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0. 數字基帶信號的碼型設計原則
所謂數字基帶信號，就是消息代碼的電脈沖表示――電波形。在實際基帶傳輸系統中，并非所有的原始數字基帶信號都能在信道中傳輸，例如，含有豐富直流和低頻成分的基帶信號就不適宜在信道中傳輸，因為它有可能造成信號嚴重畸變；再例如，一般基帶傳輸系統都是從接收到的基帶信號中提取位同步信號，而位同步信號卻又依賴于代碼的碼型，如果代碼出現長時間的連 “0” 符號，則基帶信號可能會長時間出現 0 電位，從而使位同步恢復系統難以保證位同步信號的準確性。實際的基帶傳輸系統還可能提出其它要求，從而導致對基帶信號也存在各種可能的要求。歸納起來，對傳輸用的基帶信號的要求主要有兩點：
對各種代碼的要求，期望將原始信息符號編制成適合于傳輸用的碼型；對所選的碼型的電波形的要求，期望電波形適宜于在信道中傳輸。前一問題稱為傳輸碼型的選擇，后一問題稱為基帶脈沖的選擇。這是兩個既彼此獨立又相互聯系的問題，也是基帶傳輸原理中十分重要的兩個問題。
本節討論前一問題，后一問題將在下面幾節中討論。
傳輸碼（常稱為線路碼）的結構將取決于實際信道的特性和系統工作的條件。概括起來，在設計數字基帶信號碼型時應考慮以下原則：
碼型中應不含直流分量，低頻分量盡量少。碼型中高頻分量盡量少。這樣既可以節省傳輸頻帶，提高信道的頻帶利用率，還可以減少串擾。串擾是指同一電纜內不同線對之間的相互干擾，基帶信號的高頻分量越大，則對鄰近線對產生的干擾就越嚴重。碼型中應包含定時信息。碼型具有一定檢錯能力。若傳輸碼型有一定的規律性，則就可根據這一規律性來檢測傳輸質量，以便做到自動監測。編碼方案對發送消息類型不應有任何限制，即能適用于信源變化。這種與信源的統計特性無關的性質稱為對信源具有透明性。低誤碼增殖。對于某些基帶傳輸碼型，信道中產生的單個誤碼會擾亂一段譯碼過程，從而導致譯碼輸出信息中出現多個錯誤，這種現象稱為誤碼增殖。高的編碼效率。編譯碼設備應盡量簡單。
上述各項原則并不是任何基帶傳輸碼型均能完全滿足，往往是依照實際要求滿足其中若干項。
數字基帶信號的碼型種類繁多，下面僅以矩形脈沖組成的基帶信號為例， 介紹一些目前常用的基本碼型。
1. 數字基帶信號的常用碼型
常用的數字基帶傳輸碼型有以下幾種，它們的波形示于下圖。
1.1 單極性非歸零 (NRZ) 碼
單極性 NRZ 碼如上圖（ a ）所示。在表示一個碼元時，二進制符號 “1”和“0” 分別對應基帶信號的正電平和零電平，在整個碼元持續時間，電平保持不變。單極性 NRZ 碼具有如下特點：
發送能量大，有利于提高接收端信噪比；在信道上占用頻帶較窄；有直流分量，將導致信號的失真與畸變；且由于直流分量的存在，無法使用一些交流耦合的線路和設備；不能直接提取位同步信息（稍后將通過例題予以說明）；抗噪性能差。接收單極性 NRZ 碼的判決電平應 取 “1”碼 電平的一半。由于信道衰減或特性隨各種因素變化時，接收波形的振幅和寬度容易變化，因而判決門限不能穩定在最佳電平，使抗噪性能變壞；傳輸時需一端接地。
由于單極性 NRZ 碼的諸多缺點，基帶數字信號傳輸中很少采用這種碼型，它只適合極短距離傳輸。1.2 雙極性非歸零 (NRZ) 碼
在此編碼中，“1”和“0”分 別對應正、負電平，如上圖（ b ）所示。其特點除與單極性 NRZ 碼特點 1、2、4 相同外，還有以下特點：
直流分量小。當二進制符 號 “1”、“0” 等可能出現時，無直流成分；接收端判決門限為 0 ，容易設置并且穩定，因此抗干擾能力強；可以在電纜等無接地線上傳輸。
雙極性 NRZ 碼常在 CCITT的V系列接口標準或 RS-232接口標準中使用。1.3 單極性歸零 (RZ) 碼
歸零碼是指它的有電脈沖寬度比碼元寬度窄，每個脈沖都回到零電平，即還沒有到一個碼元終止時刻就回到零值的碼型。
