外文翻译译文-数据编码

毕业设计(论文)英文翻译译文院（系）：通信与信息工程系专业：电子信息工程学生姓名：学号：指导教师：职称：年月日数据编码无论是模拟的还是数字的信息都可以通过编码转编成模拟的或者是数字信号。选择何种编码方式取决于特殊的需求以及可利用的媒体与通信设施。数字数据，数字信号：对数字数据进行数字编码最简单的形式就是使用二进制的数字，1代表一个电平，0代表另外一个电平。比较复杂的编码系统就是通过改变信号的频谱并提供同步的能力，以提高其它的工作性能。数字数据，模拟信号：调制解调器可以将数字数据转变成模拟信号，以便于在模拟传输线上传输。最基本的技术有幅移键控ASK，频移键控FSK以及相移键控PSK。以上几种方式都涉及到对载波频率的一个或者多个特性的改变，用二进制表示数据。模拟数据,数字信号：模拟数据，比如像话音和影像这样的模拟数据经常被数字化，以便于利用数字传输设备。最简单的技术是脉码调制PCM，它包括对模拟数据的定期采样，并量化这些样本。模拟数据，模拟数字：模拟数据经过载波频率的调制后生成的模拟信号位于不同的频带上，以便于某个模拟传输系统的操作。其基本的技术就是调幅AM，调幅FM以及调相PM。图5.1以另外一种形式描述了其中涉及到的过程。对于数字信号的传输，源信号g（t）可能是数字的，也可能是模拟的，他被编码成数字信号x（t）。在实际应用的中，x（t）的形式取决于编码技术，并且以如何优化使用传输媒体为选择原则。例如,选择哪某种编码技术，可能是用于节约带宽，或者是因为它的出错率最小。编码器解码器（a）通过编码形成一个数字信号调制器解调器（b）通过调制形成一个模拟信号图5.1编码与调制技术模拟信号传输的基础是一种的连续的而且频率恒定的信号，就是我们称为的载波信号。载波信号频率的选择必须与使用的传输媒体相兼容，数据经过调制后可以用载波信号发送。调制是将源数据编码到频率为fc的载波信号上的过程。所有的调制技术都会或多多少涉及到下列三个基本频域参数的操作：振幅，频率，相位。输入信号m（t）成为调制信号或基带信号，它可以使模拟的或者数字的。载波信号经过调制后得到的结果成为以调信号s（t），如图5.1（b）所示，s（t）是带通信号。信号带宽在频谱中的位置与fc有关，并且大多数情况下以fc为中心频率。需要重申的是，在实际中可能选择不同的编码方式，以优化某些传输特性。在图5.1中描绘了四种可能的组合，每一种都有广泛的应用。为了完成某种通信任务而选择特定的组合，其原因可能各不相同。下面列出一些有代表性的理由：数字数据，数字信号：一般来说，把数字数据编码成数字信号的设备比起从数字到模拟的调制设备更简单，更廉价。模拟数据，数字信号：将模拟数据转化成数字形式后，就可以使用先进的数字传输和交换设备。数字数据，模拟信号：有些传输媒体只能传播模拟信号，比如光纤和自由导体媒体。模拟数据，模拟信号：以电信号形式的模拟数据可以作为基带信号来传输，既简单又经济，它是通过话音传输设备线路传输来实现的。调制的一种很普通的方法就是把基带信号的带宽搬移到其它频谱部分。这样，由于各个信号在频谱中的位置不同，多个信号可以共同享用同一传输媒体，这称为频分复用。我们现在来认识一下这四种组合分别相关的技术，然后介绍扩频通信，它涉及到多种编码方式。5.1数字数据与数字信号数字信号是一串离散的，非连续性的电压脉冲序列，一个脉冲就是一个信号元素。二进制数据的传输是通过把所有数据比特编码成信号元素完成的。在最简单的情况下，比特和信号之间存在着一一对应关系。我们将在这节看到还有很多不同的编码系统，它们也都在应用着。首先，让我们先来定义一些术语.如果一个信号中所有的信号元素都具有相同的正负极性，也就是说都是正值或者都是负值，那么这个信号就是单极性的。在双极性信号传输中，一个逻辑状态用正电平表示，另外一个用负电平表示。