第4章 数字基带调制与传输

4.1 数字基带信号

4.1.1 基带信号的概念及特点

一般而言，未经调制的数字信息代码所对应的电脉冲信号都是从低频甚至直流开始的，所以一般把它们称作数字基带信号。由于基带信号直流或低频成分丰富、提取同步信息不便，以及易产生码间串扰等，基带信号一般都不能在普通信道中传输。但在某些有线信道中，尤其是近距离情况下，数字基带信号可以不经过调制直接传输，这就是数字信号的基带传输，而这个传输系统就称为基带传输系统。

既然基带信号是数字信息的电脉冲表示，对同一组数字信息而言，它显然可以根据不同选择得出不同形式的对应基带信号，其频谱结构也将因此不同。所以，基带传输系统首先面临的问题就是信号形式的选择，包括确定码元的脉冲波形及码元序列的格式即码型，使其适合给定信道传输特性的频谱结构。

数字信息的电脉冲表示过程也称码型变换。长距离有线传输数字信号时，其高频分量的衰减将随着距离的增加而增加，且信道中常有的隔直电容和耦合变压器会对传输频带的高频和低频部分造成额外衰减。为使基带信号在传输过程中获得优良的传输性能，一般都要对原始基带信号进行适当的码型变换，使其适应信道传输特性的要求。

根据一般信道的特点，选择传输码的码型时，主要应考虑以下几点：

（1）码型中低频和高频频率的分量应尽量少，尤其频谱中不能含有直流分量；

（2）码型中应包含定时信息：不能有长的连0码或连1码，以便提取同步定时信息；

（3）码型变换设备必须简单而且可靠；

（4）码型具有一定的检错能力：若传输码型有一定的规律，接收方就可以根据这一规律进行检测，以判断接收信码的正确与否；

（5）码型变换应与信源的统计特性无关。

数字基带信号的传输码型很多，根据各种基带信号中每个码元可以选取的幅度取值，可以将它划分为二元码、三元码和多元码。下面我们分别给予介绍。

4.1.2 常用数字基带信号码型

最简单的二元码基带信号波形为矩形，只有两种幅度电平取值，分别对应于二进制代码的“1”和“0”。常见的二元码有如下几种，它们的波形如图4-1所示。

1.单极性归零码

单极性归零码如图4-1（a）所示，常记作RZ码。该码在发送1时仅在整个码元期间T内只持续一段时间τ的高电平，其余时间内则返回到零电平；发送0时就直接用零电平表示。高电平持续时间和整个码元周期之比称为占空比，通常使用半占空码，即其=50%。

单极性归零码除仍有单极性码的一般缺点外，具有可以直接提取位定时信号的优点，是其他码型在提取位定时信号时通常需要采用的一种过渡码型，即对于采用了其他适合信道传输但不能直接提取同步信号码型的系统而言，可以先变换为单极性归零码后再提取同步信号。

2.双极性归零码

双极性归零码如图4-1（b）所示，用正极性的归零码和负极性的归零码分别表示1和0。这种码兼有双极性和归零的特点。虽然它的幅度取值存在三种电平，但因它是用脉冲的正、负极性来表示0、1两种信码，因此通常仍把它归入二元码一类。

其他还有许多二元码如数字双相码、传号反转码、密勒码等，我们在此不再多做介绍，有兴趣的读者可自行查阅有关书籍。以上讲述的是最简单的二元码，它们的功率谱中含有丰富的低频乃至直流分量，如图4-2所示，故不适于有交流耦合的传输信道。当信息中出现长连1或长连0码时，非归零码将呈现出连续的固定电平波形而无电平跃变，也就不含定时信息。单极性归零码在出现连续0码时也存在同样的问题。由于这四种码的信息1和0分别独立地对应于某个传输电平，其相邻信号之间取值彼此独立，不存在任何相互制约，这种不相关性使这些基带信号不具备检错能力。因此，图4-1中（a）、（b）、（c）、（d）四种码一般只用于机内和近距离的传输。

图4-2是典型的矩形波的功率谱。其分布似花瓣状，第一个过零点之内的花瓣最大，称为主瓣，其余的称为旁瓣。主瓣内集中了信号的绝大部分功率，所以主瓣的宽度可以作为信号的近似带宽，通常称为谱零点带宽。

3.单极性非归零码

单极性非归零码简称单极性码如图4-1（c）所示，其中“1”和“0”分别对应正电压和零电位（或负电压和零电位），整个码元期间电平保持不变。这是一种最简单的传输码，但其性能较差，只适于极短距离的传输，故很少采用。其主要缺点表现为

（1）含有直流成分，而一般有线信道低频传输特性比较差，故信号零频率附近的分量很难传送出去。

（2）接收波形的振幅和宽度容易受信道衰减等多种因素变化的影响，使判决电平不能稳定在最佳电平值上而导致抗噪声性能差。

（3）不能直接提取同步信号。

（4）传输时需要信道的一端接地，故不能用两根线均不接地的电缆等传输线来传输。

4.双极性非归零码

双极性非归零码简称双极性码，如图4-1（d）所示，该码用正电平和负电平分别表示1和0，在整个码元期间电平保持不变。由于双极性非归零码无直流成分，可以在电缆等无接地的传输线上传输，因此得到了较多的应用，但仍然存在不能直接从信号中提取同步信号和信码0、1不等概率出现时仍有直流成分的缺点。

5.差分码

在差分码中，1、0分别用相邻码元电平是否发生跳变来表示。若用相邻电平发生跳变来表示码元1，则称之为传号差分码，记做NRZ（M）码。这是因为电报通信中，常把“1”称为传号，而把“0”称为空号。反之，若用相邻电平发生跳变来表示码元0，就叫做空号差分码，记为NRZ（S）码。图4-1中的（e）图和（f）图分别画出传号差分码和空号差分码。

虽然差分码未能解决前面几种二元码所存在的全部问题，但由于它们是用电平的变化而非电平的大小来传输信息，即它的信码1、0与电平之间不存在绝对的对应关系，它可以解决相位键控同步解调时因接收端本地载波相位倒置而引起的信息1、0倒换问题即相位模糊现象，故差分码得到广泛应用。由于差分码中的电平仅具有相对意义，因而又称之为相对码。

6.交替传号反转码

交替传号反转码常记作AMI码。AMI码中，二进制码元0用0电平表示，二进制码元1则交替地用+1和-1的半占空归零码表示（可以从+1、-1开始交替，也可以从-1、+1交替变化，下面都从+1、-1交替），如图4-3所示。

AMI码的功率谱如图4-4所示。显然，该功率谱无直流分量，低频分量也较小，能量主要集中在频率为码速处。位定时频率分量虽然为0，但只要将其基带信号经全波整流变为单极性归零码，便可从中提取位定时信号。利用传号交替反转规则，在接收端如果发现有破坏该规则的脉冲时，就可知道传输过程中出现了错误，因此该编码规则可用于宏观监视。AMI码是目前最常用的传输码型之一。

当信息中出现长连0码时，由于AMI码中长时间不出现电平跳变，将会出现难以提取定时信息的问题。实际上工程中在使用AMI码时还有一些相关规定，以弥补它在定时提取方面的不足。