1、Part Two Data Communications第二部分 數(shù)據(jù)通信第四章 數(shù)據(jù)編碼Computer Networks 莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月本章主要內(nèi)容4.1 用數(shù)字信號(hào)傳輸數(shù)字類數(shù)據(jù)4.2 用模擬信號(hào)傳輸數(shù)字類數(shù)據(jù)4.3 用數(shù)字信號(hào)傳輸模擬類數(shù)據(jù)4.4 用模擬信號(hào)傳輸模擬類數(shù)據(jù)莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月概述Overview模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)都可以編碼成模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，編碼方案取決于具體的要求和所用的傳輸媒體及通信設(shè)備。不同的編碼方案莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月信號(hào)傳輸?shù)幕痉椒ɑ鶐鬏敾鶐В何唇?jīng)調(diào)制變換的信號(hào)所占的頻帶基帶信號(hào)：一般基帶

2、數(shù)字信號(hào)的頻譜是從零開始直到一定頻率。這種高限頻率與低限頻率之比遠(yuǎn)大于1的信號(hào)稱為“基帶信號(hào)”?；鶐鬏敚翰话嵋苹鶐盘?hào)頻譜的傳輸方式不使用載波頻帶傳輸在發(fā)送端通過調(diào)制使基帶信號(hào)頻譜搬移到適合信道的載波頻帶，并在接收端通過解調(diào)恢復(fù)基帶信號(hào)頻譜的傳輸方式通過載波進(jìn)行載波：頻率的選取與使用的傳輸媒體相兼容調(diào)制的定義：將輸入信號(hào)m(t)與頻率為fc的載波信號(hào)合并的過程。調(diào)制后產(chǎn)生的信號(hào)s(t)的帶寬以fc為中心。 P123莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月4.1 Digital Data, Digital Signal用數(shù)字信號(hào)傳輸數(shù)字類數(shù)據(jù)莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字

3、信號(hào)Digital Data, Digital Signal數(shù)字信號(hào)離散的不連續(xù)的電壓脈沖一個(gè)脈沖代表一個(gè)信號(hào)元素(碼元) 二進(jìn)制數(shù)據(jù)可直接編碼成信號(hào)元素Digital to Digital EncodingDigital DataDigital signal莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月術(shù)語Terms數(shù)據(jù)率 R數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩ū忍?秒）比特持續(xù)時(shí)間或長(zhǎng)度 1/R發(fā)送方發(fā)送一個(gè)比特所需的時(shí)間調(diào)制速率(modulation rate) 信號(hào)電平改變的速率以波特(baud)為單位 = 每秒信號(hào)元素?cái)?shù)“傳號(hào)”(mark) 和“空號(hào)” (space)分別是二進(jìn)制數(shù)字1和0莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)

4、中心 2005年9月信號(hào)的解讀Interpreting Signals接收方必須知道：各個(gè)比特的定時(shí)方式何時(shí)起始,何時(shí)結(jié)束每個(gè)比特信號(hào)電平的狀態(tài)是高或低這兩項(xiàng)任務(wù)都是通過在每個(gè)比特間隔的中間位置采樣來進(jìn)行的影響信號(hào)成功解讀的因素：數(shù)據(jù)率提高會(huì)增加誤碼率信噪比提高會(huì)降低誤碼率帶寬增加可提高數(shù)據(jù)率亦可通過編碼方案提高傳輸性能莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月編碼方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)Evaluating of Encoding Schemes (1)信號(hào)頻譜(signal spectrum)沒有高頻分量,可減少傳輸所需的帶寬沒有直流分量,可通過變壓器進(jìn)行交流耦合,實(shí)現(xiàn)隔離減少干擾實(shí)際上,信道的傳輸性

