第五讲 物理层之二：数据编码技术

模拟到数字的转换（过程）
PAM sampler
Quantizer
Encoder
时间连续 幅值连续的 (模拟)输入信号
时间离散 幅值连续的 信号(PAM脉冲)
时间离散 幅值离散的 信号(PCM脉冲)
数字比特流 输出信号
PAM, pulse amplitude modulation PCM, pulse code modulation
四、模拟数据，模拟信号
• 调制解调 将一个输入信号m(t)与频率为fc的载波结合以便产 生一个带宽以fc为中心的信号s(t)的过程。
• 为什么对数字数据进行调制解调？ 只有模拟传输设施可用。
• 为什么模拟数据进行调制解调？ 为了有效传输需要高频 调制可允许频分多路复用
•解决一长串“1”或“0”问题的方式
插入额外的位，强制信号变换 这种技术可用于相对较低速率的传输。如ISDN。
扰码(scrambling)技术 这种技术用于数据传输速率很高的情况。
•多级二进制的缺点
效率不如NRZ编码
线路信号取三级中的 一个，每个信号元素 可表示log23=1.58个 信息位，但仅承担一 个信息位。
• NRZ的缺点 存有直流分量 缺少同步能力
2.多级二进制
• 多级二进制编码技术
采用的信号级别多于两个。
• 双级AMT
(bipolar-AMT,bipolar-alternate mark inversion) 0 = 线路上无信号； 1 = 用正或负脉冲表示。前后脉冲必须在极性上交替。
• 伪三进制(pseudoternary)
量化值与原样值的幅度差别。
量化误差e(t)＝(量化值)－(样值)
样值信号量化及脉冲代码波形
fs(t)
fs(t)
6.4
3.8 2.6
6.6
5.6
4.6
f(t)
5.5
fs’(t)
4
6
3
PAM 脉冲
6
7
5
6
100
011
110
110
111
fs’(t) ：量化样值信号函数
101
110 PCM
脉冲
PCM输出：100011110110111101110
= “1”
• 差分PSK(Differential PSK)
如：0 = “0”
前后信号相位之间的移动表示数字信息。 = “1”
三、模拟数据，数字信号
• 数字化 将模拟信号转换成数字信号的过程。
• 编码解码器(CODEC，Coder-Decoder) 将模拟数据转换成数字形式，随后又从数字形式恢复成 原始模拟数据的设备。
位中间的变换仅用作时钟。 如： 0 = 位时间开始时存在变换 1 = 位时间开始处无变换
01 0 01 1 00 01 1
曼氏 差分曼氏
•双相的缺点 最大调制速率是NRZ的两倍， 这就意味着带宽要求更大。
•双相的优点
同步 在每一位时间内有预期 的变换，接收器可在该 变换同步。
差错检测 缺少预期的变换可 用来检测错误。
0 = 用正或负脉冲表示。前后脉冲必须在极性上交替。 1 = 线路上无信号；
01 0 01 1 00 01 1 双极AMI
伪三进制
•多级二进制优点 如果发生一长串“1”(双极AMI)或“0”(伪三进制)不会 丢失同步信号； 因为1或0信号在电压上正负交替因此不存在网 络直流分量； 脉冲交替改变的特性提供了差错检测的简单手段；
f(t)
连续信号的抽样和抽样波形
原始
s(t)
信号
Ts
抽样
fs(t)
脉冲
fs(t)
6.4
6.6
f(t)
3.8
5.6
4.6
5.5
2.6
PAM 脉冲
•量化
量化
量化级
把样值信号的无限多 个可能的取值，近似 地用有限个数的数值 来表示。
量化误差
把样值信号的瞬时幅度 分成许多度量单位，一 个度量单位称为一个量 化级，用量化级的大小 来表示瞬时样值。
Analog data (ASK)
1.脉冲编码调制(PCM，Pulse Code Modulation)
• 采样定理： 如果在规定的时间间隔内，以高于两倍最高有效信号频率 的速率对信号f(t)进行采样的话，那么这些采样值包含了原 始信号的全部信息。利用低通滤波器可从这些采样中更新 构造出函数f(t)。
接收器必须区分三个信号 (+A，－A，0)，而不是 NRZ中的二级。
3.双相(biphase)
•曼彻斯特(Manchester)
•差分曼彻斯特
在每一位时间的中间有一个 变换，位中间变换既可用作 时钟机制，又可用作数据。
如：1 = 从低变到高 0 = 从高变到低
(Differential Manchester)
