通信原理(4)—— 數字基帶傳輸系統

數字基帶傳輸系統

• 數字：狀態可數、取值離散

• 基帶：零頻附近、未經載波調製

• 研究：①如何設計基帶信號；②如何降低碼間干擾；③如何減小信道噪聲。

  誤碼原因：碼間干擾（ISI）、信道噪聲n(t)。

• 內容主線：基帶信號—無ISI特性—抗噪性能—眼圖—優化措施

• 學習策略：

  • 數字信號的特徵：取值離散、狀態可數；
  • 特有的接收方式：抽樣、判決、再生。

一. 數字基帶信號

1. 基本碼型

• 數字基帶信號s(t)：信息碼元序列的電脈衝表示。碼元即二進制碼元_{1bit的分組或M進制碼元}kbit的分組。

  碼元持續時間爲T_B。

• 六種基本碼型：（單/雙極性、絕對/相對、二進制/多進制）

  • 單極性NRZ（1 0表示）/ 雙極性NRZ（1 -1表示，抗噪聲技能優於單NRZ）

  • 單歸零碼RZ（存在佔空比，歸零的目的是產生位定時信息）/ 雙RZ——前幾種爲絕對碼元，各碼元無關

  • 差分：前後碼元相關，稱爲相對波形。用相鄰碼元電平的跳變或不變表示信息。（異或）

    優點：消除設備初始狀態不確定性帶來的影響。——前幾種全是二進制。

  • 多電平：實現M進制碼元，用於高速數據的傳輸系統。

2. 基本信號的頻譜特性——功率譜

• 目的：瞭解信號帶寬。瞭解位定時分量、直流分量等。
• 方法：相關函數與功率譜密度是一對傅里葉變換。
• 思路：將數字信號分解爲交變波和穩定波，再進行功率譜疊加。
• 功率譜特點:
  • 非歸零信號，無定時分量
  • 單極性歸零信號，有定時分量、直流分量
  • 等概的雙極性信號，無離散譜
  • 非歸零帶寬 （f=1/t，t爲碼元長度）是 佔空比爲1/2的歸零（t爲碼元長度的1/2）帶寬的二分之一
  • 零頻附近，功率譜值較大
  • 不適合在低頻特性差的信道使用，出現連0或者連1時不利於獲取定時信息

二. 選碼原則和傳輸碼型

1. 設計和選碼原則

• 無直流分量，且低頻成分小；
• 定時信息分佈；
• 高頻分量小，即功率譜主瓣寬度窄；
• 不受信源統計特性的影響（透明性）；
• 有自檢能力；
• 編譯碼簡單。

2. 常用的傳輸碼型

（1）AMI碼（傳輸交替反轉碼）

• 編碼規則：1—— +1、-1交替，0—— 0。
• 優點：無直流，高、低頻分量少；電路簡單；自檢能力。
• 缺點：信碼有長連零串時，難以獲取定時信息。
• 應用：PCM 24路基羣（北美系列）的線路碼型。

（2）HDB₃碼（3階高密度雙極性碼）

• 編碼規則：連0個數不超過3，按AMI規則；連0個數超過3，第4個0改爲非0（V₊或V_-）。

  V 破壞脈衝； B 調節脈衝。

• 舉例：信碼：1000 100 1000 0 1000 0 1100 00 11

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

• 優點：無直流，高、低頻分量少；自檢能力（連0碼限制在3個以內，有利於位定時信號的提取）。

• 缺點：編譯碼電路比較難。

• 應用：A律PCM 四次羣以下的線路接口碼型。

• 譯碼：尋找破壞點。

（3）雙向碼 曼徹斯特碼（Manchester）

• 編碼規則：1—— 10，0—— 01。
• 特點：
  • 二電平（極性相反）；無直流分量；
  • 定時信息豐富；編譯碼電路簡單；
  • 連碼個數不超過2個——用於檢錯。
• 缺點：帶寬比原信碼大1倍。

（4）CMI碼 傳號反轉碼

• 編碼規則：1—— 11、00交替，0—— 01。
• 特點：
  • 二電平；無直流分量；定時信息；電路簡單；
  • 連碼個數不超過3個——用於檢錯。
• 應用：A律PCM 四次羣的線路接口碼型；速率低於8.448Mb/s的光纜傳輸系統中。

總結：

• 雙向碼、CMI碼——1B2B碼
• AMI碼、HDB₃——1B1T碼

（5）nBmB碼(m>n)——1B/2B碼的改進型

• 編碼規則：n位二進制碼（原信碼組）變成 m位二進制碼（新碼組）；

  ​ 從2^m種中選出許用碼組，其餘爲禁用碼組。

• 優點：可提供良好的同步和檢錯功能

• 代價：所需的傳輸帶寬隨m增加；

• 選擇：m=n+1，如1B2B, 4B5B, 5B6B碼…。

三. 無ISI基帶傳輸特性

1. 碼間串擾ISI（Inter-Symbol Interference）

2. 奈奎斯特准則

無ISI的時域條件

含義：本碼元時刻有值；其他碼元抽樣時刻均爲0。

3. 理想低通特性

存在問題：特性陡峭，不易實現；響應曲線尾部收斂慢，擺幅大，對定時要求嚴格。

解決方案：在基帶傳輸特性H(w)的f_N處按奇對稱條件進行“圓滑滾降”——餘弦滾降特性。

四. 眼圖

• 成因：示波器的餘暉作用，多個碼元波形重疊顯現。
• 作用：反映ISI的大小和噪聲的強弱，從而估計系統性能的優劣；還可指示接收濾波器的調製，以減小ISI。
  • 眼睛長開的大小反映了ISI的強弱；
  • 眼睛大、線跡細且眼圖端正，表示ISI小；反之ISI大。
  • 有噪聲存在時，線跡模糊。
• 眼圖模型
  • 最佳抽樣時刻：眼睛張開最大的時刻。
  • 定時誤差靈敏度：用眼眶的斜率表示，斜率越大越靈敏。
  • 抽樣失真：抽樣時刻上陰影的垂直高度，受噪聲干擾的畸變程度，越細越好。
  • 判決門限電平：眼軸中央的橫軸位置。
  • 噪聲容限：眼圖高度（抽樣時刻峯峯值）的一半。
  • 過零點失真：零點位置的變化範圍。

五. 改善系統性能的措施

1. 均衡技術

• 目的：減小碼間串擾ISI
• 方法：頻域均衡 和 時域均衡（求均衡器的抽頭係數）

2. 部分響應技術

• 設計目標：

  • 提高頻帶利用率
  • 改善頻譜特性，壓縮傳輸頻帶
  • 加快響應波形尾部的衰減，降低對定時的要求

• 設計思想：通過相關編碼有控制的在某些抽樣時刻引入碼間串擾ISI。

  因爲引入的ISI是確知的某種規則，所以接收端可以根據規則剔除ISI。