5、能通常在頻帶的兩邊較差。一個(gè)好的信號(hào)設(shè)計(jì)應(yīng)將傳輸功率集中在帶寬中部,以減小失真。時(shí)鐘同步 (clocking)測(cè)定每一個(gè)比特起始和結(jié)束位置（同步）并非易事。一種相當(dāng)昂貴的方案是在發(fā)送和接收設(shè)備間增設(shè)一條外部時(shí)鐘線另一種方案是提供某些基于所傳送信號(hào)的同步機(jī)制。這一點(diǎn)可以通過合適的編碼技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月編碼方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)Evaluating of Encoding Schemes (2)差錯(cuò)檢測(cè) (error detection)可在具體的信號(hào)編碼中方案加入部分差錯(cuò)檢測(cè)功能以提高檢錯(cuò)速度信號(hào)干擾和抗噪聲度有些編碼在噪聲存在的狀態(tài)下仍具有優(yōu)秀的性能費(fèi)用和復(fù)雜性數(shù)據(jù)速

6、率一定時(shí),信號(hào)速率超高,成本越高有些編碼要求信號(hào)速率高于實(shí)際的數(shù)據(jù)速率莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月編碼方案Encoding SchemesNonreturn to Zero-Level (NRZ-L)Nonreturn to Zero Inverted (NRZI)ManchesterDifferential ManchesterBipolar -AMIPseudoternaryB8ZSHDB3莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月數(shù)字信號(hào)的編碼格式莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月“數(shù)字-數(shù)字”編碼類型Types of Digital to Digital Encodin

7、g單極性碼（單電平） 非零電平代表一種信號(hào)邏輯狀態(tài)，零電平代表另一種極性碼 (雙電平) 正電平代表一種信號(hào)邏輯狀態(tài)，負(fù)電平代表另一種雙極性碼（多電平） 無線路信號(hào)代表一種信號(hào)邏輯狀態(tài)，正電平和負(fù)電平交替代表另一種莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月單極性編碼Unipolar Encoding傳送數(shù)字信號(hào)最簡(jiǎn)單的方法只用一個(gè)電平即可表示兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)字。通常0是用零電平即空閑的線路狀態(tài)表示。注：脈沖的極性指其電平的正負(fù)?！皢螛O性”得名于它的電平只有一“極”。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月單極性編碼存在的問題Problems for Unipolar Encoding 兩個(gè)問題使得單極

8、性編碼在信號(hào)傳輸應(yīng)用中使用不多:直流分量（DC Component）信號(hào)的平均振幅不是零。不能由沒有處理直流分量能力的媒體傳輸，如微波或變壓器。主要用于光纖傳輸。同步（Synchronization）在一個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)，不是有電壓(或電流),就是無電壓(或電流) ，電脈沖之間沒有間隔，不易區(qū)分識(shí)別。所以接收方不能正確識(shí)別每一個(gè)比特何時(shí)開始、何時(shí)結(jié)束(原始數(shù)據(jù)中出現(xiàn)連續(xù)的1或0時(shí)）。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月同步：?jiǎn)栴}在哪里?請(qǐng)看下圖到底有幾個(gè)”1”（用高電平表示）?當(dāng)一臺(tái)設(shè)備發(fā)送一個(gè)比特的數(shù)字信號(hào)時(shí)，它將在一定的周期內(nèi)（假定為T）產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)的信號(hào)。一個(gè)內(nèi)置的時(shí)鐘負(fù)責(zé)定時(shí)。接收設(shè)備

9、必須知道信號(hào)的周期，這樣它才能在每個(gè)T 時(shí)間單元內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣。它也有一個(gè)負(fù)責(zé)定時(shí)的內(nèi)置時(shí)鐘。剩下的就是確保收發(fā)兩端的兩個(gè)時(shí)鐘使用同樣的T 。但兩個(gè)時(shí)鐘能完全一致么？莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月 原因：收發(fā)雙方脈沖時(shí)鐘不可能精確一致答案是否定的。原因在于：任何物理設(shè)備都存在著設(shè)計(jì)上的局限性和缺陷。幾乎可以肯定任何兩個(gè)時(shí)鐘都存在著微小的差別，這使得設(shè)備無法對(duì)傳輸信號(hào)作十分精確的采樣。就象指揮家確保演奏者的同步一樣，通信設(shè)備也需要某種機(jī)制以使它們的定時(shí)保持一致。不變的信號(hào)不具備同步機(jī)制。但如果信號(hào)改變的話，這種改變就可以用來保持設(shè)備的同步。有些強(qiáng)制信號(hào)改變的編碼方案就是基于這個(gè)原因。

