0. 數(shù)字基帶信號的碼型設(shè)計(jì)原則

所謂數(shù)字基帶信號，就是消息代碼的電脈沖表示――電波形。在實(shí)際基帶傳輸系統(tǒng)中，并非所有的原始數(shù)字基帶信號都能在信道中傳輸，例如，含有豐富直流和低頻成分的基帶信號就不適宜在信道中傳輸，因?yàn)樗锌赡茉斐尚盘枃?yán)重畸變；再例如，一般基帶傳輸系統(tǒng)都是從接收到的基帶信號中提取位同步信號，而位同步信號卻又依賴于代碼的碼型，如果代碼出現(xiàn)長時(shí)間的連 “0” 符號，則基帶信號可能會長時(shí)間出現(xiàn) 0 電位，從而使位同步恢復(fù)系統(tǒng)難以保證位同步信號的準(zhǔn)確性。實(shí)際的基帶傳輸系統(tǒng)還可能提出其它要求，從而導(dǎo)致對基帶信號也存在各種可能的要求。歸納起來，對傳輸用的基帶信號的要求主要有兩點(diǎn)：

對各種代碼的要求，期望將原始信息符號編制成適合于傳輸用的碼型；對所選的碼型的電波形的要求，期望電波形適宜于在信道中傳輸。前一問題稱為傳輸碼型的選擇，后一問題稱為基帶脈沖的選擇。這是兩個(gè)既彼此獨(dú)立又相互聯(lián)系的問題，也是基帶傳輸原理中十分重要的兩個(gè)問題。

本節(jié)討論前一問題，后一問題將在下面幾節(jié)中討論。

傳輸碼（常稱為線路碼）的結(jié)構(gòu)將取決于實(shí)際信道的特性和系統(tǒng)工作的條件。概括起來，在設(shè)計(jì)數(shù)字基帶信號碼型時(shí)應(yīng)考慮以下原則：

碼型中應(yīng)不含直流分量，低頻分量盡量少。碼型中高頻分量盡量少。這樣既可以節(jié)省傳輸頻帶，提高信道的頻帶利用率，還可以減少串?dāng)_。串?dāng)_是指同一電纜內(nèi)不同線對之間的相互干擾，基帶信號的高頻分量越大，則對鄰近線對產(chǎn)生的干擾就越嚴(yán)重。碼型中應(yīng)包含定時(shí)信息。碼型具有一定檢錯(cuò)能力。若傳輸碼型有一定的規(guī)律性，則就可根據(jù)這一規(guī)律性來檢測傳輸質(zhì)量，以便做到自動監(jiān)測。編碼方案對發(fā)送消息類型不應(yīng)有任何限制，即能適用于信源變化。這種與信源的統(tǒng)計(jì)特性無關(guān)的性質(zhì)稱為對信源具有透明性。低誤碼增殖。對于某些基帶傳輸碼型，信道中產(chǎn)生的單個(gè)誤碼會擾亂一段譯碼過程，從而導(dǎo)致譯碼輸出信息中出現(xiàn)多個(gè)錯(cuò)誤，這種現(xiàn)象稱為誤碼增殖。高的編碼效率。編譯碼設(shè)備應(yīng)盡量簡單。

上述各項(xiàng)原則并不是任何基帶傳輸碼型均能完全滿足，往往是依照實(shí)際要求滿足其中若干項(xiàng)。

數(shù)字基帶信號的碼型種類繁多，下面僅以矩形脈沖組成的基帶信號為例， 介紹一些目前常用的基本碼型。

1. 數(shù)字基帶信號的常用碼型

常用的數(shù)字基帶傳輸碼型有以下幾種，它們的波形示于下圖。

1.1 單極性非歸零 (NRZ) 碼

單極性 NRZ 碼如上圖（ a ）所示。在表示一個(gè)碼元時(shí)，二進(jìn)制符號 “1”和“0” 分別對應(yīng)基帶信號的正電平和零電平，在整個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間，電平保持不變。單極性 NRZ 碼具有如下特點(diǎn)：

