数据通信技术课件-第2章.ppt

第2章数据编码 2 1数据编码概述2 2数字 数字编码2 3模拟 数字编码2 4数字 模拟编码2 5模拟 模拟编码2 6扩频编码2 7差错控制编码2 8数据压缩2 9加密和解密 2 1数据编码概述 2 1 1数据的编码与调制在第1章中说明了模拟数据和数字数据之间 以及模拟信号与数字信号之间的区别 这两种形式的数据都可以编码成两种形式的信号 模拟信号传输的基础是载波 它是一个恒定的连续的正弦波信号 信号经过调制后可以用载波信号发送 2 1 2数据的差错控制编码数据编码不仅涉及到编码技术 还涉及调制技术 这些技术是信息传输必不可少的 尽管如此 它们都不足以保证数据传输的安全和完整 2 1 3数据的加密和解密在数据传输过程中 虽然采取差错控制保证了数据的完整性 但另一个潜在的危险问题就是非法的信息或未授权接收 2 1 4数据压缩随着通信技术与计算机技术的发展 大量的新应用不断涌现 需要建立更加廉价的数据发送方法 1 格式编排数据格式编排不必通过网络传输 数据压缩可将一个常用表格移去格式编排 这种格式编排用到大量的冗余数据 而接收设备又可以容易地重新编排数据 将各个数据域放在表格中相应的位置上 这种表格是驻留在接收设备的存储器中的 2 冗余数据冗余数据可以很轻易地由发送器标识并传送到接收器 这种方法也称为串编码 可以产生多达4 1的压缩比 有时也称为游程编码 3 常用字符通过使用标识符和一个小的位集 很容易标识这些常用字符 并对其进行压缩 哈夫曼编码就属于这类编码 可以实现2 1或4 1的压缩比 4 常用字符串常用字符串也可以以缩略的形式标识传输 这种方法依赖于在一个特定字符后面的字符出现的概率 马尔可夫信源就是利用这种技术 2 2数字 数字编码 1 单极性不归零编码 NRZ 单极性不归零编码是最简单 最基本的编码 它只使用一个电压值 0和 表示数据信息 2 单极性归零编码 RZ 单极性归零编码对于数据 1 对应一个 脉冲或 脉冲 脉冲宽度比每位传输周期要短 即每个脉冲都要提前回到零电位 对于数据 0 则不对应脉冲 仍按0电平传输 3 双极性不归零编码 NRZ 双极性不归零编码对于数据 1 用 E或 E电平传输 对于数据 0 用 E或 E电平传输 如数据通信中使用的RS 232接口就采用这种编码传输方式 其特点基本上与单极性不归零编码相同 4 双极性归零编码 RZ 双极性归零编码对于数据 1 用一个 E或 E电平传输 对于数据 0 用 E或 E电平传输 且相应脉冲宽度都比每位数据所需传输周期要短 对于任意数据组合之间都有0电位相隔 5 曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码曼彻斯特编码的规律为 对于数据 1 用前半周期为0电平 后半周期为 E 或 E 电平 对于数据 0 则用前半周期为 E或 E电平 后半周期为0电平 即通过传输每位数据中间的跳变方向表示传输数据的值 如图2 6 a 所示 图2 6曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码 6 交替双极性反转码 AMI 在这种编码中 数据 1 顺序交替地用 E和 E表示 对于数据 0 仍变换为0电平 交替双极性编码有如下特点 首先容易出现连 0 不利于提取同步定时信号 其次 无直流分量 利于在不允许直流和低频信号通过的介质和信道中传输 有利于接收端判决电路的工作 第三 由于数据 1 对应的传输码电平正负交替出现 有利于误码的观察 7 三阶高密度码 HDB3 HDB3码是建立在AMI码基础上的 即先把数据变换成AMI传输码 再对AMI码进行变换 HDB3码除了有AMI码的优点外 还克服了AMI的缺点 是欧洲和日本PCM系统中使用的传输码型之一 2 3模拟 数字编码 1 脉冲振幅调制 PAM 模拟 数字编码技术的第一步是脉冲振幅调制 PAM 这种技术是通过接收模拟信号 对它进行采样 或取样 然后根据采样结果产生一系列脉冲 所谓采样就是每隔相等的时间间隔就测量一次信号振幅 2 脉冲编码调制 PCM 脉冲编码调制 PCM 技术是将脉冲振幅调制 