一、数字基带传输的概念及系统构成

1.数字基带信号：来自数据终端的原始数据信号，如计算即输出的二进制序列，电传机输出的代码等，往往包含丰富的低频分量，甚至直流分量，被称为数字基带信号。

2.数字信号的基带传输：在某些具有低通特性的有线信道里，例如双绞线、电缆，当传输距离不太远的情况下，数字基带信号可以不经调制直接进行传输，如计算机局域网、电话信号的传输等，称为数字基带传输系统；

3.数字信号的频带传输：对于大多数信道，如各种无线信道和远距离有线信道，其传输特性是带通的，数字基带信号必须在发送端经过调制，把基带信号的频谱搬移到适合信道传输的通带内变为带通信号，通过信道传输，在接收端通过解调，再恢复为原始基带信号，这种传输称为数字频带传输系统。

二、数字基带信号及其频谱特性

1.数字基带信号：设计数字传输系统的基本考虑是选择一组有限的、离散的波形来表示数字信息。对于数字基带传输系统而言，这些离散波形是未经调制的电脉冲信号，这些电脉冲信号所占据的频率从直流和低频开始，因此称为数字基带信号，可以说数字基带信号是指消息代码的电波形，它是用不同的电平或脉冲来表示相应的消息代码。数字基带信号(以下简称为基带信号)的类型有很多，常见的有矩形脉冲、三角波脉冲、高斯脉冲和升余弦脉冲等。最常用的是矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成和变换，下面就以矩形脉冲为例介绍几种最为见的基带信号波形。

1)单极性不归零波形(NRZ)

单极性不归零波形如图6-2(a)所示，这是一种最简单常用的基带信号形式。这种信号脉冲的零电平和正电平分别对应着二进制代码0和1，在整个码元期间电平保持不变。或者说，它在一个码元时间内用脉冲的有或无来对应表示0或1码。其特点是极性单一，含有直流分量，脉冲之间无间隔。另外位同步信息包含在电平的转换之中，当出现连0序列时没有位同步信息。

单极性不归零波形不适合远距离传输，只用于设备内部(如印刷电路板内部或机箱内)信号的传输。

2)双极性不归零波形(BNRZ)

双极性不归零波形如图6-2(b)所示，在双极性不归零波形中，脉冲的正、负电平分别对应于二进制代码1、0，由于它是幅度相等极性相反的双极性波形，故当0、1 符号等概出现时无直流分量。这样，恢复信号的判决电平为0，因而不受信道特性变化的影响，抗干扰能力也较强。故双极性波形有利于在信道中传输，很多应用场合采用双极性波形信号传输。

3)单极性归零波形(RZ)

极性不归零波形如图6-2(c)所示，单极性归零波形与单极性不归零波形的区别是它发送1时正电平脉冲宽度小于码元宽度T，每个1代码脉冲在正电平持续一定时间后总要回到零电平，所以称为归零波形。通常，归零波形使用50%占空比(也称0.5点空比或半占空比,点空比定义为τ/T)。单极性归零波形包含的定时信息多，可以从单极性归零波形中直接提取定时信息，因此它是其它波形提取位定时信号时常采用的一种过渡波形，如AMI、HDB码位定时信号提取时先将双极性归零波形变为单极性归零波形。

例题 :在“0” 、“1”等概出现情况下，以下包含直流成分最大码是:

A、差分码 B、AMI 码 C、单极性归零码 D、HDB3码

单极性归零码1 D、HDB3 码

【答案】C

【解析】单极性波形特点是极性单一，含有直流分量。

4)双极性归零波形(BRZ)

双极性归零波形如图6-2(d)所示。图中，每个码元内的脉冲持续一定时间后都回到零点平，即相邻脉冲之间留有零电位的间隔，有利于位同步信号的提取。它集中具有双极性波形和归零波形的特点，因此双极性归零波形获得广泛应用。

5)差分波形

差分波形如图6-2(e)所示。这种波形不是用码元本身的电平表示消息代码，而是用相邻码元的电平的跳变和不变来表示消息代码，如以电平跳变表示1，以电平不变表示0，上述规定也可以反过来。由于差分波形是以相邻脉冲电平的相对变化来表示代码，因此称它为相对码波形，而相应地称前面的单极性或双极性波形为绝对码波形。用差分波形传送代码可以消除设备初始状态的影响，特别是在相位调制系统中用于解决载波相位模糊问题。

6) 多进制波形

多进制波形如图6-2(f)所示。它与前面几种电波形的区别是上述各种信号都是一个二进制符号对应一个脉冲，而多进制波形是多于一个二进制符号对应一个脉冲的情形。图6-2(f)所示的是四进制波形，这种波形统称为多进制波形(多电平波形或多值波形)。由于多进制波形的一个脉冲对应多位二进制代码，在信道带宽一定(传输波特率一定)的条件下能传输更高的比特率，或在比特率一定时只需占用更小的传输带宽，因此多进制波形在高速数据传输系统中得到广泛应用。

