無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)基礎(chǔ)課件：數(shù)字信號的基帶傳輸

數(shù)字信號的基帶傳輸4.1信號在信道中的傳輸4.2數(shù)字基帶信號傳輸本章小結(jié)習題與思考題

教學目標

?掌握信號在信道中的傳輸現(xiàn)象

?了解常用數(shù)字基帶信號波形

?了解數(shù)字基帶信號的常用碼型

?掌握數(shù)字信號的基帶傳輸

重點、難點

?信號在信道中傳輸?shù)乃p、失真和干擾等

?基帶信號傳輸原理

4.1信號在信道中的傳輸

當一個信號從發(fā)送設(shè)備注入到信道中進行傳輸時，有幾種現(xiàn)象必然會發(fā)生。首先，信號從一個地方傳到另一個地方需要時間，因此會產(chǎn)生傳播時延(Propagationdelay)。其次，由于信號會向四面八方擴散或受到傳播介質(zhì)的衰減，因此接收端獲得的信號電平可能會遠小于發(fā)送端輸出的電平，這種現(xiàn)象稱為衰減（Attenuation）。如果一個信號的各個頻率分量都受到相同比例的衰減，信號波形的形狀就不會發(fā)生變化，僅僅是信號的大小變化。但實際上，信道的傳輸特性不可能是理想的，它對信號不同頻率成分的衰減有所不同，因此就會產(chǎn)生波形的線性失真(distortion)。最后，信號在信道內(nèi)傳輸?shù)倪^程中還會受到干擾與噪聲的影響，它們同樣會使信號的波形發(fā)生變化。

4.1.1衰減

衰減是由于信號在信道內(nèi)傳輸?shù)倪^程中因能量損耗而導致的幅度減小。衰減通常用分貝值（dB）表示。設(shè)注入信道的信號電壓（最大值或有效值）為Ui，輸出的信號電壓（相應地用最大值或有效值）為Uo，則信道對該信號的電壓衰減值為

（4-1）

例4-1頻率為200MHz，電壓電平為78dBμ的有線電視信號，在通過長度為100m的SYV-75-7同軸電纜后，其輸出的電壓電平是多少？

解：從同軸電纜的衰減特性表（如表4-1所示）中可查到，100m的SYV-79-7同軸電纜的衰減量為14dB。因此電纜的輸出電平為：[Uo]=[Ui]-[L]=78（dBμ）-14（dBμ）=64（dBμ）

信道對不同頻率的信號有不同的傳輸能力，這種能力通常用信道的傳輸特性表示。例如，公共交換電話網(wǎng)（PSTN）只能讓300～3400Hz頻率范圍內(nèi)的信號（話音信號）通過，一條長度為1km的同軸電纜的傳輸特性如圖4-1(a)，它具有低通特性，可以使包括直流在內(nèi)的各種信號通過，并且隨著信號頻率的升高，信道的衰減增大。如果這條電纜是通過一個電容與收發(fā)設(shè)備相連，則其傳輸特性可能是如圖4-1(b)所示的特性。由于電容的作用，直流不能通過信道，低頻信號也有較大的衰減，因此信道具有帶通特性。由此可見，信道對于不同頻率的信號具有不同的衰減。如果作進一步分析可以發(fā)現(xiàn)，信道對不同頻率的信號還有不同的相移。

圖4-11km同軸電纜的傳輸特性

當信號以電磁波的方式在無線信道中傳輸時，由于電磁波會向四面八方傳播，真正到達接收點天線上的信號能量很少，因此擴散損耗非常大。電磁波在自由空間傳播的擴散損耗為

式（4-2）中，d為傳播距離，λ為電磁波的波長。圖4-2是自由空間電磁波能量擴散損耗曲線。例如在距離900MHz移動通信基站1km處電磁波的損耗約為91.53dB。自由空間是指電磁波傳播過程中沒有經(jīng)過任何反射和吸收的區(qū)域，地面上的通信由于地表面及各種建筑物的影響，各點上的傳播損耗（包括擴散損耗和介質(zhì)損耗）與計算值會有所不同。

