数据的编码与调制
无线通信技术中的编码与调制
无线通信技术中的编码与调制无线通信是一种通过无线电波传输信息的技术，而编码与调制则是在无线通信中至关重要的一部分。
编码与调制的目的是将数字信号转换为适合在无线信道上传输的模拟信号。
本文将详细探讨无线通信技术中的编码与调制，包括原理、步骤以及使用中的考虑因素等。
一、编码的原理和步骤编码是将数字信号转换为模拟信号的过程。
编码的原理可以简单概括为将数字信号映射到一组合适的模拟波形上。
编码有许多种方法，常见的编码方法包括曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码、振幅移移键控(ASK)编码、频移键控(FSK)编码、相移键控(PSK)编码等。
编码的步骤如下：1. 确定所需的编码方法。
根据传输的要求和通信系统的特性，选择适当的编码方法。
2. 将数字信号转换为基带信号。
将数字信号转换为适合进行编码的基带信号，通常是将数字信号转换为二进制信号。
3. 进行特定编码方法的映射。
根据选择的编码方法，将基带信号映射到模拟波形上，生成模拟信号。
二、调制的原理和步骤调制是将编码后的模拟信号转换为适合在无线信道上传输的信号的过程。
调制的原理是通过改变模拟信号的某些特性，如振幅、频率或相位，来实现信号的传输。
调制有许多种方法，常见的调制方法包括幅度调制(AM)、频率调制(FM)、相位调制(PM)等。
调制的步骤如下：1. 确定所需的调制方法。
根据通信系统的要求和信道的特性，选择适当的调制方法。
2. 将模拟信号进行调制。
通过改变模拟信号的某些特性，如振幅、频率或相位，将模拟信号进行调制，生成调制信号。
3. 将调制信号传输至无线信道。
将调制信号通过无线设备传输至无线信道，进而传输至接收端。
三、使用中的考虑因素在实际应用中，编码与调制需要考虑以下因素：1. 带宽效率。
编码与调制方法应尽可能提高带宽效率，即在有限的频谱资源下，能够传输更多的信息。
2. 抗噪声性能。
编码与调制方法应具有较好的抗噪声性能，能够在存在信道噪声的情况下保持信号的可靠传输。
3. 多路复用能力。
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
信道编码和调制之间有什么联系？
信道编码和调制之间有什么联系？一、信道编码和调制的定义和作用1. 信道编码：信道编码是指根据信源特点，对信息进行编码操作。
它将源码转换为信道码，增加冗余部分以提高传输可靠性。
2. 调制：调制是指将数字信号转换为模拟信号，在传输过程中经过媒介传播。
调制技术能够将数字信号转变为适合传输媒介的模拟信号，实现信号的传输和复原。
二、信道编码和调制的联系1. 传输方式相同：信道编码和调制都是为了将信息从发送端传输到接收端。
它们共同关注信号在传输过程中的可靠性和准确性。
2. 互相影响效果：信道编码的好坏会对调制的效果产生影响。
优秀的信道编码可以提高信号的抗干扰能力和纠错能力，有助于提高调制解调器的性能。
3. 适用场景不同：信道编码主要应用于数字通信系统中，而调制主要应用于模拟通信系统中。
但在现代通信系统中，数字信号经过信道编码后，再进行调制传输，以提高抗噪声和容错性能。
4. 理论基础相同：信道编码和调制都依赖于信息论的研究。
信息论是研究信息传输和数据压缩的数学理论，为信道编码和调制提供理论支持和指导。
三、信道编码对调制的影响1. 信号完整性：信道编码能够增加冗余信息，提高信号完整性。
通过冗余信息的添加，当信号在传输过程中发生部分损坏时，仍然可以恢复原始信息。
2. 抗干扰能力：信道编码可以增加信号的抗干扰能力，提高系统的可靠性。
在噪声环境中，信道编码可以利用冗余信息进行均衡，减小噪声的影响。
3. 纠错能力：优秀的信道编码可以实现纠错传输。
通过引入差错检测和纠正技术，即使在信号发生错误的情况下，也可以恢复出原始信息。
四、调制对信道编码的要求1. 低误码率：调制技术需要保证传输过程中的低误码率，以确保信号能够被准确恢复。
选择合适的调制方式和参数对于提高系统的传输质量至关重要。
2. 带宽利用率：调制技术需要充分利用有限的带宽资源。
