【正文】 信號波形產(chǎn)生失真 ，為了減小失 真對信 號的影響，接收信號首先進入接收濾波器濾波，然后 再經(jīng)均衡器對 失真信 號進行校正，最后由取樣判決器恢復(fù)數(shù)字基帶脈沖序 列。 目前，雖 然在實際使用的數(shù)字通信系統(tǒng)中，基帶傳輸方式不如數(shù)字載波傳 輸方式那樣應(yīng) 用廣泛 ，但由于數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)是數(shù)字通信系統(tǒng)中最基本 的傳輸方式，而且從 理論上來說，任何一種線性載波傳輸系統(tǒng)都可以等效 為基帶傳輸系 統(tǒng)，因 此理解數(shù)字信號的基帶傳輸過程十分重要。 數(shù)字基帶信號有二元碼和三元碼，有歸零碼和非歸零碼等，有的具有直流分量，在波形上具有不同的特點，他們有不同的特點，有的低頻成份多，有的高頻成份多，有的具有直流分量，有的占有帶寬等，所有這些在波形處理時會對一些學(xué)生產(chǎn)生模糊的概念，針對本科類的學(xué)生 要求，他們?nèi)绾卫斫狻⒈鎰e、掌握這些信號波形的特點，同時可以讓學(xué)生在仿真過程中對通信原理的各種概念加深理解。另外，此仿真實驗只需在計算機的虛擬實驗室即可，不受實驗場地、環(huán)境的限制。 軟件的功能主要有： 1） 實現(xiàn)各種常用碼型的數(shù)字基帶信號仿真； 2） 能產(chǎn)生隨機的數(shù)字信號序列，具有普遍性； 3)能繪制直觀、清晰、準(zhǔn)確、可靠的數(shù)字基帶 信號仿真圖形； 4)要對相應(yīng)的碼型的特點進行相應(yīng)的描述。 7 圖 12 仿真結(jié)構(gòu)圖 在通信中，數(shù)字基帶信號有多種碼型表示，它們在傳輸過程中有隨機性，為 用讓這種波形描述具有普遍性， m 序列偽隨機碼來作為碼型的仿真數(shù)字序列。利用 MATLAB 軟件仿真出每一種碼型，讓學(xué)生通過仿真軟件的使用，加深對碼和波形的理解。 數(shù)字基帶信號 數(shù)字基帶信號的要求 不同形式的數(shù)字基帶信號（又稱為碼型）具有不同的頻譜結(jié)構(gòu)，為適應(yīng)信道的傳輸特性及接收端再生、恢復(fù)數(shù)字基帶信號的需要，必須合理地設(shè)計數(shù)字基帶信號，即選擇合適的信號碼型。適合于在有線信道中傳輸?shù)臄?shù)字基帶信號形式稱為線路傳輸碼型。一般來說，選擇數(shù)字基帶信號碼型時，應(yīng)遵循以下基本原則： （ 1） 數(shù)字基帶信號應(yīng)不含有直流分量，且低頻及高頻分 量也應(yīng)盡量的少。在基帶傳輸系統(tǒng)中，往往存在著隔直電容及耦合變壓器，不利于直流及低頻分量的傳輸。此外，高頻分量的衰減隨傳輸距離的增加會快速地增大，另一方面，過多的高頻分量還會引起話路之間的串?dāng)_，因此希望數(shù)字基帶信號中的高頻分量也要盡量的少。 （ 2） 數(shù)字基帶信號中應(yīng)含有足夠大的定時信息分量?；鶐鬏斚到y(tǒng)在接收端進行取樣、判決、再生原始數(shù)字基帶信號時，必須有取樣定時脈沖。一般來說，這種定時脈沖信號是從數(shù)字基帶信號中直接提取的。這就要求數(shù)字基帶信號中含有或經(jīng)過簡單處理后含有定時脈沖信號的線譜分量，以便同步電路提取。實際經(jīng) 驗告訴我們，所傳輸?shù)男盘栔胁粌H要有定時分量，而且定時分量還必須具有足夠大的能量，才能保證同步提取電路穩(wěn)定可靠的工作。 （ 3） 基帶傳輸?shù)男盘柎a型應(yīng)對任何信源具有透明性，即與信源的統(tǒng)計特 8 性無關(guān)。這一點也是為了便于定時信息的提取而提出的。