3.增量调制(DM，Delta Modulation)
用差值编码进行通信的方法。 即模拟输入信号用一个楼梯函数近似表示，该函数 在每个抽样间隔(Ts)内上或下一个量化级(δ)
要求相邻两个样值之间的变化不大
4.改进方法
用前面几个值来预测即将到达的下一个值，然后对实 际值和预测值的差进行编码。
要求：收发双方采用相同的预测算法。
1.不归零(NRZ，Nonreturn to Zero)
• 不归零 在一位间隔(时间)内信号没有变换(即没有返回到0电压)。
• 不归零级 (NRZLevel) 用正、负电压表 示两个二进制位。
• 不归零反转 (NRZInverted)
在一位时间内维持一常 量电压脉冲。
如：0＝高电压 1＝低电压
如：0 = 没有变换
2.差分调制(Differential PCM)
数字化后输出的不是数字化的幅度本身，而是当前值和 前一个值的差。
• 基本思想 对前后信号的变化差值进行量化和编码，而不是对样 值本身独立进行编码。在保持相同量化级的条件下， 差值编码所需的码位个数可减少，而传送差值同样可 传送该样值信号的幅度信息。
例如：采用128个量化级，则需7位； 如果：前后号的变化差值小于16，则只需5位。
数字 二进制
0
000
1
001
2
010
3
011
4
100
5
101
6
110
7
111
脉冲代码波形
量化误差与量化级的关系 原始样值幅度越大，量化级设定越小，不 但量度更精度，产生的量化误差愈小。
改进方法 非线性编码(nonlinear encoding)、非均匀量化： 实际上，这种技术的意义是量化级不等分。
等分： 不管信号的幅度大小，每个采样的绝对误差是同样的。
•编码
编码
编码处理使离散的量化 样值成为合适的二进制 数字码组。
解码
把数字信号码组变 换成相应的电压或 电流量，恢复成原 量化的样值信号。
实现
在二进制码中，由n位代码可组成2n个不同的码字 ，表示量化信号可有2n个不同的数值。 n越大，在相同的编码信号范围内，其量化级的 值就愈小量化就愈精细，
2.频移键控(FSK, Freqaency-Shift Keying)
在FSK方式下， 载波的频率随数字信号改变，而载波的幅 度保持恒定。 调制操作等价于重叠两个单独ASK调制器的输出。
例如 在语音级线路上使用FSK进行全双工操作。 •在一个方向上，通过频率为300～1700Hz的信号并使用1170 为中心频率，两边各有100Hz的shift表示1和0； •在另一个方向上，通过频率为1700～3000Hz的信号并使用 2125为中心频率，两边各有100Hz的shift表示1和0。
1 = 在一位时间的 开始处变换(低到 高或高到低)
• 差分编码(differential encoding) 在这种方式中，信号的解码通过比较相邻信号的极性 进行，而不是通过确定信号的 绝对电压值来进行。
• 信号的极性
极性(polar) 如果用正电压表示 一个逻辑状态，而 用负电压表示另一 个逻辑状态，则称 信号是有极信的。
•编码与调制
x(t)
g(t)
x(t)
g(t)
Encoder
Decoder
digital or
digital
t
analog
s(t)
m(t)
s(t)
m(t)
Modulator
Demodulator
digital or
analog
analog
t
fc
一、数字数据编码
•影响数据成功接收的重要因素
信噪比 数据速率 带宽 编码模式
+00000000 000+-0 -+
-00000000 000-+0+-
• 高密度双极3零(HDB3,High-density bipolar-3 zeros)
每4个0被包含 1~2个脉冲的序 列置换。
前次置换后的脉冲数 奇数 偶数
-0000 000- +00+
+0000 000+ -00-
•评估或比较不同编码技术
信号频谱 时钟 差错检测
接收器必须了解 每一位的时间
信号干扰和噪声抗扰性
成本和复杂性
•数字信号的编码格式
不归零
NRZ-L NRZI
多级二进制 Bipolar_AMI Pseudoternary
双相
Manchester Differential Manchester
扰码
B8ZS HDB3
•编码模式
Analog data, analog signal Telephone
Analog data, digital signal CODEC