第5章-物联网通信技术(曾宪武)LXX20147

第5章数字基带传输5.1数字基带信号的波形与编码原则5.2数字基带传输系统本章小结

5.1数字基带信号的波形与编码原则

5.1.1数字基带信号的波形

1.单极性码

单极性码也称不归零(NotReturnZero，NRZ）码，是由单极性矩形脉冲所形成的波形。它是一种最简单的基带数据信号，用脉冲的有、无来表示二进制码的“1”和“0”。它的

特点是脉冲极性单一，有直流成分，脉冲宽度等于码元宽度。其波形如图5.1.1(a)所示。

2.双极性码

双极性码是由双极性脉冲形成的。脉冲的正、负分别对应二进制码的“1”和“0”。该码型信号的特点是电平均值为零，无直流分量，接收端的判决门限也为零，具有良好的抗干扰

性能，广泛应用于基带传输系统。其波形如图5.1.1(b)所示。

4.双极性归零码

双极性归零码是用正负脉冲分别代表二进制的“1”和“0”，脉冲的宽度小于码元的宽度，小于码元宽度的其余部分要回到零电平，该码型有利于接收端同步时钟的提取。其波形

如图5.1.1(d)所示。图5.1.1常见基带信号波形图

5.差分编码

差分编码也叫相对脉冲码。它不是用脉冲本身的电平代表二进制码“1”和“0”的，而是用脉冲波形的变化来表示码元取值的。其波形如图5.1.1(e)所示。对于差分编码，其变化的波形与差分编码输出脉冲bn及原输入脉冲an有关，可用式(5.1.1)来表示，其编码电路原理图如图5.1.2所示。图中，T表示一个码元延时的延时器。

(mod2)(5.1.1)

差分编码的解码公式为

(mod2)(5.1.2)

多电平码(或多进制码)是由其取值来代表多位码元的。如4种电平脉冲，每种代表了lbM=lb4=2位码元，如图5.1.1(f)所示，－3V代表00，－1V代表01，+1V代表10，+3V代表11。这种码型脉冲一般在高速数据中来压缩数据率，以提高系统的带宽利用率。图5.1.2差分编/解码电路5.1.2数字基带信号的编码原则

对于基带传输信号，其编码应满足如下基本要求：

（1）有利于提高系统的频带利用率。基带信号的编码应尽量使频带减小，使数字信号编码后的数字信号数量尽量降低，这样可以使传输系统的信息传输效率提高。有些数字信号码型经变换后，其信号的能量集中在1/2数码率附近，经过部分相应编码的信号可频带利用率达到基带信号传输的极限2（b/s）/Hz，且消除了码间干扰。

（2）基带数字信号应具有尽量小的直流分量，使带宽尽量集中在中频部分。

在传输系统中，设备一般要应用一些变压耦合器，该器件具有隔直流、通交流的特性，如果信号中含有的直流成分较多或频率过低，则传输的信号功率会大大减少，从而形成信号失真。另外，高频成分过多的信号在传输中会出现串扰现象，将对其他路信号产生干扰。（3）基带信号中应足够大地提取码元同步的信号分量。