（4-2）

實際的無線電通信系統(tǒng)的收發(fā)雙方都會采用有向天線。發(fā)送天線可以將信號的能量集中到接收方向，而接收天線可以將接收電磁波的范圍擴大，這兩者都是減小過大的能量擴散的有效措施。圖4-2電磁波能量擴散損耗曲線

4.1.2信號的頻譜

當信號要在信道中傳輸時，就必須了解信號在不同頻率上的電量（電壓幅度、電流幅度或功率）分布，以確定信號在傳輸過程中是否會受到損傷——線性失真。

信號的電量在頻率軸上的分布關(guān)系稱為信號的頻譜(FrequencySpectrum)。一個已知波形的信號可以通過數(shù)學分析（傅立葉級數(shù)或傅立葉變換）計算出其頻譜，也可以用頻譜分析儀測出它的頻譜。圖4-3是通過計算機仿真得到的周期性方波、三角波和正弦波的波形圖與頻譜圖。

圖4-3信號波形與頻譜

圖(b)是圖(a)周期性方波對應的頻譜圖。一個周期性方波的頻譜由多條譜線組成，第一條譜線稱為基波，它的頻率與周期信號的重復頻率相同；隨后的各條譜線分別稱為周期信號的2、3、4、…、m次諧波，m次諧波的頻率是基波頻率的m倍；各譜線的幅度有衰減振蕩的變化規(guī)律，在f=（n×l）/τ（τ為脈沖寬度，n為整數(shù)）處出現(xiàn)零點。通常將第一個零點的頻率計作信號的帶寬。

圖(d)是圖(c)周期性三角波對應的頻譜圖。與方波相比，兩者周期相同，故各譜線的頻率也相同，但各譜線幅度衰減的速度要快于方波，零點的頻率也低于方波。

圖(f)是圖(e)正弦波對應的頻譜圖。因為正弦波只一個頻率，故頻譜圖上只有一條譜線。

方波是數(shù)字通信中使用得較多的一種波形，因此需要作進一步的分析。對圖4-4中各種周期、占空比下的方波信號頻譜進行比較可以得到以下幾個結(jié)論：圖4-4矩形脈沖信號的頻譜與波形

（1）同一信號相鄰譜線的間隔相同，信號的周期越大，各譜線之間的頻率間隔越?。?/p>

（2）脈沖寬度越窄（在相同的信號周期，占空比越?。?，其頻譜包絡線的零點頻率越高，從而相鄰兩個包絡零值之間所包含的諧波分量就越多（信號沿頻率軸下降的速度越慢），因而信號所占據(jù)的頻帶寬度就越寬。

4.1.3失真

當一個正弦信號通過一個線性的信道時，正弦波的幅度會衰減，還會有相移（時延），但仍然是相同頻率的正弦波?，F(xiàn)在的信道絕大多數(shù)可以看作是線性信道，因此信號在其中傳輸時不會出現(xiàn)非線性失真，不會產(chǎn)生新的頻率成份。

實際的信號有一定的頻帶寬度，可以被看作是由多個正弦分量組成的，如果信道對不同頻率的正弦分量表現(xiàn)出不同的衰減和時延，信號在信道中傳輸時不可避免地會產(chǎn)生失真。這種失真不會產(chǎn)生新的頻率成分，稱為線性失真（LinearDistortion）。

例如，一個方波信號經(jīng)過信道傳輸后，由于高頻分量受到衰減，信道輸出的波形發(fā)生了變化，如圖4-5。圖4-6是一個有一定帶寬的信號在通過具有帶通特性的信道后信號頻譜發(fā)生的變化示例。圖4-6中，假定在傳輸前的信號在頻率f1～f2范圍內(nèi)各頻率成份的大小是一樣的，信道的傳輸特性反映了它對各頻率成份的不同衰減，因此信號經(jīng)過信道傳輸后各頻率成份的大小發(fā)生了變化。

