数据编码技术 数据编码技术 1、数据编码类型 模拟数据编码 数字数据编码 非归零码 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码 数据编码方式 振幅键控ASK 移频键控FSK 移相键控PSK 信道：模拟通信信道和数字通信信道。 电话通信信道 数据的编码和调制技术 l在计算机中，数据是以离散的二进制“0”、“1”比特序列方 式表示的。计算机数据在传输过程中的数据编码类型主要取 决于它采用的通信信道所支持的数据通信类型。 l通信信道分为模拟信道和数字信道，而依赖于信道传输的数 据也分为模拟数据与数字数据。因此，数据的编码方法包括 数字数据的编码与调制和模拟数据的编码与调制。 数字数据的调制 l传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，用于传输音频300Hz 3400Hz的模拟信号，不能直接传输数字数据。为了利用模拟语音 通信的电话交换网实现计算机的数字数据的传输，必须首先将数字信 号转换成模拟信号，也就是要对数字数据进行调制。 l发送端将数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称为调制（ Modulation），调制设备就称为调制器（Modulator）；接收端将 模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称为解调（Demodulation ），解调设备就称为解调器（Demodulator）。若进行数据通信的 发送端和接收端以双工方式进行通信时，就需要同时具备调制和解调 功能的设备，称为调制解调器（Modem）。 l对数字数据调制的基本方法有三种：幅移键控、频移键控和相移键控 。 l在调制过程中，选择音频范围内的某一角频率的正（余）弦信号作 为载波，该正（余）弦信号可以写为： u（t）= umsin（t+0） l3个可以改变的电参量： 振 幅 um 角频率 相 位 l可以通过变化3个电参量，来实现模拟数据信号编码的目的。 数字数据的调制 幅移键控、频移键控和相移键 控 l幅移键控ASK（Amplitude Shift Keying） lASK是通过改变载波信号的幅度值表示数字信号“1”、“0”，以 幅度A1表示数字信号的“1”，用载波幅度A2表示数字信号的“0”（通 常A1取1，A2取0），而载波信号的参数f 和恒定。 l频移键控FSK（Frequency Shift Keying） lFSK是通过改变载波信号频率的方法表示数字信号“1”、“0”， 用f 1表示数字信号“1”，用f 2表示数字信号“0”，而载波信号的A和 不变。 l相移键控PSK（Phase Shift Keying） lPSK是通过改变载波信号的相位值表示数字信号“1”、“0”，而 载波信号的A和f不变。PSK包括两种类型： l绝对调相 l绝对调相使用相位的绝对值，为0表示数字信号“1”， 、为表示数字信号“0”。 l相对调相 l相对调相使用相位的相对偏移值，当数字数据为0时，相 位不变化，而数字数据为1时，相位要偏移。 数字数据的调制示例 多相调制 lASK、FSK和PSK都是最基本的调 制技术，实现容易，技术简单，抗 干扰能力差，调制速率不高，为了 提高数据传输速率，也可以采用多 相调制的方法。 l例如，将待发送的数字 信号按2个比特一组的方式组 织，因为2个比特可以有4种 组合方式，即“00、01、10 、11”四个码元，所以用4个 不同的相位值就可以表示出 这4组组合。在调相信号传输 过程中，相位每改变一次， 传送两个二进制比特，这种 调制方法就称为四相相移键 控。 混合调相 l为了达到更高的信息传输速率，采用多元制的振幅相位混合调制技 术，比如正交振幅调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation），它不但使用相位，而且还使用幅度： l8-QAM使用了幅度与相位的8种组合，由于使用3个比特 可以表示8种组合，因此，每一种组合代表一个码元，每个码 元3个比特。 l16-QAM的幅度和相位有16种组合，每个组合代表一个码 元，每个码元4个比特。 数字数据的编码 l利用数字通信信道直接传输数字数据信号的方法称作数字信号 的基带传输，而数字数据在传输之前，需要进行数字编码。数 字数据的编码方式有三种：不归零码、曼彻斯特编码和差分曼 彻斯特编码 。 l不归零编码（Non-Return to Zero，NRZ） lNRZ编码规定可用负电平表示逻辑“0”，用正电 平表示逻辑“1”，反之亦然。 原码：原码：101100101100 1 0 数字数据的编码 l曼彻斯特编码（Manchester） l曼彻斯特编码是目前应用最广泛的编码方法之 一，其特点是每一位二进制信号的中间都有跳变，若从低 电平跳变到高电平，就表示数字信号“1”，若从高电平跳 变到低电平，就表示数字信号“0”； l差分曼彻斯特编码（Difference Manchester） l差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。 其特点是每一位二进制信号的跳变依然提供收发端之间的 同步，但每位二进制数据的取值，要根据其开始边界是否 发生跳变来决定，若一个比特开始处存在跳变则表示“0” ，无跳变则表示“1”。 数字数据编码的示例 信道的最高码元传输速率 l任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产 生各种失真以及带来多种干扰。 l码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在 信道的输出端的波形的失真就越严重。 数字信号通过实际的信道 l失真不严重 l失真严重 实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真） 输入信号波形输出信号波形 (失真不严重) 输入信号波形 实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真） 输出信号波形 (失真严重) 奈氏(Nyquist)准则 l每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每 秒 2 个码元。 lBaud 是波特，是码元传输速率的单位，1 波特为 每秒传送 1 个码元。 理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz) 不能通过能通过 0频率(Hz) W (Hz) 另一种形式的奈氏准则 l每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每 秒 1 个码元。 