第7讲 数据编码与调制技术讲解
数据的编码与调制
数据的编码与调制如前所述，网络中的通信信道可以分为模拟信道和数字信道，分别用于传输模拟信号和数字信号，而依赖于信道传输的数据也分为模拟数据与数字数据两类。
为了正确地传输数据，必须对原始数据进行相应的编码或调制，将原始数据变成与信道传输特性相匹配的数字信号或模拟信号后，才能送入信道传输。
如图6-20所示，数字数据经过数字编码后可以变成数字信号，经过数字调制（ASK、FSK、PSK）后可以成为模拟信号；而模拟数据经过脉冲编码调制（PCM）后可以变成数字信号，经过模拟调制（AM、FM、PM）后可以成为与模拟信道传输特性相匹配的模拟信号。
图6-20 数据的编码与调制示意图6.3.1 数字数据的数字信号编码利用数字通信信道直接传输数字信号的方法，称作数字信号的基带传输。
而基带传输需要解决的两个问题是数字数据的数字信号编码方式及收发双方之间的信号同步。
在数字基带传输中，最常见的数据信号编码方式有不归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码3种。
以数字数据011101001为例，采用这3种编码方式后，它的编码波形如图6-21所示。
1.不归零码（NRZ，Non－Return to Zero）NRZ码可以用低电平表示逻辑“0”，用高电平表示逻辑“1”。
并且在发送NRZ码的同时，必须传送一个同步信号，以保持收发双方的时钟同步。
2.曼彻斯特编码（Manchester）曼彻斯特编码的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”。
曼彻斯特编码的原则是：将每个比特的周期T分为前T/2和后T/2，前T/2取反码，后T/2取原码。
曼彻斯特编码的优点是每一个比特中间的跳变可以作为接收端的时钟信号，以保持接收端和发送端之间的同步。
3.差分曼彻斯特编码（Difference Manchester）差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进，其特点是每比特的值要根据其开始边界是否发生电平跳变来决定，若一个比特开始处出现跳变则表示“0”，不出现跳变则表示“1”，每一位二进制信号中间的跳变仅用做同步信号。
数据编码和调制
数字数据编码信号的波形
0
0
1
1
0
1
H
L (a) 不归零码(NRZ)
H
L (b) 曼彻斯特编码
H
L (c) 差分曼彻斯特编码
曼彻斯特编码的波形所占的频带的宽度比原始的基带信号增加一倍。
位同步
外同步法：一路数据信号 + 一路同步时钟信号
内同步法：从自含时钟编码的发送数据中提取同步时钟的方法。比如：
非归零码NRZ
曼彻斯特（manchester）编码
差分曼彻斯特（difference manchestNRZ
• 整个码元时间内保持有效电平；两种极性（正 和负）的电压脉冲，一种极性表示1，一种极 性表示0。
• NRZ码的缺点是如果信号中一长串“1”与“0” 时， 意味电压在一个连续的时间段内没发生变化， 如果发送方接受方的时钟不能精确一致，就可 能导致接收方错误的解码。即无法判断一位的 开始与结束，收发双方不能保持同步。
3. 差分曼彻斯特（difference manchester）编码
差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。 差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码不同点主要是： • 每比特的中间跳变仅做同步之用； • 每比特的值根据其开始边界是否发生跳变来决定; • 一个比特开始处出现电平跳变表示传输二进制0,不
发生跳变表示传输二进制1。
曼彻斯特编码，差分曼彻斯特编码。 NRZ
数据编码和调制
几种最基本的调制方法 P38
• 基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至 有直流成分，而许多信道并不能传输这种低 频分量或直流分量。为了解决这一问题，就 必须对基带信号进行调制(modulation)。
数据编码和调制
数据的编码和调制
2.1 数据通信的基本概念
2.1.2 数据通信系统的组成
