通原实验1-码型变换.ppt
武汉理工大学信息工程学院专业综合实验中心.,通信原理实验一,HDB3/AMI码型变换与位同步提取,数字通信系统对信息的传输有两个基本的传输系统,1、数字基带传输系统,2、数字频带传输系统,用来传输数字基带信号的通信系统称为数字基带传输系统。方法是：将数字基带信号直接进行线路传输。,为适应信道传输而将基带信号进行调制，即将基带信号的频谱搬移到某一高频处，变为频带信号进行传输，这种传输信号的方式称为数字频带传输系统。,数字频带传输系统特点是：发送端必须使用调制器，接收端必须使用解调器。,数字基带传输系统特点是：发送端不使用调制器，接收端不使用解调器。,一、实 验 目 的,4.通过给定的实验电路,熟悉并掌握本实验电路的组成和工作过程,学会分析电路方法。,1.通过实验,了解几种常见的数字基带信号，掌握常用的数字基带信号的编码规则。,2.掌握对二进制单极性码变换为AMI与HDB3码的编译码规则、工作原理和实现方法；进一步明确数字基带信号传输线路码型变换的目的。,3.简单了解位同步提取的实现方法。,二、实 验 内 容,AMI编译码系统,HDB3编译 码系统,1.AMI码编码规则验证,2.AMI码位同步信号观测,4.AMI码译码和时延测量,3.AMI码单双变换、双单变换定性观测,1.HDB3码变换规则验证,2.HDB3码位同步信号观测,3.HDB3码单双变换、双单变换定性观测,4.HDB3码译码和时延测量,数字基带信号的测量,三、实验应知知识,1.数字信号与数字基带信号,在数字通信系统中，一般把模拟信号经数字化处理后而形成的脉冲编码信号，或是来自数据终端设备（比如计算机）的原始数据信号，称为数字信号。,数字信号的特点是:,(1)数字信号:,信号的幅值取值是离散的，且幅值被限制在有限个数值之内。常见的二进制码就是一种数字信号。二进制码受噪声的影响小，易于由数字电路进行处理，所以得到了广泛的应用。,三、实验应知知识,(2)数字基带信号:,数字基带信号，是消息代码的电波形的表示形式。即将信源发出的、未经调制或频谱变换、直接在有效频带与信号频谱相对应的信道上传输的数字信号，用不同的电平或脉冲来表示相应的消息代码。,例：若将二进制码的一种数字信号变换为数字基带信号:,数字基带信号的电波形表示的类型很多，常见的有矩形脉冲，三角波、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。,三、实验应知知识,数字基带信号（以后简称基带信号）的类型有很多，如以矩形脉冲组成的数字基带信号，主要有以下几种：,3.常用数字基带信号类型与编码规则,例如,三、实验应知知识,3.1 NRZ,NRZ码的全称是单极性不归零码，在这种二元码中用高电平和低电平分别表示二进制信息“1”和“0”，其特征是1、0分别对应正电平和零电平，在表示码元时，电压不需要回到零.,1,+E,0,0,1,0 0,1 1,0 1,特点：,发送能量大，有利于提高接收端的信噪比,在信道上占用的频带较窄,存在直流成份，将导致信号的失真，无法使用交流耦合的线路和设备,不能直接提取位同步信号；,5.接收NRZ码的判决电平应取”1”码的一半,由于信道衰减或特性随各种因素变化时,接收端波形的振幅和宽度容易变化,因而判决门限不够稳定在最佳电平,使抗噪性能变坏.,数字信号序列：,+E,0,1 0 1 0 0 1 1 0,NRZ码,单极性非归零码（NRZ）的功率谱,2）由离散谱仅含直流分量可知，单极性 NRZ 信号的功率谱不含可用于提取同步信息的fb分量。,3）由连续分量可方便求出,单极性 NRZ 信号的功率谱的带宽近似为（Sa 函数第一零点）,时，上述结论依然成立（请读者自己考虑）,单极性 NRZ 信号的功率谱如图所示。可以看出：,1）单极性 NRZ 信号的功率谱 只有连续谱和直流分量,单极性非归零码 NRZ 信号的功率谱,NRZ(=Ts)基带信号的带宽为BS=1/=fs；,三、实验应知知识,3.2 RZ,RZ码的全称是单极性归零码，与NRZ码不同的是，发送“1”时在整个码元期间高电平只持续一段时间，在码元的其余时间内则返回到零电平，即信号的脉冲宽度小于码元宽度，通常均使脉冲宽度等于码元宽度的一半。