信号传输数据的速率，就是信号传输速率，或者说是数据率。单位是比特每秒。一个比特的持续时间或长度是指发送器发送这个这个比特所需要的时间。如果数据率为R，那么比特持续时间为1/R。相反，调制速率是指信号电平改变的速率。它的大小取决于数字编码的特性，稍后将作解释。调制速率用波特表示，它是指每秒多少个信号元素。最后，关于标记和空间这两个术语，由于历史的原因，它们指的是二进制数字1和0。表5.1总结了一些主要术语，通过一些例子的说明后，我们对这些术语理解会更深入一些。表5.1术语单位定义数据元素比特（bit）单位的二进制0或1数据率比特（bit）数据元素传输的速率信号元素数字：一个固定振幅的电压脉冲在一个信号传输的代码中占据最小模拟：固定频率，相位和振幅的脉冲间隔的那部分信号。信号传输或信号元素/秒信号元素传输的速率调制速率接收器必须知道每个比特的时间关系。就是说接收器必须相当准确地知道一个比特的起止时间。其次，接受器必须判断每个比特的信号电平是1还是0。接收器在解释受到信号时的成功程度是由哪些因素决定的呢？三个因素：信噪比，数据率和带宽。在其它因素不变的情况下，下列情况为真：数据率增加，则误码率也增加。S/N增加，则误码率减小。增加带宽可以增加数据率。还有一个因素可以提高传输性能，这就是编码机制：从数据的比特到信号元素的映射关系。目前试用的编码机制有很多种。在以下的内容中，将介绍一些很常用的编码机制。在讲解这些技术前，让我们先思考下述对各种编码技术的评估和比较的方式。信号频谱：有几个方面在信号频谱里面很重要的。缺少高频成分意味着在传输的时候需要很少的带宽。此外，缺少直流成分也同样可以得到很好的利用。如果信号里面含有直流成分，那么在传输设备中必须有直接的物理连接器件。如果信号里面没有直流成分，一个ac耦合转变器就可以使用；这种方式提供了很好的电气绝缘绝缘，减少了干扰。最后，衡量信号失真和受干扰程度的量值的大小取决于信号传输的频谱特性。实际上，信号的发送能力经常在靠近频带边缘的地方变得很差。所以，设计一个好的信号应该将传输功率集中在传输带宽的中心频率上。在这种情况下，接收到的信号失真很小。为达到这个目的，编码的设计应当能够考虑到与传输信号的频谱相适应。时钟同步：我们提到过确定每个比特起始和终止时间的必须性。这不是一个简单的任务。一种比较昂贵的方法就是提供一个独立的时钟源，专门用来同步发送器和接收器。另外一个代替的方法就是提供一些基于传输信号的同步机械装置，这一点只要采用适当的编码就可以做到。误码检测：我们将会在以后的章节中讨论各种不同的差错检测技术，也将展示给大家它们是信号传输之上的逻辑层的任务，这个层称为数据连结控制层。然而，在信号传输编码的物理系统中设置一些差错检测能力还是非常有用的，这样可以更快的检测到错误。信号干扰和抗噪声能力：一些特定的马元在噪声存在的情况下展示出优良的性能。抗噪声能力通常用术语误码率来表示。费用和复杂程度：虽然数字逻辑电路的费用不断下跌，但还是不能忽视它的费用。特别是，在提高信号传输率以提高提高数据率时，费用就会很高。我们将会看到在实际应用中一些特殊马元的信号传输速率比实际数据率还要高。现在我们转到各种技术的讨论中。非归零码最常见和最简单的方法来传输数字信号就是使用不同的电平来表示二进制数字。这种策略使用的编码有一个共同的特点，就是在一个比特持续时间里电平是一个常数。这里没有什么变化（不会回到零电平）。例如，没有电压的情况下可以用0来代替，一个不变的正电压平可以用1来代替。更常见的情况是，用一个负电平来代表一个二进制数，而用一个正电平来代替另外一个二进制数。后一种编码称为非归零电平（NRZL）。NRZL经常用在终端设备和其它设备上用来解释数字数据。