一串二进制数据离开计算机以后，并不会以纸面上的 `0` 和 `1` 在导线上奔跑。网卡、串行接口或通信芯片必须把这些抽象比特转换成可以测量的电压、电流、光强或者电磁波状态。接收端再根据检测到的物理状态，恢复出原来的比特序列。

把二进制数据变成物理信号的规则，通常称为线路编码，也就是 `line coding`。这道题考查的正是不归零码，也就是 `NRZ` 编码最基本的识别方法。

题目的正确答案是 **A**。

A 选项所说的用低电平表示二进制 `0`，用高电平表示二进制 `1`，准确描述了常见教材语境下的电平型不归零码。发送一个比特期间，信号保持在代表该比特的电平上，不要求在比特中间或者比特结束时返回零电平。

B 描述的是依靠跳变方向表达比特的编码思想，更接近曼彻斯特编码的描述。

C 描述的是根据比特开始处是否发生跳变来识别数据，属于差分编码思想。在特定定义下，它可以对应 `NRZ-I`，但不是本题所问的普通不归零电平码。

D 明确涉及每个比特期间是否回到零电平，与不归零码的核心特征相冲突。

## 从线路编码说起

计算机内部保存的 `0` 和 `1` 是逻辑概念。真正进入传输介质时，发送器必须为逻辑值指定物理状态。

可以约定低电压代表 `0`，高电压代表 `1`。也可以约定相反的对应关系。还可以不直接观察电平，而是观察电平有没有变化，或者观察变化的方向。不同约定形成了不同的线路编码方法。

这里有两个层次很容易混淆。

一个层次是数据本身，也就是准备发送的比特序列。假定待发送数据为

```text
0 1 1 0 0 1
```

另一个层次是线路上真正出现的波形。发送器不会把字符 `0` 和字符 `1` 原样送进电缆，而是按照某种编码规则产生连续的物理信号。

采用 A 选项的规则时，可以规定低电平为 `0`，高电平为 `1`。对应波形状态便是

```text
低 高 高 低 低 高
```

每个状态持续一个完整的比特周期。连续两个 `1` 之间不必发生跳变，连续两个 `0` 之间同样不必发生跳变。信号只在数据由 `0` 变成 `1` 或者由 `1` 变成 `0` 时才需要改变电平。

这正是不归零电平码最直观的特征。

## 不归零中的零指什么

不归零这个名称经常造成误解。有些人会把它理解成信号永远不能出现零伏，或者数据中不能出现二进制 `0`。两种理解都不正确。

名称中的归零，描述的是一个码元周期内部的波形行为，不是描述二进制数据的取值。

归零码通常会在一个比特周期尚未结束时，把信号拉回到作为基准的零电平。即便当前比特所代表的数据没有变化，波形也要在周期内部完成一次回归。这样的编码被称为 `RZ`，也就是 `Return to Zero`。

不归零码对应 `NRZ`，也就是 `Non-Return-to-Zero`。发送某个比特时，信号可以在整个比特周期内保持某个有效电平，不必在周期中途回到零电平。

假定一个比特周期为 `T`，高电平为 `+V`，低电平为 `−V`。极性不归零电平码可以写成

$$
s(t)=
\begin{cases}
+V, & \text{发送比特 }1\\
-V, & \text{发送比特 }0
\end{cases}
$$

在当前比特周期内，`s(t)` 保持不变。只有进入下一个比特周期并且数据值发生改变时，信号才可能跳到另一个电平。

因此，判断某种编码是不是不归零码，关键不在于线路上有没有零电平，而在于每个比特周期内是否强制返回基准电平。

A 选项给出的低电平和高电平都可以在完整比特周期内保持，没有要求中途回零，所以符合不归零码的定义。

## 为什么 A 是标准答案

A 选项采用的是电平直接映射方式。

逻辑 `0` 对应低电平，逻辑 `1` 对应高电平。接收端在约定的采样时刻测量线路电平，只要电平高于判决门限，就恢复为 `1`。低于判决门限，则恢复为 `0`。

假定发送数据为

```text
1 1 0 0 1 0 1
```

按照 A 选项编码后，线路状态为

```text
高 高 低 低 高 低 高
```

第一个 `1` 和第二个 `1` 之间不需要变化。第一个 `0` 和第二个 `0` 之间也不需要变化。只有相邻比特取值不同时，电平才发生变化。

这种编码通常称为 `NRZ-L`。其中的字母 `L` 来自 `Level`，强调数据由电平本身决定。

教材和基础考试题单独写不归零码时，多数情况下指的就是这种电平型不归零码。题目若希望考查差分形式，一般会明确写成反向不归零码、倒相不归零码、差分不归零码或者 `NRZ-I`。