圖4-5信號在信道中傳輸時的波形失真圖4-6信號傳輸過程中的線性失真

信號在信道中傳輸產(chǎn)生線性失真的現(xiàn)象與信號通過濾波器后一些頻率成分被濾掉（受到很大的衰減）的現(xiàn)象是類似的。當信號的頻帶寬度相對于信道的帶寬來說很窄時，一般不考慮信號會受到線性失真。

線性失真可以通過在信道輸入端或輸出端加均衡器的方法進行補償，如圖4-7所示。均衡器可以根據(jù)信道的傳輸特性進行設(shè)計與調(diào)節(jié)，其主要作用是對信號不同頻率成份進行不同的衰減與時延，使信號通過信道和均衡器后各頻率成份總的衰減與時延基本相同。

圖4-7對線性失真信號的均衡示意圖

4.1.4噪聲與干擾

噪聲（Noise）是電量的隨機波動，它會使信號受到影響。信號在信道中傳輸時，來自信道和傳輸設(shè)備的各種噪聲都會疊加到信號上。圖4-8是一個受到噪聲影響的數(shù)字信號波形，噪聲的存在會影響接收機對信號電平的判斷，嚴重時會造成對信號碼元的錯誤接收（誤碼）。如果噪聲具有與信號頻率相同的分量，接收機就很難用一般的濾波器將它從信號中去除。信號受噪聲的影響大小取決于信號與噪聲的功率比值，簡稱信噪比（SNR），其定義如式（4-3）。信噪比值越大，信號的質(zhì)量就越好。

圖4-8噪聲對信號波形的影響（4-3）

熱噪聲無處不在而且很難抑制。當信號在信道中傳輸時信號會受到衰減，但噪聲會在信道的任一點上產(chǎn)生，并且會逐點積累，如圖4-9所示。因此離發(fā)送端越遠的地方信號的信噪比越小。放大器可以使信號的功率增加，同時也使噪聲功率增加，因此不會改變信噪比，相反地，由于放大器本身會引入噪聲，因此放大后的信噪比會更差，在信號比較小的情況下尤其如此。由此可見，噪聲是影響通信系統(tǒng)性能的重要因素之一。

圖4-9傳輸距離與信噪比的關(guān)系

噪聲的另一種形式是串音（Crosstalk），來自其它通信系統(tǒng)，一般情況下稱之為干擾(Disturbance)。在有線通信系統(tǒng)中，兩條并行的通信線路之間由于分布電容或互感耦合的存在會造成信號的相互干擾，使信道1的輸出信號中含有來自信道2的一部分能量，如圖4-10(a)所示；頻分多路復用的系統(tǒng)中，一個信道中同時有多個不同頻率的信號在傳播，也可能會造成信號的相互干擾，如圖4-10(b)所示；在無線電通信系統(tǒng)中，接收天線會同時收到來自于多個通信設(shè)備發(fā)送的電磁波，它們之間也會產(chǎn)生相互干擾，如圖4-10(c)所示。

圖4-10來自其它通信系統(tǒng)的干擾

上述干擾大致上可以分成兩類，一類是同頻干擾，另一類是非同頻干擾。對于同頻干擾，由于干擾的頻率與信號的頻率相同，接收設(shè)備幾乎無法處理，只能通過對信道的有效屏蔽或改變通信頻率來避開干擾；對于非同頻干擾，接收機可以用合適的濾波器濾除。必須注意的是，由于接收電路可能存在的非線性作用，非同頻干擾在電路的非線性作用下會形成組合而轉(zhuǎn)化成同頻干擾，因此在一些接收機電路中對前端電路往往提出很高的線性要求。

還有一種噪聲稱為脈沖噪聲，由系統(tǒng)外部的各種電器設(shè)備產(chǎn)生，如開關(guān)、電機等，太陽黑子爆發(fā)、雷電等也會產(chǎn)生這種噪聲，其特性有的類似于熱噪聲，有的類似于其它通信設(shè)備干擾。良好的屏蔽裝置可有效地抑制脈沖噪聲和串音。

信號在遠距離傳播時，雖然可以用足夠數(shù)量的放大器來補償傳播損耗，但信道中引入的干擾與噪聲（包括放大器本身的噪聲）會不斷積累，最終會使信號的信噪比太小而導致接收端無法正常接收。

