一種新的數(shù)字基帶傳輸碼的分析及應(yīng)用*

鄧敦建 ， 閻躍鵬 ， 牟榮增

(1．中國科學(xué)院微電子研究所昆山分所，江蘇 蘇州215300；2．中國科學(xué)院微電子研究所，北京100029)

在日常生活生產(chǎn)中，經(jīng)常需要傳輸?shù)退俚臄?shù)字基帶信號，供現(xiàn)場監(jiān)測、實時控制等需要信息傳輸?shù)沫h(huán)境使用。在數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)中，因為信道往往存在隔直流電容或耦合變壓器，使得基帶信號中的低頻和直流成分難于通過，為了使基帶信號能在基帶信道中傳輸，期望將原始信息符號編制成適合于傳輸?shù)拇a型，所選碼型的電波形適宜于在信道中傳輸[1-3]。典型的基帶信號碼型有 AMI碼、HDB3碼、曼切斯特碼、CMI碼、密勒碼等[3]，這些碼型有各種的優(yōu)點也有缺點，可以針對不同的情況來選擇不同的傳輸碼型。

1 數(shù)字基帶信號編譯碼原理

一般情況下，在進行數(shù)字基帶信號碼型變換時應(yīng)考慮以下原則：

(1)低頻和高頻分量盡量少；

(2)功率譜的主瓣寬度窄，以節(jié)省傳輸頻帶；

(3)編譯碼簡單可靠；

(4)具有內(nèi)在的檢錯能力，即碼型有一定的規(guī)律性，以便根據(jù)這一規(guī)律性來監(jiān)測；

(5)碼型中應(yīng)包含豐富的定時信息，以便定時提取信號；

(6)不受信息源統(tǒng)計特性的影響，即能適應(yīng)于信源的變化，這種與信源統(tǒng)計特性無關(guān)的特性稱為對信源具有透明性[3]。

以上幾點并不是任何基帶傳輸碼型均能完全滿足的，常常是根據(jù)實際要求滿足其中的一部分[3]。在單片機串行通信的基帶信號中，除了以上的考慮原則，還應(yīng)考慮傳輸一串?dāng)?shù)字信號所花費的時間，因為這關(guān)系到功耗的問題，用盡量少的波形傳輸盡量多的信號即低功耗是通信系統(tǒng)的方向[4]。

從以上原則出發(fā)，提出一種適合于單片機串行通信的基帶傳輸信號碼型，在此命名為Jack碼，同時常用的曼切斯特碼、CMI碼、AMI碼、HDB3碼等都可以用在單片機串行通信的基帶傳輸信號碼型中。

2 碼型對比

Jack碼是一種“0”和“1”用不同的持續(xù)時間表示并且不同電平持續(xù)翻轉(zhuǎn)的一種編碼方式。編碼規(guī)則之一是：“0”碼高或低電平持續(xù)時間為0.5T(假設(shè)T為對應(yīng)信碼的數(shù)據(jù)位長度)，“1”碼持續(xù)時間為 T，并且“0”和“1”的高低電平不斷地進行翻轉(zhuǎn)。由此這是一種“0”和“1”不等長的編碼方式，可以在“0”和“1”長度比一定的情況下來減小各自的長度以降低功耗。

曼切斯特碼是用一個周期的正負對稱方波表示“0”，而用其反相波形表示“1”。編碼規(guī)則之一是：“0”碼用“01”兩位碼表示，“1”碼用“10”兩位碼表示。它適用于數(shù)據(jù)終端設(shè)備近距離的傳輸，局域網(wǎng)常采用該碼作為傳輸碼型[3]。

CMI(Coded Mark Inversion)碼也稱傳號反轉(zhuǎn)碼，以交替地用正電平或負電平表示“1”，用固定相位的一個周期的方波表示“0”。編碼規(guī)則之一是：“1”碼交替地用“00”和“11”表示，而“0”碼則固定用“01”表示。由于CMI碼編解碼電路簡單，容易實現(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8.448 kb/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[3]。

