基带传输常用码型及应用分析

1.单极性不归零码

所谓单极性，是指用正电平和零电平分别对应二进制码“1”和“0”，或者说，它在一个码元时间内用脉冲的有或无来表示“1”和“0”，当然反过来表示也是可以的；所谓不归零（Non-Return-to-Zero，NRZ），是指在整个码元周期内电平保持不变，其占空比τ/T =100%。单极性不归零码的波形如图 6-2-1（a）所示。

图6-2-1　几种常用的二进制码型

对确定信号可用傅氏变换求得其频谱，但实际传输中的基带信号是一个随机脉冲序列，没有确定的频谱函数，所以只能用统计的方法求出其功率谱密度，用功率谱密度来描述脉冲序列的频谱特性。单极性不归零码的功率谱如图 6-2-2 中实线所示。

单极性不归零码有以下缺点。

（1）有直流成分，低频成分大。

（2）遇长连1或长连0时，提取位定时信号很困难。

（3）码间干扰大。

（4）前后码元相互独立，无检错的能力。

（5）传输时要求信道的一端接地。

因此NRZ码不适合在电缆信道中传输。

2.单极性归零码

所谓归零码（Return-to-Zero，RZ），是指在码元周期内的某个时刻又回到零电平（通常为码元周期的中点，此时占空比为τ/T=50%）。RZ码与NRZ码的区别是占空比不同，NRZ码的占空比为100%，RZ码的占空比通常为50%。单极性归零码的波形如图 6-2-1（b）所示，功率谱如图 6-2-2 中虚线所示。

图6-2-2　单极性NRZ码和RZ码的功率谱

RZ码归零码的功率谱有位定时分量，不出现长0时，可直接提取。因此，其他码型在提取位定时信号时，通常将RZ码作为一种过渡码型。但除此以外，RZ码同样具有NRZ码的缺点。

3.双极性不归零码

所谓双极性是指用正电平和负电平两种极性分别表示“1”和“0”，双极性不归零码的波形如图 6-2-1（c）所示，功率谱如图 6-2-2 中实线所示。

从功率谱可以看出，在 0 和 1 等概率的前提下，双极性码无直流成分，可以在电缆等无接地的传输线上传输，因此得到了较多的应用，如计算机中使用的串行RS-232接口就采用这种编码传输方式。但其在功率谱分布、位定时信号的提取及检错方面的问题与单极性NRZ码相同。

4.双极性归零码

双极性归零码构成原理与单极性归零码相同，0和1在传输线路上分别用负电平和正电平表示，且相邻脉冲间必有零电平区域存在。双极性归零码的波形如图 6-2-1（d）所示，功率谱如图 6-2-3 中虚线所示。

图6-2-3　双极性NRZ码和RZ码的功率谱

对于双极性归零码，在接收端，当接收波形归于零电平便可得知 1 bit 信息已接收完毕，可以准备下 1 bit 信息的接收。所以，在发送端不必按一定的周期发送信息。可以认为正负脉冲前沿起了启动信号的作用，后沿起了终止信号的作用。这样可以经常保持正确的位同步。即收发之间无须特别定时，且各符号独立地构成起、止方式，此方式也叫自同步方式。

双极性归零码具有双极性非归零码的抗干扰能力强及码中不含直流成分的优点，应用比较广泛。

从以上四种码型可以看出：

（1）功率谱的形状取决于单个脉冲波形的频谱函数。例如，单极性矩形波的频谱函数为Sa(x)，功率谱形状为Sa2(x)。

（2）二进制基带信号的带宽主要取决于时域波形的占空比。占空比越小，频带越宽。若以功率谱的第一个零点计算，NRZ（脉冲宽度τ =码元周期Ts）基带信号的带宽为1/τ＝fs；RZ（τ＝Ts/2）基带信号的带宽为 1/τ＝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。

（3）二进制随机脉冲序列的功率谱一般包含连续谱和离散谱两部分。其中，连续谱总是存在的，通过连续谱在频谱上的分布，可以看出信号功率在频率上的分布情况，从而确定传输数字信号的带宽。但离散谱却不一定存在，它取决于矩形脉冲的占空比，而离散谱的存在与否关系到能否从脉冲序列中直接提取位定时信息。如果做不到这一点，则要设法变换基带信号的波形，以利于位定时信号的提取。离散谱包括直流、位定时分量 fs及 fs的谐波。(www.xing528.com)

（4）双极性码在 1、0 码等概率出现时，不论归零与否，都没有直流成分和离散谱。这就意味着这种脉冲序列无直流分量和位定时分量。除非有特别说明，数字信息一般都指0、1 等概率的情况。

