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(hào)，供現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),、實(shí)時(shí)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?yàn)樾诺劳嬖诟糁绷麟娙莼蝰詈献儔浩?，使得基帶信?hào)中的低頻和直流成分難于通過(guò),，為了使基帶信號(hào)能在基帶信道中傳輸，期望將原始信息符號(hào)編制成適合于傳輸?shù)?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/碼型" title="碼型" target="_blank">碼型,，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(hào)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(diǎn)也有缺點(diǎn),，可以針對(duì)不同的情況來(lái)選擇不同的傳輸碼型,。

1 數(shù)字基帶信號(hào)編譯碼原理
    一般情況下，在進(jìn)行數(shù)字基帶信號(hào)碼型變換時(shí)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(jiǎn)單可靠,；
    (4)具有內(nèi)在的檢錯(cuò)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(lái)監(jiān)測(cè),；
    (5)碼型中應(yīng)包含豐富的定時(shí)信息,，以便定時(shí)提取信號(hào)；
    (6)不受信息源統(tǒng)計(jì)特性的影響,，即能適應(yīng)于信源的變化,，這種與信源統(tǒng)計(jì)特性無(wú)關(guān)的特性稱為對(duì)信源具有透明性[3]。
    以上幾點(diǎn)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(shí)際要求滿足其中的一部分[3],。在單片機(jī)串行通信的基帶信號(hào)中，除了以上的考慮原則,，還應(yīng)考慮傳輸一串?dāng)?shù)字信號(hào)所花費(fèi)的時(shí)間,，因?yàn)檫@關(guān)系到功耗的問(wèn)題，用盡量少的波形傳輸盡量多的信號(hào)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(jī)串行通信的基帶傳輸信號(hào)碼型，在此命名為Jack碼,，同時(shí)常用的曼切斯特碼,、CMI碼、AMI碼,、HDB3碼等都可以用在單片機(jī)串行通信的基帶傳輸信號(hào)碼型中,。
2 碼型對(duì)比
    Jack碼是一種“0”和“1”用不同的持續(xù)時(shí)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(shí)間為0.5T(假設(shè)T為對(duì)應(yīng)信碼的數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度),，“1”碼持續(xù)時(shí)間為T(mén),，并且“0”和“1”的高低電平不斷地進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。由此這是一種“0”和“1”不等長(zhǎng)的編碼方式,，可以在“0”和“1”長(zhǎng)度比一定的情況下來(lái)減小各自的長(zhǎng)度以降低功耗,。
     曼切斯特碼是用一個(gè)周期的正負(fù)對(duì)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(hào)反轉(zhuǎn)碼,，以交替地用正電平或負(fù)電平表示“1”，用固定相位的一個(gè)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(jiǎn)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(hào)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(fù)、零三種電平的脈沖序列,，AMI碼的缺點(diǎn)是,，當(dāng)原信碼出現(xiàn)長(zhǎng)連“0”時(shí)，信號(hào)的電平長(zhǎng)時(shí)間不跳變,，造成提取定時(shí)信號(hào)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(jìn)型,，能克服多個(gè)連零碼的位定時(shí)信息不易提取的缺點(diǎn)，提取同步時(shí)鐘方便,，并具有一定的檢錯(cuò)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(gè)以上的連“0”時(shí)，將每4個(gè)連“0”小段中的第4個(gè)“0”位變成一個(gè)非0的破壞位V,，其極性和前一個(gè)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(wú)直流分量的優(yōu)點(diǎn)。為了保持無(wú)直流分量這一特點(diǎn),，還必須保證相鄰V碼也應(yīng)極性交替,。這一點(diǎn)在相鄰V碼之間有奇數(shù)個(gè)非“0”位時(shí)，可以得到保證,。當(dāng)有偶數(shù)個(gè)非“0”位時(shí),，就得不到保證，這時(shí)再將該小段第一個(gè)“0”位變換成+B或-B,，B的極性與前一個(gè)非“0”位相反,，并讓后面的非“0”位從V位開(kāi)始再交替變化[3]。
3 仿真與分析
3.1 碼型仿真
    為更好地認(rèn)識(shí)各種碼型特點(diǎn),對(duì)曼切斯特碼,、CMI碼,、AMI碼、HDB3碼以及新Jack碼在時(shí)域和頻域上進(jìn)行仿真分析,。如圖 1所示為原碼和各種編碼碼型的對(duì)比圖,如圖 2所示為原碼和各種碼型功率譜曲線對(duì)比圖,。

