密勒碼在低速通信系統(tǒng)的應(yīng)用

1、 密勒碼在低速無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用 作者：開發(fā)中心,曾運(yùn)華 1998年6月30日關(guān)鍵詞： 密勒碼、曼徹斯特碼、無繩電話、碼元速率、功率譜、無線通信摘要：本文對比了密勒碼和曼徹斯特碼的優(yōu)缺點(diǎn)，提出在低速無線通信中用密勒碼取代曼徹斯特碼，并給出了密勒碼的編解碼方案和信息流程圖。一 概述 低速無線通信系統(tǒng)如無繩電話、對講系統(tǒng)、傳呼系統(tǒng)等，其數(shù)據(jù)速率都在音頻范圍內(nèi)，信息編碼多采用簡單的二進(jìn)制碼（單極性非歸零碼NRZ（L）、單極性歸零碼（RZ（L）、雙極性非歸零碼、曼徹斯特碼（數(shù)字雙相碼）等編解碼規(guī)則簡單的碼。這些碼功率譜中有豐富的低頻乃至直流分量，這對于大多數(shù)采用交流耦合因此低端受限的無線信道來說，是

2、十分不利的。但是有些場合環(huán)境噪聲十分干凈，信道穩(wěn)定可靠或者對通信質(zhì)量要求不高，因此，還在使用著這些碼型，其中，曼徹斯特碼即被廣泛應(yīng)用于功能簡單的無繩電話系統(tǒng)中。隨著低速無線系統(tǒng)的功能越來越強(qiáng)大，碼型的質(zhì)量和效率已經(jīng)引起了人們的重視。下面著重對比曼徹斯特碼和密勒碼的優(yōu)缺點(diǎn)，研究密勒碼的編解碼方法。二 曼徹斯特碼及其優(yōu)缺點(diǎn)曼徹斯特（Manchester)碼也叫數(shù)字雙相碼，它用一個周期的方波表示1，而用它的反相波表示0。曼徹斯特碼可以用單極性非歸零碼和定時信號的模二和（即異或）來產(chǎn)生，因此編解碼簡單。市場上甚至還有曼徹斯特碼編解碼器集成電路出售。由于曼徹斯特碼在每個碼元的中心部分都存在跳變，因此在頻

3、譜中存在很強(qiáng)的定時分量，它不受信源統(tǒng)計特性的影響，這對于接收端恢復(fù)原始信號是極為重要的，因?yàn)樗褪俏欢〞r信息。此外，由于方波周期內(nèi)正、負(fù)電平各占一半，因而不存在直流分量。但是這些優(yōu)點(diǎn)是用頻帶加倍來換取的，也就是說，碼元速率為4kHz的二進(jìn)制信號變換成曼徹斯特碼后其碼元速率則為2kHz，而波形的主要頻率卻為4kHz，這對于要求有一定數(shù)據(jù)傳輸速率而高頻端又受限的系統(tǒng)、尤其是采用低速處理器（單片機(jī)）軟件編解碼的系統(tǒng)來說是很要命的。因?yàn)橐岣呗鼜厮固卮a的碼元速率必須提高波形頻率，而在低速系統(tǒng)中信息的傳輸帶寬往往在音頻范圍內(nèi)，即低于3.4kHz。此外，單片機(jī)屬于低速處理器，要對很高波形頻率的碼型正確編解

4、碼是不現(xiàn)實(shí)的。下圖是曼徹斯特碼的波形及產(chǎn)生過程。二進(jìn)制碼 1 1 1 0 1 0 0 1時 鐘NRZ（L） 曼徹斯特碼 密 勒 碼 圖1 曼徹斯特碼的波形和產(chǎn)生過程 三 密勒碼的波形和特性密勒碼又稱延遲調(diào)制，它是數(shù)字雙相碼的差分形式。在密勒碼中，1用碼元周期的中點(diǎn)處出現(xiàn)跳變來表示，而對于0則有兩種情況：當(dāng)出現(xiàn)單個0時，在碼元周期內(nèi)不出現(xiàn)跳變；但若遇到連0時，則在前一個0結(jié)束時出現(xiàn)電平跳變。由上述編碼規(guī)則可知，當(dāng)兩個1之間有一個0時（101），則在第一個1的碼元周期中點(diǎn)與第二個1的碼元周期中點(diǎn)之間無電平跳變，此時密勒碼中出現(xiàn)最大的碼元寬度，即兩個碼元周期。密勒碼的波形如圖1所示。功率譜分析表明，