通过合理选择调制方式和调制参数，可以提高带宽利用率，实现高速率的数据传输。
3. 抗干扰能力：调制技术需要具备一定的抗干扰能力，以应对复杂的通信环境。
9 数据编码与调制技术
学
过
程
及
设
计
教学
环节
教学内容与设计
教学
方式
时间
新课
引入
目前ADSL上网的数据传输系统为例，由学生思考通信系统数据具体传输过程。围绕“数字化”展开：
（1）数字信号在模拟信道上传输
（2）数字信号的直接传输
（3）模拟信号的数字化
提问
5
知识
讲解
数据通信系统的传输数据的四种形式
讲授
10
难点
分析
处理
数字数据的编码技术
总结：一曲线由无数点组成，点数取得越多，则曲线越逼真。相应的量化级增高，编码量增大，传输的数据量增大。
讲授
25
课堂
练习
练习画出数字信号01001101的三种调制状态的波形图
练习
15
6S管理
与考核
安排学生值日；考核学生上机态度；
检查学生实践作业；
设备整理、归位、保养。
检查
全程
课堂
小结
调制技术的三种方法，三种编码方法的特点，比较相应的区别。
总结
5
课外习题
调制技术的三种方法，三种编码方法的特点，比较相应的区别。
课外拓展
训练
4B/5B编码与8B/10B编码的特点，
4B/5B编码用于FDDI，8B/10B编码用于Gigabit以太网，光纤通信
课后小结
说明
分析
提问
总结
25
课堂
练习
练习4.给出01011001信号的三种编码方法
练习
5
知识
讲解
模拟信号的数字化
三个步骤：
a)采样
b)量化
第7讲 数据编码与调制技术讲解
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
调制 编码 解调 译码过程
调制、编码、解调、译码的过程大致如下：
编码：在发送端，原始数据通常以二进制形式存在。
为了在传输过程中保持数据的完整性，通常会对这些数据进行编码。
编码过程可能包括添加校验位、对数据进行加密等。
调制：在发送端，编码后的数据需要通过某种方式转换成适合在信道上传输的信号。
这个过程称为调制。
调制的方式有很多，如QAM（Quadrature Amplitude Modulation，四相位幅度调制）、QPSK（Quadrature Phase Shift Keying，四相位偏移键控）等。
传输：经过调制后的信号通过信道进行传输。
在这个过程中，可能会受到各种噪声和干扰的影响。
解调：在接收端，首先需要对接收到的信号进行解调，将其从信道上解调下来，还原成原始的信号。
译码：解调后的信号还需要进行译码，将编码后的数据还原成原始的二进制数据。
以上就是调制、编码、解调、译码的基本过程。
这个过程通常用于数字通信系统中，如无线通信、卫星通信等。
简述数字通信系统的组成
简述数字通信系统的组成
数字通信系统通常由以下几个部分组成:
1. 数据编码和调制:数字通信系统中,数据被编码和调制到信号中,以便在传输过程中进行传输和处理。
编码和调制的主要目的是产生传输数据的压缩和优化。
2. 信道:信道是数字通信系统中的一个重要组成部分。
在信道中,数据传输过程中产生的噪声、干扰、失真等都会对数据的准确性和完整性产生影响。
因此,数字通信系统需要对信道进行适当的控制和滤波,以保证数据传输的质量和可靠性。
3. 数字信号处理:数字通信系统需要对数字信号进行适当的处
理和变换,以使其适合传输和处理。
数字信号处理包括信号编码、调制、解调、滤波、采样和量化等。
4. 数字通信协议:数字通信系统中的协议是指一组标准和方法,用于控制数据传输的格式、数据结构、错误检测和纠正等内容。
常见的数字通信协议包括TCP/IP、HTTP、HTTPS、FTP、SMTP等。
5. 数字通信设备:数字通信系统需要配备相应的数字通信设备,如路由器、交换机、防火墙、调制解调器、数字信号处理器等。
这些
设备的作用是支持数字通信系统的运行和实现数据传输和处理。
数字通信系统需要数据编码、调制、信道控制、数字信号处理、数字通信协议和数字通信设备等多个组成部分相互协作,以实现数据的高效、可靠、安全传输。
