数据编码技术和数据传输方式

2 2数据编码技术和数据传输方式 首先回顾一下信息传输过程 模拟信号和数字信号通信的特点 模拟信号通信的特点 传输距离远 效率低 信号质量差 数字信号通信的特点 传输距离不远 抗干扰能力弱 传输效率高 为了使扬长避短 在不同的场合 我们必须要将表示数据的信号进行相应的转换后再进行传输 如 数字信号模拟传输 或模拟信号数字传输 这种将传输数据用不同形式的传输信号进行表示的处理技术我们简称为数据编码技术 数据在传输过程中采用的处理方式我们简称为数据传输方式 一 数据编码技术 2 2 1数字数据的模拟信号编码2 2 2模拟数据的数字信号编码2 2 3数字数据的数字信号编码 2 2 1数字数据的模拟信号编码 即数字信号的模拟传输 广州 北京 39 要将 39 这个数字传输到北京 由于在数字信号通信方式中 信号传输距离近 抗干扰能力弱 因此 为了使数字信号能进行长距离的可靠传输 常常将数字信号 搭载 到一个高频的模拟信号上进行传输 实现数字信号与模拟信号互换的设备称作调制解调器 Modem 调制 由发送端将数字数据信号转换成模拟数据信号的过程称为 调制 解调 在接收端把模拟数据信号还原为数字数据信号的过程称为 解调 载波正 余 弦信号可以写为 u t um sin t 振幅um 角频率 相位 模拟信号传输的基础是载波 载波具有三大要素 幅度 频率和相位 数字数据可以针对载波的不同要素或它们的组合进行调制 移幅键控 amplitudeshiftkeying ASK um sin 1t 0 数字1u t 0 或un sin 1t 0 数字0移幅键控ASK信号实现容易 技术简单 但抗干扰能力较差 在ASK方式下 用载波的两种不同幅度来表示二进制的两种状态 ASK方式容易受增益变化的影响 是一种低效的调制技术 在电话线路上 通常只能达到1200bps的速率 2 移频键控 frequency shiftkeying FSK um sin 1t 0 数字1u t um sin 2t 0 数字0移频键控FSK信号实现容易 技术简单 抗干扰能力较强 是目前最常用的调制方法之一 在FSK方式下 用载波频率附近的两种不同频率来表示二进制的两种状态 在电话线路上 使用FSK可以实现全双工操作 3 移相键控 phase shiftkeying PSK 绝对调相um sin t 0 数字1u t um sin t 数字0移相键控可以分为 绝对调相相对调相二相调相多相调相在PSK方式下 用载波信号相位移动来表示数据 PSK可以使用二相或多于二相的相移 利用这种技术 可以对传输速率起到加倍的作用 数字数据的模拟信号编码图 数字调制的三种基本形式 移幅键控法ASK 移频键控法FSK 移相键控法PSK 2 2 2模拟数据的数字信号编码 模拟信号的数字传输 通过电话进行情感交流 1 脉码调制PCM 脉码调制是以采样定理为基础 对连续变化的模拟信号进行周期性采样 利用 有效信号最高频率或其带宽 倍的采样频率 通过低通滤波器从这些采样中重新构造出原始信号 采样定理表达公式 Fs 1 Ts 2Fmax或Fs 2Bs式中Ts为采样周期Fs为采样频率Fmax为原始信号的最高频率Bs Fmax Fmin 为原始信号的带宽 2 模拟信号数字化的三步骤 1 采样 以采样频率Fs把模拟信号的值采出 2 量化 使连续模拟信号变为时间轴上的离散值 3 编码 将离散值变成一定位数的二进制数码 2 2 3数字数据数字信号编码方法 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 它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及收发两端之间的信号同步两个方面 1 数字数据的数字信号表示 对于传输数字信号来说 最常用的方法是用不同的电压电平来表示两个二进制数字 即数字信号由矩形脉冲组成 1 非归零码NRZ 2 归零编码RZ 3 单极性编码 4 双极性编码 a 单极性不归零脉冲 b 双极性不归零脉冲 c 单极性归零脉冲 d 双极性归零脉冲 e 交替双极性归零脉冲 2 归零码和不归零码 单极性码和双极性码的特点 