2、数字基带信号传输的常用码型

在实际的基带传输系统中，并不是所有代码的电波形都适合在信道中传输。通常，在数字设备内部用导线连接起来的各器件之间就是用一些最简单的数字基带信号来传送定时信息和信号。这些最简单的数字基带信号的频谱中含有丰富的低频分量乃至直流分量。由于传输距离很近，信号成分衰减也不大，但是数字设备之间进行长距离有线信号传输时频分量衰减随距离的增加而增大，同时信道中往往还存在隔直流电容或耦合变压器，会引起直流损耗，因而传输频带的高频和低频部分均受限。此时必须考虑码型选择问题。

1)数字基带信号传输码型设计的原则

在设计数字基带信号传输码型时应考虑如下原则：

a.对于传输频带低端受限信道，线路传输码型的频谱应不含直流分量，且低频分量少。 b.码型变换过程应对任何信源具有透明性，即与信源的统计特性无关。

c.便于从信号中提取定时信息。在数字信号的基带传输中，位定时信息是接收端判决恢复原始信息所必须的。在某些应用中位定时信号可以用单独的信道与基带信号同时传输，但对于远距离传输系统这种方式不经济，因此需要从基带信号本身提取位定时信息，这就要求基带信号本身或经过简单的非线性变换后能产生位定时频谱成分。

d.基带传输信号应具有内在的检错能力，即设计传输码型具有一定规律性，以便利用这一规律性检测出基带信号码流中错误的信号状态，实时监测传输系统信号传输的质量。

e.传输效率应尽量高。

f、输译码设备应尽可能简单等。

上述原则并不是任何基带传输码型都能完全满足，往往依据实际要求满足其中若干项。数字基带信号传输码型种类繁多，这里介绍目前常见的几种。

2) 数字基带传输常用的码型

a.AMI 码

AM码称为传号交替反转码转码（Alternate Mark Inversion)。其编码规则是将二进制消息代码的“+1”（传号）交替地变换为传输码的“+1”和“-1”，而“0”(空号)保持不变。

如:

消息代码:10011000000011001

AMI码:+1 00 -1 +10000000-+100-1+

AMI码对应的基带信号是代码”1”变为正负电平极性交替的脉冲序列，而代码“0”则保持0电平不变。AMI码的优点是不含直流成分(由于+1与-1交替)，高、低频分量少，AMI码的功率谱（图6-19)中能量集中在以频率为1/2码速率为中心处，频带宽度等于码速率，且AMI码具有检错能力，如果在传输过程中发生错码，则接收端传号极性交替规律被破坏而很容易发现错码。AMI码的位定时分量虽然为0，但只要将信号经全波整流变为单极性归零波形，便可提取位定时信号。此外，AMI码的编译码电路简单。鉴于这些优点，AMI码是CCITT建议采用的传输码型之一。

AMI码的缺点是其性能与信源统计特性有关，当信码出现连“0”串时，信号电平长时间不跳变，造成提取定时信号的困难。通常 PCM 传输线路中不允许连“0”个数超过15，否则位定时就要遭到破坏，信号不能正常再生。解决连“8”码问题的有效方法之一是采用 HDB3码。

b.HDB3码：

HDB3码的全称是3阶高密度双极性码，它是AMI码的一种改进型，其目的是为了保持 AMI码的优点而克服其缺点，使连“0”个数不超过3个，其编码规则如下:

当信码的连“0”个数不超过3时，仍按AMI码的规则编码，即传号极性交替；

当连“0”个数超过3时，则将信码中4个连“0”用取代节“000+V”(000-V)或“+B00+V”(-B00-V)代替，若相邻的两个“y”码中间有奇数个“1”(非“0”脉冲)时，4 个连“0”用取代节“000+V”(000-V)代替，若相邻的两个“V”码中间有偶数个“1”(非“0”脉冲)时,4个连“0”用取代节“+B00+V”(-B00-V)代替。其中“V”码与“B”码的符号确定规则是:“Y”码的符号与它前面的非“0”码符号相同，“B”码的符号与它前面的非“0”码符号相反，“V”码称为破坏脉冲，“B”码称为平衡脉冲。为了确保编好的码中无直流，加入“B”脉冲之后原来的“1”码极性要发生变化，即加入破坏脉冲之后的传号码极性也要交替。

HDB码保持了AMI码的优点，同时还将连“0”码限制在3个以内，这个规律可用来检错，并有利于位定时信号的提取。HDB3码是应用最为广泛的码型，A律 PCM 四次群以下的接口码型均为HDB3码，μ律PCM四次群以下的接口码型使用扰乱处理后的AMI 码，扰乱处理可以减少AMI码中连零的个数。

c.数字双相码

数字双相码又称曼彻斯特(Manchester)码或分相码。它用一个周期的正负对称方波表示“0”，而用其反相波形表示“1”。编码规则之一是：“0”码用“01”两位码表示“1”码用“10”两位码表示，示例如下:

代码: 1 1 0 0 1 0 1

双相码: 10 10 01 01 10 01 10

数字双相码在每个码元周期的中心点都存在电平跳变，包含较多的位定时信息。且这种码的正、负电平各半，所以无直流分量，编码过程简单。但双相码带宽比原信码增加1倍。计算机以太网中常采用这种码型。

d.CMI 码 ( coded Mark Inverston).

