多电平传输技术及其优势

前面讲的都是二进制数据信号传输,一般地,它们只有两种状态,即1和0(常称1码和0码)。1码发一个正电平,0码发零电平或者发一个负电平,总之只有两个电平值,所以它们既称为二进码,又称为二电平码。只有少数情形,如交替双极码和相关码等,它们有三种状态,即+1、0、-1三个电平值。然而它们仍然传送二进制数据,它们称伪三进码本节的介绍对象是多进码。这里我们仍然讲数字基带信号传输,经过各种不同的调制方式后的信号传输将在后面讨论。

四电平传输就是把信号电平(幅度)范围分成四层,每层由一个码代表。例如,四个电平值由0、1、2、3四个电平码表示。四电平码代表四个电平值,如图5.23所示。图5.23(a)中有四个电平值0、1、2、3,其中0电平不发脉冲,其他三个电平发三种不同高度的归零脉冲。在图5.23(b)中,有四个电平值-3、-1、+1、+3,还有三个判决门限,凡是电平低至-2以下的判为0码,电平在-2与0之间的判为1码,电平在0与+2之间的判为2码,电平在+2以上的判为3码,图5.23(b)表示的是全宽码。取样时间对准码元中心。

图5.23 四电平码代表四个电平值

因为22=4,每位四进码可以由四种不同的二位二进码组表示。这里,有两种不同的编码方法:其一为普通编码;其二为格雷编码。表5.1是四进码采用两种方法编码的结果组。使用格雷编码时,任意两种邻近四进码只差一位二进码,而不是差二位,因此它经过传输后如错判成邻近电平的四进码,那就只有一位二进码发生差错,而不是两位都错。普通编码则不然,例如,若采用了普通编码方法,当四进码1误判为2时,就会使两位二进码都发生差错。所以,格雷编码较好,用得较多。再仔细观察这两种编码情况,可见两种方法的二位二进码组的高位(左面一位)是相同的,不同的是低位(右面一位)。如欲求普通码的低位,可由格雷码的高位与低位模2加得到。例如,二进制格雷码11代表四进制的2,将二进制格雷码的高位1与低位1进行模2加可得0,因此二进制的普通码是10,它也可以代表四进制的2。

表5.1 四进码采用两种方法编码的结果(www.xing528.com)

下面举一个例子,如图5.24所示。第一行是原始数据序列,它们是普通二进码,现在把它们每二位二进码作为一个码组,按照格雷编码方法把它们变换为表5.1第二行所示的四电平码。在图5.24中每一个四进码元和每一个二进码元具有相同宽度。本来要把二进码发往信道,现在把四进码发往信道,每秒传送的码元数将衰减为一半,每一个码元的宽度加一倍,因此四进码需要信道提供的带宽相应地减为原来的一半。由于每一个二进码包含信息量为2 bit,现在每一位四进码包含二位二进码,即包含信息量2 bit,二进码传输速率1 baud等于1 bit/s。四进码就不是这样了,1 baud不等于1 bit/s。在四进码中1 baud代表2 bit/s。如果采用二进码,在最好的情况下传输信息速率可以达到2 bit/s;如果采用四进码时,传输信息速率在最好的情况下可达到4 bit/s。例如,采用四电平码时,每秒传输2 400个码元,码速为2 400 baud。每个码元包含信息量为2 bit,所以传输信息速率为2 400×2=4 800 bit/s,要求信道提供的最小带宽为4 800/4=1 200 Hz。如果采用二进码,每秒传输2 400/2=1 200个码元。这表示,在同样信道带宽下,四电平码比二电平码的传输信息速率提高了2倍。以此类推,更多电平的码将得到更快的传输信息速率,因2n=m,m进码的传输信息速率将比二进制提高为n倍,这是多电平传输的优点。

图5.24 原始数据序列变换

在二进码中,如果两个电平值的峰-峰范围为A,则信道上随机噪声在取样时刻的瞬时绝对值要大于A/2才会造成错误判决。而图5.23(b)所示的四进码的四个电平值的峰-峰范围为A,但现在信道上随机噪声在取样时刻的瞬时绝对值只要大于就会造成错误判决。这意味着四电平码允许的噪声边际减小了,只为二电平码噪声边际的,且四电平码的抗干扰能力降低了。如果采用更多电平值(如m进制),则允许的噪声边际将更小,只有二进制噪声边际的,这是多电平传输的缺点。