數(shù)字信號的傳輸

1、第六章 數(shù)字信號的傳輸數(shù)字信號的傳輸方式可分為基帶傳輸和頻帶傳輸。所謂基帶傳輸就是編碼處理后的數(shù)字信號（此信號叫基帶信號）直接在電纜信道中傳輸；而頻帶傳輸則是將基帶信號的頻帶搬到適合于光纖、無線信道傳輸?shù)念l帶上再進行傳輸。第一節(jié) 數(shù)字信號基帶傳輸?shù)幕纠碚摰诙?jié) 基帶傳輸?shù)木€路碼型第三節(jié) 基帶數(shù)字信號的再生中繼傳輸?shù)谒墓?jié) 再生中繼傳輸性能的分析第五節(jié) 數(shù)字信號的頻帶傳輸?shù)谝还?jié) 數(shù)字信號基帶傳輸?shù)幕纠碚撘弧?數(shù)字信號波形與功率譜數(shù)字信號波形的種類很多，其中較典型的是二進制矩形脈沖信號，它可以構(gòu)成多種形式的信號序列，如圖6.1所示。圖6.1 二進制數(shù)字信號序列的基本波形該頻譜圖表明，矩形脈沖信號

2、的頻譜函數(shù)分布于整個頻率軸上，而其主要能量集中在直流和低頻段。圖6.2 單元矩形脈沖及頻譜圖6.3 二 進制數(shù)字信號序列的功率譜曲線二、 基帶傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成基帶數(shù)字信號所占的頻帶都是從直流或零頻開始的某一段頻帶。圖6.4 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的基本構(gòu)成圖6.5 單位沖激脈沖函數(shù)及所對應(yīng)的頻譜圖6.6 孔徑均衡特性 圖6.7 基帶傳輸系統(tǒng)簡化模型三、 數(shù)字信號傳輸?shù)幕緶蕜t（無碼間干擾的條件）1. 無碼間干擾的時域條件（不考慮噪聲干擾）圖6.8 理想低通特性圖6.9 理想低通網(wǎng)絡(luò)的輸出響應(yīng)此波形的特點為：（1）t=0時有輸出最大值，且波形出現(xiàn)拖尾，其拖尾的幅度是隨時間而逐漸衰減的；(2) 其響應(yīng)值在

3、時間軸上具有很多零點。第一個零點是1/2fc，以后各相鄰零點的間隔都是1/2fc（fc是理想低通的截止頻率）。圖6.10 單位沖激脈沖序列圖6.11 最大值點處抽樣判決示意圖對于等效成截止頻率為fc的理想低通網(wǎng)絡(luò)來說，若數(shù)字信號以2fc的符號速率傳輸，則在各碼元的間隔處（即TB=1/2fc的整數(shù)倍處）進行抽樣判決，不產(chǎn)生碼間干擾，可正確識別出每一個碼元。2. 理想基帶傳輸系統(tǒng)理想基帶傳輸系統(tǒng)有以下三個主要特點：(1)輸出響應(yīng)波形R(t)在抽樣判決點（識別點）上無碼間干擾；(2) 達到最高傳輸效率。(3) 在給定發(fā)送信號能量和信道噪聲條件下，在抽樣判決點上能給出最大信噪比（此處只給出結(jié)論，公式推

4、導從略）。3. 滾降低通傳輸網(wǎng)絡(luò)圖6.12 滾降低通的幅頻特性第二節(jié) 基帶傳輸?shù)木€路碼型一、 對基帶傳輸碼型的要求1. 傳輸碼型的功率譜中應(yīng)不含直流分量，同時低頻分量要盡量少滿足這種要求的原因是PCM端機、再生中繼器與電纜線路相互連接時，需要安裝變量器，以便實現(xiàn)遠端供電（因設(shè)置無人站）以及平衡電路與不平衡電路的連接。2. 傳輸碼型的功率譜中高頻分量應(yīng)盡量少這是因為一條電纜中包含有許多線對，線對間由于電磁感應(yīng)會引起串話，且這種串話隨頻率的升高而加劇。3. 便于定時時鐘的提取傳輸碼型功率譜中應(yīng)含有定時鐘信息，以便再生中繼器或接收端能提取必需的定時鐘信息。4. 傳輸碼型應(yīng)具有一定的檢測誤碼能力數(shù)字信