4.2數(shù)字基帶信號傳輸

4.2.1數(shù)字基帶信號波形

信號的波形反映信號的電壓或電流隨時間變化的關(guān)系。用來傳輸?shù)臄?shù)字基帶信號波形可以是各種各樣的，這里介紹幾種應用較廣的數(shù)字基帶信號波形。

1.單極性非歸零（NRZ）波形

設(shè)數(shù)字信號是二進制信號，每個碼元分別用0或1表示，則該波形可以是圖4-11(a)的形式。這里，基帶信號的零電平及正電平分別與二進制符號0及1一一對應。容易看出，這種信號在一個碼元時間內(nèi)，不是有電壓（電流）就是無電壓（電流），電脈沖之間無間隔，極性單一。這種信號比較適合于常用的數(shù)字電路處理。

圖4-11數(shù)字基帶信號波形

2.雙極性非歸零波形

雙極性非歸零波形指二進制碼元1、0分別與正負電平相對應的波形，如圖4-11(b)所示。它的電脈沖之間也無間隔。

與單極性波形相比，雙極性波形有兩個優(yōu)點。一個是當0、1碼元等概率出現(xiàn)時，它將無直流成份，另一個是在接收端對接收碼元作判決時，其判決門限可以直接用零電平作為判決電平。

3.單極性歸零（RZ）波形

單極性歸零波形也稱占空碼，它的特點是有電脈沖的寬度小于碼元長度，每個有電脈沖在一個碼元內(nèi)總是要回到零電平，如圖4-11(c)所示。一個碼元內(nèi)高電平的寬度與零電平的寬度之比稱為占空比。

4.雙極性歸零波形

它是雙極性波形的歸零形式，如圖4-11(d)所示。由圖4-11(d)可見，此時對應每一碼元都有零電平的間隙，即便是連續(xù)的1或0，都能很容易地分辯出每個碼元的起止時間，因此接收機在接收這種波形的信號時，很容易從中獲取碼元同步信息。

5.差分波形

差分波形是一種將信碼的0和1反映在相鄰信號碼元的相對極性變化上的波形。比如，以相鄰碼元的極性改變表示信碼1，而以極性不改變表示信碼0，如圖4-11(e)所示。這樣的波形在形式上與單極性或雙極性波形相同，但它所代表的信碼與碼元本身極性無關(guān)，而僅與相鄰碼元的極性變化有關(guān)。差分波形也稱相對碼波形，而相應地前面幾種波形稱為絕對碼波形。

6.曼徹斯波形

如圖4-11(f)所示，每一個碼元被分成高電平和低電平兩部分，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，前一半是高電平，后一半是低電平，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。

4.2.2數(shù)字信號的常用碼型

數(shù)字信號能否在數(shù)字通信系統(tǒng)中有效且可靠地傳輸，與數(shù)字信道的特性和數(shù)字信號的碼型有很大的關(guān)系。在各種條件的制約下，數(shù)字信道的特性往往不易被控制，而在大多數(shù)情況下，來自信源的數(shù)字基帶信號又不適應直接在信道中傳輸，于是選擇合適的信號碼型來與信道匹配就顯得非常重要。信道編碼必須根據(jù)信道的特性和通信系統(tǒng)的工作條件進行選擇，在較為復雜的一些基帶傳輸系統(tǒng)中，所選碼型的結(jié)構(gòu)應滿足以下幾方面的條件：

（1）能使接收系統(tǒng)從中獲取位同步信息。在同步數(shù)字系統(tǒng)中，接收端的時鐘必須與發(fā)送端的時鐘同步，這樣才能使接收機選擇最佳的時刻對所接收的信號進行判決。

（2）基帶信號中無直流成分和極小的低頻成分。絕大多數(shù)的傳輸系統(tǒng)是不能傳送直流信號的，如果信碼中含有直流成分，將會使接收到的信號波形因丟失直流成分而發(fā)生畸變，嚴重時會使接收端無法恢復原信號。