PAM 所产生的采样结果转变成完全数字化的信号 3 采样频率模拟信号的数字表示的精度取决于采样的数量 实际上 对于接收设备来说 重现一个模拟信号只需要少量的信息 4 PCM的应用PCM技术的最主要应用是长途电话在线语音的数字化 按照国际标准 每秒采样8000次 每个采样8位 每路话音是64kbit s的传输速率 另一个应用就是光盘 CD 技术 CD上的音乐是应用PCM光学编码成数字格式的 2 4数字 模拟编码 通过对载波信号的不同参数 振幅 频率和相位 进行调制 可以得到振幅键控 频移键控和相移键控三种性能不同的调制方法 这些调制方法统称为 数字调制技术 振幅键控 ASK 数据信号对载波振幅调制 频移键控 FSK 数据信号对载波频率调制 相移键控 PSK 数据信号对载波相位调制 2 4 1振幅键控 ASK 一种常用的振幅键控技术是开关键控 OOK 在OOK中某一种比特值用没有电压表示 该技术的优点是传输信息所需要的能量下降了 2 4 2频移键控 FSK 振幅键控的一个缺点是容易受到噪声和静电的干扰 为解决噪音干扰问题 而产生了频移键控 FSK FSK在很大程度上避免了ASK中的噪声问题 因为接收方是通过在给定时间段内的具体频率变化来识别比特值的 所以可以忽略尖峰脉冲 2 4 3相移键控 PSK 1 PSK与DPSK 1 PSK相移键控 PSK 是利用载波相位的变化来代表发送的数据 主要用于中速数据传输 例如在电话信道中传输2400bit s 4800bit s时 就采用此种调制方式 2 QPSK编码在相移键控中 除了表示信号两种变化外 还可以表示信号四种变化 每种变化代表两个比特 3 PSK编码的带宽PSK编码传输技术所需的带宽与ASK编码所需的带宽相等 当PSK相位数与ASK的幅值数相同时 二者传输速率相同 2 信号星座 1 信号星座在讨论的PSK编码及今后遇到的许多编码 引入信号星座 SignalConstellation 的概念 形象地表示这些编码信号 所谓信号星座即坐标系上的一个点阵 该点阵定义了信号所有状态的变化 2 PSK编码信号的星座图表示在PSK编码中 可以使用矢量图和星座图共同表示 如图2 20 a 中的 1 可以用振幅为1V 相位为180 的矢量信号表示 0 可以用振幅为 1V 相位为0 的矢量信号表示 若只画出矢量端点 就成为星座图 如图2 20 b 图2 20BPSK的矢量图和星座图 2 4 4正交调幅 QAM 1 QAM编码的概念所谓正交幅度调制 QuadratureAmplitudeModulation QAM 又称正交双边带调制 是将两路独立的基带波形分别对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制 所得到的两路已调信号叠加起来的过程 2 QAM编码的形成 1 QAM的编码过程对于QAM是数字调制的一种形式 数字信息包含在发送载波的幅度和相位内 2 QAM编码星座图对于QAM编码 理论上任何数量的振幅变化都可以和任何数量的相位变化结合在一起 图2 23表示了两种可能的配置 图2 23 a 所示为4正交振幅 而图2 23 b 所示为8正交振幅 图2 23两种可能配置的星座图 3 QAM编码的应用在调制速率相同的条件下 QAM编码所需的最小传输带宽和ASK编码是一样的 QAM与PSK编码具有一样的优点 QAM编码的主要特点是有较高的频谱利用率 它通常用于高速的数据传输系统中 正是由于QAM的优点 使得它在现代通信领域得到了广泛的应用 2 5模拟 模拟编码 在数据通信中 信息可能有两种类型 数字的或模拟的 而且信号也可以是数字的或模拟的 模拟 模拟编码是用模拟信号来表示模拟信息的一种编码技术 无线电波的应用就是模拟 模拟通信的典型例子 在这种应用中 需要将被传输的信号进行调制 通过调制可以获得较高的频率 提高传输的有效性 通过采用频分多路复用技术不但提高了传输效率 还降低了设备费用 2 6扩频编码 2 6 1扩频技术概述1 扩频技术简介扩展频谱 SpreadSpectrum 简称扩频 它是一种专为无线传输量身订做的传输技术 是近年来发展很快的技术 