10、莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月 傳輸不同步：換一種方式理解用戶A用戶B我發(fā)了幾個(gè)大箱幾個(gè)小箱?四個(gè)大箱四箱小箱莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月 問題在于：連續(xù)多個(gè)相同數(shù)據(jù)的采樣節(jié)奏用戶A用戶B我發(fā)了幾個(gè)大箱幾個(gè)小箱?？大概是莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月極性編碼Types of Polar Encoding極性碼 不歸零型 歸零型 雙相位型 不歸零電平編碼不歸零反相編碼曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼采用兩個(gè)電壓值編碼：一個(gè)正電壓，一個(gè)負(fù)電壓。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月不歸零編碼Nonreturn to Zero (NRZ)不歸零電平編碼（NRZ-L）負(fù)電

11、平用于表示一個(gè)二進(jìn)制值，正電平用于表示另一個(gè)二進(jìn)制值由比特值決定信號(hào)的電平。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月不歸零編碼Nonreturn to Zero (NRZ) 不歸零反相編碼（不歸零1制，NRZI）用一個(gè)比特間隔開始時(shí)是否出現(xiàn)電平跳變表示1或0。屬于差分編碼，可靠性更好。比特值決定正負(fù)電壓之間是否跳變，而非決定電平正負(fù)。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月差分編碼Differential Encoding數(shù)據(jù)由電平變化而非電平高低表示。檢測(cè)信號(hào)跳變比檢測(cè)信號(hào)電平高低更可靠。在復(fù)雜傳輸系統(tǒng)中，信號(hào)的正負(fù)極性可能失去意義。如在一條多支路雙絞線線路上，當(dāng)雙絞線與某相連設(shè)備引腳的接線

12、接反時(shí)，如果采用NRZ-L編碼，所有的0和1都將顛倒。采用差分編碼則不會(huì)出現(xiàn)這種顛倒現(xiàn)象。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月不歸零碼：?jiǎn)栴}及應(yīng)用Problems & Applications for NRZ對(duì)工程師而言，實(shí)施容易。能充分利用帶寬。仍含有一定的直流分量，且缺乏同步能力。因其簡(jiǎn)單性和較低的頻率響應(yīng)特性，常用于終端設(shè)備、接口和數(shù)字磁記錄。信號(hào)傳輸中則不常單獨(dú)用之。應(yīng)用實(shí)例：連接優(yōu)盤的USB串行接口通常使用NRZI作為信號(hào)的編碼。為了解決一長(zhǎng)串連續(xù)比特0引起的同步問題，采用了所謂“位填充技術(shù)”。即在連續(xù)傳輸6個(gè)比特0的情況下強(qiáng)行插入一個(gè)比特1。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年

13、9月USB接口NRZI編碼與位填充示意圖說明：USB接口使用的NRZI編碼規(guī)則是遇到比特0 時(shí)發(fā)生跳變，遇到比特1 時(shí)保持不變。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月歸零編碼RZ Encoding歸零編碼使用兩組電平值： 正-零，負(fù)-零信號(hào)變化不是發(fā)生在比特之間而是發(fā)生在每個(gè)比特內(nèi)。在每個(gè)比特間隙的中段，信號(hào)將歸零。比特“1”實(shí)際上是用正電平跳變到零表示，比特“0”則用負(fù)電平跳變到零表示，而不是僅僅通過電平的正負(fù)來表示。在每個(gè)比特內(nèi)產(chǎn)生信號(hào)變化可以解決同步問題。但這種編碼方案中每比特需要兩次信號(hào)變化，從而占用了更多的帶寬。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月歸零碼：在40G傳輸技術(shù)中的應(yīng)

