一种新的数字基带传输码的分析及应用*

邓敦建 ， 阎跃鹏 ， 牟荣增

(1．中国科学院微电子研究所昆山分所，江苏 苏州215300；2．中国科学院微电子研究所，北京100029)

在日常生活生产中，经常需要传输低速的数字基带信号，供现场监测、实时控制等需要信息传输的环境使用。在数字基带传输系统中，因为信道往往存在隔直流电容或耦合变压器，使得基带信号中的低频和直流成分难于通过，为了使基带信号能在基带信道中传输，期望将原始信息符号编制成适合于传输的码型，所选码型的电波形适宜于在信道中传输[1-3]。典型的基带信号码型有 AMI码、HDB3码、曼切斯特码、CMI码、密勒码等[3]，这些码型有各种的优点也有缺点，可以针对不同的情况来选择不同的传输码型。

1 数字基带信号编译码原理

一般情况下，在进行数字基带信号码型变换时应考虑以下原则：

(1)低频和高频分量尽量少；

(2)功率谱的主瓣宽度窄，以节省传输频带；

(3)编译码简单可靠；

(4)具有内在的检错能力，即码型有一定的规律性，以便根据这一规律性来监测；

(5)码型中应包含丰富的定时信息，以便定时提取信号；

(6)不受信息源统计特性的影响，即能适应于信源的变化，这种与信源统计特性无关的特性称为对信源具有透明性[3]。

以上几点并不是任何基带传输码型均能完全满足的，常常是根据实际要求满足其中的一部分[3]。在单片机串行通信的基带信号中，除了以上的考虑原则，还应考虑传输一串数字信号所花费的时间，因为这关系到功耗的问题，用尽量少的波形传输尽量多的信号即低功耗是通信系统的方向[4]。

从以上原则出发，提出一种适合于单片机串行通信的基带传输信号码型，在此命名为Jack码，同时常用的曼切斯特码、CMI码、AMI码、HDB3码等都可以用在单片机串行通信的基带传输信号码型中。

2 码型对比

Jack码是一种“0”和“1”用不同的持续时间表示并且不同电平持续翻转的一种编码方式。编码规则之一是：“0”码高或低电平持续时间为0.5T(假设T为对应信码的数据位长度)，“1”码持续时间为 T，并且“0”和“1”的高低电平不断地进行翻转。由此这是一种“0”和“1”不等长的编码方式，可以在“0”和“1”长度比一定的情况下来减小各自的长度以降低功耗。

曼切斯特码是用一个周期的正负对称方波表示“0”，而用其反相波形表示“1”。编码规则之一是：“0”码用“01”两位码表示，“1”码用“10”两位码表示。它适用于数据终端设备近距离的传输，局域网常采用该码作为传输码型[3]。

CMI(Coded Mark Inversion)码也称传号反转码，以交替地用正电平或负电平表示“1”，用固定相位的一个周期的方波表示“0”。编码规则之一是：“1”码交替地用“00”和“11”表示，而“0”码则固定用“01”表示。由于CMI码编解码电路简单，容易实现，因此，在高次群脉冲编码调制终端设备中广泛用作接口码型，在速率低于8.448 kb/s的光纤数字传输系统中也被建议作为线路传输码型[3]。

AMI(Alternate Mark Inversion)码，即传号交替反转码，编码规则是将信码“0”用低电平表示；信码“1”交替用“+1”和“-1”的归零码表示，因此，AMI码具有正、负、零三种电平的脉冲序列，AMI码的缺点是，当原信码出现长连“0”时，信号的电平长时间不跳变，造成提取定时信号的困难[3]。

HDB3(High Density Bipolar-3)码，即三阶高密度双极性码，是AMI码一种的改进型，能克服多个连零码的位定时信息不易提取的缺点，提取同步时钟方便，并具有一定的检错能力。它的编码原理为：首先将信码变换为AMI码，然后检查 AMI码序列中连“0”的情况。当出现4个以上的连“0”时，将每 4个连“0”小段中的第 4个“0”位变成一个非 0的破坏位V，其极性和前一个非“0”位同极性[1]。这样就破坏了“极性交替反转”的规律。可以在接收端很快发现破坏位，使原信码得到恢复，但也破坏了AMI码无直流分量的优点。为了保持无直流分量这一特点，还必须保证相邻V码也应极性交替。这一点在相邻 V码之间有奇数个非“0”位时，可以得到保证。当有偶数个非“0”位时，就得不到保证，这时再将该小段第一个 “0”位变换成+B或-B，B的极性与前一个非“0”位相反，并让后面的非“0”位从 V位开始再交替变化[3]。

3 仿真与分析

3.1 码型仿真

为更好地认识各种码型特点,对曼切斯特码、CMI码、AMI码、HDB3码以及新 Jack码在时域和频域上进行仿真分析。如图1所示为原码和各种编码码型的对比图,如图2所示为原码和各种码型功率谱曲线对比图。