AMI(Alternate Mark Inversion)碼，即傳號交替反轉(zhuǎn)碼，編碼規(guī)則是將信碼“0”用低電平表示；信碼“1”交替用“+1”和“-1”的歸零碼表示，因此，AMI碼具有正、負、零三種電平的脈沖序列，AMI碼的缺點是，當(dāng)原信碼出現(xiàn)長連“0”時，信號的電平長時間不跳變，造成提取定時信號的困難[3]。

HDB3(High Density Bipolar-3)碼，即三階高密度雙極性碼，是AMI碼一種的改進型，能克服多個連零碼的位定時信息不易提取的缺點，提取同步時鐘方便，并具有一定的檢錯能力。它的編碼原理為：首先將信碼變換為AMI碼，然后檢查 AMI碼序列中連“0”的情況。當(dāng)出現(xiàn)4個以上的連“0”時，將每 4個連“0”小段中的第 4個“0”位變成一個非 0的破壞位V，其極性和前一個非“0”位同極性[1]。這樣就破壞了“極性交替反轉(zhuǎn)”的規(guī)律。可以在接收端很快發(fā)現(xiàn)破壞位，使原信碼得到恢復(fù)，但也破壞了AMI碼無直流分量的優(yōu)點。為了保持無直流分量這一特點，還必須保證相鄰V碼也應(yīng)極性交替。這一點在相鄰 V碼之間有奇數(shù)個非“0”位時，可以得到保證。當(dāng)有偶數(shù)個非“0”位時，就得不到保證，這時再將該小段第一個 “0”位變換成+B或-B，B的極性與前一個非“0”位相反，并讓后面的非“0”位從 V位開始再交替變化[3]。

3 仿真與分析

3.1 碼型仿真

為更好地認識各種碼型特點,對曼切斯特碼、CMI碼、AMI碼、HDB3碼以及新 Jack碼在時域和頻域上進行仿真分析。如圖1所示為原碼和各種編碼碼型的對比圖,如圖2所示為原碼和各種碼型功率譜曲線對比圖。

3.2 碼型分析

圖1 傳輸碼型波形

圖2 傳輸碼型頻譜

由圖1可知曼切斯特碼和CMI碼的信息傳輸速率都有所增加;由圖2看出曼切斯特碼頻帶加倍，CMI碼的頻帶增加，使頻帶利用率降低，曼切斯特碼和CMI碼都有直流分量，但低頻分量小。曼切斯特碼在每個碼元間隔的中心點都存在電平跳變，所以含有豐富的位定時信息。CMI碼很容易提取位定時信號，此外由于“10”為禁用碼組，不會出現(xiàn)3個以上的連碼，可以利用此規(guī)律來宏觀檢錯[1]。

由圖2可知AMI碼和HDB3碼無直流分量，低頻分量較小，能量集中在頻率為1/2碼率左右處。雖然在AMI功率譜中無定時脈沖的頻率分量，但只要對基帶信號進行必要的非線性處理(如全波整流)，即可提取定時信號。AMI碼還具有一定的檢錯能力，因為信號是按交替規(guī)律進行傳輸，若收端的碼不符合這一規(guī)律，就可能出現(xiàn)錯碼[3]。

由圖2可看出，Jack碼頻帶寬度取決于“0”和“1”的長度比和絕對長度，比值越大頻帶越寬，當(dāng)比值一定時，絕對長度越長低頻分量越大，頻帶加倍。當(dāng)減小“0”和“1”的絕對長度時，在傳輸一串?dāng)?shù)字信息時間縮短，可以節(jié)約功耗，并且此碼編譯碼時都容易實現(xiàn)。Jack碼可以根據(jù)電平的翻轉(zhuǎn)來提取位信息，它含有豐富的位定時信息，還可以根據(jù)長度和是否翻轉(zhuǎn)來確定接收到的波形是否出錯。

4 實驗與分析

4.1 實驗硬件

用單片機和無線收發(fā)芯片組成無線通信系統(tǒng)，如圖3所示，發(fā)射數(shù)據(jù)時單片機輸出I/O管腳控制發(fā)射芯片的輸入端以輸入數(shù)字基帶信號 (IO置0或置1并進行軟件延時一段時間來輸入數(shù)據(jù)),基帶信號經(jīng)無線發(fā)射芯片調(diào)制，接收芯片解調(diào)輸出基帶信號波形輸入單片機I/O管腳以解出數(shù)據(jù) (定時采樣I/O管腳的電平判斷輸入數(shù)據(jù))，如此構(gòu)成單片機控制的軟件編解碼方式。