如果在传输过程中使用了不同的编码，一般这种编码就是由传输系统从NRZL码转化而来的在图5.1的情况下，NRZL是g（t），而编码信号是x（t）NRZ的一种变化编码成为NRZI（非归零1制）。与NRZL一样，NRZI在一个比特的持续时间里电平是不变的。数据的编码形式是在一个比特的开始时刻看信号有或没有跳变。在每个比特的起始时刻，如果信号有跳变（从高到低或者从低到高），则表示这个比特是二进制的1，没有跳变则表示二进制的0。NRZI是差分编码的一个例子。在差分编码中，传输的信息是通过比较相邻两个元素之间的正负极性是否相同来表达的，而不是判断信号绝对值得大小。大致上来说，决定编码的比特信息是这样的：如果当前比特是0，那么这个比特编码后的信号与前一0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.00.20.40.60.81.01.21.4NRZ-L,NRZIB8ZS,HDB3AMI,伪三进制曼彻斯特，差分曼彻斯特图例AMI=交替信号反转B8ZS=双极性8零替换HDB3=高密度双极性3零码NRZL-L=不归零电平NRZI=不归零1制R=数据率图5.3归一化频率密度（f/R）每个单位带宽的均方电压个比特的相同；如果当前比特是1，那么当前比特编码后的信号与前一个比特不同。这种差分编码的一种好处是，在有噪声的情况下将信号与门限值直接相比较，检测信号的跳变更为可靠。另外一个好处是，在复杂的传输结构中，信号的正负极很容易变得没有任何意义。例如，在一个多点的双向线路上，如果相连设备到双向线的引脚不小心反转了，那么NRZL中所有的1和0都将反转，但在差分编码中这种情况就不可能发生。NRZ码是最容易操作的，另外，它还能有效利用带宽。在图5.3中，通过比较不通的编码系统的频谱密度表明了NRZ码的后一个特点。图中的频率根据数据率作了归一化处理。从图中可以知道，NRZ和NRZI的大部分能量集中在直流成分和半比特速率之间。例如，如果NRZ码产生数据的速率是9600比特/秒，那么信号中的大部分能量都集中在直流成分和4800HZ之间的区域。NRZ信号主要的局限就是它有直流成分，而且缺少同步能力。为了使后面的一个问题具体化考虑一个很长的1，0比特串，并且使用NRZL编码，或是使用NRZI来编码较长的0比特串，那么输出的将是时间间隔很长的恒定电平。在这种情况下，发送起和接收器之间的定时关系只要稍有漂移，就会导致这两者之间失去同步。由于NRZ码的简单性和相对低的频率响应特性，它们通常用于数字的磁记录。但是NRZ码的局限性使得这种编码方式在信号传输应用中没有多少吸引力。多电平二进制有一类编码技术称为多电平二进制，它弥补了NRZ码的一些不足，这种编码用多于两个的信号电平。图5.2描绘了这种系统的两个实例：双极性AMI和伪序列。在双极性AMI方式情况下，二进制0代表没有信号，而二进制1代表正脉冲或负脉冲。二进制1的脉冲值在正负之间不断交替。这种编码方式有几个优点。首先，不会由于发生了1比特串长的情况就失去同步关系。每个1都会造成一个跳变，这样接收器就可以根据这些跳变重新同步，但是较长的0比特串仍然是一个问题。其次，因为1在正负电压之间跳变，所以不存在直流成分。同样，最终的信号带宽比NRZ的带宽要窄。最后，脉冲交替变化的特点可以提供一种简单的差错检测手段。任何单独的差错，无论是丢失还是增加了一个脉冲，都会引起这种现象。上面一段的论述对于为序列码也是适用的。在这种情况下，二进制1代表没有信号，而二进制0代表交替变换的正脉冲和负脉冲。这两种技术彼此之间没特别的优势，各有各的应用之处。虽然这两种技术提供了一定程度的同步能力，但是，在AMI情况下，一连串的1或0或者在伪序列码的情况下，仍有有问题。一些技术可以用来弥补这些缺陷。其中一种方法就是通过插入附加的比特来强制信号的的跳变。