單極性碼,單極性碼是什么意思

數字信號可以直接采用基帶傳輸,所謂基帶就是指基本頻帶。基帶傳輸就是在線路中直接傳送數字信號的電脈沖,這是一種最簡單的傳輸方式,近距離通信的局域網都采用基帶傳輸。

基帶傳輸時,需要解決數字數據的數字信號表示以及收發兩端之間的信號同步問題。對于傳輸數字信號來說,最簡單最常用的方法是用不同的電壓電平來表示兩個二進制數字,也即數字信號由矩形脈沖組成。按數字編碼方式，可以劃分為單極性碼和雙極性碼，單極性碼使用正（或負）的電壓表示數據；雙極性碼是三進制碼，1為反轉，0為保持零電平。根據信號是否歸零，還可以劃分為歸零碼和非歸零碼，歸零碼碼元中間的信號回歸到0電平，而非歸零碼遇1電平翻轉，零時不變。常見的幾種基本的數字信號脈沖編碼方案如下：

單極性不歸零碼,無電壓(也就是元電流)用來表示"0",而恒定的正電壓用來表示"1"。每一個碼元時間的中間點是采樣時間,判決門限為半幅度電平(即0.5)。也就是說接收信號的值在0.5與1.0之間,就判為"1"碼,如果在O與0.5之間就判為"0"碼。每秒鐘發送的二進制碼元數稱為"碼速"。

雙極性不歸零碼,"1"碼和"0"碼都有電流,但是"1"碼是正電流,"0"碼是負電流,正和負的幅度相等,故稱為雙極性碼。此時的判決門限為零電平,接收端使用零判決器或正負判決器,接收信號的值若在零電平以上為正,判為"1"碼;若在零電平以下為負,判為"0"碼。

以上兩種編碼,都是在一個碼元的全部時間內發出或不發出電流(單極性),以及發出正電流或負電流(雙極性)。每一位編碼占用了全部碼元的寬度,故這兩種編碼都屬于全寬碼,也稱作不歸零碼NRZ (Non Return Zero)。如果重復發送"1"碼,勢必要連續發送正電流;如果重復發送"0"碼,勢必要連續不送電流或連續發送負電流,這樣使某一位碼元與其下一位碼元之間沒有間隙,不易區分識別。歸零碼可以改善這種狀況。

單極性歸零碼,當發"1"碼時,發出正電流,但持續時間短于一個碼元的時間寬度,即發出一個窄脈沖;當發"0"碼時,仍然完全不發送電流,所以稱這種碼為單極性歸零碼。

雙極性歸零碼,其中"1"碼發正的窄脈沖,"0"碼發負的窄脈沖,兩個碼元的間隔時間可以大于每一個窄脈沖的寬度,取樣時間是對準脈沖的中心。

非歸零碼在傳輸中難以確定一位的結束和另一位的開始,需要用某種方法使發送器和接收器之間進行定時或同步;歸零碼的脈沖較窄,根據脈沖寬度與傳輸頻帶寬度成反比的關系,因而歸零碼在信道上占用的頻帶就較寬。

單極性碼會積累直流分量,這樣就不能使用變壓器在數據通信設備和所處環境之間提供良好絕緣的交流藕合,直流分量還會損壞連接點的表面電鍍層;雙極性碼的直流分量大大減少,這對數據傳輸是很有利的。

從以上討論中可以發現,基帶傳輸的另一個重要問題就是同步問題。接收端和發送端發來的數據序列在時間上必須取得同步,以便能準確地區分和接收發來的每位數據。這就要求接收端要按照發送端所發送的每個碼元的重復頻率及起止時間來接收數據,在接收過程中還要不斷校準時間和頻率,這一過程稱為同步過程。在計算機通信與網絡中,廣泛采用的同步方法有位同步法和群同步法兩種。

1、位同步

位同步使接收端對每一位數據都要和發送端保持同步。在數據通信中,習慣于把位同步稱為"同步傳輸"。實現位同步的方法可分為外同步法和自同步法兩種。在外同步法中,接收端的同步信號事先由發送端送來,而不是自己產生也不是從信號中提取出來。即在發送數據之前,發送端先向接收端發出一串同步時鐘脈沖,接收端按照這一時鐘脈沖頻率和時序鎖定接收端的接收頻率,以便在接收數據的過程中始終與發送端保持同步。

自同步法是指能從數據信號波形中提取同步信號的方法。典型例子就是著名的曼徹斯特編碼,這種編碼通常用于局域網傳輸。在如下圖所示的曼徹斯特編碼方式中,每一位的中間有一跳變,位中間的跳變既作為時鐘信號,又作為數據信號:從高到低的跳變表示"1",從低到高的跳變表示"0"。

圖1

另外,還有一種差分曼徹斯特編碼,這種編碼每位中間的跳變僅提供時鐘定時,而用每位開始時有無跳變表示"0"或"1",有跳變表示"0",無跳變表示"1"。由此可見,兩種曼徹斯特編碼方法都是將時鐘和數據包含在信號流中,在傳輸代碼信息的同時,也將時鐘同步信號一起傳輸到對方,所以這種編碼也稱為自同步編碼。

從曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼的脈沖波形中可以看出,這兩種雙極型編碼的每一個碼元都被調制成兩個電平,所以數據傳輸速率只有調制速率的1/2,也即對信道的帶寬有更高的要求。但它們具有自同步能力和良好的抗干擾性能,在局域網中仍被廣泛使用。

2、群同步

在群同步的通信系統中,傳輸的信息被分成若干"群"。所謂的"群",一般是以字符為單位,在每個字符的前面冠以起始位、結束處加上終止位,從而組成一個字符序列o數據傳輸過程中,字符可順序出現在比特流中,字符與字符間的間隔時間是任意的,即字符間采用異步定時,但字符中的各個比特用固定的時鐘頻率傳輸。在數據通信中,習慣于把群同步稱為"異步傳輸"。字符間的異步定時和字符中比特之間的同步定時,是群同步即異步傳輸的特征。這種傳輸方式中,每個字符以起始位和停止位加以分隔,故也稱"起一止"式傳輸。

群同步傳輸規程中的每個字符可由下列四部分組成:

(1)1位起始位,以邏輯、"表示:

(2)5~8位數據位,即要傳輸的字符內容;

(3)1位奇/偶檢驗位,用于檢錯,該部分可以不選;

(4)1~2位停止位,以邏輯"1"表示,用以作字符間的間隔。

群同步的字符格式見圖2。由圖中可以看出,群同步是靠起始位(邏輯"0")和停止位(邏輯"1")來實現字符的定界及字符內比特的同步的。接收端靠檢測鏈路上由空閑位或前一字符停止位(均為邏輯"1")到該字符起始位的下降沿來獲知一個字符的開始,然后按收、發雙方約定的時鐘頻率對約定的字符比特數(5~8位)進行逐位接收,最后以約定算法(奇/偶校驗法)進行差錯檢測,完成一個字符的傳輸。發送器和接收器中近似于同一頻率的兩個約定時鐘,在一段較短的時間內能夠保持同步。在群同步傳輸中,起始位和停止位的作用是十分重要的。起始位指示字符的開始,并啟動接收端對字符中比特的同步;而停止位則是作為字符之間的間隔位而設置的,沒有停止位,緊跟其后的下一字符的起始位下降沿便可能丟失。

群同步法只需保持每個字符的起始點同步,在群內則按約定的頻率進行位的接收就可以了。這種方法實現簡單,但需要添加諸如起始位、校驗位和停止位等附加位,相對于同步傳輸來說,編碼效率和信道利用率較低,一般用于低速數據傳輸的場合。

圖2