A 选项把数据值直接绑定到高低电平上，符合普通 `NRZ-L` 的典型定义。至于高电平究竟代表 `1` 还是代表 `0`，在不同系统中可以采用不同约定。不过本题只要求从四种描述中选出符合不归零电平码特征的一项，因此 A 是唯一合理答案。

## A 与 C 为什么容易混淆

这道题最有迷惑性的并不是 B 或 D，而是 C。

C 选项写的是每比特的开始无跳变表示二进制 `0`，有跳变表示二进制 `1`。这确实可以描述一种不归零编码，名称是 `NRZ-I`，也常被理解为反向不归零码。

`NRZ-L` 判断的是当前电平。

`NRZ-I` 判断的是比特边界处有没有发生电平反转。

假定线路初始处于低电平，待发送数据为

```text
1 0 1 1 0
```

若采用一种常见的 `NRZ-I` 约定，逻辑 `1` 引起电平反转，逻辑 `0` 保持原电平，那么线路会经历这样的状态变化。

发送第一个 `1` 时，低电平翻转为高电平。发送 `0` 时，继续保持高电平。发送下一个 `1` 时，高电平翻转为低电平。再发送一个 `1` 时，低电平翻转为高电平。发送末尾的 `0` 时，继续保持高电平。

接收端并不关心当前究竟是高电平还是低电平，而是关心比特边界处有没有出现反转。即使传输线路把整个信号的极性颠倒，跳变与不跳变的相对关系仍然可以保持，所以差分编码对某些极性接反问题具有更好的容忍能力。

[IETF 的 RFC 1662](https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc1662.html)把 `NRZ` 与 `NRZI` 分开讨论，并指出 `NRZI` 可作为另一种编码选择，其优势之一是对信号极性反转配置错误具有较强的适应能力。这也从标准应用角度说明，普通 `NRZ` 与 `NRZI` 不能在选择题中直接视为同一个具体编码规则。

因此，C 并不是一句完全错误的技术描述。它描述的是不归零编码家族中的一个特殊成员。问题在于题目只问不归零码，没有写反向不归零码。按照基础教材和单项选择题的命题习惯，应该选择直接使用高低电平表示数据的 A。

考试中可以采用一个简洁判断方法。题干写普通不归零码时，优先寻找高低电平直接表示 `0` 和 `1` 的选项。题干明确出现倒相、反向、差分或者 `NRZ-I` 时，再寻找有跳变和无跳变的描述。

## B 为什么不是不归零码

B 选项把低到高的跳变和高到低的跳变分别赋予二进制 `0` 与二进制 `1`。

这里的判定依据不是一个比特周期内保持的电平，而是电平变化的方向。低到高与高到低是两种不同的边沿，接收端通过识别边沿方向恢复数据。

这种说法更接近曼彻斯特编码。曼彻斯特编码要求每个比特周期的中间都发生一次跳变，跳变方向承载数据。不同标准可能采用相反的对应关系，一个系统可以规定低到高表示 `1`，另一个系统也可以规定低到高表示 `0`。无论采用哪种极性约定，码元中间的跳变都承担了两个任务，一方面表示数据，另一方面提供时钟同步信息。

B 选项没有完整写出每比特中间发生跳变，表述不算严密，但它明显强调跳变方向，而不是高低电平的持续状态，所以不符合普通不归零电平码的描述。

假定连续发送多个 `1`。在 A 所代表的 `NRZ-L` 中，线路可能长时间保持高电平，没有任何跳变。在曼彻斯特编码中，每一个比特的中间都必须产生跳变，因此不会出现整个比特周期都保持不变的情况。

这一区别直接影响带宽和时钟恢复。

曼彻斯特编码跳变频繁，接收端容易从波形中提取时钟，但它需要更宽的频带。`NRZ-L` 的跳变次数较少，频带利用率相对较高，却可能因为长时间没有跳变而给同步带来困难。