这种技术在ISDN中用于传输数据率相对比较低的情况。当然，在数据率高的时候，这种技术所要耗费的代价就很大了，因为它会导致原来已经很高的调制率变得更高。要在数据率较高的时候解决这个问题，就需要使用某种数据扰技术。本节稍后将介绍2个有关这种技术的例子。因此，通过适当的变化，多电平二进制系统克服了NRZ码存在的问题。当然，与任何工程设计决策一样，有弊必有利。使用多电平二进制码，线路信号能够在三个电平之间选择。对每个信号元素来说，它可以表示1.58个比特的信息，但在这种情况下它仅含有一个比特的信息，因而导致了多电平二进制码的效率不如NRZ码高。可以换一种说话，多电平二进制的接收器必须区分三个电平，而不是想前面讨论的其他信号形式那样，只需要区分两个电平中的一个。正事由于这个原因，在比特率差错率相同的情况下，多电平二进制信号需要的信号功率比两个电平的信号要多3db，如图5.4所示。换言之，在给定信噪比的情况下的情况，NRZ码要比多电平二进制码的比特差错率低得多。01234567891011121314151.010-110-210-310-410-510-610-7NRZ，双相位PSK，QPSKAMI，伪三进制码，ASK，FSK3dB（Eb/N0）（dB）比特差错率（BER）图5.4不同数字编码技术的理论比特差错率Biphase这里有另外一种设置编码的技术，它们来自于术语Biphase，它克服了NRZ编码技术的缺陷，这里面的两种技术，Manchester和差分Manchester，它们应用很广泛。在Manchester编码里，在每一个比特周期的中央存在一个跳变。比特中央的跳变作为时钟频率机制，而且还表示了数据：从低到高的跳变代表了一个数字1，而从一个高到低的跳变则代表一个0。在差分Manchester编码中，比特中央位置的跳变提供了时钟关系。编码0由比特周期起始时存在的跳变表示，而编码1由比特周期起始处没有跳变来表示。差分Manchester的好处就是它应用了差分编码技术。所有的Biphase技术都要求在每个比特周期内发生一次跳变，有时候可能会有两次跳变。因此，它的最大调制率是NRZ的两倍，相应地它需要更宽的带宽。另一方面，Biphase还有以下几个优点：同步：因为在每个比特周期内存在预知的跳变，所以接收器可以根据这个跳变来同步。正是由于这个原因，Biphase也称为自定时编码。无直流成分：Biphase不存在之路成分，其好处在前面已有描述。差错检测：一个期待跳变的丢失可用于检测差错。线上的噪声应该在期待的跳变发生前后同时翻转信号，这样，就能引起无法检测到的错误。从图5.3知，Biphase的带宽比较窄，并且不包含直流成分。但是，它的带宽比二进制电平编码要宽。Biphase编码技术在数据传输方面非常流行。更常用的Manchester编码在IEEE8025.3标准中已经有定义，它用于基带同轴电缆和双绞线CSMA/CD总线局域网。用于IEEE802.5局域网的差分Manchester编码也已经有定义，这种局域网使用的是屏蔽双绞线。调制速率当使用信号编码技术的时候，必须搞清楚数据率（以比特每秒表示）和调制率（以波特每秒表示）之间的区别。数据率或比特率是1/，其中等于比特所持续的时间。调制率是信号元素产生的速率。以Manchester编码为例子。长度最小的信号元素是占半个比特持续时间的脉冲。对二进制0序列或全1序列来说，会生成连续性的此类脉冲流。因此，Manchester编码的最大调制速率就是2/图5.5中描绘了这种情况，它显示了一个数据率为1Mb/s的比特1序列在分别使用NRZI和Manchester编码进行传输时的情况。总之，DR/b其中D是调制速率，baud。R是数据率，b/s。b是每个信号元素中的比特数目。