3.2 码型分析

图1 传输码型波形

图2 传输码型频谱

由图1可知曼切斯特码和CMI码的信息传输速率都有所增加;由图2看出曼切斯特码频带加倍，CMI码的频带增加，使频带利用率降低，曼切斯特码和CMI码都有直流分量，但低频分量小。曼切斯特码在每个码元间隔的中心点都存在电平跳变，所以含有丰富的位定时信息。CMI码很容易提取位定时信号，此外由于“10”为禁用码组，不会出现3个以上的连码，可以利用此规律来宏观检错[1]。

由图2可知AMI码和HDB3码无直流分量，低频分量较小，能量集中在频率为1/2码率左右处。虽然在AMI功率谱中无定时脉冲的频率分量，但只要对基带信号进行必要的非线性处理(如全波整流)，即可提取定时信号。AMI码还具有一定的检错能力，因为信号是按交替规律进行传输，若收端的码不符合这一规律，就可能出现错码[3]。

由图2可看出，Jack码频带宽度取决于“0”和“1”的长度比和绝对长度，比值越大频带越宽，当比值一定时，绝对长度越长低频分量越大，频带加倍。当减小“0”和“1”的绝对长度时，在传输一串数字信息时间缩短，可以节约功耗，并且此码编译码时都容易实现。Jack码可以根据电平的翻转来提取位信息，它含有丰富的位定时信息，还可以根据长度和是否翻转来确定接收到的波形是否出错。

4 实验与分析

4.1 实验硬件

用单片机和无线收发芯片组成无线通信系统，如图3所示，发射数据时单片机输出I/O管脚控制发射芯片的输入端以输入数字基带信号 (IO置0或置1并进行软件延时一段时间来输入数据),基带信号经无线发射芯片调制，接收芯片解调输出基带信号波形输入单片机I/O管脚以解出数据 (定时采样I/O管脚的电平判断输入数据)，如此构成单片机控制的软件编解码方式。

实验发射机硬件如图4所示,主要包括电源模块、单片机STM8、射频发射芯片A7302C和PA(功率放大器)和串口通信等。系统工作时，通过电脑(PC)串口向单片机发送命令,单片机控制射频发射芯片以串行方式输入数据波形,经发射芯片调制后,射频信号经PA放大通过天线发射到外界。

实验接收机硬件如图5所示,主要包括射频接收芯片A7201A、电源模块、单片机STM8及串口通信等。系统工作时，接收从天线来的射频信号，经接收芯片解调送入单片机中，经单片机处理电波形译码出信号后通过串口在PC上显示。

4.2 实验条件

因单片机I/O管脚输出电压只有高低电平之分，所以AMI和HDB3码型不实际测试，这里只进行CMI和Jack码的实验对比。两组实验测试要保证在同样的条件下进行，包括硬件电路板、天线、收发环境等。如图6所示是发射和接收波形示意图，由于存在噪声以及设备本身的影响，接收波形的“0”和“1”的电平长度会产生变化，并且伴有毛刺产生，所以对原码进行编码是必要的。CMI码型的“1”码高电平或低电平持续时间为 832 μs，“0”码高电平持续 416 μs，低电平持续 416 μs；Jack 码的“1”码高电平或低电平持续时间为 624 μs，“0”码高电平或低电平持续时间为416 μs。

图6 发射和接收基带信号波形

两种码型发送相同的同步头，通信频率都采用433.92 MHz通信，调制方式采用ASK调制。发射机在相同的地方分别用两种码型发送8 B数据100次，在相同的地方用接收机解码出数据并通过串口在电脑上打印出来，统计出正确率、错误率和丢失率。

4.3 实验结果与分析

由表1可以看出用Jack码型和CMI码型传输数据时，会有不同的接收效果。用示波器测试发现在地点1接收的波形毛刺多于在地点2接收到的，噪声影响了两种码型传输效果,由表1可以看出用Jack码传输的正确率更高。当然接收效果和译码方式有很大的关系，好的译码方法可以有好的接收效果。实验中Jack码的编译码方法比CMI码型简单得多，在单片机串行通信的基带传输码型中简单实用。Jack码不但应用在以上简单的实验中，它还可以应用在其他无线通信、光通信中。

表1 实验结果对比

本文提出了无线通信中一种新的数字基带传输码型并在工程上得到了应用。通过和其他典型的数字基带码型进行仿真分析可知，新传输码型频带宽度随着“0”和 “1”的长度和长度比的变化而变化，同时可以减小“0”和“1”的长度来降低功耗，并且此码含有丰富的位定时信息。新码型和CMI码在单片机控制射频收发芯片的无线通信硬件平台上测试，实验表明，在串行通信基带传输中，新码型编译码简单，可靠性更强。

[1]韩德红，孙筱萌，张显才.基于FPGA的HDB3编解码器的设计与实现[J].空军雷达学院学报，2010,24(4):274-276.

[2]张秀平.FPGA在数字基带信号远程传输中的应用[J].微计算机信息,2007,23(9-2):206-208.

[3]樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].第六版.北京:国防工业出版社，2008.

[4]OTTO J.Paz-Luna,NAVARRO-MARTINEZ J A,Rubén Alejos Palomares,et al.Communication system to transmit&receive coded information through video signal[C].18th International Conference on Electronics,Communications and Computers,Puebla.2008.