扩频技术最初是针对军事及情报部门的需求而开发的 它的基本思想是将携带信息的信号扩展到较宽的频谱中 用以加大抗干扰及抗窃听的能力 开发出的第一种扩频技术称为跳频 FrequencyHopping 而最新的一种技术称为直接序列扩频 DirectSequenceSpreadSpectrum DSSS 2 扩频数字通信系统一般模型图2 25给出了扩频数字通信系统的一般模型 输入的数据经信息调制形成数字信号 然后 由伪随机序列发生器产生的伪随机序列去调制数字信号以展宽信号的频谱 展宽后的信号再对载频进行调制 如PSK QPSK等 最后 通过射频功率放大到天线发射出去 图2 25扩频数字通信系统一般模型 2 6 2跳频 FH 所谓跳频 FH 比较确切地说是用一定的码序列进行选择的多频率频移键控 即用扩频码序列进行频移键控 使载波频率不断地跳变 所以称为跳频 2 6 3直接序列扩频1 直接序列扩频概念所谓直接序列扩频 DS 就是直接用高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱 而在收端 用相同的扩频码进行解扩 把展宽的扩频信号还原成原始的信息 2 直接序列扩频的主要性能及应用 1 直接序列扩频的抗干扰性直接序列扩频系统最早应用在军事通信中 作为具有很强抗干扰性的通信手段 2 直接序列扩频的抗截获性理论上分析表明 信号的检测概率与信号能量和噪声功率谱密度之比成正比 与信号的频带宽度成反比 3 易实现保密通信上面提到的隐蔽通信不属于保密通信 由于直接序列扩频系统是数字化通信系统 数字很容易加密 它不需要很复杂的设备 只需要简单的数字逻辑电路 就能有效地实现保密通信 4 潜在的抗多径干扰在直接序列扩频系统中利用一定的技术 多径干扰不但可以克服 而且利用多径信号进行适当分集接收 5 用于测距定时系统众所周知 电磁波在空间是以光速传输的 若测定了电波传播的时间 也就测定了距离 总之 直接扩频技术的应用已从军用走向民用 在通信领域也越来越受到重视 目前扩频技术不仅用于CDMA蜂窝通信系统 而且在无线局域网络和卫星通信等领域也已获得了广泛的应用 2 7差错控制编码 2 7 1差错控制编码概述数据通信要求信息传输有很高的可靠性 也就是对误码率有很高的要求 1 差错控制编码的概念香农 Shannon 于1934年在 通信的数学理论 一文中提出了关于在噪声信道中传输信息的重要定理 只要对信息进行适当的编码即提供足够的冗余 就可以在不牺牲信息传输率的前提下把噪声信道引起的差错减少到希望的程度 2 差错类型在数据通信系统中 引起数据信息序列产生的差错 可以分成以下两种类型 1 随机性错误 2 突发性错误由于实际信道是非常复杂的 这两种错误类型通常同时存在 2 7 2差错控制的基本方式差错控制的根本目的是发现传输过程中出现的差错并加以纠正 差错控制的基本工作方式主要基于两种基本思想 一是通过抗干扰编码 使得系统接收端译码器能发现错误并能准确地判断错误的位置 从而自动纠正它们 二是在系统接收端仅能发现错误 但不知差错的确切位置 无法自动纠错 必须通过请求发送端重发等方式来达到纠正错误的目的 1 前向纠错 FEC 方式 1 FEC方式在图2 30 a 所示的通信系统中 发信者和受信者之间仅有一条单向 正向信道 传输线路 图2 30差错控制编码的应用 2 FEC方式的主要特点 接收端自动纠错 解码延迟固定 采用FEC方式传输系统的实时性好 无需反馈信道 能用于单向传输 特别是适用于单点向多点同时传送的广播系统 所以FEC广泛地应用于卫星传送数据和现代的数字移动通信中 为了获得较高的纠错能力 所采用的纠错码通常需要较大的冗余度 即附加的额外编码位数多 从而使传输效率下降 FEC方式差错控制规程简单 但译码设备实现较复杂 2 检错重发 ARQ 方式 1 ARQ方式检错重发 ARQ 是数据通信中常用的一种差错控制方式 有时也称为自动重发请求 2 ARQ方式的主要特点 ARQ方式只需要较少的冗余码 就能获得极低的传输误码率 相对于FEC方式而言 ARQ方式是用检错码代替纠错码 因而比前向纠错占用更少的传输线路 编码器和译码器较为简单 成本也低得多 