發(fā)送能量大，有利于提高接收端信噪比；在信道上占用頻帶較窄；有直流分量，將導(dǎo)致信號的失真與畸變；且由于直流分量的存在，無法使用一些交流耦合的線路和設(shè)備；不能直接提取位同步信息（稍后將通過例題予以說明）；抗噪性能差。接收單極性 NRZ 碼的判決電平應(yīng) 取 “1”碼 電平的一半。由于信道衰減或特性隨各種因素變化時(shí)，接收波形的振幅和寬度容易變化，因而判決門限不能穩(wěn)定在最佳電平，使抗噪性能變壞；傳輸時(shí)需一端接地。

由于單極性 NRZ 碼的諸多缺點(diǎn)，基帶數(shù)字信號傳輸中很少采用這種碼型，它只適合極短距離傳輸。1.2 雙極性非歸零 (NRZ) 碼

在此編碼中，“1”和“0”分 別對應(yīng)正、負(fù)電平，如上圖（ b ）所示。其特點(diǎn)除與單極性 NRZ 碼特點(diǎn) 1、2、4 相同外，還有以下特點(diǎn)：

直流分量小。當(dāng)二進(jìn)制符 號 “1”、“0” 等可能出現(xiàn)時(shí)，無直流成分；接收端判決門限為 0 ，容易設(shè)置并且穩(wěn)定，因此抗干擾能力強(qiáng)；可以在電纜等無接地線上傳輸。

雙極性 NRZ 碼常在 CCITT的V系列接口標(biāo)準(zhǔn)或 RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)中使用。1.3 單極性歸零 (RZ) 碼

歸零碼是指它的有電脈沖寬度比碼元寬度窄，每個(gè)脈沖都回到零電平，即還沒有到一個(gè)碼元終止時(shí)刻就回到零值的碼型。

單極性歸零碼如上圖（ c ）所示，在傳 送 “l(fā)” 碼時(shí)發(fā)送1個(gè)寬度小于碼元持續(xù)時(shí)間的歸零脈沖；在傳送“0”碼時(shí)不發(fā)送脈沖。

脈沖寬度 與 碼元寬度 之比 叫占空比。

單極性RZ碼與單極性NRZ碼比較，缺點(diǎn)是發(fā)送能量小、占用頻帶寬，主要優(yōu)點(diǎn)是可以直接提取同步信號。

此優(yōu)點(diǎn)雖不意味著單極性歸零碼能廣泛應(yīng)用到信道上傳輸，但它卻是其它碼型提取同步信號需采用的一個(gè)過渡碼型。

即對于適合信道傳輸?shù)?，但不能直接提取同步信號的碼型，可先變?yōu)閱螛O性歸零碼，再提取同步信號。

1.4 雙極性歸零 (RZ) 碼

雙極性歸零碼構(gòu)成原理與單極性歸零碼相同，如上圖（ d ）所示。 “ 1”和“0” 在傳輸線路上分別用正和負(fù)脈沖表示，且相鄰脈沖間必有零電平區(qū)域存在。

對于雙極性歸零碼，在接收端根據(jù)接收波形歸于零電平便可知道 1 比特信息已接收完畢，以便準(zhǔn)備下一比特信息的接收。所以，在發(fā)送端不必按一定的周期發(fā)送信息?？梢哉J(rèn)為正負(fù)脈沖前沿起了啟動信號的作用，后沿起了終止信號的作用。因此，可以經(jīng)常保持正確的比特同步。即收發(fā)之間無需特別定時(shí)，且各符號獨(dú)立地構(gòu)成起止方式，此方式也叫自同步方式。

雙極性歸零碼具有雙極性非歸零碼的抗干擾能力強(qiáng)及碼中不含直流成分的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用比較廣泛。

1.5 差分碼

在差分碼中， “1”、“0”分別用電平跳變或不變來表示。若用電平跳變來表示“1”，稱為傳號差分碼（在電報(bào)通信中，常把“1”稱為傳號，把“0”稱為空號），如上圖（ e ）所示。

若用電平跳變來表示 “0”，稱為空號差分碼。由圖可見，這種碼型在形式上與單極性或雙極性碼型相同，但它代表的信息符號與碼元本身電位或極性無關(guān)，而僅與相鄰碼元的電位變化有關(guān)。差分碼也稱相對碼，而相應(yīng)地稱前面的單極性或雙極性碼為絕對碼。

