數(shù)字基帶信號的波形、碼型和碼元是不同的概念。那么我們首先從數(shù)字基帶信號的概念談起。

一、數(shù)字基帶信號的概念

二進制數(shù)字（Binary Digit，比特），即字符“0”、“l”是數(shù)字系統(tǒng)的基本信息單元。它采用以2為基數(shù)的計數(shù)體制，與信號的兩種有意義狀態(tài)相對應，ITU對其稱呼和特征參數(shù)調制規(guī)定詳見下表0。比特流（Bit Stream），通常稱為數(shù)字基帶信號或基帶信號（Baseband Signal），又稱作碼型，是指二進制數(shù)字（0和1）流或比特序列，是信息的數(shù)字波形（未經(jīng)調制的脈沖電壓或電流）表現(xiàn)形式。

表0：ITU對二進制信號的建議規(guī)定

基帶信號的種類繁多，一般可分為不歸零（NRZ）、歸零（RZ）、相位編碼和多電平二進制等。其中，NRZ碼分為NRZ-L（L為電平）、NRZ-M（M為傳號）和NRZ-S（S為空號）碼等。RZ碼分為單極性RZ、雙極性RZ和RZ-AMI碼等，主要用于基帶數(shù)據(jù)傳輸和磁帶記錄等。相位編碼則包括bi-Ф-L碼、bi-Ф-S碼、bi-Ф-M碼和延遲調制碼等，主要用于磁帶記錄、光通信和衛(wèi)星遙測等。根據(jù)碼元幅度取值不同，基帶信號又可分為二元碼、三元碼和多元碼等。

    1、二元碼：二元碼幅度取值只有1、0兩個，在電話應用中則稱作線路碼。

1）單極性不歸零（NRZ-L）碼，又稱作單流波形。它用一個電平（如高電平）代表二進制數(shù)1，而另一個電平（如低電平或零電平）代表二進制數(shù)0，并在整個碼元期間電平保持不變，可應用于數(shù)字邏輯電路中。

2）雙極性NRZ碼，又稱作雙流波形。它用一個電平（如正電平）代表二進制數(shù)1，而另一個電平（如負電平）代表二進制數(shù)0，并在整個碼元期間電平保持不變，可用于基帶信號傳輸或用作接口信號。

3）單極性RZ碼，用半個比特寬度的脈沖代表1，沒有脈沖代表。

上述碼型不具備檢錯能力，其頻譜中含有豐富的低頻乃至直流成分，且當信息中包含連續(xù)“1”或“0”時，因信號中不出現(xiàn)跳變而導致接收端無法從中獲取定時同步信息。因此，通常只用于機內或距離很近的信息傳遞。

4）數(shù)字雙相（Digital Biphase）碼又稱作分相（Split-phase）碼或曼徹斯特（Manchester）碼，可通過NRZ-L碼與定時信號模二和產生。其中包括：bi-Ф-L（bi-phase-Level）碼、bi-Ф-M（bi-phase-Mark）碼和bi-Ф-S（bi-phase-Space）碼，其含義詳見下表1-1。

表1-1：數(shù)字雙相碼的分類及含義

雙相不歸零碼中，0→1或1→0數(shù)據(jù)轉換用脈沖極性的改變表示。如果數(shù)據(jù)保持不變，則在整個碼元持續(xù)時間內發(fā)送零電平；雙相歸零碼中，1→0或0→1轉換時，則生成半個碼元持續(xù)時間的極性改變。如果數(shù)據(jù)保持不變，則發(fā)送零電平。數(shù)字雙相碼頻譜中不存在直流分量，且定時同步信息不受信源統(tǒng)計特性的影響，但傳輸頻帶增加一倍，故通常適用于數(shù)據(jù)終端設備在以同軸電纜為介質的短距離傳輸。

5）差分編碼（Differential Encoding）又稱為相對碼，是用電平跳變與否來分別表示二進制數(shù)1和0。其電平只具有相對意義，而不存在絕對的對應關系，故可用于解決相位鍵控同步解調中因接收端本地載波相位倒置時所引起的譯碼錯誤（即0、1倒置）。傳號差分碼（NRZ-M）用電平變化代表1（稱為傳號），而電平不變化代表0（稱為空號），主要應用于磁帶記錄中；空號差分碼（NRZ-S）則用電平不變化代表1，而電平變化代表0。