,+E,1,0,0 电平,1,0,0,1,0,1,0,0,RZ码与NRZ码相比，除仍具有单极性码的一般特点外，主要优点是可以直接提取同步信号，但不意味可以作为线路传输码使用，它可以为其它码型提取同步信号时，而作为一个过渡码形应用,例如：,单极性归零码 RZ 信号的功率谱,RZ,+E,0,t,单极性归零码（RZ）的功率谱,数字信号序列：,1 0 1 0 0 1 1 0,对于单极性 RZ 信号，有,2)由离散谱可知，单极性 RZ 信号的功率谱 含可用于提取同步信息的fb分量。,3）由连续谱可求出 单极性 RZ 信号的功率谱 的带宽近似为,较之单极性 NRZ 信号变宽。,RZ(=Ts/2)基带信号的带宽为BS=1/=2fs,三、实验应知知识,3.3 BNRZ,BNRZ码的全称是双极性不归零码，在这种二元码中用正电平和负电平分别表示数字基带信号的“1”和“0”。与单极性不归零码相同的是整个码元期间电平保持不变，因而在这种码型中不存在零电平。,+E,1,-E,0,1,0,0,1,1,双极性不归零（NRZ）码特点：,（1）当“1”和“0”数目各占一半时无直流分量，但当“1”和“0”出现概率不相等时，仍有直流成份；,（2）连“0”或连“1”时仍不能直接提取位同步信息；,（3）对信道特性变化不敏感；,（4）可在电缆等无接地线上传输。,例如：,数字信号序列：,1 0 1 0 0 1 1 0,双极性非归零码 BNRZ 信号的功率谱,+E,-E,双极性不归零（BNRZ）码的功率谱,BNRZ,双极性BNRZ 信号的功率谱如图所示。可以看出：,1）双极性BNRZ 信号的功率谱 只有连续谱，不含任何离散分量。当然，也不含可用于提取同步信息的fb分量。,2）双极性BNRZ 信号的功率谱的带宽同于单极性 NRZ 信号，为,3）时，双极性BNRZ 信号的功率谱 将含有直流分量，其特点与单极性 NRZ 信号的功率谱相似（请读者自己考虑）,NRZ(=Ts)基带信号的带宽为BS=1/=fs；,三、实验应知知识,3.4 BRZ,BRZ码的全称是双极性归零码。与BNRZ码不同的是，发送“1”和“0”时，在整个码元期间高电平或低电平只持续一段时间，在码元的其余时间内则返回到零电平。,+E,1,0 电平,-E,0,1,0,0,1,1,例如：,1 0 1 0 0 1 1 0,数字信号序列：,双极性BRZ 信号的功率谱,+E,0,-E,双极性归零（BRZ）码的功率谱,BRZ,双极性BRZ信号的功率谱如图所示。可以看出,1）双极性BRZ信号的功率谱，只有连续谱，不含任何离散分量。当然，不含可用于提取同步信息的fb分量。,2）双极性 RZ 信号的功率谱的带宽同于单极性 RZ 信号，为,3）时，双极性BRZ 信号的功率谱 将含有离散分量，其特点与单极性 RZ 信号的功率谱相似（请读者自己考虑）,RZ(=Ts/2)基带信号的带宽为BS=1/=2fs,结论：二进制基带信号的带宽主要依赖单个码元波形的频谱函数G1(f)和 G2(f)。时间波形的占空比越小，占用频带越宽。若以谱的第1个零 点计算，NRZ(=Ts)基带信号的带宽为BS=1/=fs；RZ(=Ts/2)基带信号的带宽为BS=1/=2fs。其中fs=1/Ts，是位定时信号的频 率，它在数值上与码元速率RB相等。单极性基带信号是否存在离散线谱取决于矩形脉冲的占空比。单极 性NRZ信号中没有定时分量，若想获取定时分量，要进行波形变 换；单极性RZ信号中含有定时分量，可以直接提取。“0”、“1”等 概的双极性信号没有离散谱，也就是说没有直流分量和定时分量。,三、实验应知知识,4.为什么要进行码型变换?,通常由信源编码输出的数字信号多为经自然编码的电脉冲序列（高电平表示1，低电平表示0，或相反），这种经过自然编码的数字信号虽然是名符其实的数字信号，但却并不适合于在信道中直接传输，或者说，数字通信系统（数据通信系统）一般并不采用这样的数字信号进行基带传输。