單極性歸零碼如上圖（ c ）所示，在傳 送 “l” 碼時發送1個寬度小于碼元持續時間的歸零脈沖；在傳送“0”碼時不發送脈沖。
脈沖寬度 與 碼元寬度 之比 叫占空比。
單極性RZ碼與單極性NRZ碼比較，缺點是發送能量小、占用頻帶寬，主要優點是可以直接提取同步信號。
此優點雖不意味著單極性歸零碼能廣泛應用到信道上傳輸，但它卻是其它碼型提取同步信號需采用的一個過渡碼型。
即對于適合信道傳輸的，但不能直接提取同步信號的碼型，可先變為單極性歸零碼，再提取同步信號。
1.4 雙極性歸零 (RZ) 碼
雙極性歸零碼構成原理與單極性歸零碼相同，如上圖（ d ）所示。 “ 1”和“0” 在傳輸線路上分別用正和負脈沖表示，且相鄰脈沖間必有零電平區域存在。
對于雙極性歸零碼，在接收端根據接收波形歸于零電平便可知道 1 比特信息已接收完畢，以便準備下一比特信息的接收。所以，在發送端不必按一定的周期發送信息。可以認為正負脈沖前沿起了啟動信號的作用，后沿起了終止信號的作用。因此，可以經常保持正確的比特同步。即收發之間無需特別定時，且各符號獨立地構成起止方式，此方式也叫自同步方式。
雙極性歸零碼具有雙極性非歸零碼的抗干擾能力強及碼中不含直流成分的優點，應用比較廣泛。
1.5 差分碼
在差分碼中， “1”、“0”分別用電平跳變或不變來表示。若用電平跳變來表示“1”，稱為傳號差分碼（在電報通信中，常把“1”稱為傳號，把“0”稱為空號），如上圖（ e ）所示。
若用電平跳變來表示 “0”，稱為空號差分碼。由圖可見，這種碼型在形式上與單極性或雙極性碼型相同，但它代表的信息符號與碼元本身電位或極性無關，而僅與相鄰碼元的電位變化有關。差分碼也稱相對碼，而相應地稱前面的單極性或雙極性碼為絕對碼。
差分碼的特點是，即使接收端收到的碼元極性與發送端完全相反，也能正確地進行判決。
1.6 AMI 碼
AMI碼的全稱是傳號交替反轉碼。此方式是單極性方式的變形，即把單極性方式中的 “0”碼仍與零電平對應，而“1”碼 對應發送極性交替的正、負電平，如上圖（ f ）所示。這種碼型實際上把二進制脈沖序列變為三電平的符號序列（故叫偽三元序列），其優點如下：
在 “1”、“0”碼 不等概率情況下，也無直流成分，且零頻附近低頻分量小。因此，對具有變壓器或其它交流隅合的傳輸信道來說，不易受隔直特性的影響。若接收端收到的碼元極性與發送端的完全相反，也能正確判決。便于觀察誤碼情況。
此外， AMI 碼還有編譯碼電路簡單等優點，是一種基本的線路碼，得到廣泛使用。
不過， AMI 碼有一個重要缺點，即當它用來獲取定時信息時，由于它可能出現長的連0串，因而會造成提取定時信號的困難。1.7 HDB 3 碼
為了保持 AMI 碼的優點而克服其缺點，人們提出了許多種類的改進 AMI 碼，其中廣泛為人們接受的解決辦法是采用高密度雙極性碼 HDB n 。三階高密度雙極性碼 HDB 3 碼就是高密度雙極性碼中最重要的一種。
HDB 3 碼的編碼規則為：
先把消息代碼變成 AMI 碼，然后檢查AMI碼的連“0”串情況，當無3個以上連“0”碼時，則這時的 AMI 碼就是 HDB 3 碼。當出現 4 個或 4 個以上連 0 碼時，則將每 4 個 連 “0”小段的第4個“0”變換成“非0”碼 。這個由 “0”碼改變來的“非0”碼稱為破壞符號，用符號 V 表示，而原來的二進制碼元序列中所有 的 “l”碼 稱為信碼，用符號 B 表示。當信碼序列中加入破壞符號以后，信碼 B 與破壞符號 V 的正負必須滿足如下兩個條件：
① B 碼和 V 碼各自都應始終保持極性交替變化的規律，以便確保編好的碼中沒有直流成分；
② V 碼必須與前一個碼（信碼 B ）同極性，以便和正常的 AMI 碼區分開來。如果這個條件得不到滿足，那么應該在四個連 “0”碼的第一個“0”碼位置上加一個與 V 碼同極性的補信碼，用符號 B' 表示，并做調整，使 B 碼和 B' 碼合起來保持條件 ① 中信碼（含 B 及 B'）極性交替變換的規律。