14、用目前，絕大多數(shù)的信號(hào)均采用了非歸零碼（NRZ）的編碼方式，這種方式可以降低信號(hào)的譜寬，但由于占空比較大，前后脈沖的間隔較小，較容易發(fā)生重疊，造成碼間串?dāng)_。而歸零碼（RZ）的占空比通常只有普通非歸零碼的3467，拉開了相鄰脈沖的間隔，在信號(hào)平均能量不變的基礎(chǔ)上，大大提高了峰值功率，為接收端提供了更高的光信噪比，同時(shí)也提高了對(duì)光纖中極化模色散造成的時(shí)延的抵抗能力。朗訊科技公司在其最新的40G遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)采用了一種稱為載波抑制的歸零碼調(diào)制技術(shù)(CSRZ)，該技術(shù)可以最大程度地減小編碼造成的頻譜展寬，同時(shí)保留了歸零碼所擁有的一切優(yōu)點(diǎn)。資料來源 /news/content/73/2005031609

15、4321.htm莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月雙相位編碼Biphase Encoding解決同步問題的最佳方案信號(hào)在比特間隔中發(fā)生改變但并不歸零現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)中常用的雙相位編碼方式:曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月曼徹斯特和差分曼徹斯特編碼Manchester and Diff. Manchester Encoding莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月曼徹斯特編碼Manchester Encoding每個(gè)比特間隔的中間位置處都存在一個(gè)跳變。這種中間處的跳變既含有時(shí)鐘信息，也含有數(shù)據(jù)信息：從低到高的跳變代表1，從高到低的跳變代表0 (注意有些系統(tǒng)也可

16、能相反)。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月差分曼徹斯特編碼Differential Manchester Encoding比特間隔中間位置處的跳變僅含有時(shí)鐘信息。在比特間隔開始處如果出現(xiàn)跳變表示0，如果沒有跳變表示1。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月同步問題回頭看用戶A用戶B我發(fā)了幾個(gè)大箱幾個(gè)小箱?？大概是莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月 曼徹斯特編碼如何解決收發(fā)同步問題?用戶A用戶B我發(fā)了幾個(gè)大箱幾個(gè)小箱?哈哈,我知道了!莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月雙相位編碼的應(yīng)用Applications of Biphase Codes數(shù)據(jù)傳輸中的常用技術(shù)曼徹斯特編碼是

17、IEEE 802.3（以太局域網(wǎng)）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的編碼（使用同軸電纜和雙絞線）。差分曼徹斯特編碼是IEEE802.5（令牌局域網(wǎng)）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的編碼（使用屏蔽雙絞線）。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月雙相位編碼的優(yōu)缺點(diǎn)Biphase Pros and Cons缺點(diǎn)每個(gè)比特時(shí)間內(nèi)至少出現(xiàn)一次跳變，可能出現(xiàn)兩次最大調(diào)制率是 NRZ的兩倍需要更大的帶寬（高速低效）優(yōu)點(diǎn)通過比特中間跳變實(shí)現(xiàn)同步 (自定時(shí))無直流分量差錯(cuò)檢測(cè)如果發(fā)現(xiàn)預(yù)期的跳變未出現(xiàn)莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月4B/5B編碼技術(shù)4B/5B Encoding曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼每個(gè)比特需要多達(dá)兩次信號(hào)狀態(tài)跳變10Mbps