基带信号在接收时，需进行抽样、判决和再生，这些都需要有定时时钟。一般来说，这个定时时钟是通过信号来提取的，这就要求基带信号中应有足够大的提取定时时钟的信号分量。

（4）基带传输码型应基本上不受信源统计特性的影响。（5）基带传输码型应对噪声和码间干扰有较强的抵抗能力和自检能力。

（6）尽量降低译码过程引起的误码扩散，以提高传输能力。

5.2数字基带传输系统

5.2.1数字基带传输系统概述

基带传输系统主要由波形变换器、发送滤波器、信道、匹配滤波器、均衡器和抽样判决器等构成，如图5.2.1所示。

图5.2.1基带传输系统的组成结构图基带传输系统的输入信号是一个脉冲序列，通常是单极性的脉冲序列(NRZ，不归零码），为了使这种序列适合于信道的传输，一般要经过波形变换器进行码型变换和波形变换。码型变换的主要作用是将二进制脉冲序列变为双极性码（如AMI码或HDB3码），有时还要进行适当的波形变换，以减少码间干扰。当信号通过信道时，信号还要收到噪声的影响而使信号产生畸变。在接收端，为了减小加性噪声的影响，要使用匹配滤波器、均衡器来补偿码间干扰和加性噪声对信号产生的畸变，以尽量修正发送的原始基带信号，最后经过抽样判决恢复出发送端发送的基带信号。由于基带传输系统的信道的传输带宽是有限的，因此一个基带传输系统可以看做是一个频带受限的传输系统，简称为带限系统。带限系统对所传输的脉冲信号有影响，一个宽度为Ts的矩形脉冲通过带限系统后，脉冲信号将发生畸变，如图5.2.2所示。图5.2.2带限系统对脉冲信号的影响及码间干扰带限系统对脉冲信号的畸变主要是由带限系统的频率特性所产生的。我们知道，线性系统的输出信号的频域函数是输入信号的频域函数与线性系统的频域传输函数的乘积，由于

带限系的频域传输函数和脉冲信号的频域函数均是一sinxt／xt

形式的，因此两者的乘积就是一非线性的频域函数，通过傅里叶反变换后得到的时域函数一定是有拖尾的、畸变的脉冲波形，同时由于多个拖尾的叠加，将会产生码间干扰。5.2.2均衡技术

1.传输系统无失真的条件

设输入信号x(t)通过线性系统H(ω)后输出信号y(t)。如果要求输出信号不失真，则y(t)的波形应与x(t)的波形完全相同，仅在幅度上有大小之别，在时间上有一固定的延迟，即满足

y(t)=Kx(t－τ)

(5.2.1)满足式(5.2.1)的线性系统H(ω)就是信号传输不失真的条件。对式(5.2.1)两边进行傅里叶变换，则有

Y(ω)=KX(ω)e－jωτ

即（5.2.2）可见，当信号传输不失真时，线性系统的传输函数H(ω)的幅频特性是一条平行于频率轴、高度为K的直线，相位特性是一条斜率为τ的直线。其幅频和相位特性曲线如图5.2.3

所示。它是一个理想的系统，这样的系统在实际工程中是不存在的。图5.2.3幅频和相位特性曲线一般来说，信道是随频率而变化的函数，信道对信号的不同频率成分的衰耗是不同的，并且对不同频率成分的衰耗幅度也不同；同样，信道对信号时延的影响也同幅度的影响一样。这样，信道便形成了一个对信号不同频率成分的衰减曲线和对时延的相频曲线，如图5.2.4所示。图5.2.4幅频衰减和相频曲线

2.频域均衡器

在接收端，采用频域均衡器可以补偿由于信道的幅频特性和相频特性对传输信号的影响。频域均衡补偿原理如图5.2.5所示。

通过均衡器的补偿，使得幅频特性曲线变得平坦，即信道对信号的各频率成分的衰耗一致；通过相位补偿，使时延特性尽量接近理想系统的相频特性。图5.2.5频域均衡补偿原理图

3.时域均衡

频域均衡对信道特性不变，且仅传输低速数字信号时，其传输效果较理想。但在信道特性不断变化及传输高速数字信号时，由于产生较强的码间干扰，其传输效果不理想，因此需要采用时域均衡的方法来减少码间干扰，降低误码率，提高传输质量。

时域均衡的原理是利用均衡器产生的相应波形去补偿畸变的波形，并在最后通过抽样判决来最有效地消除码间干扰。时域均衡器由横向滤波器构成，横向滤波器是具有固定延迟间隔、增益可调的多抽头滤波器，如图5.2.6所示。图5.2.6时域均衡器结构原理图显然，时域均衡器的输入和输出之间有如下关系：通过调整抽头增益ci，可使得(5.2.3)(5.2.4)达到最小，从而消除码间干扰，提高传输质量。5.2.3眼图