5、號在信道中傳輸時，由于各種因素的影響，有可能產(chǎn)生誤碼：若傳輸碼型有一定的規(guī)律性，那么就可根據(jù)這一規(guī)律性來檢測是否有誤碼，即做到自動監(jiān)測，以保證傳輸質(zhì)量。5. 對信源統(tǒng)計依賴性最小信道上傳輸?shù)幕鶐鬏敶a型應(yīng)具有對信源統(tǒng)計依賴最小的特性，即對信源經(jīng)信源編碼后，直接轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號的類型不應(yīng)有任何限制（例如“1”和“0”出現(xiàn)的概率及連“0”多少等）。6. 要求碼型變換設(shè)備簡單、易于實現(xiàn) 由信息源直接轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號不適合于直接在電纜信道中傳輸（原因見后），需經(jīng)碼型變換設(shè)備轉(zhuǎn)換成適合于傳輸?shù)拇a型，要求碼型變換設(shè)備要簡單、易于實現(xiàn)。二、 常見的傳輸碼型1. 單極性不歸零碼（即NRZ碼）圖6.13 單極性不歸

6、零碼及其功率譜由圖可見，單極性不歸零碼有如下缺點：（1） 有直流成分，且信號能量大部分集中在低頻（占空比越大，信號能量越集中在低頻部分）。（2） 提取時鐘fB困難。（3） 無檢測誤碼能力，因傳輸碼型無規(guī)律。2. 單極性歸零碼（即RZ碼）圖6.14 單極性歸零碼（=TB/2）及功率譜3. 傳號交替反轉(zhuǎn)碼（AMI碼）圖6.15 AMI碼及功率譜從AMI碼的功率譜中可以看出它有以下優(yōu)點：（1） 無直流成份，低頻成份也少（由于AMI碼的傳號碼極性交替反轉(zhuǎn)），有利于采用變量器進行遠供電源的隔離，而且對變量器的要求（如體積）也可以降低。（2） 高頻成份少。這不僅可節(jié)省傳輸頻帶、提高信道利用率，同時也可以減

7、少電磁感應(yīng)引起的串話。（3） 碼型功率譜中雖無fB定時鐘頻率成份，但經(jīng)全波整流，可將AMI碼變換成單極性半占空碼，就會含有定時鐘fB成份（見圖6.14），便可從中提取定時鐘成份。（4） AM1碼具有一定的檢錯能力。4. 三階高密度雙極性碼（HDB3碼）HDB3碼編碼規(guī)則如下：（1） 進碼序列中的“0”碼在HDB3碼中原則上仍編為“0”碼，但當出現(xiàn)4個連“0”碼時，用取代節(jié)000V或B00V代替。（2） 取代節(jié)的安排順序是：先用000V，當它不能用時，再用B00V。 各取代節(jié)之間的V碼要極性交替出現(xiàn)。 V碼要與前一個傳號碼的極性相同。（3） HDB3碼序列中的傳號碼（包括“1”碼、V碼和B碼）除

8、V碼外要滿足極性交替出現(xiàn)的原則。5. 傳號反轉(zhuǎn)碼（CMI碼）圖6.16 CMI碼及功率譜三、 傳輸碼型的誤碼增殖誤碼增殖是由各碼元的相關(guān)性引起的。誤碼增殖現(xiàn)象可用誤碼增殖比（）來表示，定義為：=反變換后誤碼個數(shù)/線路誤碼個數(shù)四、 傳輸碼型特性的分析比較1. 最大連“0”數(shù)及定時鐘提取2. 檢測誤碼能力AMI碼、HDB3碼和CMI碼均具有一定的檢測誤碼能力。3. 誤碼增殖由前面分析可見：AMI碼和CMI碼無誤碼增殖，而HDB3碼有誤碼增殖。4. 電路實現(xiàn)AMI碼和CMl碼的實現(xiàn)電路（即碼型變換電路）簡單，HDB3碼實現(xiàn)電路比較復(fù)雜一些，也可以實現(xiàn)。第三節(jié) 基帶數(shù)字信號的再生中繼傳輸一、 基帶傳輸

9、信道特性信道是指信號的傳輸通道，目前有兩種定義方法：狹義信道是指信號的傳輸媒介，其范圍是從發(fā)送設(shè)備到接收設(shè)備之間的媒質(zhì)。廣義信道指消息的傳輸媒介。如果把信道特性等效成為一個傳輸網(wǎng)絡(luò)，則信號通過信道的傳輸可用圖6.17所示模型來表示。其數(shù)學表示式為：e0(t)=ei(t)*h(t)n(t)圖6.17 信道等效模型圖6.18 三種電纜的衰減特性圖6.19 經(jīng)電纜傳輸后的脈沖波形示意圖由圖可見，這種矩形脈沖信號經(jīng)信道傳輸后，波形產(chǎn)生失真，其失真主要反映在以下幾個方面：（1） 接收到的信號波形幅度變小。（2） 波峰延后。（3） 脈沖寬度大大增加。圖6.20 雙極性半占空碼序列及經(jīng)信道傳輸后失真波形二、

