第四章 数据的编码与调制4.1 数字信号的编码4.2 用数字信号调制传输模拟数据4.3 用模拟载波传输数字数据4.4 用模拟载波传输模拟数据共18页14.1 数字信号的编码数据传输系统的根本任务是保证把数据信息准确、可靠地传送给接收方。用数字信号传输数字数据时，如果直接用计算机内部的数字信号表示方法传输二进制脉冲序列波形，即数据1用高电平代表，0用低电平代表，由于传输信道存在各种各样的缺陷，可能会影响接收器正确地译码并恢复出所传输的信号。有时为了实现同步通信，需要把数据和时钟信号结合在一起传送给对方。为了改善数字信号传输的性能，有必要对数字信号的脉冲波形进行各种编码，以适应不同信道和传输设备的要求。一、数字信号的波形1单极性码波形单极性码波形的构成是：零电位及正电位分别对应数字0和1。单极性码信号在一个位时间内，不是有电压脉冲，就是无电压脉冲，各个脉冲之间无间隔，极性也是单一的。如果出现连续的1或0，电压就不会发生变化，近似为“直流”。这会给信道传输和接收解码带来一些困难，通常需要采取一些补救措施。共18页22双极性码波形双极性码波形就是用正、负电位分别对应数字0和1，其它情况与单极性码相似。这种波形在传输过程出现零电位说明通信出错。另外，这种波形不会出现电荷累积。3归零码波形归零码波形的特点是：各个脉冲之间有间隔，它的脉冲宽度比位宽度(传输一个比特所需要的时间)窄，是位宽度的一半。在位宽度另一半的时间内，每个脉冲都要回到零电位所以称为归零码。对于单极性归零码来说，数字0本来就是零电位，无所谓回零；但是数字1有归零情况。4不归零码波形不归零码波形就是通常所见的波形，它的脉冲宽度与位宽度一致。5绝对码波形绝对码波形是指数字0和1所对应的电平极性或波形电平极性或波形电平极性或波形电平极性或波形是固定固定固定固定不变的。共18页36差分码波形差分码波形也称相对码波形。它是一种把数字信息数字信息数字信息数字信息0 0和和和和1 1反映在相邻信号码元相邻信号码元相邻信号码元相邻信号码元的相对极性变化上相对极性变化上的波形。比如，如果相邻码元的极件发生改变表示1，则极性不改变就表示0。差分码波形在形式上与单极性或双极性波形相同，但它代表的数字信息与码元本身的极性无关，仅与相邻码元的极性变化有关。差分码的好处是检测信号的跳变比判断信号的高低更为可靠。在绝对码中，一般是将信号值与门限值直接比较，以辨识信号代表的是1还是0，噪声会影响这种判断的准确性。差分码的另一个优点是在复杂的传输系统中，线路的引脚可能会接反，信号的正负极会翻转，绝对码依靠电平判断，所有的1和0都会翻转，而差分码就不会出现这种情况。二、数字信号的编码格式1、典型不归零码(Non-Return to Zero，NRZ)编码规则：1正0零，即1为正电压，0为零电压。共18页4NRZ码有两个常见的变种：NRZ-L码(不归零电平码)和NKZ1码(不归零1制码，也写成NRZ-l码)。NRZ-L码的编码规则是：0正1负，即“见变就翻”。NRZ-L码常用于数据通信接口中(例如RS232)。NRZ1码的编码规则是：1跳0不跳，即“见1就翻”。NRZI码是一种差分编码，在每一个位的起始时刻，如果信号有跳变，则该位代表1，否则代表0。USB接口就是使用NRZI码，但是它的编码规则是0跳1不跳。2典型归零码(Return to Zero，RZ)编码规则：1正0负，中途归零。RZ码在每个位时间的中心位置都要回到零电位，即每个位都在中间有一次跳变，这种跳变就可以作为同步通信时接收方的接收时钟。因此，这种码有自同步能力，但所占频带较宽。RZ码可鉴别是否丢了信号，因为信号丢失意味着无信号输出。3曼彻斯特码(Manchester码)共18页53曼彻斯特码(Manchester码)编码规则：1为先低后高，为先低后高，0为先高后低为先高后低，曼彻斯特码的每个比特(1或0)的中心位置都有跳变。由此可推出，1与1或0与0之间有跳变，0与1或1与0之间无跳变。曼彻斯持码也称为双相码，0、1之间的相位差为180。这种码每个比特中间的跳变不仅表示了数据，也提供了同步时钟。接收端很容易在跳变处同步所以它的自同步能力很强。曼彻斯特码无直流分量，而且便于信号差错检测。虽然占用带宽是NRZ码的2倍，但是在数据传输中还是受到欢迎。例如，IEEE 802.3标准的10Mb/s局域网Ethernet(以太网)就用曼彻斯特码来传输信号，其高信号电平为0.85V，低信号电平为-0.85V，这样直流电压为0V。4差分曼彻斯特码编码规则：1开始处无跳变，开始处无跳变，0开始处有跳变开始处有跳变，比持中间位置总是有跳变，但是怎么跳变没有规定了！比特位中间的跳变只用于提供同步时钟。这种码利用了差分编码的优势。IEEE 802.5令牌环局域网采用的就是差分曼彻斯特编码。共18页65调频码 (Frequency Modulation，FM)编码规则：1中间跳，0中间不跳，比特间都要变，即码元码元间都有跳变，码元中间可能有也可能没有跳变，即间都有跳变，码元中间可能有也可能没有跳变，即1有，有，0没有没有。由于FM码的各个比特之间都有跳变，位置固定、间距相等，所以时钟信号的提取很方便，自同步能力强。