理想带通特性信道的最高码元传输速率 = W Baud W 是理想带通信道的带宽，单位为赫(Hz) 不能通过能通过 0频率(Hz) W (Hz) 不能通过 要强调以下两点 l实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低 于奈氏准则给出上限数值。 l波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。 l波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个 码元）。码元传输速率也称为调制速率、波形速 率或符号速率。 l比特是信息量的单位。 要注意 l信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特” 在数量上却有一定的关系。 l若 1 个码元只携带 1 bit 的信息量，则“比特/秒”和 “波特”在数值上相等。 l若 1 个码元携带 n bit 的信息量，则 M Baud 的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M n b/s。 信道的极限信息传输速率 l香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限 且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息 传输速率。 l信道的极限信息传输速率 C 可表达为 l C = W log2(1+S/N) b/s lW 为信道的带宽（以 Hz 为单位）； lS 为信道内所传信号的平均功率； lN 为信道内部的高斯噪声功率。 香农公式表明 l信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传 输速率就越高。 l只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就 一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。 l若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信 道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。 l实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限 传输速率低不少。 奈氏准则和香农公式 在数据通信系统中的作用范围 源系统传输系统目的系统 传输 系统 源点 终点发送器接收器 输 入 信 息 输 出 信 息 输 入 数 据 输 出 数 据 发送的 信号 接收的 信号 码元传输速率受 奈氏准则的限制 信息传输速率受 香农公式的限制 模拟数据调制为数字信号 l在模拟数据通信系统中，信源的信息经过转换 ，形成电信号，比如人说话的声音经过电话转 变为模拟的电信号，这也是模拟数据的基带信 号。 l模拟数据的基带信号具有比较低的频率，不宜 直接在信道中传输，而数字信号传输失真小、 误码率低、数据传输速率高，因此在网络中除 计算机直接产生的数字信号外，语音、图像信 息必须数字化处理，需要对信号进行调制，将 信号搬移到适合信道传输的频率范围内，接收 端将接收的已调信号再搬回到原来信号的频率 范围内，恢复成原来的消息，比如无线电广播 。 PCM技术 l脉冲编码调制PCM（Pulse Code Modulation ）是模拟数据数字化的主要方法。 lPCM技术的典型应用是语音数字化。在发送端通过 PCM编码器将语音数据变换为数字化的语音信号， 通过通信信道传送到接收方，接收方再通过PCM解 码器还原成模拟语音信号。 l语音数据数字化后，其传输速率高、失真小，可以 存储在计算机中，进行必要的处理。因此在网络与 通信的发展中语音数字化成为重要的部分。 PCM的工作原理 l脉冲编码调制包括三部分：采样、量化和编码。 l采样：每隔一定的时间间隔，采集模拟信号的瞬时电 平值做为样本，表示模拟数据在某一区间随时间变化的值 。 l量化：量化是将取样样本幅度按量化级决定取值的过 程。量化级可以分为8级、16级，或者更多的量化级，这 取决于系统的精确度要求。 l编码：编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的 采样样本的量级。 PCM的工作过程 3.23.2 3.93.9 2.82.8 3.43.4 1.21.2 4.24.2 4 4 3 3 3 3 1 1 4 4 011011100100011011011011001001100100 011100011011001100011100011011001100 l采样信号：基于nyquist理论 原始信号原始信号 PAMPAM脉冲（采样）脉冲（采样） PCM PCM 脉冲（量化）脉冲（量化） 有量化差错有量化差错 PCM PCM 输出（编码）输出（编码） 3 PCM的工作过程 PCM的工作过程 3.23.2 3.93.9 2.82.8 3.43.4 1.21.2 4.24.2 4 4 3 3 3 3 1 1 4 4 011011100100011011011011001001100100 011100011011001100011100011011001100 l采样信号：基于nyquist理论 原始信号原始信号 PAMPAM脉冲（采样）脉冲（采样） PCM PCM 脉冲（量化）脉冲（量化） 有量化差错有量化差错 PCM PCM 输出（编码）输出（编码） NyquistNyquist理论理论 在理想的无噪声信道，若 f 是传输媒体的最 大传输频率, 采样频率为2*f 时，接收方才可 以从采样脉冲信号中完全恢复原信号 Nyquist, 1920 PCM编码的典型应用 调制解调器 lModem是为数字信号在具有有限带宽的模拟信道上 进行远距离传输而设计的，是一种数据通信设备 DCE。其主要功能是进行信号的调制和解调，在 DTE和模拟传输线路之间起到数字信号与模拟信号 之间的转换作用。 l计算机也可以通过Modem的传真和语音功能，发送 传真以及提供电话录音留言和全双工的免持听筒服 务。 公用电话网 调制解调器 计算机计算机调制解调器 DTEDCEDCE DTE RS-232CRS-232C 调制解调器的组成 lModem一般由基带处理、调制解调、信号放大和滤波、均衡 等几部分组成。 调制把数字信号转换为模拟信号的过程 。 解调把模拟信号转换为数字信号的过程 。 调制解调器的分类一 l按通信设备分类可分为： l拨号Modem l拨号Modem主要用于公用电