武汉理工大学《FPGA原理与应用》课程设计说明书
2 数字基带信号
基带传输是最基本的数据传输方式，即按数据波的原样，不包含任何调制，在数字通信的信道上直接传送数据。基带传输不适于传输语言、图像等信息。目前大部分微机局域网，包括控制局域网，都是采用基带传输方式的基带网。基带网的特点是：信号按位流形式传输，整个系统不用调制解调器，降低了价格；传输介质较宽带网便宜；可以达到较高的数据传输速率（目前一般为10～100Mb/s），但其传输距离一般不超过25km，传输距离越长，质量越低；基带网中线路工作方式只能为半双工方式或单工方式。
基带系统的工作原理：信源是不经过调制解调的数字基带信号，信源在发送端经过发送滤波器形成适合信道传输的码型，经过含有加性噪声的有线信道后，在接收端通过接收滤波器的滤波去噪，由抽样判决器进一步去噪恢复基带信号，从而完成基带信号的传输。
基带传输时，通常对数字信号进行一定的编码，数据编码常用3种方法：非归零码NRZ、曼彻斯特编码和差动曼彻斯特编码。后两种编码不含直流分量，包含时钟脉冲，便于双方自同步，因此，得到了广泛的应用。
数字基带信号， 是信源发出的、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，是消息代码的电波形，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。
数字基带信号是数字信息的一种表现形式，被用于数字基带传输系统。可以用不同电 压或电流的代码来表示基带码。不同形式的基带码具有不同的频谱结构，合理地设计基带 码是基带传输首先要考虑的问题。
2.1 数字基带信号的码型设计原则
（1）对于传输频率很低的信道来说，线路传输码型的频谱中应不含直流分量。 （2）可以从基带信号中提取位定时信号。在基带传输系统中，需要从基带信号上提 取位定时信息，这就要求编码功率谱中具有位定时线谱。 （3）要求基带编码具有内在检错能力。
（4）码型变换过程应具有透明性，即与信源的统计特性无关。
（5）尽量减少基带信号频谱中的高频分量，这样可以节省传输频带，提高信道的频 谱利用率，还可以减少串扰。
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2.2 非归零码(NRZ 码)
非归零码分为两种，即单极性和双极性。
2.2.1 单极性
这种传输码的零电平与正电平(或负电平)分别对应于二进制代码中的“0”码与“1”码。他的特点是：脉冲极性单一，有直流分量;脉冲波的占空比为100%，即一个脉冲持续的时间等于一个码元的宽度，在整个码元期间电平保持不变。该码经常在近距离传输时被采用。
图2-1 单极性非归零码
2.2.2 双极性
这种传输码的正、负电平分别对应于二进制代码中的“1”码与“0”码。从信号的一般统计规律看，由于“1”码与“0”码出现的概率相等，所以这种传输码的平均电平为零，即无直流分量。这样在接收端恢复信号时，其判决电平可取为0V，因而可消除因信道对直流电平的衰减而带来判决电平变化的影响。这种传输码还有抗干扰能力强的特点。该码常在CCITT 的V 系列接口标准或RS232C 接口标准中使用。
图2-2 双极性非归零码
2.3 归零码(RZ 码)
归零码也分为两种，即单极性和双极性。
2.3.1 单极性
与单极性非归零码不同，发送“1”时在整个码元期间高电平只持续一段时间，在码
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元的其余时间内则返回到零电平，即此方式中，在传送“1”码时发送一个宽度小于码元持续时间的归零脉冲；传送“0”码时不发送脉冲。其特征是所用脉冲宽度比码元宽度窄。主要优点是可以直接提取同步信号。单极性归零码脉冲间隔明显，有利于减小码元间的波形干扰和提取同步时钟信息，但由于脉宽窄，码元能量小，匹配接收时的输出信噪比要比NRZ 码低。
图2-3 单极性归零码
2.3.2 双极性
