基帶傳輸

基帶傳輸是一種不搬移基帶信號頻譜的傳輸方式。未對載波調製的待傳信號稱為基帶信號，它所佔的頻帶稱為基帶，基帶的高限頻率與低限頻率之比通常遠大於1。

將基帶信號的頻譜搬移到較高的頻帶（用基帶信號對載波進行調製）再傳輸，則稱為帶通傳輸。

選用基帶傳輸或通帶傳輸，與信道的適用頻帶有關。例如，計算機或脈碼調製電話終端機輸出的數字脈衝信號是基帶信號，可以利用電纜作基帶傳輸，不必對載波進行調製和解調。與通帶傳輸相比，基帶傳輸的優點是設備較簡單；線路衰減小，有利於增加傳輸距離。對於不適合基帶信號直接通過的信道（如無線信道），則可將脈衝信號經數字調製後再傳輸。

基帶傳輸廣泛用於音頻電纜和同軸電纜等傳送數字電話信號，同時，在數據傳輸方面的應用也日益擴大。通帶傳輸系統中，調製前和調製後對基帶信號處理仍須利用基帶傳輸原理，採用線性調製的通帶傳輸系統可以變換為等效基帶傳輸來分析 ^[1]  。

基帶傳輸中的碼型變換裝置把來自信源的數碼變換為適合於信道傳輸的碼波形。常用的傳輸碼波形有歸零碼、不歸零碼、傳號差分碼、雙相碼、交替傳號反轉碼（AMI碼）等。

歸零碼是用窄脈衝代表“1”碼，沒有脈衝代表“0”碼。

不歸零碼是在一個碼週期內維持一種電平，如高電平代表“1”，低電平代表“0”。傳號差分碼是用電平的變化來代表“1”(稱“1”為傳號)，電平不變代表“0”。

差分碼用於信號傳輸中高低電平會反轉的場合。

雙相碼又稱分相碼或曼徹斯特碼，用10組合代表“1”，01組合代表“0”。雙相碼的優點：沒有直流分量，可用要求不高的交流耦合電路；01過渡頻繁，有利於恢復定時信號等。缺點：傳輸碼速加倍，所需頻帶加寬。

交替傳號反轉碼是用窄的正脈衝或負脈衝代表“1”，無脈衝代表“0”，正、負脈衝交替出現。優點：沒有直流分量，可利用正、負脈衝交替規律來監視誤碼；缺點：處於長“0”時，恢復定時信號困難。

此外，還有多種其他傳輸碼型。例如，利於傳輸或節省頻帶的有部分響應編碼、多電平碼；利於定時信號恢復的有加擾二元碼、高密度雙極性碼、編碼傳號反轉碼等。

基帶傳輸發送濾波器用以限制信號頻帶，避免干擾其他系統，有時也可不用。傳輸信道可以是電纜。收信端濾波器用以濾除由信道帶來的噪聲和干擾。均衡器用以均衡信道畸變，以便減小碼間干擾。濾波器和信道都對頻帶有限制，接收濾波器輸出的波形會發生變化。採樣判決電路每隔時間T對接收波形進行採樣，得到樣值脈衝。樣值大於零判為“1”，小於零判為“0”。如果信道畸變和疊加噪聲未使樣值發生極性錯誤，就能無誤地再生髮信端信號。再經碼型反變換（有時與判決結合起來實現），恢復的數碼就送給信宿，如計算機或脈碼調製電話終端機。

眼圖用以直觀判定碼間干擾情況。對於沒有均衡好的信道，相鄰碼間產生干擾，眼圖的張開度縮小；相反，信道被均衡好後，眼圖的張開度明顯增大。因此，眼圖可用來直接觀察和判定均衡質量。對於沒有均衡好的信道，相鄰碼間產生干擾，眼圖的張開度縮小；相反，信道被均衡好後，眼圖的張開度明顯增大。因此，眼圖可用來直接觀察和判定均衡質量。

基帶數字傳輸的重要指標是頻帶利用率η=R_b/B。式中R_b是每秒傳輸的二元碼數,其單位為比特/秒(bit/s)；B是傳輸所需頻帶。用二電平碼傳輸時，η的理論最大值為2比特/(秒·赫)。要達到這一理論值，需要使用幅-頻特性曲線陡峭的理想低通濾波器。在實用中,，α 為滾降係數，代表系統幅－頻特性曲線的緩慢變化程度,0<α<1。若用M電平傳輸，η是二電平的log₂M倍。基帶數字傳輸的另一重要指標是誤碼率P_e。在實際測量中，P_e為誤碼數除以總碼數。