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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。
差分曼彻斯特编码和曼彻斯特编码都属于“自带时钟编码”，发送它们时不需要另外发送同步信号。
图6-21 数字数据的编码方式
6.3.2 数字数据的模拟信号调制
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300～3400Hz的模拟信号，不能直接传输数字数据。
为了利用廉价的公共电话交换网实现计算机之间的远程数据传输，就必须首先利用调制解调器将发送端的数字数据调制成能够在公共电话网上传输的模拟信号，经传输后在接收端再利用调制解调器将模拟信号解调成对应的数字数据。
在调制过程中，首先要选择一个频率为f的正（余）弦信号作为载波，该正（余）弦信号可以用Asin（2πft＋φ）表示，其中A代表波形的幅度，f代表波形的频率，φ代表波形的初始相位。
通过改变载波的这三个参数，就可以表示数字数据“0”或“1”，实现调制的过程。
在图6-22中，显示了对数字数据“010110”使用不同调制方法后的波形。
1.幅移键控（ASK，Amplitude Shift Keying）
ASK是通过改变载波信号的幅度值来表示数字数据“1”和“0”的，用载波幅度A1表示数据“1”，用载波幅度A2表示数据“0”（通常A1取1，A2取0），而载波信号的参数f和φ恒定。
2.频移键控（FSK，Frequency Shift Keying）
FSK是通过改变载波信号频率的方法来表示数字数据“1”和“0”的，用频率f1表示数据“1”，用频率f2表示数据“0”，而载波信号的参数A和φ不变。
3.相移键控（PSK，Phase Shift Keying）
PSK是通过改变载波信号的初始相位值φ来表示数字数据“1”和“0”的，而载波信号的参数A和f不变。
PSK包括绝对调相和相对调相两种类型：
（1）绝对调相
绝对调相使用相位的绝对值，φ为0表示数据“1”，φ为π表示数据“0”。
（2）相对调相
相对调相使用相位的偏移值，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π。
图6-22 数字数据的调制方法
6.3.3 模拟数据的数字信号编码
由于数字信号具有传输失真小、误码率低、传输速率高等优点，因此常常需要将语音、图像等模拟数据变成数字信号后经计算机进行处理。
脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）是将模拟数据数字化的主要方法，它在发送端把连续输入的模拟数据变换为在时域和振幅上都离散的量，然后将其转化为代码形式传输。
脉冲编码调制一般通过抽样、量化和编码3个步骤将连续的模拟数据转换为数字信号，如图6-23所示。
1.抽样
模拟信号是电平连续变化的信号。
每隔一定的时间间隔，采集模拟信号的瞬时电平值作为样本，这一系列连续的样本可以表示模拟数据在某一区间随时间变化的值。
抽样频率以奈奎斯特抽样定理为依据，即当以等于或高于有效信号频率两倍的速率定时对信号进行抽样，就可以恢复原模拟信号的所有信息。
2.量化
量化是将抽样样本幅度按量化级决定取值的过程，就是把抽样所得的样本幅值和量化之前规定好的量化级相比较，取整定级。
显然，经过量化后的样本幅度为离散值，而不是连续值。
量化级可以分为8级、16级或者更多级，这取决于系统的精确度要求。
为便于用数字电路实现，其量化级数一般取2的整数次幂。
图6-23 脉冲编码调制的3个步骤
3.编码
编码是用相应位数的二进制代码表示已经量化的抽样样本的级别。
比如，如果有256个量化级，就需要使用8个比特进行编码。
经过编码后，每个样本都由相应的编码脉冲表示。
6.3.4 模拟数据的模拟信号调制
在模拟数据通信系统中，信源产生的电信号具有比较低的频率，不宜直接在信道中传输，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。
模拟数据的模拟调制技术主要包括调幅AM、调频FM和调相PM三类。