6改进型调频码(Modified Frequency，MFM)编码规则：1码元中间跳，码元中间跳，0码元中间不跳码元中间不跳；不同比特不同比特(01或或10)之间没有跳变，连续之间没有跳变，连续0之间要产生跳变之间要产生跳变。MFM码又称延迟调制码或密勒码(miller)。MFM码有自同步能力，但是提取同步时钟的间距不均匀，MFM码所占带宽正好是FM码的一半。7传号交替反转码(Alternate Mark Inversion，AMI)编码规则；1为正、负平交替变化，为正、负平交替变化，0为无电平。为无电平。这种码在电路闲置时，电路处在发送1的状态即电路一直有正负电平在交替变化，能够有效地维持电路的同步。共18页7三、编码技术的评价1.信号频谱。既不要频率太高，又不要有直流成分；2.信号的自同步。包含时钟信息的编码具有自同步能力；3.信号的检测和纠错。信号某一位或几位发生错误时是否会影响其它位的传输，发生错误是否会发现，发现错误能否纠正，信号本身是否容易检测等的能力；4.抗干扰性；5.设备的复杂性和成本；1高0零1高0负中间归零1：零到高 0：高到低1：开始无变 0：开始处有变；0和1中间都要变1中间变，0中间不变；码间变连续0码元有跳变其它码元间无跳变1正负极性，0无极性共18页84.2 用数字信号调制传输模拟数据(电话)一、脉冲编码调制(Pulse Code Modulation, PCM)1抽 样带通抽样定理：低通采样定理： 采样频率不低于信号最高频率的两倍。共18页92.量 化3.编 码4. 压扩技术5PCM系统的改进由于频带有限，对PCM系统的进一步改进是采用语音压缩编码技术，即低于64kb/s(80008)的语音编码方法，如差分对信号必须使用非均匀量化技术我国采用的PCM通信系统，规定话音频率最高为4000Hz。每秒抽样8000次、量化级为256级，8位编码。因此，每路PCM信号的数据传输速率是8bits800064kb/s。共18页10二、增量调制1、原理增量调制是采用一位二进制数码来表示信号在某一时刻的值相对于前一抽样时刻的值是增大还是减小。脉码调制(DPCM)技术、自适应差分脉码调制(ADPCM)技术和码激励预测编码(CELP)等。使用语音编码本使用相邻两个采样值之差编码共18页112、改进在增量调制中，如果信号波形变化较慢，连续一段时间不会超过一个量阶就会产生所谓的“颗粒噪声颗粒噪声”；如果信号波形变化较快，越过一个量阶，这就是“超载失真超载失真”现象，如图4-7所示。解决超载失真的方法是采用自适应增量调制器，它能根据信号的要求自动改变量阶步幅。只要检测出输出序列有连续4个1或4个0时，步幅便自动改变。当移位寄存器中为4个不同的位时，步幅恢复正常。共18页124.3 用模拟载波传输数字数据用基带数字信号调制载波信号的常用方法有如下几种：幅移键控(Amplitude Shift Keying，ASK)频移键控(Frequency Shift Keying，FSK)相移键控(Phase Shift Keying，PSK)正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)恒幅调制一、幅移键控(ASK)幅移键控就是利用基带数字信号(或信息码元序列)对载波的幅度进行相应调制的方式。当传送的数码为1时，有载波信号发射；为0时，无载波信号发射。共18页13二、频移键控(FSK)频移键控也叫做数字频率调制，它是用基带数字信号对正弦波的频率进行控制的力式。当调制信号为二进制信号时，载波频率就在两个频率之间转换。称为二值频移键控BFSK。FSK信号的产生一般有两种方法：直接调频法和频率转换法。三、相移键控(PSK)相移键控是载波的相位随二进制数据的改变而改变的一种调制方法，它可通过数据信号控制门电路开关以产生不同相位的载波。根据相位与数字数据之间的关系，相移键控又可分为绝对相移键控和相对相移键控两种基本方式。共18页141绝对相移键控在绝对相移键控(PSK)中。PSK信号的相位变化以载波的0相位为参考基准，数据1和0有固定的相位值对应，故称为绝对相移。2相对相移键控相对相移键控又称差分相移键控(DPSK) DPSK利用前后码元信号相位的相对变化来传送数字信号。DPSK相位变化的参考基准为前一个相邻码元的相位，而不固定为载波的0相位。例如，数字信号为0时，载波相位相对于前一码元相位不变；数字信号为1时，载波相位相对于前一码元的相位移动p。3正交相移键控正文相移键控(QPSK)又称4相键控，它是一种四进制传输系统。QPSK有4种相位状态，各对应4种数据：11、01、00和10，QPSK的相邻相位相差90,如图4-12。共18页153正交相移键控四、正交振幅调制(QAM)QAM是一种多进制的混合调幅调相的调制。四进制的4QAM就是QPSK，其它几种进制的QAM见图4-13。图4-14是64QAM的星座图和编码方案。64QAM和256QAM可用于卫星下行数字电视信号的传送。共18页16共18页174.4 用模拟载波传输模拟数据用模拟信号传输模拟数据的传输系统有无线电广播系统、电视微波中继系统、电话用户环路等。模拟调制同样是对载波的振幅、频率或相位进行控制。与数字调制不同的是，模拟调制时这些参数的变化是连续的，而数字调制时这些参数的变化是不同的离散值。一、调 幅二、调 频三、调 相共18页18