模擬信號經過信源編碼得到的信號為數字基帶信號，將這種信號經過碼型變換，不經過調製，直接送到信道傳輸，稱為數字信號的基帶傳輸。

基帶傳輸系統由碼波形變換器、發送濾波器、信道、接收濾波器和取樣判決器等5個功能電路組成。

基帶傳輸系統的輸入信號是由終端設備編碼器產生的脈衝序列，為了使這種脈衝序列適合於信道的傳輸，一般要經過碼型變換器，碼型變換器把二進制脈衝序列變為雙極性碼（AMI碼或HDB3碼），有時還要進行波形變換，使信號在基帶傳輸系統內減小碼間干擾。當信號經過信道時，由於信道特性不理想及噪聲的干擾，使信號受到干擾而變形。在接收端為了減小噪聲的影響，首先使信號進入接收濾波器，然後再經過均衡器，校正由於信道特性（包括接收濾波器在內）不理想而產生的波形失真或碼間串擾。最後在取樣定時脈衝到來時，進行判決以恢復基帶數字碼脈衝。

1）有利於提高系統的頻帶利用率。

2）基帶信號應不含直流分量。

3）應考慮到碼型頻譜中高頻分量的影響。電纜中線對間由於電磁輻射而引起的串話隨頻率升高而加劇，會限制信號的傳輸距離或傳輸容量。

4）基帶信號應具有足夠大的定時信號供提取。

5）基帶信號的傳輸碼型應具有誤碼檢測能力。

6）碼型變換設備簡單，容易實現。

常見的傳輸碼型有NRZ碼、RZ碼、AMI碼、HDB3碼及CMI碼，其中最適合基帶傳輸的碼型是HDB3碼。另外，AMI碼也是CCITT建議採用的基帶傳輸碼型，但其缺點是當長連"0"過多時對定時信號提取不利。CMI碼一般作為四次羣的接口碼型 ^[2]  。

1）奈奎斯特第一準則

如何才能保證信號在傳輸時不出現或少出現碼間干擾是關係到信號可靠傳輸的一個關鍵問題。奈奎斯特對此進行了研究，提出了不出現碼間干擾的條件：當碼元間隔T的數字信號在某一理想低通信道中傳輸時，若信號的傳輸速率位Rb=2fc（fc為理想低通截止頻率），各碼元的間隔T=1/2fc，則此時在碼元響應的最大值處將不產生碼間干擾，且信道的頻帶利用率達到極限，為2(b/s)·Hz。上述條件是傳輸數字信號的一個重要準則，通常稱為奈奎斯特第一準則，即傳輸數字信號所要求的信道帶寬應是該信號傳輸速率的一半：

BW=fc=Rb/2=1/2T

當滿足這一條件時，其它碼元的拖尾振幅在對應於某一碼元響應的最大值處剛好為零。

2）滾降低通幅頻特性

實際傳輸中，不可能有絕對理想的基帶傳輸系統，這樣一來，不得不降低頻帶利用率，採用具有奇對稱滾降特性的低通濾波器作為傳輸網絡。

根據推導得出結論：只要滾降低通的幅頻特性以點C(fc，1/2)呈奇對稱滾降，則可滿足無碼間干擾的條件（此時仍需滿足傳輸速率=2fc）。

滾降係數：

a=[(fc+fa)-fc]/fc

用滾降低通作為傳輸網絡時，實際佔用的頻帶展寬了，則傳輸效率有所下降，當a=100%時，傳輸效率即頻帶利用率只有1(b/s)·Hz，比理想低通小了一半。

基帶數字信號在傳輸過程中，由於信道本身的特性及噪聲干擾使得數字信號波形產生失真。為了消除這種波形失真，每隔一定的距離需加一再生中繼器，由此構成再生中繼系統。再生中繼系統的特點是無噪聲積累，但有誤碼率的累積。

再生中繼器主要由均衡放大電路、定時提取電路、判決及碼形成電路等3個部分組成。均衡放大電路的作用是對接收到的失真波形進行放大和均衡；定時提取電路的作用是在收到的信碼流中提取定時時鐘，以得到與發端相同的主時鐘脈衝，做到收發同步；判決及碼形成電路則是對已被放大和均衡的信號波形進行抽樣、判決，並根據判決結果形成新的、與發送端相同的脈衝。

數字基帶信號就是消息代碼的電波形，它是用不同的電平或脈衝來表示相應的消息代碼。數字基帶信號的波形和碼型很多，最常用的由矩形脈衝組成的基帶信號有：單極性歸零及不歸零波形，雙極性歸零及不歸零波形，差分波形和多電平波形等 ^[3]  。