信源的編碼序列中，有時候會出現(xiàn)長時間連 “0”的情況，這使接收端在較長的時間段內(nèi)無信號，因而同步提取電路無法工作。為避免出現(xiàn)這種現(xiàn)象，基帶傳輸碼型必須保證在任何情況下都能使序列中 “1”和 “0”出現(xiàn)的概率基本相同，且不出現(xiàn)長連 “1”或 “0”的情況。當(dāng)然，這要通過碼型變換過程來實現(xiàn)。碼型變換 實際上是把數(shù)字信息用電脈沖信號重新表示的過程。此外，選擇的基帶傳輸信號碼型還應(yīng)有利于提高系統(tǒng)的傳輸效率；具有較強的抗噪聲和碼間串?dāng)_的能力及自檢能力。實際系統(tǒng)中常常根據(jù)通信距離和傳輸方式等不同的要求，選擇合適的基帶碼型。 數(shù)字基帶信號 對不同的數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)不同的信道特性及系統(tǒng)指標(biāo)要求，選擇不同的數(shù)字脈沖波形。原則上可選擇任意形狀的脈沖作為基帶信號波形，如矩形脈沖、三角波、高斯脈沖及升余弦脈沖等。但實際系統(tǒng)常用的數(shù)字波形是矩形脈沖，這是由于矩形脈沖易于產(chǎn)生和處理。下面我們就以矩形脈沖為 例，介紹常用的幾種數(shù)字基帶信號波形。 。（ 1） .單極性波形（ NRZ） 這是一種最簡單的二進制數(shù)字基帶信號波形。這種波形用正（或負(fù)）電平和零電平分別表示二進制碼元的 “1”碼和 “0”碼，也就是用脈沖的有無來表示碼元的 “1”和 “0”，這種波形的特點是脈沖的極性單一，有直流分量，且脈沖之間無空隙，即脈沖的寬度等于碼元寬度。故這種脈沖又稱為不歸零碼（ NRZ NonReturn to Zero） NRZ 波形一般用于近距離的電傳機之間的信號傳輸。 （ 2） 雙極性波形 在雙極性波形中，用正電平和負(fù)電平分別表示二進制碼元的 “1”碼和 “0”碼，這種波形的脈沖之間也無空隙。此外，從信源的統(tǒng)計規(guī)律來看， “1”碼和 “0”碼出現(xiàn)的概率相等，所以這種波形無直流分量。同時這種波形具有較強的抗干擾能力。故雙極性波形在基帶傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。 （ 3） 單極性歸零波形（ RZ） 這種波形的特點是脈沖的寬度（ τ ）小于碼元的寬度（ T ），每個電脈沖在小于碼元寬度的時間內(nèi)總要回到零電平，故這種波形又稱為歸零波（ RZReturn to Zero）。歸零波形由于碼元間隔明顯，因此有利于定時信息的提取。但單極性 RZ波形中仍含有直流分量，且由于脈沖變窄，碼元能量減小 ，因而在匹配接收時，輸出信噪比較不歸零波形的低。 9 （ 4） 雙極性歸零波形 這種波形是用正電平和負(fù)電平分別表示二進制碼元的 “1”碼和 “0”碼，但每個電脈沖在小于碼元寬度的時間內(nèi)都要回到零電平，這種波形兼有雙極性波形和歸零波形的特點。 （ 5） 差分波形（相對碼波形） 信息碼元與脈沖電平之間的對應(yīng)關(guān)系是固定不變的（絕對的），故稱這些波形為絕對碼波形，信息碼也稱為絕對碼。所謂差分波形是一種把信息碼元 “1”和 “0”反映在相鄰信號碼元的相對電平變化上的波形，差分波形中，碼元 “1”和 “0”分別用電平的跳變和不變來表示，即用相鄰信號碼元 的相對電平來表示碼元 “1”和 “0”，故差分波形也稱為相對碼波形。差分波形也可以看成是差分碼序列 bn 對應(yīng)的絕對碼波形，差分碼 bn 與絕對碼 an 之間的關(guān)系可用以下的編碼方程表示 bnbn1 ⊕ an （ ）式中， ⊕為模 2 和運算符號。 由上式看出，當(dāng)絕對碼 an 每出現(xiàn)一個 “1”碼時，差分碼bn 電平變化一次；當(dāng) an 出現(xiàn) “0”碼時，差分碼 bn 電平與前一碼元 bn1 相同?？