6）傳號反轉（CMI）碼。是交替地用“00”和“11”兩位碼組（即確定相位的一個周期方波）來表示二進制數(shù)1（或稱為傳號），而固定地用“01”碼組來表示二進制數(shù)0。在數(shù)字雙相碼和CMI碼中，原始的二元信息在編碼后都是用一組兩位的二元碼來表示的，因此又稱為1B2B碼。但在某些文獻中，1B2B碼則特指CMI碼。CMI碼頻譜中不存在直流分量，其定時同步信息可由波形負跳變直接提取，且易于實現(xiàn)。因其既可檢測傳輸誤碼，亦可克服數(shù)字雙相碼中存在的相位不確定問題，故被納入ITU建議，作為PCM四次群的接口碼型，在傳輸速率低于8448kbit/s的光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，則被推薦為線路傳輸碼型。

7）延遲調制（Delay Modulation，DM）碼。即米勒（Milly）碼，是用碼元持續(xù)時間中心點出現(xiàn)躍變來表示二進制數(shù)1；而對于單個的0，則在碼元持續(xù)時間內不出現(xiàn)電平躍變，且在相鄰碼元的邊界處也不出現(xiàn)躍變；對于連續(xù)多個的0，在兩個0碼的邊界處出現(xiàn)電平躍變。其最大寬度為兩個碼元周期，而最小寬度為一個碼元周期，可檢測傳輸誤碼或線路故障，常用于氣象衛(wèi)星及磁帶記錄和低速數(shù)據(jù)的基帶數(shù)傳機。實際上，DM碼是數(shù)字雙相碼經(jīng)過一級觸發(fā)器后得到的波形，是數(shù)字雙相碼的差分形式，可克服數(shù)字雙相碼中存在的相位不確定問題。

2、三元碼：三元碼幅度取值雖有+1、0、-1三個，但因其實現(xiàn)時并不是將二進制數(shù)直接變?yōu)槿M制數(shù)，而是某種特定的取代，故又稱為準三元碼或偽三元碼，現(xiàn)被廣泛地用作PCM的線路傳輸碼型，如雙極性RZ波形、傳號交替反轉（Alternate Mark Inversion，AMI）碼、n階高密度雙極性碼（HDBn）和N連0取代雙極性碼（BNZS )等。

1）雙極性RZ碼，是用兩個極性相反、寬度均為半個比特的脈沖分別代表二進制數(shù)1和0。這樣，零態(tài)就作為第三種符號用以隔離碼元，且每個比特時隙中都有脈沖。

2）傳號交替反轉（RZ-AMI）碼用于電話系統(tǒng)中，用幅度相等、正負交替的歸零脈沖代表二進制數(shù)1，而用沒有脈沖代表二進制數(shù)0，且脈沖寬度通常為碼元周期的一半。

AMI碼具有檢錯能力，其性能與信源統(tǒng)計特性相關，能量集中在頻率為1/2碼速處，且頻譜中無直流分量，低頻分量較小，形狀隨信息中傳號率（即出現(xiàn)“1”的概率）而變化。AMI碼經(jīng)全波整流變?yōu)槎?span>RZ碼后，可獲取位同步信息。不過當信息中出現(xiàn)連“0”碼（≥15個）時，因電平跳變長時間不出現(xiàn)將影響到位定時信息的提取，故ITU規(guī)定使用AMI碼的同時加傳定時信號，但其使用條件受限。此外，用特定碼組即取代節(jié)替代固定長度的連“0”碼，可得到目前流行的HDBn（連“0”數(shù)≤n）和BNZS（連“0”數(shù)＜N）等碼型。

匯總上述的各種基帶信號，其矩形脈沖波型詳見下圖1-2。

圖1-2：基帶信號二元碼與三元碼的矩形脈沖波形

3、多元碼：多元碼幅度取值可有多個，即對于n位二進制碼組，可用M=2ⁿ元碼來傳輸。與二元碼傳輸相比，其頻帶利用率提高n倍。在頻帶受限的高速數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，線路碼型選擇非常重要。ITU已將一種四元碼2BlQ列為建議標準，詳見圖1-3，用以表示兩個二進制碼元。為減少在接收時因錯誤判定電平幅度而引起的誤碼率，通常采用格雷碼表示。