3.2 碼型分析
    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(gè)碼元間隔的中心點(diǎn)都存在電平跳變,，所以含有豐富的位定時(shí)信息。CMI碼很容易提取位定時(shí)信號(hào),，此外由于“10”為禁用碼組,，不會(huì)出現(xiàn)3個(gè)以上的連碼，可以利用此規(guī)律來(lái)宏觀檢錯(cuò)[1],。
    由圖 2可知AMI碼和HDB3碼無(wú)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(wú)定時(shí)脈沖的頻率分量,，但只要對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行必要的非線性處理(如全波整流)，即可提取定時(shí)信號(hào),。AMI碼還具有一定的檢錯(cuò)能力,，因?yàn)樾盘?hào)是按交替規(guī)律進(jìn)行傳輸，若收端的碼不符合這一規(guī)律,，就可能出現(xiàn)錯(cuò)碼[3],。
    由圖 2可看出,，Jack碼頻帶寬度取決于“0”和“1”的長(zhǎng)度比和絕對(duì)長(zhǎng)度，比值越大頻帶越寬,，當(dāng)比值一定時(shí),，絕對(duì)長(zhǎng)度越長(zhǎng)低頻分量越大，頻帶加倍,。當(dāng)減小“0”和“1”的絕對(duì)長(zhǎng)度時(shí),，在傳輸一串?dāng)?shù)字信息時(shí)間縮短，可以節(jié)約功耗,，并且此碼編譯碼時(shí)都容易實(shí)現(xiàn),。Jack碼可以根據(jù)電平的翻轉(zhuǎn)來(lái)提取位信息，它含有豐富的位定時(shí)信息,，還可以根據(jù)長(zhǎng)度和是否翻轉(zhuǎn)來(lái)確定接收到的波形是否出錯(cuò),。
4 實(shí)驗(yàn)與分析
4.1 實(shí)驗(yàn)硬件
    用單片機(jī)和無(wú)線收發(fā)芯片組成無(wú)線通信系統(tǒng)，如圖 3所示,，發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)單片機(jī)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(hào)(IO置0或置1并進(jìn)行軟件延時(shí)一段時(shí)間來(lái)輸入數(shù)據(jù)),基帶信號(hào)經(jīng)無(wú)線發(fā)射芯片調(diào)制,，接收芯片解調(diào)輸出基帶信號(hào)波形輸入單片機(jī)I/O管腳以解出數(shù)據(jù)(定時(shí)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(jī)控制的軟件編解碼方式,。

    實(shí)驗(yàn)發(fā)射機(jī)硬件如圖4所示,主要包括電源模塊,、單片機(jī)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(shí),，通過(guò)電腦(PC)串口向單片機(jī)發(fā)送命令,單片機(jī)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(hào)經(jīng)PA放大通過(guò)天線發(fā)射到外界。
    實(shí)驗(yàn)接收機(jī)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(jī)STM8及串口通信等。系統(tǒng)工作時(shí),，接收從天線來(lái)的射頻信號(hào),，經(jīng)接收芯片解調(diào)送入單片機(jī)中，經(jīng)單片機(jī)處理電波形譯碼出信號(hào)后通過(guò)串口在PC上顯示,。
4.2 實(shí)驗(yàn)條件
      因單片機(jī)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(shí)際測(cè)試，這里只進(jìn)行CMI和Jack碼的實(shí)驗(yàn)對(duì)比,。兩組實(shí)驗(yàn)測(cè)試要保證在同樣的條件下進(jìn)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(zhǎng)度會(huì)產(chǎn)生變化,，并且伴有毛刺產(chǎn)生,，所以對(duì)原碼進(jìn)行編碼是必要的。CMI碼型的“1”碼高電平或低電平持續(xù)時(shí)間為832 ?滋s,，“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(shí)間為624 μs,，“0”碼高電平或低電平持續(xù)時(shí)間為416 μs。

    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(jī)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(jī)解碼出數(shù)據(jù)并通過(guò)串口在電腦上打印出來(lái),，統(tǒng)計(jì)出正確率、錯(cuò)誤率和丟失率,。
4.3 實(shí)驗(yàn)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(shí),，會(huì)有不同的接收效果。用示波器測(cè)試發(fā)現(xiàn)在地點(diǎn)1接收的波形毛刺多于在地點(diǎn)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(shí)驗(yàn)中Jack碼的編譯碼方法比CMI碼型簡(jiǎn)單得多,，在單片機(jī)串行通信的基帶傳輸碼型中簡(jiǎn)單實(shí)用。Jack碼不但應(yīng)用在以上簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)中,，它還可以應(yīng)用在其他無(wú)線通信,、光通信中。

    本文提出了無(wú)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(guò)和其他典型的數(shù)字基帶碼型進(jìn)行仿真分析可知,，新傳輸碼型頻帶寬度隨著“0”和“1”的長(zhǎng)度和長(zhǎng)度比的變化而變化，同時(shí)可以減小“0”和“1”的長(zhǎng)度來(lái)降低功耗,，并且此碼含有豐富的位定時(shí)信息,。新碼型和CMI碼在單片機(jī)控制射頻收發(fā)芯片的無(wú)線通信硬件平臺(tái)上測(cè)試，實(shí)驗(yàn)表明,，在串行通信基帶傳輸中,，新碼型編譯碼簡(jiǎn)單，可靠性更強(qiáng),。
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