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2.5 数字信号的基带传输

基带是指消息转换而来的原始信号所占有的频带,未对基带信号的频谱进行搬移的传输方式称为基带传输。基带传输一般用于工业生产中,是一种传统的传输方式。

2.5.1 基带传输的基本概念

从数字终端产生的未对载波进行调制的待传信号称为基带信号,用基带信号直接在通信网络中进行传输称为基带传输。基带信号的频率一般较低,所包含的频谱成分很快,其高限频率和低限频率之比通常远大于1,但用于基带传输的信道是有限的,因此需将信号的带宽限制在某一范围内。

相对的,将基带信号的频谱搬移到较高的频带,即用基带信号对载波进行调制后再进行传输,则称为通带传输。

选用基带传输或通带传输,与信道的适用频带有关。例如,计算机或脉冲编码调制电话终端机输出的数字脉冲信号是基带信号,可以利用电缆进行基带传输,不必对载波进行调制和解调。与通带传输相比,基带传输的优点是设备较简单,线路衰减小,有利于增加传输距离。对于不适合基带信号直接通过的信道(如无线信道),则可将脉冲信号经数字调制后再传输。

基带传输广泛用于音频电缆和同轴电缆等传送数字电话信号,同时,它在数据传输方面的应用也日益扩大。

基带传输系统主要由码波形变换器、发送滤波器、信道、接收滤波器、均衡器和抽样判决器等功能电路组成,如图2-15所示。

图2-15 基带传输系统组成

●码波形变换器将二进制数据序列变换成以矩形脉冲为基础、适合信道传输的各种码型。

●发送滤波器将码波形变换器输出的信号变换为更适合信道传输的信号,形成更为平滑的信号波形。

●信道一般为有线信道,如电缆。

●接收滤波器与码波形变换器共同形成所需的波形,当波形由码波形变换器一次形成时,接收滤波器的作用是过滤带外噪声,提高信噪比。

●均衡器用以均衡信道畸变,以便减小码间干扰。

●抽样判决器的作用是在最佳时刻抽样信号,得到样值脉冲,样值大于零判为“1”,小于零判为“0”。如果信道畸变和叠加噪声未使样值发生极性错误,就能无误地再生发送端信号,最后再经码型反变换(有时与判决器结合起来实现),将恢复的数码送给信宿,如计算机或脉冲编码调制电话终端机。

2.5.2 基带传输的常用码型

在基带传输系统中,传输码型由码波形变换器产生,常用的传输码型有归零码、不归零码、传号差分码、双相码、交替传号反转码(AMI码)等。

(1)归零码及不归零码

归零码编码方法是用窄脉冲代表“1”,无脉冲代表“0”;不归零码是在一个码周期内维持一种电平,如高电平代表“1”,低电平代表“0”。

(2)传号差分码

传号差分码编码方法是用电平的变化来代表“1”(称“1”为传号),电平不变代表“0”。差分码用于信号传输中高低电平会反转的场合。

(3)双相码

双相码又称分相码或曼彻斯特码,用“10”组合代表“1”,“01”组合代表“0”。双相码的优点是没有直流分量,可使用要求不高的交流耦合电路;“0”与“1”过渡频繁,有利于恢复定时信号等。其缺点是传输码速加倍,所需频带加宽。

(4)交替传号反转码(AMI)

用窄的正脉冲或负脉冲代表“1”,无脉冲代表“0”,正、负脉冲交替出现。交替传号反转码的优点是没有直流分量,可利用正、负脉冲交替规律来监视误码;缺点是处于长“0”时,恢复定时信号困难。

此外,还有多种其他传输码型,例如,利于传输或节省频带的有部分响应编码、多电平码;利于定时信号恢复的有加扰二元码、高密度双极性码、编码传号反转码等。

2.5.3 眼图

为了定性测量基带传输系统的性能优劣,通常用示波器观察接收信号波形的方法来分析码间串扰和噪声对系统性能的影响,这就是眼图分析法。眼图是一系列数字信号在示波器上累积而成的图形,从眼图上可以观察出码间串扰和噪声的影响,得到数字信号的整体特征,从而估计系统优劣程度,因此,眼图是高速互连系统信号完整性分析的核心。通过观察眼图还可以对接收滤波器的特性加以调整,以减小码间串扰,改善系统的传输性能。

