在日常生活生產中，經常需要傳輸低速的數字基帶信號，供現場監測、實時控制等需要信息傳輸的環境使用。在數字基帶傳輸系統中，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的碼型，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 數字基帶信號編譯碼原理
    一般情況下，在進行數字基帶信號碼型變換時應考慮以下原則：
    (1)低頻和高頻分量盡量少；
    (2)功率譜的主瓣寬度窄，以節省傳輸頻帶；
    (3)編譯碼簡單可靠；
    (4)具有內在的檢錯能力，即碼型有一定的規律性，以便根據這一規律性來監測；
    (5)碼型中應包含豐富的定時信息，以便定時提取信號；
    (6)不受信息源統計特性的影響，即能適應于信源的變化，這種與信源統計特性無關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，還應考慮傳輸一串數字信號所花費的時間，因為這關系到功耗的問題，用盡量少的波形傳輸盡量多的信號即低功耗是通信系統的方向[4]。
    從以上原則出發，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”用不同的持續時間表示并且不同電平持續翻轉的一種編碼方式。編碼規則之一是：“0”碼高或低電平持續時間為0.5T(假設T為對應信碼的數據位長度)，“1”碼持續時間為T，并且“0”和“1”的高低電平不斷地進行翻轉。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。它適用于數據終端設備近距離的傳輸，局域網常采用該碼作為傳輸碼型[3]。
    CMI(Coded Mark Inversion)碼也稱傳號反轉碼，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，因此，在高次群脈沖編碼調制終端設備中廣泛用作接口碼型，在速率低于8.448 kb/s的光纖數字傳輸系統中也被建議作為線路傳輸碼型[3]。
    AMI(Alternate Mark Inversion)碼，即傳號交替反轉碼，編碼規則是將信碼“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，當原信碼出現長連“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。當出現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”的規律。可以在接收端很快發現破壞位，使原信碼得到恢復，但也破壞了AMI碼無直流分量的優點。為了保持無直流分量這一特點，還必須保證相鄰V碼也應極性交替。這一點在相鄰V碼之間有奇數個非“0”位時，可以得到保證。當有偶數個非“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
    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3個以上的連碼，可以利用此規律來宏觀檢錯[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律進行傳輸，若收端的碼不符合這一規律，就可能出現錯碼[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，當比值一定時，絕對長度越長低頻分量越大，頻帶加倍。當減小“0”和“1”的絕對長度時，在傳輸一串數字信息時間縮短，可以節約功耗，并且此碼編譯碼時都容易實現。Jack碼可以根據電平的翻轉來提取位信息，它含有豐富的位定時信息，還可以根據長度和是否翻轉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芯片組成無線通信系統，如圖 3所示，發射數據時單片機輸出I/O管腳控制發射芯片的輸入端以輸入數字基帶信號(IO置0或置1并進行軟件延時一段時間來輸入數據),基帶信號經無線發射芯片調制，接收芯片解調輸出基帶信號波形輸入單片機I/O管腳以解出數據(定時采樣I/O管腳的電平判斷輸入數據)，如此構成單片機控制的軟件編解碼方式。

    實驗發射機硬件如圖4所示,主要包括電源模塊、單片機STM8、射頻發射芯片A7302C和PA(功率放大器)和串口通信等。系統工作時，通過電腦(PC)串口向單片機發送命令,單片機控制射頻發射芯片以串行方式輸入數據波形,經發射芯片調制后,射頻信號經PA放大通過天線發射到外界。
    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。系統工作時，接收從天線來的射頻信號，經接收芯片解調送入單片機中，經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、收發環境等。如圖 6所示是發射和接收波形示意圖，由于存在噪聲以及設備本身的影響，接收波形的“0”和“1”的電平長度會產生變化，并且伴有毛刺產生，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時間為832 ?滋s，“0”碼高電平持續416 μs，低電平持續416 μs；Jack碼的“1”碼高電平或低電平持續時間為624 μs，“0”碼高電平或低電平持續時間為416 μs。

    兩種碼型發送相同的同步頭，通信頻率都采用433.92 MHz通信，調制方式采用ASK調制。發射機在相同的地方分別用兩種碼型發送8 B數據100次，在相同的地方用接收機解碼出數據并通過串口在電腦上打印出來，統計出正確率、錯誤率和丟失率。
4.3 實驗結果與分析
    由表 1可以看出用Jack碼型和CMI碼型傳輸數據時，會有不同的接收效果。用示波器測試發現在地點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碼傳輸的正確率更高。當然接收效果和譯碼方式有很大的關系，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碼不但應用在以上簡單的實驗中，它還可以應用在其他無線通信、光通信中。

    本文提出了無線通信中一種新的數字基帶傳輸碼型并在工程上得到了應用。通過和其他典型的數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。
參考文獻
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[3] 樊昌信，曹麗娜. 通信原理[M].第六版. 北京:國防工業出版社，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.