18、的數(shù)據(jù)率將使線路上信號(hào)狀態(tài)每秒變化20M次(20M波特)，編碼效率只有50%（常用于10Mbps的LAN中）。4B/5B編碼以4個(gè)比特為一組進(jìn)行編碼，編碼位數(shù)為5個(gè)，所以又稱為“塊編碼”（ Block coding ）。其編碼效率達(dá)80%（100Mbps125M波特）。4B/5B編碼確保無論4比特符號(hào)為何種組合(包括全“0”)，其對(duì)應(yīng)的5比特編碼中至少有2位“1”，從而保證所傳輸?shù)倪@組信號(hào)中至少發(fā)生兩次跳變，以利于接收端的時(shí)鐘提取。為了得到信號(hào)同步，可以采用二級(jí)編碼的方法。即先按4B/5B編碼，然后再利用NRZI編碼。4B/5B編碼用于百兆位以太網(wǎng)和FDDI網(wǎng)等。此外，還有可用于千兆位以太網(wǎng)

19、的8B/10B（在多模光纖上支持高達(dá)149.76 Mbps 速率 ）等編碼技術(shù)。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月4B/5B編碼原理 Substitution in Block Coding4B/5B從25=32個(gè)可能的編碼中取出24=16個(gè)來表示0F，使每組編碼中0的個(gè)數(shù)不超過3個(gè)，1的個(gè)數(shù)不少于2個(gè)。參見P412莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月雙極性編碼Types of Bipolar Encoding雙極性編碼信號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼雙極性8零替換編碼高密度雙極性3零編碼使用兩個(gè)以上的電平值進(jìn)行編碼莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月多電平二進(jìn)制編碼 Multilevel Bin

20、ary歸零編碼使用三個(gè)電平值：正，負(fù)和零。典型方案：雙極性AMI（交替信號(hào)反轉(zhuǎn)碼）編碼最簡(jiǎn)單的雙極性編碼方案用零值電平代表二進(jìn)制數(shù)0用正負(fù)交替變換的電平代表二進(jìn)制數(shù)1在一長(zhǎng)串1的情況下仍可保證同步 (但面對(duì)一長(zhǎng)串0則可能導(dǎo)致同步丟失)沒有直流分量帶寬占用小差錯(cuò)檢測(cè)容易AMI Alternate Mark Inversion，交替“傳號(hào)”反轉(zhuǎn)，亦稱“交替信號(hào)反轉(zhuǎn)”，邏輯0由空電平表示，而邏輯1由交替反轉(zhuǎn)的正負(fù)電壓表示。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月雙極性交替信號(hào)反轉(zhuǎn)碼Bipolar AMI Encoding莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月偽三進(jìn)碼Pseudoternary用零值

21、電平代表二進(jìn)制數(shù)1用正負(fù)交替變換的電平代表二進(jìn)制數(shù)0可以說是雙極性AMI編碼的另一種形式莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月多電平二進(jìn)制的不足Trade Off for Multilevel Binary編碼效率不如NRZ線路信號(hào)電平值有三個(gè)，但每個(gè)信號(hào)元素本來可以表示log23 = 1.58 個(gè)比特的信息，在此只能表示 一個(gè)比特的信息接收器必須區(qū)分三個(gè)電平狀態(tài)(+A, -A, 0)而不是區(qū)分兩個(gè)電平狀態(tài)差錯(cuò)率相同的情況下，需要增加約3分貝的額外信號(hào)功率（換言之，信噪比一定時(shí)NRZ的差錯(cuò)率比多電平二進(jìn)制低得多）。未能完全解決同步問題雙極性AMI連續(xù)長(zhǎng)串0時(shí)，偽三進(jìn)碼連續(xù)長(zhǎng)串1時(shí)莆田學(xué)院現(xiàn)代

