下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
数字地震仪测线方向上的数字传输采用的是串行同步传输技术，也就是发送方在发送串行数据流的同时也发送与每个数据比特完全同步的时钟，但该时钟不是用单独的通信线传送而是包含在发送的数据之中的。另外为了利用信号线给采集站供电，发送端和接收端之间都用变压器耦合，所以要求发送的数据流中不能含直流分量，以避免造成通信变压器的磁芯被磁化。变压器的单方向直流磁化会造成磁芯的磁饱和，使数字脉冲发生畸变失真导致误码，甚至使通信完全失败。
计算机内部采用的是单极性NRZ码（不归零码）。NRZ码是二元码，数据中的位单元等于1时为高电平，等于0时为低电平。由于数据流中的1和0的出现的次数是不相等的，NRZ码的串行信号中含有直流分量，所以不能用它直接去驱动变压器。另外NRZ码中也不含有时钟信息，所以NRZ码不适用同步数据传输，必须将其进行适当的码型变换，即所谓的编码。将NRZ码经过码型变换后直接送到信道去传输，称为基带传输。基带传输按时间顺序一个码元接着一个码元地在信道上传输，每秒钟发送的二进制码元数量称为码元速率（注意码元速率并不直接等于数据传输速率）。串行传输方式只需要一条通道，所以设备简单，投资小，特别适合低成本短距离的数据传输。总结起来地震仪基带传输的编码方式要求具有以下特点：
（1）编码信号中不含直流分量，数字信号带宽尽量窄，信号频谱的最高点最好在带宽的中央；
（2）编码数据中含有时钟信息，接收端可从数据流中提取同步时钟；
（3）编码数据具有内在检错能力；
（4）传输线无须辨别极性，站点之间可随意对接，便于野外施工。
如前所述，信号中不含直流分量就可以用变压器发送和接收数字信号。在数字地震仪中通信线接口使用变压器耦合的好处是可以利用传输线传送数字信号的同时给采集站供电，这样就省掉了2根专用的供电电缆。有关远程供电的原理我们将在后面章节详细介绍。
编码后的数据流中含有时钟信息，接收端就可以从数据流中提取同步时钟用来恢复数据。不必另用线缆来传递时钟，这就又减轻了传输线重量。
内在检错功能是指相邻码元之间存在一定的制约关系，如果接收到的数据流违反这种制约关系就可以检测出数据传输过程中的错误。该特点也可以用来生成具有特殊功能的码序，如数据帧的帧头。
基带传输一般采用2根差分线（双纽线）传输信号，地震仪要求编码方式应该无须辨别2根传输线的正负极性。这样野外施工连接测线时可以任意对接。
下面是几种常用的编码方法。中等速率数据传输常用的编码方法有交替双极性归零码（AMI）、三阶高密度双极性归零码（HDB3）、曼彻斯特码（Manchester）、差分曼彻斯特码（Differential Manchester）等等。它们的波形图见图2.1，我们下面分别分析它们的优缺点。
图2.1 几种编码的例子
最简单编码方法是AMI码（交替双极性归零码）。这是一种含有3个电平输出的编码方法（三元码）。其编码方法是数据流中凡是出现1的位单元都变换成交替的+v和-v（+v是正脉冲，-v是负脉冲，见图2.1），是0的位单元则恢复至零电平。由于+v和-v是交替出现，所以输出信号中的直流平均值等于0。AMI编码含时钟信息和内在检错功能。缺点是如果数据中含有太长的连续0，提取同步时钟的锁相环电路就会失控，使锁相环输出的恢复时钟和输入的数据不再维持正确的同步关系，导致对跟随在连续0后面的数据判决出错。所以一般很少直接将AMI码用在基带传输上。
HDB3码是在AMI码基础上改进后的编码方法，其特点是其编码输出不允许超过连续3个0。当输入数据流中出现4个连续0时，就用一个特定的编码序列B00V来代替这4个0。其中的B可以是0、+v或-v（3种可能），V可以是+v和-v（2种可能）。具体编码步骤如下：
①第一步，将NRZ码变换成AMI码，当连续0不多于3个时，则保持AMI的形式不变。
②第二步，如果AMI码中出现4个连续0时，就要用码序B00V来替代。方法是先将第4个0变成替代码V，V的取值与4连0之前的最后一个非0码（+v或-v）相同，而第1个0的替代码B，暂时仍保留0。所以+v0000变成+v000+v，而-v0000变成-v000-v。
