*信源编码器**：将原始信息（如语音、文本）转换为二进制数字序列

原创于 2025-11-28 00:00:00 发布 · 490 阅读

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基带传输系统的组成
数字基带传输系统的基本组成部分包括：

信源编码器：将原始信息（如语音、文本）转换为二进制数字序列。
码型编码器（线路编码器）：将二进制数据变换为适合信道传输的基带信号码型（如AMI、HDB3、Manchester等），以满足同步、无直流、抗干扰等要求。
发送滤波器（脉冲成型滤波器）：限制信号带宽，使信号与信道特性匹配，减少码间干扰（ISI）。
信道：传输信号的物理媒介，如双绞线、同轴电缆或光纤。存在噪声、衰减和带宽限制。
接收滤波器：滤除带外噪声，增强信噪比，并配合发送滤波器满足奈奎斯特准则。
均衡器：补偿信道失真，抑制码间干扰。
抽样判决器：在最佳时刻对信号进行抽样并判决，恢复原始比特。
位同步电路（时钟恢复）：从接收信号中提取位定时信息，确保在正确时刻抽样。

数字基带信号的码型设计原则

为了保证传输的可靠性与有效性，码型设计需遵循以下原则：

无直流分量或低频分量小：便于变压器耦合和隔离，适应交流耦合信道。
高频分量尽量少：降低带宽需求，减少传输损耗。
具有内在检错能力或易于检测误码：如AMI码中出现非法极性可判断错误。
能提取位同步时钟信息：避免长串“0”或“1”导致同步丢失。
编码简单，实现容易，延迟小。

常用二元码

码型	特点
单极性非归零码（NRZ）	“1”用高电平，“0”用零电平；有直流，不能提取时钟。
双极性非归零码	“1”和“0”分别用正负电平表示；无直流，抗噪强。
单/双极性归零码（RZ）	每个码元周期内回到零电平；有利于同步，但占空比小，效率低。
数字双相码（Manchester码）	每比特中间跳变，“1”为高→低，“0”为低→高；自同步能力强，常用于以太网。
CMI码（传号反转码）	“1”交替用双极性码表示，“0”用固定电平跳变表示；用于PCM二次群接口。

常用三元码

码型	特点
AMI码（传号交替反转码）	“0” → 0电平，“1” → 正负交替的脉冲；无直流，但长串“0”会导致失步。
HDB3码（三阶高密度双极性码）	改进的AMI码，将连续四个“0”替换为含破坏点的特殊码组（如B00V），强制跳变以恢复时钟；广泛用于E1/T1系统。

# 示例：AMI 编码实现
def ami_encode(data):
    encoded = []
    last_polarity = -1  # 初始极性为负，交替使用
    for bit in data:
        if bit == '1':
            encoded.append(last_polarity)
            last_polarity = -last_polarity  # 极性翻转
        else:
            encoded.append(0)
    return encoded

# 使用示例
binary_input = "101100001"
ami_output = ami_encode(binary_input)
print("AMI编码结果:", ami_output)  # 如: [1, 0, -1, 1, 0, 0, 0, 0, -1]

2. 位同步的意义与位定时恢复原理

位同步的意义：
接收端必须在每个符号的最佳判决时刻（通常是眼图最开处）进行采样。若时钟不同步，会造成误判，增加误码率。
位定时恢复方法：
- 直接法（自同步法）：从接收到的信号中提取时钟成分。例如：
  - 对 Manchester 码直接滤波可得时钟；
  - 使用锁相环（PLL）跟踪信号跳变；
  - 平方环、Costas环用于提取周期性成分。
- 外同步法：额外传送一路时钟信号（较少用，需多一根线）。

3. 波形传输的无失真条件 —— 奈奎斯特第一准则

奈奎斯特第一准则：在理想低通信道下，若系统总频率响应满足矩形特性，则当符号速率 $ R_s = 2B $ 时，可在抽样时刻实现无码间干扰（ISI）的传输。

更一般地，只要系统的等效冲击响应 $ h(t) $ 满足：
$\begin{cases} 1, & n=0 \\ 0, & n \neq 0 \end{cases}$
即仅在当前符号时刻有响应，其余时刻为零，则称为抽样值无失真。

这可通过设计满足奈奎斯特准则的升余弦滚降滤波器来实现。

HDB3码（三阶高密度双极性码）比AMI码更适合长距离基带传输，主要原因在于它解决了AMI码在实际应用中的关键缺陷——长串连零（连续多个“0”）导致位同步信息丢失的问题。

1. AMI码的局限性

AMI码的编码规则：

“1” → 正、负交替的脉冲（+V, -V交替）
“0” → 0电平（无信号）

问题：
当信源出现连续多个“0”时（如“00000000”），AMI码输出长时间无跳变的平直电平，造成以下后果：

无法提取位同步时钟：接收端依赖信号跳变恢复定时，长时间无变化会导致锁相环失步。
低频能量集中：不利于交流耦合传输（如变压器隔离）。
难以检测误码：缺乏周期性特征，监控困难。

2. HDB3码的优势与改进机制

HDB3码是对AMI码的改进，其核心思想是：

将每4个连续的“0”替换为一个特殊的破坏码组（含破坏点V），强制引入跳变以维持同步能力。

编码规则简述：

找出原序列中所有“0000”的四连零段；
替换为两种形式之一：B00V 或 000V，其中：
- B：符合极性交替规律的正常脉冲（+V或-V）
- V：破坏点，极性与前一个B相同（违反交替规则，用于识别）
选择方式取决于前面非零脉冲的个数奇偶性和上次V的位置，确保总极性平衡。

示例对比：

原始数据	AMI编码	HDB3编码
1 0 0 0 0 1 1	+1 0 0 0 0 -1 +1	+1 0 0 0 V -1 +1 （V = +1，破坏交替）

注意：虽然出现了两个+1，但正是这个“违规”跳变让接收端能识别并清除V的影响，同时保持同步。

3. 为什么HDB3更适合长距离传输？

特性	AMI码	HDB3码	优势说明
同步能力	差（长零串无跳变）	强（最多3个连续0）	确保定时恢复稳定
无直流分量	是	是	都满足交流耦合需求
抗干扰能力	中等	更强	V标记可用于误码监测
实现复杂度	简单	稍复杂	可接受的代价换取性能提升
广泛应用	早期PCM系统	E1数字通信系统（2.048 Mbps）	实际标准选择证明其优越性

接收端处理流程（HDB3解码）：

检测V脉冲（极性违反交替规则）；
将V及其对应B还原为四个“0”；
恢复原始二进制序列；
同时利用跳变恢复位同步时钟。

# 简化示例：HDB3解码逻辑（仅示意）
def hdb3_decode(signal):
    decoded = []
    i = 0
    while i < len(signal):
        if signal[i] != 0:
            # 非零值直接视为“1”
            decoded.append('1')
            # 检查是否为V（破坏点），需结合上下文判断
        else:
            # 处理零序列，根据前后非零点判断是否属于B00V模式
            # 实际需滑动窗口分析模式
            decoded.append('0')
        i += 1
    return ''.join(decoded)