差分碼的特點(diǎn)是，即使接收端收到的碼元極性與發(fā)送端完全相反，也能正確地進(jìn)行判決。

1.6 AMI 碼

AMI碼的全稱是傳號交替反轉(zhuǎn)碼。此方式是單極性方式的變形，即把單極性方式中的 “0”碼仍與零電平對應(yīng)，而“1”碼 對應(yīng)發(fā)送極性交替的正、負(fù)電平，如上圖（ f ）所示。這種碼型實(shí)際上把二進(jìn)制脈沖序列變?yōu)槿娖降姆栃蛄校ü式袀稳蛄校鋬?yōu)點(diǎn)如下：

在 “1”、“0”碼 不等概率情況下，也無直流成分，且零頻附近低頻分量小。因此，對具有變壓器或其它交流隅合的傳輸信道來說，不易受隔直特性的影響。若接收端收到的碼元極性與發(fā)送端的完全相反，也能正確判決。便于觀察誤碼情況。

此外， AMI 碼還有編譯碼電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，是一種基本的線路碼，得到廣泛使用。

不過， AMI 碼有一個(gè)重要缺點(diǎn)，即當(dāng)它用來獲取定時(shí)信息時(shí)，由于它可能出現(xiàn)長的連0串，因而會造成提取定時(shí)信號的困難。1.7 HDB 3 碼

為了保持 AMI 碼的優(yōu)點(diǎn)而克服其缺點(diǎn)，人們提出了許多種類的改進(jìn) AMI 碼，其中廣泛為人們接受的解決辦法是采用高密度雙極性碼 HDB n 。三階高密度雙極性碼 HDB 3 碼就是高密度雙極性碼中最重要的一種。

HDB 3 碼的編碼規(guī)則為：

先把消息代碼變成 AMI 碼，然后檢查AMI碼的連“0”串情況，當(dāng)無3個(gè)以上連“0”碼時(shí)，則這時(shí)的 AMI 碼就是 HDB 3 碼。當(dāng)出現(xiàn) 4 個(gè)或 4 個(gè)以上連 0 碼時(shí)，則將每 4 個(gè) 連 “0”小段的第4個(gè)“0”變換成“非0”碼 。這個(gè)由 “0”碼改變來的“非0”碼稱為破壞符號，用符號 V 表示，而原來的二進(jìn)制碼元序列中所有 的 “l(fā)”碼 稱為信碼，用符號 B 表示。當(dāng)信碼序列中加入破壞符號以后，信碼 B 與破壞符號 V 的正負(fù)必須滿足如下兩個(gè)條件：

① B 碼和 V 碼各自都應(yīng)始終保持極性交替變化的規(guī)律，以便確保編好的碼中沒有直流成分；

② V 碼必須與前一個(gè)碼（信碼 B ）同極性，以便和正常的 AMI 碼區(qū)分開來。如果這個(gè)條件得不到滿足，那么應(yīng)該在四個(gè)連 “0”碼的第一個(gè)“0”碼位置上加一個(gè)與 V 碼同極性的補(bǔ)信碼，用符號 B' 表示，并做調(diào)整，使 B 碼和 B' 碼合起來保持條件 ① 中信碼（含 B 及 B'）極性交替變換的規(guī)律。

例如：

（ a ）代碼： 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1

（ b ）AMI 碼： 0 +1 0 0 0 0 -1 +1 0 0 0 0 0 -1 0 +1

（ c ）加 V： 0 +1 0 0 0 V + -1 +1 0 0 0 V- 0 -1 0 +1

（ d ）加 B' 并調(diào)整 B 及 B' 極性： 0 +1 0 0 0 V + -1 +1 0 0 V- 0 +1 0 -1

（ e ）HDB 3： 0 +1 0 0 0 +1 –1 +1 -1 0 0 -1 0 +1 0 -1

雖然HDB3碼的編碼規(guī)則比較復(fù)雜，但譯碼卻比較簡單。從上述原理可以看出，每一破壞符號總是與前一非0符號同極性。據(jù)此，從收到的符號序列中很容易找到破壞點(diǎn)V，于是斷定V符號及其前面的3個(gè)符號必定 是連“0”符號，從而恢復(fù)4個(gè)連“0” 碼，再將所有的＋ 1 、－ 1 變 成 “1”后 便得到原信息代碼。