因为用这样的数字信号进行基带传输会出现很多问题，换句话说，就是它的码型不满足通信的要求。,传输这种数字基带信号会遇到的问题：,三、实验应知知识,5.对线路传输码型的基本要求：,由于不同的码型具有不同的特性，因此在实际应用中,应合理设计或选择适合于在给定信道传输特性的码型，通常要考虑以下因素，或者说要遵循以下原则：,1）能从其响应的基带信号中获取定时信息；,2）相应的基带信号无直流成份和只有很小的低频成份；,4）尽可能地提高传输码型的传输效率；,5）具有内在的检错能力，能在线检测传输误码率。,3）不受信息源统计特性的影响，即能适应于信息源的变化；,即将数字基带信号变换成适合于线路传输的码型。此种码也称为传输码、线路码。,三、实验应知知识,三、实验应知知识,AMI码传号极性交替反转码,HDB3码 三阶高密度双极性码,CMI码传号反转码,适合线路传输码型,三、实验应知知识,1 AMI,AMI码的全称是传号极性交替反转码，其编码规则是：信息码中的“0”码,仍变换为传输码的“0”；信息码中的“1”码,极性交替变换为传输码的“+1、1、1、1、”。,数字基带信号的“0”码仍为0,例如：当二进码序列为 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1,0 0,+1,-1,0,+1,0 0 0,-1,+1,数字基带信号的“1”码，则极性交替反转,AMI码的特点,（1）无直流成分，且零频附近低频分量小；对信源有透明性。,（2）码型具有一定检错能力；若接收端收到的码元极性与发送端完全相反，也能正确判决。,（3）用归零码就便于提取定时分量。但当信码出现连“0”串时，提取定时信号困难。,AMI简易编码电路,三、实验应知知识,0,0,1,1,1,0,0,VT1截止,VY2截止,输出0,1,1,0,0,1,1,0,VT1导通,VY2截止,输出+1,1,1,0,1,0,0,1,VT1截止,VY2导通,输出-1,图 AMI码的频谱示意图,这种码型交替出现正、负极脉冲，所以没直流分量，低频分量也很少，它的频谱如图所示，AMI码的能量集中于f0/2处(f0为码速率)。,这种码的反变换也很容易，在再生信码时，只要将信号整流，即可将“-1”翻转为“1”，恢复成单极性码。这种码未能解决信码中经常出现的长连“0”的问题。,三、实验应知知识,2 HDB3 码（改进的 AMI 码）,规则：代码“1”(传号)-传输码 交替为“+1”、“-1”“0”(空号)-传输码“0”；出现四连”0”时,用破坏点V码替代。V码可为“+1”或“-1”,破坏点V的规则:1）每4个连“0”小段的第4位是破坏点V，V的极性与前一个非0符号的极性相同；2）+V、-V 交替出现；3）当相邻V符号之间有偶数个非0符号时，必须将后面连“0”小段的第一位换成B,B 符号的极性与相邻前一非0符号的极性相反,V的极性同B,V后面的非0符号极性从V开始调整。,HDB3码的全称是三阶高密度双极性码，其编码规则如下：,三、实验应知知识,例,AMI 波形,代码波形,HDB3 波形,特点：,1）每一个破坏点V 的极性总是与前一个非0符号的极性相同。B 也视为非0符号。,2）只要找到破坏点V，就可判断其前面必为3个连0 符号。,3）利于提取定时时钟。,HDB3码编码电路组成与原理,HDB3编码电路组成方框图,该电路主要由4个部分组成：连零检测、破坏点产生、取代节判决和单双极性变换。,HDB3编码器各单元电路原理：,连零检测电路：当4个0依次存入四级移位寄存器JC1JC4时，JC11输出低电平控制信号。,取代节判决电路：当JC11输出控制信号时判断此时JC6的输出，如果JC6为高电平则判别由B00V来取代四连“0”码，否则由000V取代。,破坏点产生电路：由JC5、JC7和JC13组成，当遇到B00V时，JC13为0，当取代节为000V时，JC13为1,单双变换电路的作用是：将单极性不归零码变换成双极性不归零码，它由JCl6、JCl7、JCl5、JCl8、BGl、BG2及脉冲变压器组成。