梢?， bn 前后碼元取值的變化代表了原信碼 n a 中的 “1”和 “0”。由式（ ）可以導(dǎo)出譯碼方程為 an bn1⊕ bn （ ） 由上式可看出，譯碼時只要檢查前后碼元電平是否有變化就可以判決發(fā)送的是 “1”碼還是 “0”碼。 （ 6） 多電平脈沖波形（多進制波形） 上述各種波形都是二進制波形，實際上還存在多電平脈沖波形，也稱為多進制波形。這種波形的取值不是兩值而是多值的。例如，代表四種狀態(tài)的四電平脈沖波形，每種電平可用兩位二進制碼元來表示，如 00 代表 3E， 代表 E， 代 01 10 表 E， 11 代表 3E，這種波形一般在高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中用來壓縮碼元速率，提高系統(tǒng)的頻帶利用率。但在相同信號功率的條件下，多進制傳輸系統(tǒng)的抗干擾性能不如二進制系統(tǒng)。 常用的基帶傳輸碼型 前面提到，為滿足基帶傳輸系統(tǒng)的特性要求，必須選擇合適的傳輸碼型?；鶐鬏斚到y(tǒng)中常用的線路傳輸型碼主要有：傳號交替反轉(zhuǎn)碼 AMI 碼、三階高密度雙極性碼 3 HDB 碼、分相碼 Manchester 碼、傳號反轉(zhuǎn)碼 CMI 碼以及 4B3T 碼等。下面我們詳細地介紹這些碼型。 傳號交替反轉(zhuǎn)碼 AMI 碼 （ AMI Alternate Mark Inversion）碼又稱為平衡對稱碼。這種碼的編碼規(guī)則是：把碼元序列中的 “1”碼變?yōu)闃O性交替變化的傳輸碼 … ，而碼元 10 序列中的 “0”碼保持不變。 例如： 碼元序列： 1 00 1 1 0 1 0 1 1 1 1 00 AMI 碼： 1 0011010111100 由 AMI 碼的編碼規(guī)則可以看出，由于 1 和 1 各占一半，因此，這種碼中無直流分量，且其低頻和高頻分量也較少，信號的能量主要集中在 2 T f 處，其中Tf 為碼元速率。此外， AMI 碼編碼過程中，將一個二進制符號變成了一個三進制符號，即這種碼脈沖有三種電平，因此我們把這種碼稱為偽三電平碼，也稱為 1B/1T 碼型 。 AMI 碼除了上述特點外，還有編譯碼電路簡單及便于觀察誤碼情況等優(yōu)點。但是 AMI 碼有一個重要的缺陷，就是當(dāng)碼元序列中出現(xiàn)長連 “0”時，會造成提取定時信號的困難，因而實際系統(tǒng)中常采用 AMI 碼的改進型 HDB3 碼。 HDB3 碼 HDB3 （ High Density Bipolar 3）是三階高密度雙極性碼，它是為了克服傳輸波形中出現(xiàn)長連 “0”碼情況而設(shè)計的 AMI 碼的改進型。 HDB3 碼的編碼規(guī)則是： 1 把碼元序列進行 AMI 編碼，然后去檢查 AMI 碼中連 0 的個數(shù)，如果沒有四個以上（包括四個）連 0 串時， 則這時的 AMI 碼就是 3 HDB 碼。 2 如果出現(xiàn)四個以上連 0 串時，則將每 4 個連 0 小段的第 4 個 0 變成與其前一個非 0 碼（ 1 或 1）相同的碼。顯然，這個碼破壞了 “極性交替反轉(zhuǎn) ”的規(guī)則，因而稱其為破壞碼，用符號 V 表示（即 1 記為 V， 記為 V） 1 。 3 為了使附加 V 碼后的序列中仍不含直流分量，必須保證相鄰的V 碼極性交替。這一點，當(dāng)相鄰的 V 碼之間有奇數(shù)個非 0 碼時，是能得到保證的；但當(dāng)相鄰的 V 碼之間有偶數(shù)個非 0 碼時，則得不到保證。這時再將該連 0 小段中的第 1 個 0 變成 B 或 B， B 的極性 與其前一個非 0 碼相反，并讓后面的非零碼從 V 碼后開始再極性交替變化。 