常用的数字基带信号典型码型分析

传输码型的选择主要考虑以下几点:码型中的低频、高频分量尽量少;码型中应包含定时信息,以便定时提取;码型变换设备要简单可靠;码型要具有一定检错能力,若传输码型有一定的规律性,则可根据这一规律性来检测传输质量,以便做到自动监测。编码方案对发送消息类型不应有任何限制,应适合于所有的二进制信号。这种与信源的统计特性无关的特性称为对信源具有透明性,低误码增值,高的编码效率。

它们常用码型有单极性不归零(NRZ)码、双极性不归零(NRZ)码、单极性归零(RZ)码、双极性归零(RZ)码、差分码、交替极性(AMI)码、三阶高密度双极性(HDB3)码、双相码、Miller码、信号反转(CMI)码、DMI码等。

以脉冲表示的码型有如下特点。第一,脉冲宽度越大,发送信号的能量越大,这对于接收端的信噪比是有利的。第二,脉冲时间宽度与传输频带宽度成反比关系。归零码的脉冲比全宽码的脉冲窄,它们在信道上占用较宽的带宽,并且在频谱中间包含码速的频率。就是说,发送频谱中包含码位定时信息。第三,双极性码与单双性码相比,直流分量和低频成分减少了。如果数据序列中1码的位数的和0码的位数相等,双极性码就根本没有直流输出了。对于交替双极性码,当然也没有直流输出,这对于实线上传输数据有利。图5.1是几种典型码型的波形示意图。

1.AMI码

AMI码的全称是交替极性码,这是一种将消息代码0(空号)和1(传号)按如下规则进行编码的码,即代码的0仍变换为传输码的0,而把代码中的1交替地变换为传输码的+1,-1,+1,-1,…。例如,

消息代码: 0 1 0 1 1 1

AMI码: 0 +1 0 -1 +1 -1

由于AMI码的传号交替反转,因此由它决定的数字基带信号遵循正负脉冲交替的规则,而0电位保持不变的规律。由此看出,这种基带信号无直流成分,且只有很小的低频成分,因而它特别适宜在不允许这些成分通过的信道中传输。

由AMI码的编码规则可以看出,信息代码从一个二进制符号序列变成了一个三进制符号序列,如图5.1(b)所示。

图5.1 几种典型码型的波形示意图

2.HDB3码

AMI码有一个很大的缺点,即在连0码过多时提取定时信号有困难。这是因为在连0时AMI码输出均为零电平,连0码在这段时间内无法提取同步信号,而在前面非连0码时提取的位同步信号又不能保持足够的时间。为了克服这一弊病可采取几种不同的措施,广泛为人们接受的解决办法是采用高密度双极性码。HDB3码是一系列高密度双极性码(HDB1码、HDB2码、HDB3码等)中最重要的一种。其编码原则如下:先把消息变成AMI码,然后检查AMI码的连0情况,当无3个以上连0串时,这时的AMI码就是HDB3码。若出现4个或4个以上连0情况,则将每4个连0小段的第4个0变换成1码。这个由0码变换来的1码称为破坏脉冲(符号),用符号V表示,而原来的二进制码元序列中所有的1码称为信码,用符号B表示。当信码序列中加入破坏脉冲以后,信码B和破坏脉冲V的正负必须满足如下两个条件。

条件一是信码B和破坏脉冲V各自都应始终保持极性交替变化的规律,以便确保编好的码中没有直流成分。

条件二是破坏脉冲V必须与前一个码(信码B)同极性,以便和正常的AMI码区分开来。如果这个条件得不到满足,那么应该在四个连0码的第一个0码位置上加一个与破坏脉冲V同极性的补信码,这个补信码用符号B′表示。此时B码和B′码合起来就可保持条件一中信码极性交替变换的规律。

根据以上两个条件,假设一个二进制码元的,第一个信码B为正脉冲(用B+表示),它前面一个破坏脉冲V为负脉冲(用V-表示)。这样根据上面两个条件就可以得出信码B、补信码B′和破坏脉冲V的位置以及它们的极性。在编好的HDB3码中,+1表示正脉冲,-1表示负脉冲。

一个二进制码元序列对应的AMI码、HDB3码、补信码B′以及信码B和破坏脉冲V的位置如下所示。

(1)代码:

0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0

(2)AMI码:

0+1 0 0 0 0-1+1 0 0 0 0 0-1 0-1 0(www.xing528.com)

(3)B码和破坏脉冲V:

0 B 0 0 0 V B B 0 0 0 V 0 B 0 B 0

(4)B′码:

0 B+0 0 0 V+B-B+B-0 0 V-0 B+0 B-0

(5)HDB3码:

0+1 0 0 0+1-1+1-1 0 0-1 0-1 0-1 0

是否添加补信码B′还可根据如下规律来决定。当两个破坏脉冲V间的信码B的数目是偶数时,应该把后面的这个破坏脉冲V所表示的连0码中的第一个0变为补信码B′,其极性与前相邻信码B的极性相反,破坏脉冲V的极性做相应变化。如果两码破坏脉冲V之间的信码B数目是奇数,就不要再加补信码B′了。

在接收端译码时,由两个相邻同极性码找到破坏脉冲V,即在同极性码中后面的那个码就是V码。由破坏脉冲V向前的第3个码如果不是0码,表明该码是补信码B′。把破坏脉冲V和补信码B′去掉后留下的全是信码,把它全波整流后得到的是单极性码。

HDB3编码的步骤可归纳为以下几点。

(1)从信息码流中找出四连0,使四连0的最后一个0变为V(破坏脉冲)。

(2)使两个V之间保持奇数个信码B,如果不满足,则使四连0的第一个0变为补信码B′,若满足,则无须变换。

(3)使B连同B′按+1和-1交替变化,同时V也要按+1和-1规律交替变化,且要求V与它前面的相邻的B或者B′同极性。

其解码的步骤如下。

(1)找V。从HDB3码中找出相邻两个同极性的码元,后一个码元必然是V。

(2)找B′。V前面第三位码元如果为非零,则表明该码是补信码B′。

(3)将V和B′还原为0,将其他码元进行全波整流(即将所有+1和-1均变为1),这个变换后的码流就是原信息码。

HDB3码的优点是无直流成分,低频成分少,即使有长连0码时也能提取位同步信号;缺点是编译码电路比较复杂。HDB3码是由CCITT建议的,属于欧洲系列一、二、三次群的接口码型。

3.CMI码

信号反转码(Coded Mark Intersion,CMI)的编码规则:当为0码时,用01表示,当出现1码时,交替用00和11表示。它的优点是没有直流分量,且频繁出现波形跳变,便于定时信息提取,具有误码监测能力。CMI码同样有因极性反转而引起的解码错误问题。

由于CMI码具有上述优点,再加上编、解码电路简单,容易实现,因此,它在高次群脉冲码调制终端设备中广泛用作接口码型,在速率低于8 448 kbit/s的光纤数字传输系统中也被建议作为线路传输码型。在国际电联(ITU)的G.703建议中,规定CMI码为PCM四次群的接口码型。日本电报电话公司在32 kbit/s及更低速率的光纤通信系统中也采用CMI码。