1.码间串扰

码间串扰是指由于信道特性不理想,波形失真比较严重时,可能出现前面几个码元的波形同时串到后面,对后面某一个码元的抽样判决产生影响。

眼图为展示数字信号传输系统的性能提供了很多有用的信息,比如可以看出码间串扰的大小和噪声的强弱。眼图“眼睛”张开的大小反映着码间串扰的强弱,“眼睛”张开得越大,且眼图越端正,表示码间串扰越小;反之表示码间串扰越大。具体的,当存在噪声时,噪声将叠加在信号上,观察到的眼图线迹会变得模糊不清。若同时存在码间串扰,“眼睛”将张开得更小。与无码间串扰时的眼图相比,原来清晰端正的细线迹变成了比较模糊的带状线,同时眼图不很端正。噪声越大,线迹越宽,越模糊;码间串扰越大,眼图越不端正。由此评价一个基带系统的性能优劣。

2.眼图形成原理

用示波器观察到的眼图如图2-16所示。

具体的操作方法为:将示波器跨接在接收滤波器的输出端,然后调整示波器扫描周期,使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步,这时示波器屏幕上看到的图形就是眼图。示波器一般测量的信号是一些位或某一段时间的波形,更多反映的是细节信息,而眼图则反映的是链路上传输的所有数字信号的整体特征。

通过眼图可以获取的信息如下。

1)最佳抽样时刻应在“眼睛”张开最大的时刻。

2)对定时误差的灵敏度可由眼图斜边的斜率决定。斜率越大,对定时误差就越灵敏。

3)在抽样时刻上,眼图上下两分支阴影区的垂直高度表示最大信号畸变。

4)眼图中央的横轴位置对应判决门限电平。

5)在抽样时刻上,上下两分支离门限最近的一根线迹至门限的距离表示相应电平的噪声容限,噪声瞬时值超过它就可能发生错误判决。

6)对于利用信号过零点取平均来得到定时信息的接收系统,眼图倾斜分支与横轴相交的区域表示零点位置的变动范围,这个变动范围的大小对提取定时信息有重要影响。

图2-16 示波器观察到的眼图

2.5.4 再生中继器与均衡器

再生中继器的作用是对基带信号进行均衡和放大,对已失真的信号进行判决,再生出与发送信号相同的标准波形再进行转发。每隔一定距离设置一台再生中继器对失真和受干扰的脉冲进行再生转发,可消除失真和噪声的积累,延长通信距离。在数字通信系统中插入一种可调滤波器可以校正和补偿系统特性,减少码间串扰的影响,这种起补偿作用的滤波器称为均衡器。

1.再生中继器

再生中继器有整形、再定时和判决再生功能。为了延长通信距离,在传输链路的适当地点放置再生中继器,再生中继段长度视传输码率、收发电平及线路情况而定。

中继器具有放大信号的作用,它实际上是一种信号再生放大器。再生中继器由包含固定和自动均衡器的均衡放大器、定时提取电路、判决电路和码型再生电路组成。均衡放大器对接收到的失真信号进行均衡和放大;定时提取电路在收到的信息流中提取定时时钟,与发送端时钟同步;判决电路对信号进行抽样、判决;码型再生电路根据判决结果生成与发送端相同的新脉冲。

中继器的优点是集成化程度高,体积小,安装简单,造价低廉;缺点是会再生电子干扰及错误信号。另外,由于中继器双向传递网络段间的所有信息,所以很容易导致网络上的信息拥挤,同时,当某个网段有问题时,会引起所有网段的中断。

2.均衡器

均衡器的作用是补偿或校正传输系统中的线性失真,基带传输系统中的均衡器能使信号特性满足数据传输要求。

均衡器通常是用滤波器来实现的,使用滤波器来补偿失真的脉冲,判决器得到的解调输出样本是经均衡器修正过的或清除了码间串扰之后的样本。自适应均衡器直接从传输的实际数字信号中根据某种算法不断调整增益,因而能适应信道的随机变化,使均衡器总是保持最佳的状态,从而有更好的失真补偿性能。

在基带传输系统中,常用的均衡器有频域均衡(包括幅度均衡、相位或时延均衡)和时域均衡。前者校正频率特性,后者直接校正畸变波形。 co+Kt5Hn1kvQKJoR7qrsJM+kSc5JDxxOyS7TPWq6dEjOju1Nv6xlYRzNuZDpzlt4

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