例如：
（ a ）代碼： 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1
（ b ）AMI 碼： 0 +1 0 0 0 0 -1 +1 0 0 0 0 0 -1 0 +1
（ c ）加 V： 0 +1 0 0 0 V + -1 +1 0 0 0 V- 0 -1 0 +1
（ d ）加 B' 并調整 B 及 B' 極性： 0 +1 0 0 0 V + -1 +1 0 0 V- 0 +1 0 -1
（ e ）HDB 3： 0 +1 0 0 0 +1 –1 +1 -1 0 0 -1 0 +1 0 -1
雖然HDB3碼的編碼規則比較復雜，但譯碼卻比較簡單。從上述原理可以看出，每一破壞符號總是與前一非0符號同極性。據此，從收到的符號序列中很容易找到破壞點V，于是斷定V符號及其前面的3個符號必定 是連“0”符號，從而恢復4個連“0” 碼，再將所有的＋ 1 、－ 1 變 成 “1”后 便得到原信息代碼。
HDB 3 的特點是明顯的，它除了保持 AMI 碼的優點外，還增加了使 連 “0” 串減少至不多于 3 個的優點，而不管信息源的統計特性如何。這對于定時信號的恢復是極為有利的。 HDB 3 是 CCITT 推薦使用的碼型之一。
1.8 碼
（曼徹斯特）碼又稱為數字雙相碼或分相碼。它的特點是每個碼元用兩個連續極性相反的脈沖來表示。 如 “l”碼用正、負脈沖表示，“0”碼用負 、正脈沖表示，如圖中（ g ）所示。
該碼的優點是無直流分量， 最長連 “0”、連“l”數為2， 定時信息豐富，編譯碼電路簡單。但其碼元速率比輸入的信碼速率提高了一倍。
分相碼適用于數據終端設備在中速短距離上傳輸。如以太網采用分相碼作為線路傳輸碼。
分相碼當極性反轉時會引起譯碼錯誤，為解決此問題，可以采用差分碼的概念，將數字分相碼中用絕對電平表示的波形改為用電平相對變化來表示。這種碼型稱為條件分相碼或差分曼徹斯特碼。數據通信的令牌網即采用這種碼型。
1.9 CMI 碼
CMI碼是傳號反轉碼的簡稱，其編碼規則為： “1”碼交替用“00”和“11”表示；“0”碼用“01” 表示，圖（ h ）給出其編碼的例子。 CMI 碼的優點是沒有直流分量，且有頻繁出現波形跳變，便于定時信息提取，具有誤碼監測能力。
由于 CMI 碼具有上述優點，再加上編、譯碼電路簡單，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 8448kb/s 的光纖數字傳輸系統中也被建議作為線路傳輸碼型。
除了上圖給出的線路碼外，近年來，高速光纖數字傳輸系統中還應用到 5B6B 碼，其是將每 5位二元碼輸入信息編成 6位二元碼碼組輸出（分相碼 和CMI碼屬于 lB2B 類）。這種碼型輸出雖比輸入增加 20 ％的碼速，但卻換來了便于提取定時、低頻分量小、同步迅速等優點。
1.10 多進制碼
上面介紹的是用得較多的二進制代碼，實際上還常用到多進制代碼，其波形特點是多個二進制符號對應一個脈沖碼元。
下圖（ a ）、（ b ）分別畫出了兩種四進制代碼波形。
其中圖（ a ）為單極性信號，只有正電平，分別用＋ 3E 、＋ 2E 、＋ E 、 0 對應兩個二進制符號（一位四進制） 00 、 01 、 10 、 11 ；
而圖（ b ）為雙極性信號，具有正負電平，分別用 +3E 、 +E 、 - E 、 - 3E 對應兩個二進制符號（一位四進制） 00 、 01 、 10 、 11 。
由于這種碼型的一個脈沖可以代表多個二進制符號，故在高數據速率傳輸系統中，采用這種信號形式是適宜的。多進制碼的目的是在碼元速率一定時可提高信息速率。
實際上，組成基帶信號的單個碼元波形并非一定是矩形的。根據實際的需要，還可有多種多樣的波形形式，比如升余弦脈沖、高斯形脈沖等。
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