密勒码在低速通信系统的应用

密勒码在低速无线通信系统中的应用 作者：开发中心,曾运华 1998年6月30日关键词： 密勒码、曼彻斯特码、无绳电话、码元速率、功率谱、无线通信摘要：本文对比了密勒码和曼彻斯特码的优缺点，提出在低速无线通信中用密勒码取代曼彻斯特码，并给出了密勒码的编解码方案和信息流程图。一 概述 低速无线通信系统如无绳电话、对讲系统、传呼系统等，其数据速率都在音频范围内，信息编码多采用简单的二进制码（单极性非归零码NRZ（L）、单极性归零码（RZ（L）、双极性非归零码、曼彻斯特码（数字双相码）等编解码规则简单的码。这些码功率谱中有丰富的低频乃至直流分量，这对于大多数采用交流耦合因此低端受限的无线信道来说，是十分不利的。但是有些场合环境噪声十分干净，信道稳定可靠或者对通信质量要求不高，因此，还在使用着这些码型，其中，曼彻斯特码即被广泛应用于功能简单的无绳电话系统中。随着低速无线系统的功能越来越强大，码型的质量和效率已经引起了人们的重视。下面着重对比曼彻斯特码和密勒码的优缺点，研究密勒码的编解码方法。二 曼彻斯特码及其优缺点曼彻斯特（Manchester)码也叫数字双相码，它用一个周期的方波表示1，而用它的反相波表示0。曼彻斯特码可以用单极性非归零码和定时信号的模二和（即异或）来产生，因此编解码简单。市场上甚至还有曼彻斯特码编解码器集成电路出售。由于曼彻斯特码在每个码元的中心部分都存在跳变，因此在频谱中存在很强的定时分量，它不受信源统计特性的影响，这对于接收端恢复原始信号是极为重要的，因为它就是位定时信息。此外，由于方波周期内正、负电平各占一半，因而不存在直流分量。但是这些优点是用频带加倍来换取的，也就是说，码元速率为4kHz的二进制信号变换成曼彻斯特码后其码元速率则为2kHz，而波形的主要频率却为4kHz，这对于要求有一定数据传输速率而高频端又受限的系统、尤其是采用低速处理器（单片机）软件编解码的系统来说是很要命的。因为要提高曼彻斯特码的码元速率必须提高波形频率，而在低速系统中信息的传输带宽往往在音频范围内，即低于3.4kHz。此外，单片机属于低速处理器，要对很高波形频率的码型正确编解码是不现实的。下图是曼彻斯特码的波形及产生过程。二进制码 1 1 1 0 1 0 0 1时 钟NRZ（L） 曼彻斯特码 密 勒 码 图1 曼彻斯特码的波形和产生过程 三 密勒码的波形和特性密勒码又称延迟调制，它是数字双相码的差分形式。在密勒码中，1用码元周期的中点处出现跳变来表示，而对于0则有两种情况：当出现单个0时，在码元周期内不出现跳变；但若遇到连0时，则在前一个0结束时出现电平跳变。由上述编码规则可知，当两个1之间有一个0时（101），则在第一个1的码元周期中点与第二个1的码元周期中点之间无电平跳变，此时密勒码中出现最大的码元宽度，即两个码元周期。密勒码的波形如图1所示。功率谱分析表明，密勒码的信号能量主要集中在二分之一码速以下的频率范围内，直流分量很小，频带宽度约为曼彻斯特码的一半。密勒码的功率谱如图3所示。 0 1/2T 1/T 2/T 频率 图2 密勒码的功率谱归一化功率谱 设若码元速率为2kHz的二进制码，要保证码速率不变，变换成曼彻斯特码时波形的主要频率为2kHz且频率分布很广,而变换成密勒码时，波形的主要频率则为1kHz且频谱很集中。为了保证码的波形在信道中变化不大，应使主要频率的三次谐波附近低于信道的上限频率。因此，对于传输带宽为音频范围的系统，其编码波形的主频率应小于3.4kHz/31.2kHz。所以，采用曼彻斯特码的音频带限系统，其数据速率最高为1.2kbps,而采用密勒码的系统则其数据速率可达2.4kbps，是曼彻斯特码的两倍。实际上，大多数采用曼彻斯特码的窄带调频模拟系统，其信令的传输速率确实只有约1kHz，过低的速率严重影响了系统性能的发挥。因此，密勒码优于曼彻斯特码。综上所述，对于窄带调频模拟无线电系统来说，信令的编码应尽量采用密勒码或其它更优越的码。在多频道无绳电话系统中，由于扫描频道的原因，信令编码更应采用密勒码。四 密勒码的编码考虑到大多应用于无线通信中，故信号是通过串行方式传输的。又低速系统中的控制器一般都是单片机，它除了完成控制功能外还负责信令的编解码，因此编解码都是逐比特进行的。假设待编码的数据字节存于寄存器D中，上一比特数据的密勒码存于寄存器TXLSTB中（高2位），编码后的数据存于A中（高2位），将要编码的比特从D中左移到标志位C中，则用布尔代数推算可得A与C和B的关系如下：C=0时 A=( B 3 80H ) 4 ( B 3 80H )/2 (1)C=1时 A=( B 3 40H ) 4 ( B *2) (2)由式（1）和（2）可得密勒码的编码算法流程图如下： 图2 密勒码的编码算法流程图五 密勒码的解码算法 密勒码是延迟码，其每一比特都与前一比特有联系。设已收到的前一数据比特的密勒码B，当前要解码的数据比特的密勒码为C，将B与C合起来存入寄存器BC中，B处于BC的第3、2位，C处于BC的1、0位，则每一符合密勒码编码规则的BC值对应一位数据位（即一个码元），即要解码的数据，这些值列表如下： BCTAB 解出的码元1000 01100 00011 00111 00001 11001 10110 11110 1 表1 密勒码的解码表 由于寄存器BC符合密勒码编码规则的值的个数是有限的（只有8个），故可用查表法实现解码。查表法解密勒码的信息流程图如图3。其中BCTAB 是解码表的首地址。 图3 密勒码的解码流程图六 采用密勒码时信令帧的前置码 为了获得准确的位同步和位定时信息，采用密勒码的系统其每帧信令的头部应至少有9个连0，而紧跟的1即为同步位。以下是无绳电话中一帧信令的格式： 前置码 前置码 系统密码 命令1 命令0 校验字/停止字0000000000000001IDDCOM1COM0CHK/0000七 结束语笔者已将密勒码成功应用于多座机而又无中心控制的无绳电