信息的传递是通过通信系统来实现的。图2-3所示是通信系 统的模型，共有5个基本组件:发送机、发送设备、信道、接 收设备和接收机。其中，把除去两端设备的部分叫做信息传 输系统，如图2-4所示。信息传输信系统由5个主要部分组 成:信源(发送机)、信宿(接收机)、信道、信号变换器、噪 声源。
1.物理信道和逻辑信道 物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路，它由传输介
质及有关通信设备组成。逻辑信道也是网络上的一种通路， 在信号的接收和发送之，还在结点内部实现了其他“连 接”，通常把这些“连接”称为逻辑信道。因此，同一物理 信道上可以提供多条逻辑信道，而每一逻辑信道上只允许一 路信号通过。
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2.1 数据通信的基本概念
2.1.1 数据、信息和信号
数据通信的目的是交换信息，信息的载体可以是数字、文字、 语音、图形或图像等，计算机产生的信息一般是数字、文字、 语音、图形或图像的组合。为了传送这些信息，首先要将数 字、文字、语音、图形或图像用二进制代码的数据(数字数据) 来表示。因此，在数据通信技术中，信号(signal)、信息 (information)与数据(data)是十分重要的概念。
并行传输的传输速率高，适用于近距离、要求快速传输数据 的地方。在传输距离较远时，一般不采用并行传送方式，因 为并行传输各数据线间容易受电磁干扰而导致数据传输错误， 而且随着线路的增长，错误也会增加。串行传送的传输速率 虽然低，但可以节省通信线路的投资，是网络中普遍采用的 方式。
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2.2 数据通信方式
3.信号变换器 信号变换器的作用是将信源发出的信息变换成适合在信道上
传输的信号。对应不同的信源和信道，信号变换器有不同的 组成和变换功能。发送端的信号变换器可以是编码器或调制 器，接收端的信号变换器相对应的就是译码器或解调器。
《调制技术》PPT课件_OK
的带通信号。带通信号叫做已调信号，而基带
信号叫做调制信号。调制可以通过使高频载波
随信号幅度的变化而改变载波的幅度，相位或
者频率来实现。
解调则是将基带信号从载波中提取出来以便预定
的接收者（信宿）处理和理解的过程。
调制
3
移动通信调制解调技术特点
• 移动通信面临的无线信道问题
多径衰落、干扰(自然人为ISI)、频率资源有限
DPSK发射机框图及相关波形
“1”，不
同传“0”
第7章 信道编码与调制技术new
最小码距与检错纠错能力间的关系
7.1 常用术语
l A e
检错e
l B d0 A t d0
纠错t
B
t
e
A t d0 t
纠错t + 检错e
B
7.2
差错控制原理及信道编码的分类
7.2.1 信道编码的作用
7.2.2 信道模型
7.2.3 差错控制编码的方式 7.2.4 纠错码的分类
7.2.1 信道编码的作用
7.2.1 信道编码的作用
信道编码的一般要求
其中，最主要的可概括为两点：其一，附加 一些数据信息以实现最大的检错纠错能力，这就 涉及到差错控制编码原理和特性。其二，数据流 的频谱特性适应传输通道的通频带特性，以求信 号能量经由通道传输时损失最小，因此有利于载 波噪声比(载噪比，C/N)高，发生误码的可能性 小。
传输 通道
数字 声音
附加 数据
加性噪声 干扰、多径
附加 数据
数字 声音
信源编码的目的是提高信源的效率，去除冗余度，但在信
源编码的过程中，并未涉及到符号的波形，即承载信息的符号
必须转变成具体的波形才能在信道中传输。但并不是所有的波 形都适合在信道中传输，因为不同的波形有不同的频率特性。
一般的传输通道的传输带宽总是有限的，超过此界限就不能进
生错误，并最大程度的改正传输中出现的错误。
波形编码+差错控制编码--信道编码。
数字电视为什么采用信源编码和信道编码？
信源编码：提高有限带宽的利用率; ※预测编码 ※统计编码 ※JPEG编码 ※MPEG编码……..
信道编码: 提高传输可靠性,使传输的图像信号适应传输信道对 频率特性的要求，抑制信道噪声对信号的干扰。 由于数字信号具有很复杂的频率成分，频率特性也很不相 同，直接传输会产生误码，降低可靠性。信道编码就是针对这 种情况而提出的。 ※伪随机序列进行扰码 ※奇偶校验码 ※卷积交织码 ※里德-所罗门码……..
