数字信号的基带传输优化方案

数字信号的传输方式通常可分为基带传输和载波传输两类。所谓基带传输就是把数字信号通过码型变换变为适于传输的码型，并经过发送低通滤波器滤除部分高频分量，经过光纤、电缆、双绞线或微波等进行传输。而载波传输则是用原始数字信号改变载波的某一参数，如载波的幅度、频率或相位，实现频谱的搬移，这个过程称为调制。然后将携带数字信号的载波送入有线、卫星或地面无线（包括微波）信道去传输，这就是数字信号的载波传输。早期的数字传输系统，多采用基带传输方式，因为基带数字信号比载波传输的数字信号更容易被翻译和再生。

1.基带信号与信道特性

数字基带信号的典型波形是二进制矩形脉冲信号。对于单脉冲矩形信号的频谱分析表明，其频谱函数分布于整个频率空间而主要能量集中在直流和低频段，进一步对二进制随机脉冲序列的功率谱密度的分析表明，它包括了连续谱和离散谱两部分，其中连续分量总是存在的，而离散分量是否存在则与信号码元出现的概率和码元的宽带有关。

传输信道的频率特性总是有限的，即有上、下限频率，超过此界限就不能进行有效的传输。

如果数字信号的频谱特性与传输信道的频谱特性很不适应，那么信号中的很多能量就会失去，信噪比就会降低，使误码增加，而且还会给邻近信道带来很强的干扰。因此，在基带传输中要对数字信号进行某种处理以适应传输信号特性。

2.改变编码码型

改变编码码型是基带数字处理的一种常用方法，它是把符号“1”、“0”转移成多种传输码型，使码流的频谱向中频集中。最简单的传输码为幅度只有2个电平的二元码，3个电平时为三元码，还有多于3个电平的多进制码。下面介绍几种常用的传输码型。

（1）单极性非归零（NRZ-L）码：高电平表示“1”，低电平或零电平表示“0”，脉宽等于脉冲周期，如图3-2a所示，其直流分量不为零，不适合用于交流耦合的有线传输信道，只适合于计算机内部或近距离的信息传输。

（2）双极性非归零（NRZ-M）码：如图3-2b所示，正电平表示“1”，负电平表示“0”，脉宽等于脉冲周期，没有零电平。

（3）单极性归零（RZ-L）码：在传输“1”码时发送一个宽度小于码元持续时间的归零脉冲，在传输“0”时不发送脉冲，如图3-2d所示，该码比单极性非归零码容易提取时钟信息。

图3-2 几种常用传输码型的波形

a）单极性非归零码 b）双极性非归零码 c）数字双相标志码 d）单极性归零码 e）双极性归零码 f）密勒码 g）交替极性码

（4）双极性归零（RZ-M）码：如图3-2e所示，“1”用正脉冲表示，“0”用负脉冲表示，且均要在结束时回到零。正负脉冲的前沿起了启动信号的作用，后沿起了终止信号的作用，可以经常保持正确的位同步。

（5）数字双相标志码：数字双相标志码又称为分相码或曼彻斯特码。每一位码用两个电平来传输，“1”时用“10”编码，“0”时用“01”编码，波形如图3-2c所示。由于每个码元中心都存在电平跳变，因此容易提取定时信号，且由于正负电平各占一半，故不存在直流分量。但信号频带加大了1倍，适用于数字终端设备在短距离内的传输。(www.xing528.com)

双相标志码本身带有同步信息，每隔一个周期就会有一次电平转换，很容易得到解码用的时钟，但所需的带宽大。双相码-L将每个周期分为前后两部分，低电平在前、高电平在后表示“1”，低电平在后、高电平在前表示“0”：双相码-M与前一比特符号有关，每比特符号前半周期电平总与前一比特符号后半周期的电平不同，本周期内用两状态相同表示“0”，不相同表示“1”；双相码-S则相反，本周期内两个状态相同表示“1”，不相同表示“0”。比较这几种码型可以看出，不同的编码方式具有不同的频谱特性。一般说来，码流中相邻两个电平转换之间的最大距离越大，低频下限频率就越低；码流中相邻两个电平转换之间的最大距离越小，高频上限频率就越高。

（6）密勒（Miller）码：密勒码是数字双相标志码的一种变形，是对数字双相标志码的改进，如图3-2f所示。凡是“1”时在位周期中心发生电平转换，紧接在“1”后面的“0”不发生电平转换，紧接在“0”后面的“0”在位周期开始的边界上发生电平转换。这样即使在连“0”或连“1”时，电平转换最快也要在一个周期以后，最慢在两个周期后也必然发生电平转换，因此使频谱向中频集中，高频不高，低频不低，即这种编码的高频分量和低频分量都很低。

从功率谱的分析表明，密勒码的信号能量主要集中在1/2码速以下的频率范围内，直流分量很小，频带宽度约为数字双相标志码的一半。

（7）交替极性（AMI）码：如图3-2g所示，二进制“0”用零电平表示，二进制“1”交替地用“1”或“-1”脉冲的归零码表示，脉宽为码元周期的1/2。功率谱中无直流分量，低频分量较小，能量集中在码速的1/2处，在接收端，将AMI码整流后，提取时钟信号。若在传输过程中，AMI码极性交替规律遭到破坏，则可判断该处有错，因此AMI码具有纠错能力。

一般来说，不同的编码方式具有不同的频谱特性，若码列中相邻两个电平转换之间的最大距离（T_max）越大，低频下限频率就越低，而码列中相邻两个电平转换之间的最小距离（T_min）越小，高频上限频率就越高。因此，较好的码型应使T_max尽量小，而T_min尽量大，使码列的频谱向中频集中。无疑，密勒码是一种较好的码型。

3.改变脉冲波形

改变脉冲波形，达到直流分量为零的目的，以适应数字通道的传输特性。如果符号“1”用有脉冲表示，“0”用无脉冲表示，那么脉冲序列的平均直流电平与“1”和“0”的个数有很大关系，如果改变脉冲的波形，使每个脉冲的正半周期和负半周期的面积相等就可实现脉冲的直流分量为零。典型的波形有大礼帽脉冲、双脉冲。

4.使用随机序列进行扰码

用增加冗余的方法控制码流的频谱特性，如减少码流的最大游程长度就可以降低码流的最低低频分量。

5.减少冗余码

使用随机序列进行扰码，使输出码流的“0”和“1”的个数基本相同，对线路传输可基本去除直流分量，且有一定的加扰、加密性。此方法广泛应用于数据传输中。

6.时域均衡器

当码间干扰很严重时，基带传输系统不能正常工作，可以加接均衡器进行校正。均衡器有频域均衡器和时域均衡器两类。频域均衡器是利用可调滤波器的频率特性来补偿系统的频率特性，时域均衡器则是利用波形补偿法将已失真的波形加以校正，使输入端采样时刻上有码间干扰的波形变换成无码间干扰的响应波形。