经典的 `10BASE-T` 以太网采用曼彻斯特编码。其接收器可以利用每个比特中间稳定存在的跳变保持节拍同步。代价是发送 `10 Mb/s` 数据时，线路信号变化频率可能明显高于使用简单 `NRZ` 时的变化频率。

B 所体现的正是这种以跳变方向承载信息的思路，所以不能选 B。

## D 为什么与不归零相反

D 选项直接出现了每比特中间回到 `0` 电平的描述。仅凭这一点，就已经可以把它从不归零码中排除。

归零码的重要特征是信号在一个比特周期内回到零电平。以单极性归零码为例，发送逻辑 `1` 时，前半个比特周期输出正电平，后半个比特周期回到零电平。发送逻辑 `0` 时，整个周期可以保持零电平。

D 对 `0` 和 `1` 的具体安排未必符合所有教材中最典型的 `RZ` 规则，但它把回到零电平作为区别数据的条件，已经属于归零编码思路，而不是普通不归零编码。

可以把 A 和 D 放在一起观察。

A 关心的是整个码元期间处于高电平还是低电平。D 关心的是码元期间是否回到零电平。

A 的信号无需在每个比特内部完成固定动作。D 的信号需要在比特内部考虑回零过程。

A 符合不归零。D 明显具有归零特征。

## 不归零码的优势来自较少的强制跳变

线路编码不仅要让接收端识别数据，也会影响传输带宽、时钟同步、直流分量、抗干扰能力和硬件复杂度。

`NRZ-L` 的突出优点是规则简单。编码器只要根据数据值选择输出电平，译码器只要在适当时刻判断电平高低。与每个比特都必须产生中间跳变的曼彻斯特编码相比，它通常不需要如此频繁地改变线路状态。

较少的跳变有助于减少高频成分。导线、连接器和模拟前端都会限制高频信号，频率越高，衰减、串扰和电磁辐射问题往往越明显。从频谱利用角度看，简单 `NRZ` 比强制每比特跳变的编码更节省带宽。

这一特点在数字电路内部也很常见。处理器、内存控制器、串行器和接口芯片传送逻辑状态时，经常让电压在一个时钟周期内保持稳定。寄存器在采样边沿读取电平，采样完成后再进入下一个状态。虽然现代高速接口还会使用差分信号、预加重、均衡、扰码和更复杂的调制技术，但保持电平并在采样点判决的思想仍然是数字通信的基础。

能量消耗也与跳变相关。`CMOS` 电路在信号翻转时，需要给寄生电容充电或放电。翻转次数越多，动态功耗通常越大，其近似关系可以写成

$$
P_{\mathrm{dynamic}} \approx \alpha C V^2 f
$$

其中，`\alpha` 表示开关活动因子，`C` 表示等效电容，`V` 表示电压，`f` 表示工作频率。线路编码不能仅靠减少跳变解决所有功耗问题，但 `NRZ` 没有为每个比特强制安排一次回零或中间翻转，因此在相同条件下具有较低的开关活动潜力。

## 不归零码的同步缺陷

简单也会带来代价。`NRZ-L` 最典型的问题是连续相同比特可能让线路长时间不发生变化。

假定发送数据为

```text
1111111111111111
```

若高电平代表 `1`，整段波形就是一条持续的高电平线。接收端只能看到电平一直为高，却无法单凭波形判断这里包含 `8` 个、`16` 个还是更多个 `1`。接收端必须依赖足够准确的本地时钟，在预定时间间隔内完成采样。

发送端与接收端的时钟不可能绝对一致。即使两块晶振的误差很小，经过足够多的比特以后，采样位置也会逐渐偏移。若数据流中经常出现跳变，接收端可以利用跳变重新校准采样时刻。若长时间没有跳变，同步误差便可能持续积累。

这正是许多真实通信系统不会裸用简单 `NRZ-L` 的原因。工程上常把不归零编码与扰码、块编码或者插入额外比特结合起来，限制连续无跳变区间。

`USB 2.0` 是很有代表性的案例。其规范由 [USB-IF 官方规范页面](https://www.usb.org/document-library/usb-20-specification)发布。低速和全速 `USB` 传输采用 `NRZI` 思想，并配合位填充机制。连续出现一定数量的同值比特后，发送器插入一个能够产生跳变的比特，接收器再把填充位删除。这样既保留了差分不归零编码的特点，又避免线路太久没有跳变。