10、 再生中繼系統(tǒng)1. 再生中繼系統(tǒng)的構(gòu)成再生中繼系統(tǒng)的方框圖如圖6.21所示。再生中繼的目的是：當信噪比不太大的時候，對失真的波形及時識別判決（識別出是“1”碼還是“0”碼），只要不誤判，經(jīng)過再生中繼后的輸出脈沖會完全恢復(fù)為原數(shù)字信號序列。圖6.21基帶傳輸?shù)脑偕欣^系統(tǒng)2. 再生中繼系統(tǒng)的特點再生中繼系統(tǒng)中，由于每隔一定的距離加一再生中繼器，所以它有以下兩個特點：（1） 無噪聲積累（2） 有誤碼率的積累三、 再生中繼器圖6.22 再生中繼器方框簡圖均衡放大將接收的失真信號均衡放大成宜于抽樣判決的波形（均衡波形）。定時鐘提取從接收信碼流中提取定時鐘頻率成份，以獲得再生判決電路的定時脈沖。抽樣判決

11、與碼形成（判決再生）對均衡波形進行抽樣判決，并進行脈沖整形，形成與發(fā)端一樣的脈沖形狀。1. 均衡放大（1） 均衡放大的作用再生中繼器不是對經(jīng)線路傳輸后的波形（稱為接收波形）直接進行判決再生，而是先將其均放成均衡波形R(t)，再對R(t)進行判決再生。(2) 對均衡波形的要求適合再生判決的波形應(yīng)滿足以下的要求。 波形幅度大且波峰附近變化要平坦。 相鄰碼間干擾盡量小。圖6.23 定時抖動對抽樣判決的影響(3) 升余弦特性（時域）的均衡波形 升余弦特性 均放特性的實現(xiàn)圖6.24 升余弦均衡波形圖6.25總衰減aT與線路衰減情況（4） 有理函數(shù)均衡 有理函數(shù)均衡時的傳遞函數(shù)T()圖6.26 基本節(jié)的電

12、路模型與頻率響應(yīng) 有理函數(shù)均衡波形R(t)根據(jù)推導，定性地畫出有理函數(shù)均衡波形如圖6.27所示。表征均衡波形R(t)的特點有：R(t)的峰值、半幅值（峰值/2）時的脈寬、占空比a=脈寬/T，下沖拖尾（造成碼間干擾）的幅度等，它們主要受有理函數(shù)的四個參數(shù)的影響，即m、n、fL及fH。圖6.27 有理函數(shù)均衡波形 均放特性圖6.28 按有理函數(shù)均衡時的均放特性（5） 碼間干擾的衡量眼圖均衡波形的碼間干擾情況，可用眼圖來衡量。所謂眼圖，是一種利用示波器來顯示均衡波形的方法。圖6.29 無碼間干擾時的理想眼圖圖6.30 眼圖的惡化2. 定時鐘提?。?）外同步定時法它有兩種方式。一種是和PCM信碼共占用

13、一條電纜信道。利用偽三進碼功率譜的特點來傳送主時鐘，偽三進碼功率譜中在主時鐘fB處能量為0，利用這一特點把主時鐘信號插在這個縫隙處，如圖6.31所示。圖6.31 定時信號的插入（2） 自同步定時法從發(fā)送的PCM信號序列中提取定時信號（簡稱定時鐘提?。?，這種辦法經(jīng)濟方便，目前采用較多。3. 抽樣判決與碼形成判決再生判決再生又稱識別再生，識別是指從已經(jīng)均衡好的均衡波形中識別出是“1”碼還是“0”碼。4. 再生中繼器方框圖圖6.32 再生中繼器方框圖四、 大規(guī)模集成電路再生中繼器（CD22301) CD22301是單片集成的PCM線路再生中繼器，通常用作PCM基群信號傳輸中。1. 技術(shù)特點（1） 典

14、型工作速率為1.544Mbits，2.048Mbits；（2） 編碼碼型為二元碼或三元碼；（3） 電源電壓5.1V；（4） 電源電流22mA；（5） 功耗110mW；（6） 工藝CM0S ；（7） 18引腳DIP（雙列直插）封裝。2. 引腳功能說明圖6.33 CD22301引腳排列圖3. CD22301的電路組成圖6.34CD22301的電路組成4. CD22301再生中繼電路的應(yīng)用圖6.35CD22301再生中繼電路原理圖第四節(jié) 再生中繼傳輸性能的分析一、 信道噪聲及干擾電纜信道中的傳輸噪聲和干擾主要有兩個方面：一是信道噪聲；二是串音干擾。1. 信道噪聲2. 串音干擾圖6.36 噪聲特性圖6