,四连零检测,破坏点产生,取代节判断,单双极性变换,3 CMI码：,CMI码的全称是传号反转码，是一种二电平非归零码。其编码规则如下：信息码中的“0”码固定用负正电平“01”表示；信息码中的“1”码交替用正电平“11”和负电平“00”表示。,三、实验应知知识,0 1,11,00,当二进码序列为:0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1,0 1,0 1,11,0 1,0 1,0 1,00,11,CMI 码的优点是没有直流分量，且低频分量较小；信息码流中有频繁出现电平（波形）跳变，含有丰富的定时信息，且便于提取时钟分量；，具有一定的误码监测与检错能力。,CMI码的特点,编、译码电路简单，容易实现，因此，ITU-T推荐在高次群PCM终端设备中广泛用作接口码型，在速率低于 8448kb/s 的光纤数字传输系统中也被建议作为线路传输码型。,实验电路板,信号源,实验电路,电源,1.实验电路说明,本实验采用了CD22103 专用芯片，实现AMIHDB3 的编译码.,内部电路如图所示,1脚/NRZ/IN,2脚/编码时钟,3脚/编码类型,5脚/译码时钟,14、15脚/编码输出,11、13脚/译码器输入,CD22103为双列直插16 引脚芯片。,4脚/译码输出,10脚/汇总输出,CD22103主要由发送编码和接收译码两部分组成，工作速率为50kb/s10Mb/s。,AMI/HDB3码型变换电路原理图,J1编译码类型选择,74HC4052单/双变换器,J2位同步提取极性选择,LC选频、三极管放大、反相限幅整形位同步提取,CD22103编/译码,74HC04双/单变换器,信号源电路原理图,J3M序列长度选择,S1M序列初始状态触发,74HC164、74HC86M序列产生电路,74HC4060、1G04256KHz方波时钟信号产生电路,电路板输入输出点,实 验 开 始!,实验应知知识介绍完毕,a、注意安全操作规程，确保人身安全,注意人身安全和仪器设备的安全,为了防止器件损坏，在切断实验电路板上的电源后才能改接电路。,调换仪器时应切断实验仪器的电源。,逐步养成用右手进行单手操作的习惯。,b、爱护仪器设备,仪器在使用过程中，不必经常开关电源。,切忌无目的的拨弄仪器面板上的开关和按钮。,仪器设备出现问题，请向老师寻求帮助，请勿随便调换配件。,实验现场的操作规程,1.数字基带信号的测量,实验准备：实验电路模块插接于实验箱中。如图连接。接通并打开电源。,7/15位M序列数字基带信号测量（NRZ）,测试数据观察与记录,测量并记录7位和15位M序列NRZ信码的频谱，通过比较后标明本实验系统中NRZ的带宽。,体会并掌握在数字通信系统，如何通过测量系统时钟信号来测出信号的码元。,探头,探头,示波器同时观测并记录CLK-IN与NRZ-OUT波形。,分析观测NRZ码与编码时钟的关系，分别画出7和15位M序列周期的波形；并分别读出7和15位M序列的数字序列。,0,111,1,00,重复,7位周期M序列NRZ输入数据测量（码元）,7位周期M序列NRZ信号频谱（带宽）,频谱的第一过零点,NRZ,CLK,2.AMI与HDB3码编码规则验证,实验准备：保持实验步骤1中连接，CTXSQ256KHz,NRZ-INNRZ-OUT。,7/15位M序列编码验证,测试数据观察与记录,设J1选择编码方式，J3选择NRZ位数。,分析结果是否满足AMI/HDB3编码关系，画出一个M序列周期的测试波形。简述TD+、TD-合成编码波形的实现方法。,观测并记录NRZ-IN与AMI或HDB3编码输出HDB3/AMI的对比波形。,观测并记录HDB3/AMI的频谱，并说明其编码信号的带宽。,探头1,探头2,观察HDB3/AMI与TD+、TD-的波形，并说明其相互之间的关系。,探头1,探头1,7位周期M序列AMI与HDB3编码输出数据延时测量,约四个码元周期,实验准备：前一实验步骤中，改变NRZ-IN+5V。,全“1”码序列编码验证,测试数据观察与记录,观测并记录HDB3/AMI波形。