22、教育技術(shù)中心 2005年9月擾碼技術(shù)Scrambling擾碼技術(shù)的原理：將可能產(chǎn)生恒定電平的比特序列用足夠多的跳變替換掉，以滿足同步的要求（高速高效）填入的比特序列應(yīng)產(chǎn)生足夠的跳變以保證同步應(yīng)能被接收方識(shí)別并能被自動(dòng)替換成原始的比特序列與原始的比特序列等長(zhǎng)優(yōu)點(diǎn)無直流分量無長(zhǎng)時(shí)間的零電平狀態(tài)不降低數(shù)據(jù)率可提供差錯(cuò)檢測(cè)功能典型方案：B8ZS、HDB3莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月B8ZS雙極性8零替換編碼基于雙極性AMI（北美方式）編碼規(guī)則與前導(dǎo)比特極性有關(guān)如果出現(xiàn)連續(xù)八個(gè)0，且其前導(dǎo)比特1是正電平，則八個(gè)0比特被編碼為： 0 0 0 + - 0 - +如果出現(xiàn)連續(xù)八個(gè)0，且其前導(dǎo)比特1

23、是負(fù)電平，則八個(gè)0比特被編碼為： 0 0 0 - + 0 + -其中有兩個(gè)碼元違背了AMI編碼規(guī)則（所謂“擾亂”），亦不可能是由噪聲產(chǎn)生。接收方檢測(cè)到這一組編碼后，會(huì)將其還原為連續(xù)八個(gè)0的比特序列。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月“雙極性8零替換”編碼示意圖B8ZS Encoding莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月HDB3高密度雙極性3零編碼亦基于雙極性編碼（歐洲和日本方式）遇到連續(xù)四個(gè)0比特時(shí)就在編碼中用含有一個(gè)或兩個(gè)正負(fù)電平的脈沖來制造“擾亂”，以便同步。遇到連續(xù)四個(gè)0比特即“擾亂”，而不是連續(xù)八個(gè)0比特，故曰“高密度”。編碼規(guī)則：根據(jù)前導(dǎo)比特1的極性和自上一次替換后傳輸?shù)?/p>

24、比特1的數(shù)目，按四種方式相應(yīng)改變編碼。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月“高密度雙極性3零”編碼示意圖HDB3 Encoding莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月 AMI、B8ZS和HDB3編碼比較 P108圖5.6B- 合乎AMI編碼規(guī)則 V- 不合AMI編碼規(guī)則莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月多電平二進(jìn)制編碼的應(yīng)用實(shí)例ISDN接口 P159192kbps的“基本速率”接口，使用偽三進(jìn)碼。1.544Mbps的“基群速率”接口，使用B8ZS的AMI編碼。2.048Mbps的“基群速率”接口，使用HDB3的AMI編碼。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月小結(jié)：“數(shù)字?jǐn)?shù)字”

25、編碼方案莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月4.2 Digital Data, Analog Signal 用模擬信號(hào)傳輸數(shù)字類數(shù)據(jù)莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月Digital to Analog Encoding數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模擬信號(hào)Digital Data, Analog Signal發(fā)送設(shè)備產(chǎn)生一個(gè)高頻模擬信號(hào)作為基波來承載數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。此基波稱為“載波信號(hào)” 或“載波頻率” 。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)通過改變載波信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)特性（振幅、頻率和相位）形成“調(diào)制信號(hào)”。最常見的應(yīng)用：借助于調(diào)制解調(diào)器(modem)利用公用電話線路上網(wǎng)。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月調(diào)制技術(shù)總覽Modu

26、lation Techniques使用載波信號(hào)對(duì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制的主要技術(shù)有：幅移鍵控編碼 ( ASK, Amplitude shift keying )頻移鍵控編碼 ( FSK, Frequency shift keying )相移鍵控編碼 ( PSK, Phase shift keying )正交調(diào)幅編碼 ( QAM, Quadrature Amplitude Modulation) 其中QAM效率最高，也是現(xiàn)在所有調(diào)制解調(diào)器采用的技術(shù)。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月調(diào)制技術(shù)示意圖Modulation TechniquesP110圖5.7 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號(hào)調(diào)制改變載波信號(hào)的振幅