15、.37 電纜線對間串音干擾示意圖二、 誤碼率及誤碼率的累積1. 誤碼率前面己說過，產(chǎn)生誤碼的原因是多方面的，現(xiàn)僅考慮由熱噪聲形成的誤碼，以便求出信道誤碼率的理論極限值。（1） 單極性碼的誤碼率圖6.38 單極性碼誤碼情況（2） 雙極性碼的誤碼率這里雙極性碼實際上是指偽三進碼（+1，0，-1），其中傳號碼“1”碼的峰值是交替采用A和-A值，“0”碼則取零值。圖6.39 理想再生中繼系統(tǒng)的Pe與A/的關(guān)系2. 誤碼率的累積在實際PCM系統(tǒng)中包含著很多個再生中繼段，而上述的誤碼率是指一個再生中繼段的誤碼率。PCM通信系統(tǒng)要求總誤碼率在10-6以下，因此要分析一下總誤碼率PE與每一個再生中繼段的誤碼率

16、ei的關(guān)系。三、 誤碼信噪比具有誤碼的碼字被解碼后將產(chǎn)生幅值失真，這種失真引起的噪聲稱誤碼噪聲。圖6.40 A律13折線誤碼信噪比四、 相位抖動PCM信號脈沖流經(jīng)過信道傳輸，各中繼站和終端站接收的脈沖信號在時間上不再是等間隔的，而是隨時間變動的，這種現(xiàn)象稱為相位抖動，如圖6.41所示。圖6.41 相位抖動相位抖動不僅使再生判決時刻的時鐘信號偏離被判決信號的最大值而產(chǎn)生誤碼，同時使解碼后的PAM脈沖流發(fā)生相位抖動，使重建的波形產(chǎn)生失真，如圖6.42所示。圖6.42 解碼后的PAM波形及其抖動情形第五節(jié) 數(shù)字信號的頻帶傳輸所謂數(shù)字信號的頻帶傳輸是對基帶數(shù)字信號進行調(diào)制，將其頻帶搬移到光波頻段或微波

17、頻段上，利用光纖、微波和衛(wèi)星等信道傳輸數(shù)字信號。一、 數(shù)字調(diào)制的概念對基帶數(shù)字信號進行調(diào)制稱為數(shù)字調(diào)制。通過調(diào)制把基帶數(shù)字信號進行了頻率搬移，而且數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成了模擬信號，所以頻帶傳輸實際傳輸?shù)氖悄M信號。數(shù)字調(diào)幅（ASK）是利用基帶數(shù)字信號控制載波幅度變化。數(shù)字調(diào)相（PSK）是指載波的相位受數(shù)字信號的控制作不連續(xù)的、有限取值的變化的一種調(diào)制方式。數(shù)字調(diào)頻（FSK）是用基帶數(shù)字信號控制載波頻率。二、 數(shù)字信號的頻帶傳輸系統(tǒng)數(shù)字信號的頻帶傳輸系統(tǒng)主要有光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)、數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)和數(shù)字衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)，下面分別加以介紹。1. 光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)（1） 光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)的方框

18、圖，如圖6.43所示。圖6.43 光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)它由電端機（PCM數(shù)字設(shè)備）、光端機、光中繼機、光纖線路和光活動連接器等組成。 電端機電端機的作用是為光端機提供各種標準速率等級的數(shù)字信號源和接口。 光端機光端機把電端機送來的數(shù)字信號進行適當處理后變成光脈沖送入光纖線路進行傳輸，接收端則完成相反的變換。 光中繼機光中繼機的作用是將光纖長距離傳輸后受到較大衰減及色散畸變的光脈沖信號轉(zhuǎn)換成電信號后進行放大整形、再定時、再生為規(guī)劃的電脈沖信號，再調(diào)制光源變換為光脈沖信號送入光纖繼續(xù)傳輸，以延長傳輸距離。 光纖線路系統(tǒng)中信號的傳輸媒介是光纖。（2） 5B6B碼 基線漂移的形成如前所述，單極性碼的主要問題是信碼中含有直流分量，同時低頻分量比較豐富，它受到電路的交流耦合影響后，將產(chǎn)生“基線漂移”效應(yīng)。 5B6B碼近年來在高速數(shù)字光