,分析观测输入数据与输出数据关系是否满足AMI/HDB3编码关系，画出测试波形。,2.AMI与HDB3码编码规则验证,探头1,探头2,探头2,观察HDB3/AMI与TD+、TD-的波形，并说明其相互之间的关系。,观测并记录HDB3/AMI的频谱，并说明其编码信号的带宽。,设J1选择编码方式。,实验准备：前一实验步骤中，改变NRZ-INGND。,全“0”码序列编码验证,2.AMI与HDB3码编码规则验证,测试数据观察与记录,观测并记录HDB3/AMI波形。,分析观测输入数据与输出数据关系是否满足AMI/HDB3编码关系，画出测试波形。并比较两种编码方式的特点。,探头1,探头2,探头2,观察HDB3/AMI与TD+、TD-的波形，并说明其相互之间的关系。,观测并记录HDB3/AMI的频谱，并说明其编码有效时编码信号的带宽。,设J1选择编码方式。,3.编 码信号中位同步信号定性观测,实验准备：保持信号源中连接,CTXSQ256KHz,NRZ-INNRZ-OUT。,NRZ的HDB3/AMI码位同步提取信号观测,测试数据观察与记录,观测并记录CTX 与BS-OUT的波形。,设J1选择编码方式；J3选择NRZ位数；J2选择双极性的HDB3/AMI信号还是单极性的HDB3/AMI-D信号。,探头1,探头2,分析位同步信号提取需要哪些条件。NRZ的长度对结果有影响吗？,NRZ码时提取位同步,3.编 码信号中位同步信号定性观测,实验准备：保持信号源中连接,CTXSQ256KHz,NRZ-IN+5V。,全“1”的HDB3/AMI码位同步提取信号观测,测试数据观察与记录,观测并记录CTX 与BS-OUT的波形。,设J1选择编码方式；J2选择双极性的HDB3/AMI信号还是单极性的HDB3/AMI-D信号。,探头1,探头2,分析位同步信号提取需要哪些条件。单双极性对结果会有影响吗？,全“1”码时提取位同步,3.编 码信号中位同步信号定性观测,实验准备：保持信号源中连接,CTXSQ256KHz,NRZ-INGND。,全“0”的HDB3/AMI码位同步提取信号观测,测试数据观察与记录,观测并记录CTX 与BS-OUT的波形。,设J1选择编码方式；J2选择双极性的HDB3/AMI信号还是单极性的HDB3/AMI-D信号。,探头1,探头2,分析位同步信号提取需要哪些条件。编码方式对结果会有影响吗？,全“0”码时提取位同步,AMI,HDB3,4.编 码信号的双单变换定性观测,实验准备：保持信号源中连接,CTXSQ256KHz,NRZ-INNRZ-OUT。,NRZ的HDB3/AMI码双单变换观测,测试数据观察与记录,观测并记录TD+与RD+的波形。,设J1选择编码方式；J3选择NRZ位数。,探头1,探头2,对比J3设置不同时HDB3/AMI波形，分析双单变换的必要性及实现方法。,观测并记录TD-与RD-的波形。,探头1,探头2,5.AMI 与HDB3 译 码 信 号 与 时 延 观 测,7/15位M序列译码信号与时延观测,测试数据观察与记录,观测并记录NRZ-IN与AMI或HDB3译码NRZ-OUT对比波形和时延。,实验准备：保持信号源中连接，CTXSQ256KHz,NRZ-INNRZ-OUT,J2置左。,探头2,探头1,设J1选择编码方式，J3选择NRZ位数。,J2置右，观测NRZ-IN与NRZ-OUT对比波形。,画出步骤中的波形并测出延时。比较两实验步骤的结果，分析原因。,观测CTX与CRX波形，判断是否同步。,探头2,探头1,原始NRZ,译码NRZ,7位周期M序列AMI与HDB3译码输出数据延时测量,约八个码元周期,1.根据实验结果，画出要求记录的主要测量点波形。2.根据测量结果，分析AMI码和HDB3码位同步提取的方法。3.总结HDB3码的信号特征。,4.根据实验观察和纪录回答：,(1)不归零码和归零码的特点是什么？,(2)具有长连 0 码格式的数据在 AMI 编译码系统中传输会带来什么问题，如何解决？,(3)为什么在实际传输系统中使用HDB3 码？用其他方法行吗（如扰码）？,