（3）在信源信碼的統(tǒng)計特性發(fā)生變化時，不會因此而使系統(tǒng)傳輸受到影響。例如當信源信碼中出現(xiàn)連續(xù)多個1碼或0碼時，接收端不會因此而失去同步。

（4）不應因編碼而使系統(tǒng)的信息傳遞速率下降。在數(shù)字電話通信中，常用的信道編碼碼型有AMI碼和HDB3碼。下面我們主要介紹這兩種。

1.AMI碼

AMI碼的全稱是信號交替反轉(zhuǎn)碼。這是一種將消息代碼中的0（空號）和1（傳號）按如下規(guī)則進行編碼的碼型：代碼的0仍變換為傳輸碼的0，而把代碼中的1交替地變換為傳輸碼的＋1或－1，如圖4-12(a)所示。它的優(yōu)點如下：

圖4-12AMI波形與HDB3波形

（1）在1、0碼不等概率條件下也無直流成分，且零頻附近低頻分量小，因此對具有變壓器或其他交流耦合的傳輸信道來說，不易受到隔直特性的影響。

（2）若接收端收到的碼元極性與發(fā)送端完全相反也能正確判斷。

（3）只要進行全波整流就可以變?yōu)閱螛O性碼，如果交替極性碼是歸零的，變?yōu)閱螛O性歸零碼后就可以提取同步信號。

但是AMI碼有一個缺點，即當它用來獲取定位信息時，如果出現(xiàn)長時間的0碼，則接收端會出現(xiàn)長時間的零電平，造成提取碼元同步信號的困難。

2.HDB3碼

HDB3碼的全稱是三階高密度雙極性碼，它是AMI碼的改進型，解決了AMI碼在長時間連0時可能出現(xiàn)的位同步信息丟失的問題。它的編碼原理是先將消息代碼變換成AMI碼，若AMI碼中連0的個數(shù)小于4，此時的AMI碼就是HDB3碼；若AMI碼中連0的個數(shù)大于3，則將每4個連0小段的第4個0變換成與前一個非零符號(＋1或－1)同極性的符號。為了不破壞極性交替反轉(zhuǎn)，當相鄰符號之間有偶數(shù)個非零符號時，再將該小段的第1個0變換成＋B或－B，符號的極性與前一非零符號的相反，并讓后面的非零符號從符號開始再交替變化。圖4-12（b）是HDB3碼的一個例子。

雖然HDB3碼的編碼規(guī)則比較復雜，但譯碼卻相當簡單，只要相鄰兩個非零符號的極性相同，則后一個碼一定是V碼，可譯作零；V碼前一定要有三個零碼，其中可能存在的B碼就可以轉(zhuǎn)換成零碼；其余的非零符號無論是正電平或是負電平都譯作1碼，則HDB3碼的譯碼就可以完成了。

HDB3碼的特點是明顯的，它除了保持AMI碼的優(yōu)點外，還增加了使連0碼減少到至多三個的優(yōu)點，而不管信息源的統(tǒng)計特性如何。這對于同步信號的提取是十分有利的。

4.2.3數(shù)字信號的基帶傳輸

基帶傳輸是數(shù)字信號傳輸?shù)幕拘问?。如果信道具有低通傳輸特性，則數(shù)字基帶信號可以直接在信道中傳輸。這種情況一般都發(fā)生在數(shù)字設(shè)備之間近距離的有線傳輸，如計算機局域網(wǎng)（LAN）、計算機與外部設(shè)備之間的通信。

1.并行傳輸與串行傳輸

一個特定的符號、一種狀態(tài)往往都會以一組數(shù)字代碼來表示。例如，計算機鍵盤的每一個符號都是用7位ASCII碼表示的，PCM信號也是用8位的二進制碼表示一個狀態(tài)。數(shù)字通信系統(tǒng)在傳輸這樣的信號時有二種方式：一種是使用8條信號線和一條公共線（地線）來同時傳送這8位二進制碼，這種方式稱為并行傳輸；另一種是使用一條信號線和一條地線來依次傳送這8位二進制碼，這種方式稱為信號的串行傳輸。圖4-13是兩種傳輸方式的示意圖。