ARQ方式需要有反馈信道 因而不能用于单向传输信道和广播系统中 ARQ方式的控制规程比较复杂 当系统出现错误需要重发时 其通信效率较低 由于反馈重发的随机性 ARQ方式的实时响应性不如前向纠错方式 所以ARQ方式不适合用于实时传输系统 3 常见的检错重发方式常见的检错重发方式有三种 等待发送 空闲重发请求或停发等候重发 选择重发 或连续发送 和有限连续发送 限制连续发送的帧数 等待重发 有限连续发送 选择重发 3 混合纠错 HEC 方式混合纠错 HEC 是前向纠错方式和检错重发方式的结合 如图2 31 c 所示 其内层采用FEC方式 纠正部分差错 外层采用ARQ方式 重传那些虽已检出但未纠正的差错 混合纠错方式在实时性和译码复杂性方面是前向纠错和检错重发方式的折衷 较适合于环路延迟大的高速数据传输系统 图2 31差错控制的基本方式 2 7 3纠错检错编码的基本原理1 纠错和检错的基本原理差错控制包括检错和纠错 它们能够有效地检测出通信过程中产生的差错 并进行纠正 从而提高通信质量 2 纠错和检错中的基本概念 1 冗余度香农定理告诉我们 信源编码的目的就是去冗余 提高编码的效率 图2 33分组码结构 码距两个码组对应位上数字不同的位数称码组间的码距 最小码距某种编码所产生的各个码组间距离的最小值 编码效率通常用码率表示码组中信息码所占的比例 称为编码效率 3 最小码距与纠检错能力 检错能力设要检测的错码个数为e 则要求最小码距d0 e 1 纠错能力设要纠正的错码个数为 则要求最小码距d0 2t 1 同时能纠错和检错的能力d0 e t 1 e t 若能满足条件 就可以同时纠正个错误 检出个错误 2 7 4奇偶校验1 奇偶校验 1 奇偶校验的概念奇偶校验是用于数据通信系统的最简单的检错方法 它常与垂直和水平冗余校验一起使用 2 奇偶校验的电路实现奇偶校验可以用 异或 逻辑电路实现 使用异或电路时 若所有输入相等 全 0 或全 1 输出就是 0 若所有输入不等 输出就是 1 3 奇偶校验的主要特点奇偶校验的主要优点是简单 缺点是当收到偶数个位出错时 奇偶校验将无法检测出来 奇偶校验只能检测出部分传输差错 2 二维奇偶监督码二维奇偶角度码又称为方阵码 它是在上述奇偶校验码的基础上形成的 3 校验和校验和是一种特别简单的检错方法 其实质也是奇偶校验法 主要用于数据通信的高层协议对错误进行检测 2 7 5汉明码1 汉明码特点 1 汉明不等式对于一个 n k 分组码 其监督位数r n k 若用r个监督位构造监督式指示1位错误 错误发生的情况将有种可能位置 2 汉明码的编码和纠错过程 1 汉明码中冗余码的位置确定 2 冗余比特值的计算图2 39表示一个ASCII码字符的汉明码实现步骤 图2 39汉明码中冗余比特的计算图示 2 7 6循环冗余校验1 循环冗余校验概述奇偶校验本身不是很可靠的 若采用垂直和水平冗余校验 VRC 把数据序列合成两维比特阵列 每次发送一列 奇偶校验就很可靠了 2 CRC编码组成循环冗余校验 CyclicRedundancyCheck CRC 是一种通过多项式除法运算检测错误的 人们称它是一种不寻常而巧妙的方法 3 关于生成多项式G x 4 CRC码生成和校验的硬件实现在实际应用中 CRC码的生成与校验过程可用软件或硬件来实现 目前 已有很多通信集成电路芯片本身带有标准的CRC码生成与校验功能 使用非常方便 5 CRC码的检错性能CRC码的校验能力很强 既能检测随机差错 又能检测突发性差错 其检错性能是 能检测出全部单个错误 能检测出全部随机的两位错误 能检测出全部奇数个错误 能检测出全部长度小于位的突发性错误 能以的概率检测出长度为 k 1 位的突发性错误 2 8数据压缩 2 8 1什么是数据压缩所谓数据压缩 就是削减表示信息的符号的数量 即通过一些方法将数据转换成为更加有效 需要更少存储量的格式 以减少传输的字节数 数据压缩的目的是 能较快地传输各种信号 如传真信号和Modem通信信号等 在现有的通信干线并行开通更多的多媒体业务 如各种通信增值业务 另外 可以紧缩数据的存储容量 如CDROM VCD和DVD等 对于多媒体移动通信系统 可以降