例如： 碼元序列： 1 0000 1 0 1 0 0 0 0 1 000 0 1 1 AMI 碼： 1 0000 1 0 1 0 0 0 0 –1 000 0 1–1 HDB3 碼： 1 000V 1 0 1 B00V 1 000V 1 1 上例中，第 1 個 V 碼和第 2 個 V 碼之間，有 2 個非 0 碼（偶數(shù)），故將第 2 個 4 連 0 小段中的第 1 個 0 變成 B；第 2 個 V碼和第 3 個 V 碼之間，有 11 1 個非 0 碼（奇數(shù)），不 需變化。最后可看出， HDB3 碼中， V 碼與其前一個非 0 碼（ 1 或 1）極性相同，起破壞作用；相鄰的 V碼極性交替；除 V 碼外，包括 B 碼在內(nèi)的所有非 0 碼極性交替。 雖然 HDB3 碼的編碼規(guī)則比較復(fù)雜，但譯碼卻比較簡單。從編碼過程中可以看出，每一個 V 碼總是與其前一個非 0 碼（包括 B 碼在內(nèi)）同極性，因此從收到的碼序列中可以很容易地找到破壞點 V 碼，于是可斷定 V 碼及其前3 個碼都為 0 碼，再將所有的 1 變?yōu)?1 后，便可恢復(fù)原始信息代碼。 HDB3 碼的特點是明顯的，它既保留 AMI 碼無直流分量，便于直接傳輸?shù)膬?yōu)點，又克服了長連 0 串 （連 0 的個數(shù)最多 3 個）的出現(xiàn)， HDB3 碼的頻譜中既消除了直流和甚低頻分量，又消除了方波中的高頻分量，非常適合基帶傳輸系統(tǒng)的特性要求。因此， HDB3 碼是目前實際系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的碼型。雖然 HDB3 碼比 AMI 碼的性能更好，但它仍屬于 1B/1T 碼型。 （ 3） 曼徹斯特 Manchester 碼 曼徹斯特碼又稱數(shù)字雙相碼或分相碼，曼徹斯特碼用一個周期的方波來代表碼元 “1”，而用它的反相波形來代表碼元 “0”。這種碼在每個碼元的中心部位都發(fā)生電平跳變，因此有利于定時同步信號的提取，而且定時分量的大小不受信源統(tǒng)計特性的影響。曼 徹斯特碼中，由于正負(fù)脈沖各占一半，因此無直流分量，但這種碼占用的頻帶增加了一倍。曼徹斯特碼適合在較短距離的同軸電纜信道上傳輸。 （ 4） CMI 碼 CMI 碼稱為傳號反轉(zhuǎn)碼。 在 CMI 碼中， “1”碼（傳號）交替地用正、負(fù)電平脈沖來表示，而 “0”碼則用固定相位的一個周期方波表示， CMI 碼和曼徹斯特碼相似，不含有直流分量，且易于提取同步信號。 CMI 碼的另一個特點是具有一定的誤碼檢測能力。這是因為， CMI 碼中的 “1”碼相當(dāng)于用交替的 “00”和 “11”兩位碼組表示，而 “0”碼則固定地用 “01” 碼組表示。正常情況下 ，序列中不會出現(xiàn) “10”碼組，且 “00”和 “11”碼組連續(xù)出現(xiàn)的情況也不會發(fā)生，這種相關(guān)性可以用來檢測因干擾而產(chǎn)生的部分錯碼。根據(jù)原 CCITT 的建議， CMI 碼可用作脈沖編碼調(diào)制四次群的接口碼型以及速率低于 8448 kb / s 的光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)中的線路傳輸碼型。此外， CMI 碼和曼徹斯特碼一樣都是將一位二進制碼用一組兩位二進 12 制碼表示，因此稱其為 1B2B 碼。 （ 5） 4 B/3T 碼 4B/3T 碼是 1B/1T 碼的改進型 它把 4 個二進制碼元變換為 3 個三進制碼元。顯然，在相同信息速率的條件下， 4B/3T 碼的碼元傳輸速率要比 1B/1T 碼的低，因而提高了系統(tǒng)的傳輸效率。 4B/3T 碼的變換過程中需要同步信號，變換電路比較復(fù)雜，故一般較少采用。 實驗原理 數(shù)字通信系統(tǒng)模