圖4-13數(shù)據(jù)的并行傳輸與串行傳輸

并行傳輸?shù)乃俣瓤?，同時可以傳送多個碼元（一個字），設(shè)備簡單，但由于要用到多條信號線（信道），因此只適合于近距離傳輸，常用于計算機主機與外部設(shè)備之間的連接和室內(nèi)的計算機之間的聯(lián)網(wǎng)；串行傳輸可以有效地節(jié)省信道，因此幾乎是遠距離通信和無線電通信唯一的選擇。

2.基帶信號傳輸原理

一個數(shù)字基帶（串行）傳輸系統(tǒng)的示例如圖4-14。這里，DTE（一臺計算機）與DCE（一臺調(diào)制解調(diào)器）之間的通信采用了RS-232-C標準。DTE在時鐘脈沖（圖4-14(a)）的作用下以一定的碼元速率向DCE發(fā)送數(shù)據(jù)（圖4-14(b)），每一個碼元的起止時間嚴格地由DTE的時鐘脈沖決定。

圖4-14數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)示例

圖4-14(b)的信號經(jīng)過信道的傳輸后波形會發(fā)生變化，變化的大小取決于信道的傳輸特性與噪聲特性。在信號到達DCE的輸入端口時，可能的波形如圖4-15(a)。這個波形與發(fā)送端波形可能有很大的差異，需要由諸如圖4-15的電路來對信號進行修正。信號中的噪聲由濾波電路濾除，信道的高頻衰減可以用均衡器來加以補償。經(jīng)過均衡以后，信號的波形（圖4-15(b)）已經(jīng)比較接近發(fā)送信號，但仍然是非矩形波，需要整形。本圖中的整形電路是一個差動判決電路，它將信號與一個判決電平（圖4-15(c)）進行比較，當信號的電壓超過這個判決電平時輸出高電平，而低于這個判決電平時輸出低電平。判決電平取信號幅度的中值，它由一個幅度檢波器對信號進行檢波取平均值而得到，如果發(fā)送端發(fā)送的是雙極性基帶信號，則可取零電平作為判決電平。圖4-15數(shù)字基帶信號的接收

整形以后的信號（圖4-15(d)）雖然已經(jīng)是一個矩形波，但其脈沖的前后沿時刻是隨機的，發(fā)生在整形電路輸入與判決電平相交時刻，這個時刻受信道特性與噪聲特性的影響，因此每個碼元長度也是隨機變化的，需要重新定時。再定時電路包括時鐘提取電路和定時觸發(fā)電路兩部分，由時鐘提取電路從信號中提取頻率Fs=1/Ts的定時脈沖（圖4-15(e)），這個脈沖序列與發(fā)端的時鐘是嚴格同步的，在它的控制下，每個碼元的長度固定為Ts，如果不發(fā)生誤碼，定時觸發(fā)電路將輸出與發(fā)端完全一樣的信號（圖4-15(f)）。

從上圖中還可以看到，由于每個信號碼元在中間時刻受信道傳輸特性的影響最小，因此重新定時的時間（圖4-15(e)中定時脈沖波形的上升沿）選在這個時刻可以使誤碼發(fā)生的可能性減小。這樣，信號在傳輸過程中除了有信號傳播延時外，還要加上半個碼元長度的處理延時，總的延時為t。

本章小結(jié)

信號在信道中傳輸會產(chǎn)生衰減，衰減是因能量損耗而導致的幅度減小，通常用分貝值來描述。正弦信號在線性信道中傳輸時，其幅度會衰減，還會有時延，但頻率不發(fā)生改變，也就是線性失真。為了確定信號在傳輸過程中是否為線性失真，需要了解信號在不同頻率上的電量（電壓幅度、電流幅度或功率）分布即信號的頻譜。

信號在信道中傳輸時，來自信道和傳輸設(shè)備的各種噪聲都會疊加到信號上。噪聲的存在將會影響接收機對信號電平的判斷，嚴重時會造成對信號碼元的錯誤接收。

數(shù)字基帶信號是指未經(jīng)過正弦波調(diào)制的數(shù)字信號