这种传输码与单极性归零码相似，都是脉冲的持续时间小于码元宽度，并且都是在码 元时间内回到零值。与单极性归零码不同的是，“1”码与“0”码分别是用正、负两种电平来表示。由于相邻脉冲之间必有零电平区域存在，因此，在接收端根据接收波形归于零电平便知道1b 的信息已接收完毕，以便准备下一比特信息的接收。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，有利于接收端提取定时信号。因此可以保持正确的比特同步，即收发之间无需特别定时，且各符号独立地构成起止方式。此方式也叫做自同步方式。
图2-4 双极性归零码
2.4 差分码
差分码利用前后码元电平的相对极性变化来传送信息，又称为相对码。这种传输码不是用脉冲本身的电平高低来表示二进制代码的“1”码与“0”码，而是用脉冲波的电平变化来表示码元的取值，即当码元的取值为“1”时，脉冲波的电平变化一次；而当码元的取值为“0”时，脉冲波的电平不变。这种方式的特点是，即使接收端收到的码元极性与发送端的完全相反，也能正确进行判决。采用这种波形传送二进制代码时，可以消除设备初态的影响，尤其对于调相系统来说，可以有效地消除解调时相位模糊的问题。
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图2-5 差分码
2.5 交替极性码(AMI 码)
AMI 码名称较多，如双极方式码、平衡对称码、传号交替反转码等。他是CCITT 建议作为基带传输系统中的传输码型之一。编码规则是，二进制代码中的“1”码由正、负极性交替的脉冲表示，其脉宽等于码元周期的一半；二进制代码中的“0”码由零电平表示。此方式是单极性方式的变形，即把单极性方式中的“0”码与零电平对应，而“1”码发送极性交替的正、负电平。这种码型实际上把二进制脉冲序列变成为三电平的符号序列(故叫伪三元信号)，其优点如下：在“1”、“0”码不等概条件下也无直流成分，且零频附近低频分量小，因此对具有变压器或其他交流耦合的传输信道来说，不易受到隔直特性的影响；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；只要进行全波整流就可以变为单极性码，如果交替极性码是归零的，变为单极性归零码后就可以提取同步信号。由于这些优点，因此他是最常用的码型之一。但当传输信息中存在长连“0”码的情况时，这种传输码将会由于长时间不出现电平跳变，从而给接收端在提取定时信号时带来困难。AMI 码在连“0”码过多时提取定时信号有困难。这是因为在连“0”码时AMI 输出均为零电平，连“0”码这段时间内无法提取同步信号，而前面非连“0”码时提取的位同步信号又不能保持足够的时间。这是这种传输码的不足之处。
图2-6 交替极性码
2.6 分相码(曼彻斯特码)
这种码型的特点是每个码元用两个连续极性相反的脉冲表示。如“1”码用正、负脉冲表示，“0”码用负、正脉冲表示。这种码型不论信号的统计关系如何，均完全消除了直流分量，且有较尖锐的频谱特性。同时这种码在连“1”和连“0”的情况下都能显示码元间隔，这有利于接收端提取码同步信号。该码在本地局域网中常被使用。
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图2-7 分相码
2.7 传号反转码(CMI 码)
传号反转码(CMI 码)是由CCITT 建议、适合于光信道传输的码型之一。他的基本设想 是将原来二进制代码序列中的一位码变为两位码，以增加信号的富裕度。CMI 码是一种二 元码。其具体的编码规则是：二进制代码中的“1”码交替地用“11”和“00”表示；“0”码则固定地用“01”表示。CMI 码的特点是电平随二进制数码依次跳变，因而便于恢复定时信号，尤其当用负跳变直接提取定时信号时，不会产生相位不确定问题，具有检测错误的能力。因为在这种传输码中，只有“00”、“11”、“01”这3 种码组，而没有“10”这一码组。因此，接收端可根据这一特性对接收码进行检错。该码已被CCITT 推荐为PCM(脉冲编码调制)4次群的接口码型。在光缆传输系统中有时也用做线路传输码型。
图2-8 传号反转码
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