③第三步，回过来再决定B的取值。首先看前面是否已经出现过取代码V，如果还没有（也就是本次取代码是数据流中的第1次），B就保持0不变。如果前面已经出现过取代码V，那么就要统计本次取代码V和上次取代码V之间的+v和-v总数是偶数还是奇数。如果是奇数，B取0，所以转换码仍然是000V。如果是偶数，B就取与4连0之前非0码的相反极性。所以+v000+v就变成了+v-v00+v，-v000-v就变成了-v+v00-v。
④第四步，在非第1次的4连0的B取值确定后，还要将替代码中的V要转换成与B相同的极性。所以+v-v00+v最终就变成+v-v00-v，-v+v00-v变成-v+v00+v。
我们可以从图2.1来理解HDB3的编码规则。观察图2.1顶部的NRZ码中第一次出现4连0时，因为此前没有发生过取代码V，执行第2步将0000转换成000+v，B等于0无须变换。接着NRZ码中又出现了第二次4连0，执行第2步时还是转换成000+v（请注意，这时码流中的+v和-v的个数已经不平衡，数据流中出现了正的直流分量）。再执行第三步，因为本次V和上次V之间的非0个数是偶数（2个），所以B不能取0值。因为B之前的非零码是+v，所以B必须取值-v，替代码就成了-v00+v。然后执行第4步，在第二步中替换的V应要与B一致，所以4连0的替代码就变成-v00-v。从图2.1中展示的HDB3最终结果可以看出码流中的+v和-v数量重新达到平衡。此后的码流仍然按正常规律转换极性。从上介绍可以看出V码插入破坏了正常的编码规律，导致码序出现了直流分量。插入B是为了恢复直流分量的再平衡，使输出信号中的直流分量平均值重新回到0。
从前面描述的HDB3编码读者可能有点晕，似乎很烦乱，但实现的HDL设计并不复杂。我们在后面将提供FPGA编程的例子。
HDB3的解码很简单，只要发现出现破坏极性交替规律的码序如+v000+v、-v000-v就将它们替换成10000。如发现码序+v00+v和-v00-v就直接将它们替换成0000。由于HDB3的数据码流中连续0不超过3个，就保证了锁相电路的稳定工作。
HDB3码是一种比较理想的基带传输编码方法，Sercel公司的SN408和SN428都是采用的HDB3编码方法。其码流中含时钟信息，含内在的检错功能。不含直流分量，对传输的双扭线无须区分极性。更主要的是其信号频谱峰值只到数据传输率的50%，16Mbps数据传输率时，传输信号频率的峰值点是8MHz，也就是其码元速率只等于数据传输速率的一半，所以对传输电缆的带宽要求降低。此外16Mbps数据率的HDB3编码数据后端数字处理电路的工作时钟只需用16MHz就够了，从而降低了采集站的功耗。
曼彻斯特码用在以太网中，其编码规则是在每个码元的中央必有一个跳变（见图2.1中展示的波形），所以码流中自然就包含了时钟信息，而码元中央的跳变的方向则隐含了数据信息。IEEE 802.3中规定，如果是低电平→高电平跳变表示1，高电平→低电平的跳变表示0。也有另一种规定刚好相反，码元中央位置高电平→低电平的跳变表示1，低电平→高电平跳变表示0。不管怎样规定，说明曼彻斯特码的解码是与极性有关的。也就是如果将传输信号线接反，得到的结果刚好是反码。曼彻斯特编码数据流中含有时钟信息，具有内在检错功能，不含直流分量。但曼彻斯特码的码元传输率的峰值在数据传输率的80%左右。16Mbps数据传输率时，信号频率的峰值在数据率的0.8左右，即13MHz左右，所以对传输线缆的带宽要求高了。另外16M数据率时，曼彻斯特码的编码和解码的工作时钟必须提高到32MHz，所以采集站的功耗也增加了。
差分曼彻斯特码是对曼彻斯特码的改进，编码规则也是在每个码元的中央处一定有跳变（见图2.1中展示的波形），所以信号中也包含了时钟信息。其编码规则是如果码元是1，在码元的起始处无跳变。如果码是0，在码元的起始处有跳变。所以解码时判断数据是1还是0，只需检查码位的起始沿有无跳变就可以了。差分曼彻斯特码与传输线极性无关，只要将传输线连通就可以正确解码。差分曼彻斯特码应用在IEEE 802.5令牌网中。16M数据率时差分曼码的编码和解码的时钟频率也是32MHz。
图2.2是上述几种编码信号的谱分析。从图中可以看到NRZ码含有直流分量，其他几种编码都无直流分量。AMI和HDB3码的峰值点在归一化频率的0.5左右。曼彻斯特码和差分曼彻斯特码占的频带最宽，其峰值在归一化频率的0.8左右。在相同的数据速率时，曼切斯特码和差分曼切斯特码的码元速率接近AMI和HDB3的2倍。码元速率高就相应提高了电路的工作时钟频率，继而必然增大电路的功耗，这是曼切斯特编码和差分曼切斯特编码不利的地方。
图2.2 各种编码的谱分析