数据的编码与调制
数据的编码与调制如前所述，网络中的通信信道可以分为模拟信道和数字信道，分别用于传输模拟信号和数字信号，而依赖于信道传输的数据也分为模拟数据与数字数据两类。
为了正确地传输数据，必须对原始数据进行相应的编码或调制，将原始数据变成与信道传输特性相匹配的数字信号或模拟信号后，才能送入信道传输。
如图6-20所示，数字数据经过数字编码后可以变成数字信号，经过数字调制（ASK、FSK、PSK）后可以成为模拟信号；而模拟数据经过脉冲编码调制（PCM）后可以变成数字信号，经过模拟调制（AM、FM、PM）后可以成为与模拟信道传输特性相匹配的模拟信号。
图6-20 数据的编码与调制示意图6.3.1 数字数据的数字信号编码利用数字通信信道直接传输数字信号的方法，称作数字信号的基带传输。
而基带传输需要解决的两个问题是数字数据的数字信号编码方式及收发双方之间的信号同步。
在数字基带传输中，最常见的数据信号编码方式有不归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码3种。
以数字数据011101001为例，采用这3种编码方式后，它的编码波形如图6-21所示。
1.不归零码（NRZ，Non－Return to Zero）NRZ码可以用低电平表示逻辑“0”，用高电平表示逻辑“1”。
并且在发送NRZ码的同时，必须传送一个同步信号，以保持收发双方的时钟同步。
2.曼彻斯特编码（Manchester）曼彻斯特编码的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”。
曼彻斯特编码的原则是：将每个比特的周期T分为前T/2和后T/2，前T/2取反码，后T/2取原码。
曼彻斯特编码的优点是每一个比特中间的跳变可以作为接收端的时钟信号，以保持接收端和发送端之间的同步。
3.差分曼彻斯特编码（Difference Manchester）差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进，其特点是每比特的值要根据其开始边界是否发生电平跳变来决定，若一个比特开始处出现跳变则表示“0”，不出现跳变则表示“1”，每一位二进制信号中间的跳变仅用做同步信号。
编码与调制技术
The rate at which signal elements are transmitted
信号频谱Signal spectrum:
缺少高频成分的信号意味着传输需要较小带宽。
带有直流成分的信号必须与各传输元件直接物理接触， 无直流(DC)成分的信号可以利用比如变压器等交流耦合 ,它提供了很好的电气隔离,减少了干扰，因此缺少直流 成分的信号是理想的。
Clocking
Synchronizing transmitter and receiver External clock Sync mechanism based on signal
Comparison of Encoding Schemes (2)
Error detection
Can be built in to signal encoding
Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L)
Two different voltages for 0 and 1 bits Voltage constant during bit interval
no transition I.e. no return to zero volபைடு நூலகம்age
Some codes require signal rate greater than data rate
Key Data Transmission Terms
Term
Data element
Bits
Units
Data rate
Bits per second(bps )
单元10-任务3 了解数据编码和调制
10.3.3 了解数据的数字信号编码
在基带传输时，需要解决数字信号的编码方法以及信号同步。 数字数据编码方式主要有 3 种：不归零码、曼彻斯特编码和差分曼特斯特编码，
10.3.3 了解数据的数字信号编码
※ 1. 不归零码
不归零码是在发送“0”或“1”时，在一码元时间内，不会返回初始状态(零)。 当连续发送“1”或者“0”时，上一码元与下一码元之间没有间隙，接收方和发送方无法保持同步。 如图所示单极性不归零码和双极性不归零码。
采样
以采样频率把模拟信号 的值采出，如图所示。
量化
使连续模拟信号变为时间轴上 的离散值。如在图中采用了8个 量化级，每个采样值用3位二进
制数表示。
编码
将离散值变成一定位数的 二进制码，如图所示。
10.3.3 了解数据的数字信号编码
数字信号可以直接采用基带传输。 基带传输就是在线路中直接传送数字信号的电脉冲，是一种最简单的传输方式。 近距离通信的局域网都采用基带传输。 基带传输时，需要解决的问题是：数字数据的数字信号表示，以及收发两端之间的信号同步。 数字数据的编码方式主要有3种：不归零码、曼彻斯特编码和差分曼特斯特编码。
10.3.2 了解数据的模拟信号调制
※ 1. 采样
按一定间隔，对语音信号采样，通过某种频率，取样脉冲，将模拟信息值取出，变连续模拟信息为离散信 号。
10.3.2 了解数据的模拟信号调制
※ 2. 量化
使连续模拟信号变为时间轴上的离散值。确定采样出模拟信号数值。通过一定量化级，对取样离散值进行 “取整”量化，得到离散信号具体数值。如在图中采用了8个量化级，每个采样值，用3位二进制数表示。
10.3.2 了解数据的模拟信号调制
在电话系统中，将模拟话音，编码成数字信号后再传输，称脉冲编码调制（Pulse Code Modulation， PCM）技术。PCM是模拟信号转换为二进制数脉冲的技术，在光纤通信、数字微波通信中获得广泛应用。