5、密勒碼的信號能量主要集中在二分之一碼速以下的頻率范圍內(nèi)，直流分量很小，頻帶寬度約為曼徹斯特碼的一半。密勒碼的功率譜如圖3所示。 0 1/2T 1/T 2/T 頻率 圖2 密勒碼的功率譜歸一化功率譜 設(shè)若碼元速率為2kHz的二進(jìn)制碼，要保證碼速率不變，變換成曼徹斯特碼時波形的主要頻率為2kHz且頻率分布很廣,而變換成密勒碼時，波形的主要頻率則為1kHz且頻譜很集中。為了保證碼的波形在信道中變化不大，應(yīng)使主要頻率的三次諧波附近低于信道的上限頻率。因此，對于傳輸帶寬為音頻范圍的系統(tǒng)，其編碼波形的主頻率應(yīng)小于3.4kHz/31.2kHz。所以，采用曼徹斯特碼的音頻帶限系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)速率最高為1.2kbp

6、s,而采用密勒碼的系統(tǒng)則其數(shù)據(jù)速率可達(dá)2.4kbps，是曼徹斯特碼的兩倍。實(shí)際上，大多數(shù)采用曼徹斯特碼的窄帶調(diào)頻模擬系統(tǒng)，其信令的傳輸速率確實(shí)只有約1kHz，過低的速率嚴(yán)重影響了系統(tǒng)性能的發(fā)揮。因此，密勒碼優(yōu)于曼徹斯特碼。綜上所述，對于窄帶調(diào)頻模擬無線電系統(tǒng)來說，信令的編碼應(yīng)盡量采用密勒碼或其它更優(yōu)越的碼。在多頻道無繩電話系統(tǒng)中，由于掃描頻道的原因，信令編碼更應(yīng)采用密勒碼。四 密勒碼的編碼考慮到大多應(yīng)用于無線通信中，故信號是通過串行方式傳輸?shù)?。又低速系統(tǒng)中的控制器一般都是單片機(jī)，它除了完成控制功能外還負(fù)責(zé)信令的編解碼，因此編解碼都是逐比特進(jìn)行的。假設(shè)待編碼的數(shù)據(jù)字節(jié)存于寄存器D中，上一比特數(shù)據(jù)

7、的密勒碼存于寄存器TXLSTB中（高2位），編碼后的數(shù)據(jù)存于A中（高2位），將要編碼的比特從D中左移到標(biāo)志位C中，則用布爾代數(shù)推算可得A與C和B的關(guān)系如下：C=0時 A=( B 3 80H ) 4 ( B 3 80H )/2 (1)C=1時 A=( B 3 40H ) 4 ( B *2) (2)由式（1）和（2）可得密勒碼的編碼算法流程圖如下： 圖2 密勒碼的編碼算法流程圖五 密勒碼的解碼算法 密勒碼是延遲碼，其每一比特都與前一比特有聯(lián)系。設(shè)已收到的前一數(shù)據(jù)比特的密勒碼B，當(dāng)前要解碼的數(shù)據(jù)比特的密勒碼為C，將B與C合起來存入寄存器BC中，B處于BC的第3、2位，C處于BC的1、0位，則每一符合

8、密勒碼編碼規(guī)則的BC值對應(yīng)一位數(shù)據(jù)位（即一個碼元），即要解碼的數(shù)據(jù)，這些值列表如下： BCTAB 解出的碼元1000 01100 00011 00111 00001 11001 10110 11110 1 表1 密勒碼的解碼表 由于寄存器BC符合密勒碼編碼規(guī)則的值的個數(shù)是有限的（只有8個），故可用查表法實(shí)現(xiàn)解碼。查表法解密勒碼的信息流程圖如圖3。其中BCTAB 是解碼表的首地址。 圖3 密勒碼的解碼流程圖六 采用密勒碼時信令幀的前置碼 為了獲得準(zhǔn)確的位同步和位定時信息，采用密勒碼的系統(tǒng)其每幀信令的頭部應(yīng)至少有9個連0，而緊跟的1即為同步位。以下是無繩電話中一幀信令的格式： 前置碼 前置碼 系統(tǒng)密碼 命令1 命令0 校驗(yàn)字/停止字0000000000000001IDDCOM1COM0CHK/0000七 結(jié)束語筆者已將密勒碼成功應(yīng)用于多座機(jī)而又無中心控制的無繩電話系統(tǒng)上，使信令速率由采用曼徹斯特碼時的1k