为了便于理解，先不考虑噪声的影响。在无噪声的情况下，一个二进制基带系统将在接收滤波器输出端得到一个基带脉冲序列。如果基带传输特性是无码间干扰的，则将得到一个如图5.2.7(a)所示的波形;如果基带传输是有码间干扰的，则得到如图5.2.7(b)的波形。现用示波器观察图5.2.7(a)所示的波形，并将示波器扫描周期调整到码元周期，这时每个码元将重叠在一起，虽然波形不是周期的，但由于荧光屏的余晖作用，仍将若干码元重

复显示在荧光屏上。显然，由于图5.2.7(a)所示的波形无码间干扰，因而重复显示的波形相互重叠，故而显示器的图像线迹清晰，如图5.2.7(c)所示。图5.2.7基带信号波形与眼图当观察图5.2.7(b)所示的波形时，由于存在码间干扰，示波器的扫描迹线就不能完全重合，于是形成的迹线也不清晰，如图5.2.7(d)所示。从图5.2.7(c)及图5.2.7(d)可以看到，当波形无码间干扰时，眼图像一只睁开的眼睛，并且，眼图中央的垂直线表示最佳的抽样时刻，信号取值为±1，眼图中央的横轴位置为最佳判决门限电平。当波形存在码间干扰时，在抽样时刻得到的信号取值不再等于±1，而分布在比1小或比－1大的附近，因此眼图将部分闭合。由此可见，眼图的“眼睛”睁开的大小反映着码间干扰的强弱。当存在噪声时，噪声叠加在信号上，因而眼图的迹线更不清晰。该眼图并不能观察到随机噪声的全部形态，仅能大体估计噪声的强弱。

为了说明眼图和系统性能之间的关系，把眼图简化为如图5.2.8所示的模型。图5.2.8眼图模型衡量眼图的性能指标有以下几个参数：

（1）眼图开启度。

式中，U=U++U－，是指在最佳抽样时刻该眼图张开最大的程度，无畸变眼图的开启程度为100%。

（2）眼皮厚度。“眼皮”厚度是指在最佳抽样点处眼图幅度的闭合部分与最大幅度之比，无畸变眼图的“眼皮”厚度为零。

（3）交叉点发散度。 交叉点发散度是指眼图波形过零点交叉线的发散程度。无畸变眼图的交叉线的发散程度为零。（4）正、负极性不对称度。正、负极性

不对称度是指在最佳抽样点处眼图正、负幅度不对称的程度。无畸变眼图的正、负极性不对称度为零。

（5）定时误差灵敏度。定时误差灵敏度由眼图斜边的斜率决定，斜率越大，定时误差就越灵敏。

眼图阴影区的垂直高度（眼皮厚）表示信号畸变范围。在抽样时刻，上下两阴影的间隔的一半为噪声容限，若噪声的瞬时值超过该容限，则可能发生误判。本章小结

所谓基带信号，是指把消息变换为二进制（或多进制）的脉冲序列的信号，将消息变为脉冲序列的过程称为基带变换。一般来说，基带信号的带宽相当宽，为了使基带信号能有效地在信道中传输，需对基带信号进行适当的变换，这种变换称为频带变换，它对应于第二类变换。传输基带信号的系统称为基带传输系统。数字脉冲信号的波形与传输信道的特性及基带传输系统的技术指标有着密切的关系，不同的波形适应于不同的传输系统和信道。由于矩形脉冲易于形成和变换，因此常用的数字脉冲的波形均是矩形脉冲。常用的码型有单极性码、双极性码、单极性归零码、双极性归零码、差分编码等。对于基带传输信号，其编码应满足有利于提高系统的频带利用率，基带数字信号应具有尽量小的直流分量，使带宽尽量集中在中频部分，基带信号中应足够大地提取码元同步的信号分量，基带传输码型应基本上不受信源统计特性的影响，基带传输码型应对噪声和码间干扰有较强的抵抗能力和自检能力，以及尽量降低译码过程引起的