圖1-3：四元碼2BlQ的矩形脈沖波形

二、數(shù)字基帶信號波形

從上述對數(shù)字基帶信號概念的分析，可以看出，從信源送出的是信碼序列，然后轉變成一定的基帶信號波形。從傳送不同的數(shù)字符號狀態(tài)這一目的來說，只要是任意可以區(qū)分的并有利于改善傳輸性能的基帶信號波形都可以用于數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)。不過應用最廣泛的也是最簡單的仍是方波信號。常見的矩形脈沖基帶信號如圖1-2和圖1-3所示。

三、數(shù)字基帶信號的碼型

從上述對數(shù)字基帶信號概念的分析可知，碼型指的是所傳輸?shù)拇a序列的結構。由數(shù)字信源產生的數(shù)字序列是原始的代碼序列。由于數(shù)字信道的特性及要求不同，需要將原代碼依照一定的規(guī)則轉換成適合信道傳輸要求的傳輸碼（又稱作線路碼）。當然在收端最終還是要將它們轉換成原來的信碼序列。

合理設計或選用基帶信號可以使信息變換為適合給定信道傳輸特性的頻譜結構（這一過程稱作碼型變換），以便在某些有線信道中直接傳送（特別是在傳輸距離不太遠的情況下，稱為基帶傳輸）。不同形式的基帶信號具有不同的頻譜結構，其頻譜范圍一般是從直流（或接近直流）到一個有限值（通常不超過數(shù)兆赫茲），如圖3-1所示。

圖3-1：幾種基帶信號的功率譜

鑒于碼型性能上的差異，選用時應考慮下表3-1的6種因素，但需要指出的是，表3-1中各項原則并非均需要滿足才行，往往是根據(jù)實際要求滿足其中的若干項即可。也只有這樣，才能簡化設備、降低成本。

表3-1：碼型選用時應考慮的因素

實際系統(tǒng)中使用的碼型有很多種，欲進一步了解的請進入。

四、碼元。

碼元（Symbol）即數(shù)字消息，是指攜帶數(shù)字信息的信號單元。通常，用一個單元即kbit來表示有限碼元集或字母表中的消息碼元m_i（i =1，…，M；字符集的大小為M=2^k）。

對于基帶傳輸，每個碼元m_i可用一組基帶脈沖波形g_i(t)之一來表示；對于典型的射頻或帶通傳輸，每個脈沖g_i(t)則由一組帶通數(shù)字波形s_i(t)中的一個來表示。例如，在無線通信系統(tǒng)中，碼元m_i就是通過在碼元持續(xù)時間T內發(fā)送波形s_i(t)來實現(xiàn)的。其中，每個碼元對應于有限符號集中的一個符號，且多數(shù)情況下其持續(xù)時間相等。數(shù)字通信系統(tǒng)接收機僅需判別所接收到的波形是M個發(fā)送波形中的哪一個，而無需像模擬通信系統(tǒng)接收機那樣去精確地估計波形。

在任何數(shù)字通信系統(tǒng)的設計中，k或M的值是首先要考慮的參數(shù)。對于k=1的二進制系統(tǒng)而言，碼元集大小為M=2¹=2，并在每個碼元周期內用2個不同的波形來分別表示二進制數(shù)“1”和“0”。且只有在這個特例中，碼元和比特才是相等的。

圖4的示例將有助于闡明消息、字符、碼型、碼元及其波形等之間的關系。在圖4中，文本信息“THINK”可由6bit的ASCII碼生成30bit的比特流（基帶信號或碼型）。若k=3，則M=2³=8，構成10個代表八進制數(shù)的碼元，且在每個碼元周期中分別對應一個特定的波形g_i(t)；若k=5，則M=2⁵=32，構成6個代表三十二進制數(shù)的碼元，且在每個碼元周期中分別對應一個特定的波形g_i(t)。注意，沒有必要使碼元邊界和字符邊界相一致，如第一個碼元代表第一個字符“T”的5/6，第二個碼元代表字符“T”剩余的1/6和下一個字符“H”的4/6，依次類推，字符不一定要劃分得很美觀。系統(tǒng)僅將字符視為一串待傳輸?shù)臄?shù)字，而不像終端用戶要從接收到的比特流中獲得文本消息。

圖4：消息、字符和碼元及波型的示例

這里，脈沖序列由理想的矩形脈沖組成，相鄰脈沖之間存在間隔。不過，實際系統(tǒng)中的脈沖不可能與圖中所繪的相同，因為這種間隔無任何用處。而且，對于給定的比特速率，脈沖間隔會增加所需的傳輸帶寬；對于給定的帶寬，脈沖間隔會增加獲得信息的時延。

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