描述调制速率特性的一种方法是确定在一个比特时间内发生跳变的平均次数。一般来说，它取决于被传输的比特序列自身。5比特=5s111111比特=1个信号元素=1s1比特=1s1个信号元素=0.5s曼彻斯特NRZI图5.31Mb/s的时序混合编码技术虽然Biphase技术已经应用与很多局域网并且可以达到比较高的数据率（达到10M/s),但是它们很少用于远距离传输，最主要的原因是它们要求比数据率更高的信号传输速率。这种低效性在远距离应用中的费用更高。另外一种方法就是利用某种混合编码机制。这种方法的道理很简单：把可能须能够知道填入的比特序列，并用原数据序列取而代之。由于填入的比特序列与原序列是一样长，所以不会增加数据率。这种方法的设计目标归纳如下：没有直流成分。没有较长的零电平线路信号序列。不会降低数据率。有差错检测能力。在远距离传输服务中常用的技术有两种。一种编码机制在北美用得很广泛，它就是双极性8零替换，这种编码机制以双极性AMI码为基础。AMI编码得缺点在于一长串得零值可能会导致同步信息丢失，为了克服这个问题，对一下规则进行了修正。如果产生了一个全零的八位组，并且在这个八位组之前的电压脉冲为正，那么这个八位组中的八个零的编码为000-0+.如果产生了一个全零的八位组，并且在这个八位组之前的电压脉冲为负，那么这个八位组中的八个零编码为0000。这种技术会使两个码元违反AMI编码机制（在AMI中不容许出现的信号模式），这种事故不太可能使由噪声或其他传输损失引起的，于是接收器就能识别出这个模式，并将其解释成由全零组成的八位组。欧洲和日本常用的编码机制是称为高密度双极性3零码（HDB3），见表5.4所示。如同前述，它的编码基础也是AMI编码。此时，HDB3编码用一个或两个脉冲的序列来代替4个零值的序列。在所有的情况瞎，4个零值的序列被替换后总会有一个码元违反编码规则。此外，还需要一条规则来保证连续的两个违规码之间应当是正负交替的，这样就不产生直流成分。因此，如果上一个极性码是正的，那么此次违规码就是负的。表5.4说明了，要测得以上条件，就必须知道：（1）自上一个违规码之后的脉冲是奇数个还是偶数个；（2）在此次出现4个零之前最后一个脉冲的正负极。图5.3显示了这两种编码的频谱特性，从图中知他们都没有直流成分。大多数能量相对集中在以某个频率为中心的频谱范围内，这个频率等于数据率的一半。所以，这些编码很适合数据率的传输。5.2数字数据与模拟信号我们现在回到用模拟信号传输数字数据的情况中，在这种传输方式下最熟悉的应用就是通过电话网来传输数字数据。电话网的设计是为了在电话线上话音频率为3003400KHz接受，交换以及传输模拟信号。电话网并不是现在就适用于处理用户来的数字信号（虽然这一点正在改变中），因而通过调制解调器讲数字设备与网络相连。调制解调器将数字数据转化成模拟信号，或者将模拟信号转换成数字数据。对于电话网而言，调制解调器用来产生在话音频率范围内的信号。使用调制解调器产生频率更高的信号（如微波），其基本技术也一样。下面将会介绍此类技术，并简单讨论各种可供选择的方案及其性能特点。编码技术调制技术要涉及到对载波技术的三个特征：振幅、频率以及相位中的一个或多个特性的操作。相应地，将数字数据转换为模拟信号的基本编码技术，也有三种，如图5.7所示幅移键控（ASK）频移键控（FSK）相移键控（PSK）无论是哪一种情况，结果得到的信号所占带宽都以载波频率为中心。在幅移键控中，二进制的两个数值分别由同一频率载波的两个不同振幅值来表示。通常有一个振幅值为零，也就是说，由振幅值恒定的载波来代表其中的一个二进制数，而另一个二进制数由载波的不存在来表示。其结果得到的信号是：其中，载波信号为。幅移键控容易受突发的增益变化影响，同时也是一种效率较低的调制技术。