HDB 3 的特點(diǎn)是明顯的，它除了保持 AMI 碼的優(yōu)點(diǎn)外，還增加了使 連 “0” 串減少至不多于 3 個(gè)的優(yōu)點(diǎn)，而不管信息源的統(tǒng)計(jì)特性如何。這對于定時(shí)信號的恢復(fù)是極為有利的。 HDB 3 是 CCITT 推薦使用的碼型之一。

1.8 碼

（曼徹斯特）碼又稱為數(shù)字雙相碼或分相碼。它的特點(diǎn)是每個(gè)碼元用兩個(gè)連續(xù)極性相反的脈沖來表示。 如 “l(fā)”碼用正、負(fù)脈沖表示，“0”碼用負(fù) 、正脈沖表示，如圖中（ g ）所示。

該碼的優(yōu)點(diǎn)是無直流分量， 最長連 “0”、連“l(fā)”數(shù)為2， 定時(shí)信息豐富，編譯碼電路簡單。但其碼元速率比輸入的信碼速率提高了一倍。

分相碼適用于數(shù)據(jù)終端設(shè)備在中速短距離上傳輸。如以太網(wǎng)采用分相碼作為線路傳輸碼。

分相碼當(dāng)極性反轉(zhuǎn)時(shí)會引起譯碼錯(cuò)誤，為解決此問題，可以采用差分碼的概念，將數(shù)字分相碼中用絕對電平表示的波形改為用電平相對變化來表示。這種碼型稱為條件分相碼或差分曼徹斯特碼。數(shù)據(jù)通信的令牌網(wǎng)即采用這種碼型。

1.9 CMI 碼

CMI碼是傳號反轉(zhuǎn)碼的簡稱，其編碼規(guī)則為： “1”碼交替用“00”和“11”表示；“0”碼用“01” 表示，圖（ h ）給出其編碼的例子。 CMI 碼的優(yōu)點(diǎn)是沒有直流分量，且有頻繁出現(xiàn)波形跳變，便于定時(shí)信息提取，具有誤碼監(jiān)測能力。

由于 CMI 碼具有上述優(yōu)點(diǎn)，再加上編、譯碼電路簡單，容易實(shí)現(xiàn)，因此，在高次群脈沖編碼調(diào)制終端設(shè)備中廣泛用作接口碼型，在速率低于 8448kb/s 的光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)中也被建議作為線路傳輸碼型。

除了上圖給出的線路碼外，近年來，高速光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)中還應(yīng)用到 5B6B 碼，其是將每 5位二元碼輸入信息編成 6位二元碼碼組輸出（分相碼 和CMI碼屬于 lB2B 類）。這種碼型輸出雖比輸入增加 20 ％的碼速，但卻換來了便于提取定時(shí)、低頻分量小、同步迅速等優(yōu)點(diǎn)。

1.10 多進(jìn)制碼

上面介紹的是用得較多的二進(jìn)制代碼，實(shí)際上還常用到多進(jìn)制代碼，其波形特點(diǎn)是多個(gè)二進(jìn)制符號對應(yīng)一個(gè)脈沖碼元。

下圖（ a ）、（ b ）分別畫出了兩種四進(jìn)制代碼波形。

其中圖（ a ）為單極性信號，只有正電平，分別用＋ 3E 、＋ 2E 、＋ E 、 0 對應(yīng)兩個(gè)二進(jìn)制符號（一位四進(jìn)制） 00 、 01 、 10 、 11 ；

而圖（ b ）為雙極性信號，具有正負(fù)電平，分別用 +3E 、 +E 、 - E 、 - 3E 對應(yīng)兩個(gè)二進(jìn)制符號（一位四進(jìn)制） 00 、 01 、 10 、 11 。

由于這種碼型的一個(gè)脈沖可以代表多個(gè)二進(jìn)制符號，故在高數(shù)據(jù)速率傳輸系統(tǒng)中，采用這種信號形式是適宜的。多進(jìn)制碼的目的是在碼元速率一定時(shí)可提高信息速率。

實(shí)際上，組成基帶信號的單個(gè)碼元波形并非一定是矩形的。根據(jù)實(shí)際的需要，還可有多種多樣的波形形式，比如升余弦脈沖、高斯形脈沖等。