CMI码简称传号反转码，与数字双相码类似，它也是一种双极性二电平码，波形见图6-7。编码规则是:“1”码交替用“11”和“00”两位码表示;“0”码固定地用“01”表示。CMI码有较多的电平跃变，定时信息丰富。此外，由于“10”为禁用码组，这个规律可用来宏观检错。由于CMI码易于实现，且具有上述特点，因此是CCITT推荐的PCM高次群采用的接口码型，在速率低于8.448Mb/s的光纤传输系统中有时也用作线路传输码型。

e.密勒码(Miller)

密勒码又称延迟调制码，是一种变形双相码。其编码规则为：对原始符号“1”码用起始不跃变、中心点出现跃变来表示，即用10或01表示。对原始符号“0”则分成单个“0”还是连续“0”予以不同处理；单个“0”时，保持0前的电平不变，即在码元边界处电平不跃变，码元中间点电平也不跃变；对于连续“0”，则使连续两个“0”的边界处发生电平跃变。

密勒码可由双相码的下降沿去触发双稳电路产生。密勒码最初用于气象卫星和磁记录,现在也用于低速基带数传机，还可用于无源 RFID(Radio Frequency Identification)中，MiIIer码因码中带有时钟信息，且具有较好的抗干扰能力，因而是非接触存储卡中优先使用的码型。

在数字双相码、Miller和CMI码中，每个原二进制信码都用一组2位的二进码表示，因此这类码又称为1B2B码，即将1位二进制码变换为2位二进制码，某些文献中1B2B码特指CMI码。数字双相码、密勒码和CMI码的波形如图6-4所示。

从数字双相码、密勒码和CMI码的功率谱密度曲线图6-17可以看出，密勒码的信号能量集中在1/2码速率以下的频率范围内，无直流，占用带宽小，这些优点使它得到应用。

f.nBnB码(m>n)

nBnB码是把原信息码流的n位二进制码作为一组，编成m位二进制码的新码组。

由于m>n，新码组可能有2^n种组合，故多出(2^m-2^n)种组合。从中选择一部分有利的码组作为可用码组，其余为禁用码组，以获得好的特性。在光纤数字传输系统中，通常选择m=n+1，有1B2B码、5B6B码等。由于1B2B的码速率为信息码速率的2倍，因而不适合在高速光纤数字传输系统中用作线路传输码型。目前在速率高于8448kbit/s的光纤数字传输系统中广泛使用5B6B码作为线路传输码型。5B6B码的优点是便于提取位同步信号、可实时监测，!5B6B 编码规则见 68节。除此之外，还有4B5B、8B10B 码用于高速以太网。

g.4B/3T码

在某些高速远程数据传输系统中，1B/1T 码的传输效率偏低，为此可以将输入二进制信码分成若干位一组，然后用较少位数的三元码来表示，以降低编码后的码速率，从而提高频带利用率。4B/3T码型是1B/1T码型的改进型，它把4个二进制码变换成3个三元码。显然，在相同的码速率下，4B/3T 码的信息容量大于1B/1T，因而可提高频带利用率。4B/3T码适用于较高速率的数据传输系统、如高次群同轴电缆传输系统。

h.2B1Q码

2B1Q码用于ISDN基本速率接口(BRI)中的U接口，是一种四电平码，它将 2bit组合在一起以4电平信号来代表，如分别用代码10、11、01、00表示电平+3、+1、-1、-3，对应波形如图6-5所示。

高速数字用户线 HDSL 采用的编码类型也为2B1Q码。

3.数字基带信号的频谱特性

数字基带信号一般是随机信号，因此不能用求确知信号额谱密度函数的方法来分析其频率特性，随机信号的频率特性可以用功率谱密度描述。

1）数字基带信号功率谱集中在低频部分，功率谱形状主要依赖于单个码元波形的频谱函数G1(f)或G2(f)，两者之中应取较大带宽的一个作为序列带宽。通常以谱的第一个零点作为矩形脉冲的近似带宽，它等于脉宽的倒数，即B=1/τ。其中f=1/T，为位定时信号的频率，在数值上与码速率R相等，即f=R，故有B=R。

2)双极性与单极性码谱零点带宽相同，而RZ 与NRZ 带宽不同，其中NRZ码的谱零点带宽数值上等于码速率，即B=R，而RZ码带宽占用带宽多，时间波形的占空比越小，频带越宽，对于占空比为50%(即τ=0.5T)的归零信号，其谱零点带宽数值上等于码速率2倍，即B=2R。

AMI与HDB3码的功率谱的共网特点是：无直流成分，也无其他离散谱；低频分量小(这是有记亿随即序列的共同特点)；虽然采用了占空比为0.5的归零脉冲，但其带宽B仍等于码元速率R，即B=R；

AMI、HDB3码频谱低频成分弱，功率集中在谐零点以内,且无离散谱，位同步提取方法可以在图6-14前面加波形变换，波形变换器可以是比较器、微分器或整流器，波形变换输出结果为RZ码，它含有频率等于码速率的离散谱，通过窄带滤波和脉冲形成得到位同步信号。