（5）单极性 RZ 信号中含有定时分量，可以直接提取。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。以单极性全占空脉冲序列为例，其变换过程如图 6-2-4所示。

将图 6-2-4（a）所示的单极性不归零脉冲序列经微分电路，在跳变沿处得到尖脉冲序列［见图 6-2-4（b）］。将双极性尖脉冲序列（b）经全波整流后得到单极性尖脉冲序列（c），再经过成形电路便得到了单极性半占空脉冲序列（d）。

有了以上这些结论，就可以对其他脉冲序列的功率谱进行定性分析了。当然，具体的功率谱公式必须经过定量计算。通过频谱分析，我们可以确定信号需要占据的频带宽度，还可以获得信号谱中的直流分量、位定时分量、主瓣宽度和谱滚降衰减速度等信息。这样，就可以针对信号频谱的特点来选择相匹配的信道，或者说根据信道的传输特性来选择适合的信号形式或码型。接下来，我们讲解基带传输中另外三种传输码型。

图6-2-4　单极性NRZ码转换单极性RZ码示意图

5.差分码

在差分码中，用相邻码元的电平的跳变和不变来表示“1”和“0”，图 6-2-1（e）中，以电平跳变表示“1”，以电平不变表示“0”。当然也可以以电平跳变表示“0”，以电平不变表示“1”。由于电平只具有相对意义，所以又称为相对码。用差分波形传送代码可以消除设备初始状态的影响。

在电报通信中，常把“1”称为传号（mark），把“0”称为空号（space）。若用电平跳变表示“1”，称为传号差分码；若用电平跳变表示“0”，称为空号差分码。

6.AMI 码

传号交替反转码（Alternative Mark Inversion，AMI）是一种适用于基带传输的码型。AMI码对应的波形是具有正、负、零三种电平的脉冲序列。

AMI 码的编码规则是：将消息码的“1”（传号）交替地变换为“＋1”和“－1”，而“0”（空号）保持不变。其波形如图 6-2-1（f）所示，功率谱如图 6-2-5 所示。

图6-2-5　AMI 码和 HDB3 码的功率谱

AMI码的波形是双极性的，单个脉冲波形为半占空归零脉冲，所以AMI码有以下优点。

（1）无直流分量，低频分量也较少，可用于有交流耦合（如用变压器）的信道。

（2）功率谱中虽然没有位定时分量，但对AMI码进行全波整流后即得到单极性归零码，可从中提取位定时信号。

（3）传号码的极性是交替的，如果接收端发现码序列不符合这种规律，就一定是出现了误码，所以 AMI 码具有检错的能力。

由于上述优点，AMI 码得到了广泛的应用。

如果二进制码中出现长连“0”码，则AMI码将出现长时间的“0”电平，这就不利于位定时信号的提取。为了解决这一问题，必须对AMI码加以改进。

7.HDB3 码

三阶高密度双极性码（High Density Bipolar of Order 3，HDB3 码）也是一种适用于基带传输的编码方式，它是为了克服AMI码的缺点而出现的。HDB3 码保留了AMI码的所有优点，还可将连“0”码限制在3个以内，以解决AMI码遇长连“0”时提取位定时信号的困难。

HDB3 码编码规则：

（1）检查消息码中“0”的个数。当连“0”数目小于等于3时，HDB3 码与AMI码的编码规律相同。

（2）当连“0”数目超过3个时，先将消息码中的“1”码用B码代替，然后将每4个连“0”用取代节000V或B00V代替。替换时要确保任意两个相邻V脉冲间的B脉冲数目为奇数，即当两个V脉冲之间的传号数为奇数时采用000V取代节，偶数时采用B00V取代节。

取代节中：V 称为破坏脉冲，其功能是破坏极性交替变换，即V与前一个相邻的非“0”脉冲的极性相同；B称为调节脉冲，其功能是满足极性交替变换。V和B均代表“1”码且可正可负，即“V±”和“B±”脉冲与“±1”脉冲波形相同。

HDB3 码的波形如图 6-2-1（g）所示，功率谱如图 6-2-5 所示。HDB3 码的功率谱与AMI码的功率谱大体相同，图 6-2-5 中还用虚线画出了 NRZ 码的功率谱，以示比较。

HDB3 码具有无直流、低频成分少，频带较窄，提取同步信息方便等优点，是应用最广泛的码型，目前四次群以下的 A 律 PCM 终端设备的接口码型均为 HDB3 码。