實驗發(fā)射機硬件如圖4所示,主要包括電源模塊、單片機STM8、射頻發(fā)射芯片A7302C和PA(功率放大器)和串口通信等。系統(tǒng)工作時，通過電腦(PC)串口向單片機發(fā)送命令,單片機控制射頻發(fā)射芯片以串行方式輸入數(shù)據(jù)波形,經(jīng)發(fā)射芯片調(diào)制后,射頻信號經(jīng)PA放大通過天線發(fā)射到外界。

實驗接收機硬件如圖5所示,主要包括射頻接收芯片A7201A、電源模塊、單片機STM8及串口通信等。系統(tǒng)工作時，接收從天線來的射頻信號，經(jīng)接收芯片解調(diào)送入單片機中，經(jīng)單片機處理電波形譯碼出信號后通過串口在PC上顯示。

4.2 實驗條件

因單片機I/O管腳輸出電壓只有高低電平之分，所以AMI和HDB3碼型不實際測試，這里只進行CMI和Jack碼的實驗對比。兩組實驗測試要保證在同樣的條件下進行，包括硬件電路板、天線、收發(fā)環(huán)境等。如圖6所示是發(fā)射和接收波形示意圖，由于存在噪聲以及設(shè)備本身的影響，接收波形的“0”和“1”的電平長度會產(chǎn)生變化，并且伴有毛刺產(chǎn)生，所以對原碼進行編碼是必要的。CMI碼型的“1”碼高電平或低電平持續(xù)時間為 832 μs，“0”碼高電平持續(xù) 416 μs，低電平持續(xù) 416 μs；Jack 碼的“1”碼高電平或低電平持續(xù)時間為 624 μs，“0”碼高電平或低電平持續(xù)時間為416 μs。

圖6 發(fā)射和接收基帶信號波形

兩種碼型發(fā)送相同的同步頭，通信頻率都采用433.92 MHz通信，調(diào)制方式采用ASK調(diào)制。發(fā)射機在相同的地方分別用兩種碼型發(fā)送8 B數(shù)據(jù)100次，在相同的地方用接收機解碼出數(shù)據(jù)并通過串口在電腦上打印出來，統(tǒng)計出正確率、錯誤率和丟失率。

4.3 實驗結(jié)果與分析

由表1可以看出用Jack碼型和CMI碼型傳輸數(shù)據(jù)時，會有不同的接收效果。用示波器測試發(fā)現(xiàn)在地點1接收的波形毛刺多于在地點2接收到的，噪聲影響了兩種碼型傳輸效果,由表1可以看出用Jack碼傳輸?shù)恼_率更高。當(dāng)然接收效果和譯碼方式有很大的關(guān)系，好的譯碼方法可以有好的接收效果。實驗中Jack碼的編譯碼方法比CMI碼型簡單得多，在單片機串行通信的基帶傳輸碼型中簡單實用。Jack碼不但應(yīng)用在以上簡單的實驗中，它還可以應(yīng)用在其他無線通信、光通信中。

表1 實驗結(jié)果對比

本文提出了無線通信中一種新的數(shù)字基帶傳輸碼型并在工程上得到了應(yīng)用。通過和其他典型的數(shù)字基帶碼型進行仿真分析可知，新傳輸碼型頻帶寬度隨著“0”和 “1”的長度和長度比的變化而變化，同時可以減小“0”和“1”的長度來降低功耗，并且此碼含有豐富的位定時信息。新碼型和CMI碼在單片機控制射頻收發(fā)芯片的無線通信硬件平臺上測試，實驗表明，在串行通信基帶傳輸中，新碼型編譯碼簡單，可靠性更強。

[1]韓德紅，孫筱萌，張顯才.基于FPGA的HDB3編解碼器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].空軍雷達學(xué)院學(xué)報，2010,24(4):274-276.

[2]張秀平.FPGA在數(shù)字基帶信號遠程傳輸中的應(yīng)用[J].微計算機信息,2007,23(9-2):206-208.

[3]樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].第六版.北京:國防工業(yè)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.