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2、量化
使连续模拟信号变为时间轴上的离散值
7 6 5 4 3 2 1 0
3、编码
将离散值变成一定位数的二进制码
练习6
一个数字化语音系统，将声音分为128个量化 级，用一位比特进行差错控制，采样频率为 8000次/s，则一路话音的数据传输率？
（1）128个量化级，表示的二进位制位数为7 位，加一位差错控制，则每个采样值用8位表
1、不归零码（NRZ）
二进制数字0、1分别用两种电平来表示；常用－ 5V表示1，＋5V表示0；
缺点：
存在直流分量，损坏连接点的表面电镀层，传 输中不能有变压器或电容；
不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。
2、曼彻斯特编码
每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时 钟信号，又作数据信号；从高到低跳变表示 “1”，从低到高跳变表示“0”
0100010110
NRZ
Differential Manchester
练习4
画出数字信号01011001的Manchester和Differential Manchester编码0 。 1 0 1 1 0 0 1
数字信号
Manchester
Difference Manchester
练习5
在Manchester coding 编码中信息速率与码元速 率有什么关系？
信息速率是码元速率的1/2 因些需要双倍的传输带宽
三ห้องสมุดไป่ตู้模拟数据的数字信号传输
模拟数据的数字化主要通过脉冲码调制技术（ Pulse Code Modulation, PCM）来实现。
PCM工作包括采样、量化及编码三部分操作。 ⑴.采样:采样是在一定的时间间隔内，将模拟信号
的电平幅值取出作为样本，代表这一区间原信号 的幅值。 ⑵.量化:量化就是把采样所得的信号幅值按转换器 的量级分级取整。 ⑶.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。
第6讲 数据编码与调制技术
本讲内容
数字数据的模拟信号传输 数字数据的数字信号传输 模拟数据的数字信号传输
一、数字数据的模拟信号传输
数字数据的模拟信号传输是借助于载波信号实现的。载波是 频率和幅值固定的周期信号，通常是正（余）弦周期信号。
载波的正（余）弦信号可用下列公式表示： u（t）=umsin(ωt+φ )
载波u（t）中有三个参量：振幅um、角频率ωt及相位φ 。 可以通过改变三个参量的方法实现模拟数据信号编码。 1、调幅AM(Amplitude Modulation)或ASK（Amplitude
Shift Keying） 2、调频FM(Frequency Modulation)或FSK（Frequency
三、模拟数据的数字信号传输
现在的数字传输系统均采用脉冲调制 PCM （Pulse Code Modulation） 。 1. 采样 2. 量化 3. 编码 练习5
1、采样
采样：以采样频率Fs把模拟信号的值采出 采样定理：采样频率≥原始信号频率的2倍或带
宽的2倍 Fs≥2Fmax或Fs≥2H
Shift Keying） 3、调相PM(Phase Modulation)或PSK（Phase Shift
Keying） 练习3
载波
由于模拟信号是具有一定频率的连续的波形， 称为载波可以用Asin(2πft+ø)或 Acos(2πft+ø)表示
幅度 y
1
y=sinx
周期2
o
2
最常用的数字信号编码方法有不归零编码（NRZ)、曼彻 斯特（Manchester）编码等。
1、不归零码 Non-Return Zero,NRZ 2、曼彻斯特编码Manchester coding 3、差分曼彻斯特编码Differential Manchester coding 4、交替反转编码AMI 5、4B/5B编码 6、8B/10B编码 练习4 练习5
NRZ
0100010110
Manchester
每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化
提取出来作为同步信号。这种编码也称为自同步 码（Self-Synchronizing Code）。 缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据 速率的2倍）。
3、差分曼彻斯特编码
Differential Manchester coding：每位中间 的跳变仅提供时钟定时，而用每位开始时有无 跳变来表示数据信号，有跳变为“0”，无跳 变为“1”。
调制
数字数据，数字信号
数字
数字
1010
数字编码
练习7：编码与调制的区别
编码：用数字信号承载数字或模拟数据 调制：用模拟信号承载数字或模拟数据
示（2）数据传输率：8000次/s×8位＝64kbit/s
电话线路的频率范围在300～ 3400Hz，则带宽不超过4000HZ， 所以采样频率为8000次/s
课堂小结：模拟传输和数字传输
模拟数据，模拟信号
话音
模拟
移频,调制
模拟数据，数字信号
模拟
数字
PCM编码
数字数据，模拟信号
数字 1010
模拟
2
-1
3
2
x
2
y=sin(x+)，相位为
1、调幅
0100010110
数字信号 调幅信号
2、调频
0100010110
数字信号 调频信号
3、调相
0100010110
数字信号 调相信号
练习3
画出数字信号01001101的三种调制方法 的波形图。
二、数字信号的编码技术
数字信号在传输中虽然不需要调制，但却要经过一定的编 码才能传输，经过编码的数字信号一般具有便于识别、自 带时钟同步、传输效率更高等特点。