27、改變載波信號(hào)的頻率改變載波信號(hào)的相位莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月二進(jìn)制的兩個(gè)數(shù)分別由載波信號(hào)兩種不同的振幅值表示。通常，其中一個(gè)振幅值為零，以降低傳輸信息所需的能量。所生成的調(diào)制信號(hào)： 式中，載波信號(hào)是 A cos(2fc t)。噪聲通常只影響振幅。所以ASK是受噪聲影響最大的調(diào)制技術(shù)。故此在語音線路上ASK通常僅用于數(shù)據(jù)率不高于1200 bps的情況。更多地用于通過光纖傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（有無光脈沖）。幅移鍵控編碼Amplitude Shift Keying二進(jìn)制 1二進(jìn)制 0莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月幅移鍵控編碼示意圖ASK Encoding莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2

28、005年9月頻移鍵控編碼Frequency Shift Keying二進(jìn)制的兩個(gè)數(shù)分別由鄰近載波頻率的兩個(gè)頻率表示。 式中， f1 和 f2 通常是載波頻率fc 的兩個(gè)偏移值，其絕對(duì)值相等，偏移方向相反。抗干擾性能優(yōu)于ASK（噪聲對(duì)其影響?。?。典型數(shù)據(jù)率為1200bps左右（語音線路）。亦常用于高頻 (3 to 30 MHz)無線傳輸。使用同軸電纜的局域網(wǎng)中，甚至可用于更高的頻率。二進(jìn)制 1二進(jìn)制 0莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月頻移鍵控編碼示意圖FSK Encoding莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月語音級(jí)線路上的FSK傳輸FSK on Voice Grade Line莆田

29、學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月相移鍵控編碼Phase Shift Keying通過載波相位的變換表示數(shù)據(jù)抗干擾性能優(yōu)于ASK（噪聲對(duì)其影響?。Ｓ脙蓚€(gè)相位代表兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)： 雙值相移鍵控 (BPSK) 及其“星座圖 ”(Constellation)二進(jìn)制 1二進(jìn)制 0莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月二相位PSK編碼示意圖2 - PSK Encoding莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月差分相移鍵控(DPSK) Differential PSK傳輸信號(hào)的起始相位與前一信號(hào)的起始相位相同：二進(jìn)制 0傳輸信號(hào)的起始相位與前一信號(hào)的起始相位相反：二進(jìn)制 1接收器和發(fā)送器的相位無需精

30、確匹配。DPSK利用前后脈沖的相位差別來區(qū)分1或者0，用這種技術(shù)設(shè)計(jì)的光接收機(jī)，可以在光功率非常低的情況下，正確區(qū)分信號(hào)。據(jù)報(bào)道，通過采用該特殊編碼技術(shù)，可以將64個(gè)40G高速通道同時(shí)傳輸2000公里以上，而無需昂貴的中繼設(shè)備。P113圖5.10莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月4 PSK四相位PSK我們還可以采用四種信號(hào)相位變化方式，讓每一種變化代表兩個(gè)比特(4-PSK)。此時(shí)我們可以用兩倍于2-PSK的速率傳輸數(shù)據(jù)。教材P112-113稱其為“四值相移鍵控” (QPSK)。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月四相位PSK編碼示意圖4 PSK Encoding莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中

31、心 2005年9月8 - PSK八相位PSK4-PSK的想法可進(jìn)一步擴(kuò)展到8相位。此時(shí)每次對(duì)相位只變化45,而不是90 。通過使用八個(gè)不同相位, 每相移一次可以代表三個(gè)比特。所以8-PSK 的傳輸速率比 2-PSK快三倍。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月性能問題 Performance帶寬 ASK 帶寬與數(shù)據(jù)率R成正比。 P115式(5.8)PSK 帶寬亦與數(shù)據(jù)率R成正比。P115式(5.10)-(5.11)FSK的帶寬與低頻數(shù)據(jù)率R直接相關(guān)，但如果頻率很高，則主要取決于調(diào)制頻率相對(duì)于載波頻率的偏移量F。 P115式(5.9)在存在噪聲干擾的情況下，DPSK和QPSK的比特差錯(cuò)率要比A