`PPP` 的位同步帧也展示了类似的工程思路。[RFC 1662](https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc1662.html)规定，在连续五个 `1` 后插入一个 `0`，接收端在计算帧校验之前删除这个填充位。该机制主要用于保证帧透明性，避免数据模拟帧标志，同时也说明真实链路经常需要对原始比特流进行额外处理，而不能只依靠最简单的电平码。

## 直流分量也是工程限制

若一个信号长时间保持高电平或低电平，它可能含有明显的直流分量。某些传输介质或耦合电路不能可靠传递直流成分。

采用变压器耦合时，变压器主要传递变化的信号。持续不变的电平无法像普通导线那样原样通过。采用电容耦合时，电容也会阻断直流分量。信号若在很长时间内保持同一极性，接收端观察到的基准可能逐渐漂移，严重时会造成判决错误。

曼彻斯特编码每个比特都有正负变化，直流平衡通常更好。某些块编码会控制码字中的 `0` 与 `1` 数量，使长期平均电平接近零。扰码器则把可能连续不变的数据转换成具有更多统计跳变的序列。

因此，`NRZ-L` 的线路波形简单、带宽效率较好，但自同步能力和直流平衡能力有限。线路编码不存在脱离应用环境的绝对优劣，实际系统会在频带利用率、时钟恢复、硬件复杂度和误码性能之间做取舍。

## 从接收机角度再验证一次

设接收机在每个比特周期的中心进行采样，判决门限为 `0 V`。

采样电压大于 `0 V` 时，判为 `1`。采样电压小于 `0 V` 时，判为 `0`。

这种接收方式只检查采样时刻的电平，不需要寻找低到高的边沿，不需要寻找高到低的边沿，也不要求检查比特中点是否回到零电平。

这正对应 A。

若按照 B 解码，接收机必须检测边沿方向。若按照 C 解码，接收机必须把当前电平与上一个比特的电平进行比较。若按照 D 解码，接收机必须观察一个比特周期内部有没有出现回零过程。

四种方法所需要的接收电路和判断依据明显不同。A 的判决对象是绝对电平，C 的判决对象是相邻状态之间的变化，B 的判决对象是跳变方向，D 的判决对象是周期内部的回零行为。

题目问的是普通不归零码，判决对象自然应该是持续电平，所以答案只能是 A。

## 考场中的快速识别办法

看到不归零码时，可以抓住一句话，信号在一个比特周期内保持代表该比特的电平，不要求中途回到零电平。

看到高电平代表一种比特、低电平代表另一种比特，通常是在描述 `NRZ-L`。

看到有跳变代表一种比特、无跳变代表另一种比特，通常是在描述 `NRZ-I` 或其他差分编码，需要结合题目中的跳变位置和映射约定判断。

看到低到高与高到低分别表示不同数据，并且跳变发生在码元中间，通常是在描述曼彻斯特编码。

看到每个码元期间需要返回零电平，通常属于归零码。

用这套判断方法回到原题，A 直接使用高低电平承载 `0` 和 `1`，没有要求码元中途回零。B 强调跳变方向，C 强调比特边界是否跳变，D 明确出现回零过程。

所以第 `19` 题应选 **A，用低电平表示二进制 `0`，用高电平表示二进制 `1`**。这里描述的是常见的电平型不归零码，也就是 `NRZ-L`。


一串二进制数据离开计算机以后，并不会以纸面上的 0 和 1 在导线上奔跑。网卡、串行接口或通信芯片必须把这些抽象比特转换成可以测量的电压、电流、光强或者电磁波状态。接收端再根据检测到的物理状态，恢复出原来的比特序列。

什么是不归零码？

紫薇堂堂主

网络与通信

算法

题目考查线路编码中不归零码（NRZ）的识别，正确答案为A：用低电平表示0、高电平表示1，信号在比特周期内保持稳定，无需中途回零。B属曼彻斯特编码，C属差分编码（NRZ-I），D属归零码。掌握电平直接映射与跳变判据的区别，即可快速解答。

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