后。傳輸線路的帶寬有限使脈沖波形寬度加大，形成波形拖尾。其中尤以信道頻帶有限而產生的基帶信號的頻率失真是導致基帶傳輸系統(tǒng)產生碼間串擾的主要原因。 如果對接收端收到的失真波形直接進行抽樣判決，就會出現(xiàn)問題。圖3-8b）中，傳輸后波形最大值出現(xiàn)在t0時刻，而且波形展得很寬，有拖尾。對該碼元的抽樣判決時刻，應選在t=t0時刻（碼元波形最大值時刻稱為最佳抽樣時刻），而下一個碼元的判決時刻必然在t1=t0+Tb。可見，在第二個碼元的抽樣時刻t1，第一個碼元的波形并未衰減到零，這勢必會影響到第二個碼元的正常判決。實際通信中，往往都是連續(xù)不停地發(fā)送碼元波形，因此，接

23、收端在對某一碼元抽樣判決時，通常會還受到該碼元前面若干個碼元波形的共同影響，這種影響就是碼間串擾。碼間串擾的程度與抽樣時刻、碼元速率、基帶碼型和傳輸系統(tǒng)的頻率特性等因素有關，碼間串擾嚴重時將引起誤碼。在不考慮噪聲影響時，碼間串擾與誤碼的關系如圖3-9。圖中a1、a2和a3分別為前三個“1”碼在t=3Tb+t0時刻（t為接收端對第四個碼元的抽樣判決時刻，t0是第一碼元的抽樣判決時刻）產生的碼間串擾值； a4為第四個碼（“0”碼）在t=3Tbt0時刻的值。若這組碼元采用雙極性碼（正電平表示“1”、負電平表示“0”），且判決門限為零電平，則當a1+a2a3+a4<0時，判決為“0”；反之，當a

24、1+a2a3+a4>0時，判決為“1”。因此，當a1+a2a3 >時將引起錯判而產生誤碼。教學小結：碼間串擾的消除作業(yè)布置：教學后記重慶工程學院教案周課次第12周 第23次課學時2學時教學地點第六教學樓113教學任務名稱同步技術教學目標【含知識、技能、素養(yǎng)目標】了解同步傳輸和異步傳輸教學條件多媒體教學教學重點同步傳輸和異步傳輸教學難點異步傳輸主要教學環(huán)節(jié)、方法及內容設計時間（分）一、同步傳輸和異步傳輸 數(shù)據(jù)經過傳輸?shù)竭_接收點后波形發(fā)生了變化，接收端需要有一個定時脈沖對接收到的每一個碼元進行取樣判決。顯然，接收端的取樣脈沖頻率與發(fā)送端的時鐘頻率應該相同，等于碼元速率，并且相位要適當，以便在最佳判決時刻進行判決。 接收端一般有三種方法獲得碼元定時脈沖： 由一個主時鐘為收發(fā)雙方提供碼元定時脈沖，稱為主時鐘方式； 接收端從發(fā)送端獲得碼元定時脈沖，稱為引導時鐘方式； 接收端自行產生碼元定時脈沖。 前兩種方法接收端與發(fā)送端的碼元定時脈沖保持同步，相應的數(shù)據(jù)傳輸被稱為同步傳輸(Synchronous Transmission) ； 后一種方法接收端與發(fā)送端各自采用兩個互不相關的時鐘電路，不能同步，故相應的數(shù)據(jù)傳輸稱為異步傳輸(Asynchron