数字基带信号的码型和波形探究

数字基带信号是数字信息的电波形，由码型和波形两个方面确定。

1.数字基带信号的码型

（1）数字基带系统信道对码型的要求

1）数字基带信号不含直流，低频分量和高频分量小。

2）无长连0、连1，便于位定时信号的提取。

3）功率谱主瓣宽度窄，以提高频带利用率。

4）编、译码实现简单等。

（2）常用码型

数字基带信号的码型很多，各有特点。图5-2是以矩形波为基础的最常用的几种码型。

图5-2 几种典型的二进制码型

1）单极性不归零码（全占空）。编码规则：“1”码用宽度等于码元宽度的正脉冲表示，“0”码用零电平表示。

优点：简单，是信息的常用表示方法。

缺点：含有直流和丰富的低频分量，且无定时分量。

2）双极性不归零码（全占空）。编码规则：“1”码和“0”码分别用宽度等于码元宽度的正负脉冲来表示。

优点：简单，“1”、“0”等概时无直流。

缺点：有丰富的低频分量且“1”、“0”不等概时有直流，无位定时分量。

3）单极性归零码。编码规则：“1”码用宽度小于码元宽度的正脉冲表示，“0”码用零电平表示。

优点：有位定时分量。

缺点：有直流和丰富的低频分量；和不归零码相比，带宽会变宽，频带利用率降低。例如，当脉冲宽度等于码元宽度的一半（半占空）时，数字基带信号的带宽加倍。

4）双极性归零码。编码规则：“1”码和“0”码分别用宽度小于码元宽度的正负脉冲表示。

优点：“1”、“0”等概时无直流，“1”、“0”不等概时有位定时分量。

缺点：有丰富的低频分量且“1”、“0”不等概时有直流，“1”、“0”等概时无位定时分量。可见，频谱特性与信源统计特性有关。

5）差分码。编码规则：b_n=b_n-1⊕a_n，其中b_n为差分码，a_n为信息码。起始位b₀称为参考信号，可任意设定为“0”或“1”，如图5-2中设参考信号为“0”。(www.xing528.com)

优点：在第6章的数字相位调制中，可以解决相位模糊的问题。

6）极性交替码（AMI码）。编码规则：信息中的“0”码用零电平表示，“1”码则交替地用正、负脉冲表示。

优点：不管“1”、“0”是否等概，数字基带信号无直流分量，且低频分量小，编、译码简单。

缺点：长连“0”时难以获取位定时信息。

7）三阶高密度双极性码（HDB₃）。编码规则：当信息码的连0个数不大于3时，与AMI码相同。当连0个数大于3时，每4个连0段改为000V或100V（第一个4连0任意选择000V或100V代替，对于其余的4连0段，当两个相邻V间有奇数个1时，用000V，反之用100V）。“1”码极性交替，第一个“1”码的极性可任意。V码自成一体极性交替，但第一个V码的极性必须与前一个“1”码同极性。从编码规则可见，给定信息的HDB₃码通常不唯一。编码过程如图5-3所示。

图5-3 HDB₃码编码过程

译码规则：当遇到两个相邻的同极性码时，后者即为V码，将V码连同其前三位码均还原为“0”码。将所有的±1均恢复为“1”码。

特点：它是AMI码的改进。保留了AMI码的优点，克服了AMI码遇到长连0时无法提取位定时信息的缺点。

2.数字基带信号的波形

数字基带信号常用的波形有矩形脉冲、三角脉冲、钟形脉冲和升余弦脉冲等。这些波形的形成由发送滤波器完成。

不同的码型和波形会影响数字基带信号的功率谱特性。

3.数字基带信号的功率谱分析

从数字基带信号的功率谱可以确定其带宽、有无直流分量和位定时分量等相关信息。经数学分析，二元独立数字基带信号的双边功率谱密度为

将双边功度谱密度中的负频率部分折叠到正频率上，即可得到单边功率谱密度为

式中，G₁（f）、G₂（f）分别是“1”码和“0”码对应波形的频谱函数；p及1-p分别是“1”、“0”码出现的概率；f_b=1/T_b是码元速率；T_b是码元宽度。

式（5-2）包含以下三项：

1）连续谱2f_bp（1-p）|G₁（f）-G₂（f）|²：由于“1”码和“0”码采用不同的波形，因此G₁（f）≠G₂（f），故连续谱总是存在的，信号的带宽由连续谱确定。例如，波形为矩形脉冲时，全占空码型信号的带宽为B=1/T_b=f_b，半占空矩码型信号的带宽为。

2）直流功率谱f_b²|pG₁（0）+（1-p）G₂（0）|²δ（f）：由它确定直流分量是否存在。若f_b²pG₁（0）+（1-p）G₂（0）|²=0，则直流分量不存在。例如“1”、“0”等概的双极性码，由于G₁（0）=-G₂（0），故无直流分量。

3）除直流谱外的其他离散谱：其中n=1时的离散谱2f_b²|pG₁（f_b）+（1-p）G₂（f_b）|²δ（f-f_b）是位定时分量。若2f_b²|pG₁（f_b）+（1-p）G₂（f_b）|²=0，则信号中不存在位定时分量。例如，全占空矩形信号，不论其是单极性还是双极性码，由于G₁（f_b）=G₂（f_b）=0，故均无位定时分量。