在话音级线路上，使用幅移键控的典型数据率仅为1200/bs。幅移键控技术在通过光纤传输数字数据时使用。当发送器为发光二极管时，上述等式仍然有效。也就是说，一个信号元素由光脉冲表示，而另一个信号元素则由不存在的的光脉冲来表示。激光发送器通常具有一个固定的“偏流”，可导致设备发射出比较低的亮度值。用这个较低的值代表一个信号元素，而振幅较高的光波则代表一个信号元素。在频移键控中，由载波频率附近的两个不同频率来表示二进制数的两个值。其结果得到的信号是：其中，f1和f2通常时载波频率fc的两个便宜值，它们的绝对值相同，方向相反。某个方向上传输信号的频谱反方向传输信号的频谱信号强度1070127020252225图508在一个话音线路上全双工FSK信号的传输这幅图是BellSystem108系列调制解调器的规约图。回想一下，话音级线路可通过的频率范围大约在3003400Hz，并且全双工的含义是指信号可同时向两个方向传43547cos(2)()s()AftQPSKstft输。为了达到全双工传输，这个带宽在1700Hz的地方被分割。在某个方向上（传送或者接收），以1700Hz为中心，各自向两侧偏移100Hz，用于代表1和0的频率。，信号在这两个频率之间变化，产生一个如下频谱中左侧阴影部分的信号。类似的，在另一个方向上（传送或者接收），调制解调器使用的是以2125Hz为中心频率，各向两侧偏移100Hz的频率。这个信号如下图右侧阴影部分所示，需要注意的是，这里有一小部分重叠区域，因此会有一些干扰。频移键控相对幅移键控的抗差错性稍强。在话音级线路上，使用频移键控的一般数据率为1200/bs。它也常用于频率较高的无线电波传输（330MHz）。对于使用同轴电缆的局域网而言，它也能用在频率较高的时候。在相移键控中，数据是通过载波信号的相位便宜来表示的。图5.7最下面的一副图所示为一个双相位系统的例子，在这个系统中，通过发送信号的起始相位与前一个信号的起始相位相同来表示二进制0，而发送信号的起始相位与前一个信号的起始相位相反则代表了二进制1。这称为差分相移键控，因为相位的偏移是与前一个传输的比特为参照，而不是以某个固定的信号值为参照。其结果得到的信号为：其中的相位值是相对于前一个比特周期而言的。如果让一个元素代表多个比特，那么就能更有效的利用带宽。例如，常用的编码技术使用的相位偏移值为/2(90)的倍数，称为正交相移键控（quadraturephase-shiftkeying,QPSK），而不像相移键控中只允许存在180的相位偏移：11100001因此，一个信号元素代表了两个比特，而不是一个比特。这一技术可以进一步扩展。如果使用8个不同的相位角度，那么就可以一次传输三个比特。再者，每个角度也可以具有一个以上的振幅值。例如，标准的9600/bs调制解调器使用了12个相位角度，其中四个具有两种相位值。后面这个例子很清楚的指出了信号的数据率R（用b/s）和调制率D（用波特表示）之间的区别。例如这种机制用于NRZ-L数字输入的情况下。数据率R1/tB，其中tB是每个NRZ-L比特的宽度。然而，使用L16种不同的振幅和相位组合，编码后的信号中每个信号元素含有b4比特。由此可见调制率为R/4，就是说信号元素每变化一次就有一个4个比特被传输。因此，虽然线路信号速率为2400baud，但数据率却是9600b/s。这就是通过使用较复杂的调制技术，话音级线路也可达到较高的比特率的原因。这里再次重申：2logRbLD其中D调制率，单位是baud。R数据率，单位是b/s。L不同信号元素的个数。b每个信号元素携带的比特个数。如果不使用不归零编码而使用其他编码技术，那么以上情况可能变得很复杂。例如，已经知道双相位信号的最到调制率为2/tB，因此双相位的D要比不归零码的D值高。从某种程度上说，这样做会抵消使用多值信