32、SK和FSK優(yōu)3dB 。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月正交調(diào)幅編碼Quadrature Amplitude Modulation (QAM)一種常用于ADSL（非對(duì)稱數(shù)字用戶線路）和無線通信的模擬信號(hào)傳輸技術(shù)。調(diào)幅(ASK)和調(diào)相(PSK)技術(shù)的綜合(同時(shí)改變正弦波三個(gè)特性中的振幅和相位)。理論上可以有無數(shù)的狀態(tài)組合。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月8-QAM編碼示意圖8-QAM Encoding莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月16-QAM Constellations三種常見的16-QAM編碼星座圖莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月QAM調(diào)制器：實(shí)例圖 QAM

33、 ModulatorP118 圖5.14莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月4.3 Analog Data, Digital Signal 用數(shù)字信號(hào)傳輸模擬類數(shù)據(jù)莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)Analog Data, Digital Signal數(shù)字化(Digitization)把模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，再通過NRZ-L或其他技術(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸。Analog to Digital EncodingCodec- 編碼解碼器莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化 Digitizing Analog DataP119圖5.15主要問題 如何在不

34、損失信號(hào)質(zhì)量的前提下，將信息（數(shù)據(jù)）從無窮多的連續(xù)值轉(zhuǎn)換為有限個(gè)離散值。主要方法：PCM（脈沖編碼調(diào)制） 采樣（脈幅調(diào)制，PAM） 量化 二進(jìn)制編碼莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月脈沖振幅調(diào)制Pulse Amplitude Modulation (PAM)模擬-數(shù)字編碼的第一步是所謂“PAM”（脈幅調(diào)制），即對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，然后生成一連串基于采樣結(jié)果的脈沖。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月采樣 : 奈奎斯特定理Sampling : Nyquist Theorem如果以一定時(shí)間間隔對(duì)某個(gè)信號(hào)f(t)進(jìn)行采樣，并且采樣頻率高于該信號(hào)最高頻率的兩倍，則采樣值包含了原信號(hào)的全部信息

35、。通過使用低通過濾器，可以由這些采樣值重新構(gòu)成信號(hào)f(t) 。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月量化Quantization脈沖振幅調(diào)制信號(hào)的量化莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月二進(jìn)制編碼Binary Encoding莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月“數(shù)字-數(shù)字”編碼Digital to Digital Encoding使用各種“數(shù)字-數(shù)字”編碼技術(shù)將二進(jìn)制數(shù)字轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳送。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月脈沖編碼調(diào)制: 模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化PCM: From analog to digital signal莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月從模擬信號(hào)到

36、PCMFrom Analog to PCM脈幅調(diào)制(PAM)量化二進(jìn)制編碼“數(shù)字-數(shù)字”編碼莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月小結(jié)：模擬信號(hào)在數(shù)字信道上傳輸 要先進(jìn)行脈沖編碼調(diào)制(PCM, Pulse Code Modulation): 采樣：按信號(hào)最高頻率fmax的兩倍頻率取樣可精確還原 （Nyquist Theorem，奈奎斯特定理）量化：將取樣獲得的脈沖信號(hào)在振幅上進(jìn)行數(shù)值分級(jí)（我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中量化分為256個(gè)等級(jí)）編碼：將量化后的數(shù)值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制編碼 然后再用“數(shù)字?jǐn)?shù)字”編碼技術(shù)進(jìn)行二次編碼。莆田學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心 2005年9月非線性編碼Nonlinear Encoding用于優(yōu)化PCM編碼方案。量化值間距相等帶來的問題是：不論信號(hào)電平大小如何，每個(gè)采樣值的絕對(duì)誤差都相同。結(jié)果是振幅值較低的時(shí)候失真就更大一些。解決方法: 量化值不要均勻分度在振幅較低時(shí)設(shè)置的量化級(jí)數(shù)更