不归零码在传输中难以确定一位的结束和另一位的开始 需要用某种方法使发送器和接收器之间进行定时或同步 归零码的脉冲较窄 根据脉冲宽度与传输频带宽度成反比的关系 因而归零码在信道上占用的频带较宽 单极性码会积累直流分量 这样就不能使变压器在数据通信设备和所处环境之间提供良好绝缘的交流耦合 直流分量还会损坏连接点的表面电镀层 双极性码的直流分量大大减少 这对数据传输是很有利的 3 同步过程 1 位同步2 群同步 1 位同步 位同步又称同步传输 它是使接收端对每一位数据都要和发送端保持同步 实现位同步的方法可分为外同步法和自同步法两种 在外同步法中 接收端的同步信号事先由发送端送来 而不是自己产生也不是从信号中提取出来 即在发送数据之前 发送端先向接收端发出一串同步时钟脉冲 接收端按照这一时钟脉冲频率和时序锁定接收端的接收频率 以便在接收数据的过程中始终与发送端保持同步 自同步法是指能从数据信号波形中提取同步信号的方法 典型例子就是著名的曼彻斯特编码 常用于局域网传输 在曼彻斯特编码中 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 还有一种是差分曼彻斯特编码 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表示 0 或 1 有跳变为 0 无跳变为 1 两种曼彻斯特编码是将时钟和数据包含在数据流中 在传输代码信息的同时 也将时钟同步信号一起传输到对方 每位编码中有一跳变 不存在直流分量 因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能 但每一个码元都被调成两个电平 所以数据传输速率只有调制速率的1 2 图2 9数字信号的同步编码 中间跳变1变100变01 中间仍然跳变信号前沿0跳1不跳 2 群同步 在数据通信中 群同步又称异步传输 是指传输的信息被分成若干 群 数据传输过程中 字符可顺序出现在比特流中 字符间的间隔时间是任意的 但字符内各个比特用固定的时钟频率传输 字符间的异步定时与字符内各个比特间的同步定时 是群同步即异步传输的特征 群同步传输每个字符由四部组成 1 1位起始位 以逻辑 0 表示 2 5 8位数据位 即要传输的字符内容 3 1位奇偶校验位 用于检错 4 1 2位停止位 以逻辑 1 表示 用作字符间的间隔 图2 10群同步的字符格式 二 常用数据传输方式 基带传输 宽带传输同步传输 异步传输多路复用 2 2 4基带传输与宽带传输 根据不同的通信要求 可以采用两种不同的方式将数字信号在线路上进行传输 基带传输和宽带传输 基带传输 将数据直接转换为脉冲信号加到电缆上传送出去 一般的 有脉冲表示1 无脉冲表示0 计算机局域网正是采用这种基带传输方式 为了使数字信号能高效地在线路进行基带传输 我们采用各种方式的数字信号编码 将数字信号进行一定的编码后 然后再在线路上进行传输 具体的传输编码方式包括 NRZ编码 RZ编码 曼彻斯特编码 和差分曼彻斯特编码 特点 简单 信道利用率低 在传输时占用电缆的整个频宽 易受电磁干扰 宽带传输 将数据加载到载波信号上送出去 一般以正弦波作为载波 根据数据内容改变载波的振幅 频率或相位 可同时传输多个信号 即将数字信号进行调制后再在线路上进行传输 由于线路都具有一定的频宽 因此 可以将数字信号调制在多个不同的频率上进行传输 从而 可以提高线路的利用率 2 2 5异步传输与同步传输 同步的含义 数据在传输线上传输时 为保证发送端发送的信息能够被接收端正确无误地接收 要求发送端和接收端动作的起始时间和频率保持一致的技术称为 同步技术 1 同步传输 在通信期间 双方通过特定的方式一直保持时间上的同步 同步方法 用专门的时钟通信线路 先发一串同步比特校准时钟再发数据 将同步信号叠加在所传数据中同步传输通信效率高 质量高 但实现技术复杂 成本也高 2 异步传输 采用特殊的 数据发送开始 和 数据发送结束 这两个特殊的标志来指示接收方的动作 在传送字符期间同步 不传送字符期间可以不同步异步传输通信方式速率低 对高速信道不适用 但容易实现 成本低 在低速通信场合还有一定作用 2 2 6多路复用技术 多路复用技术的原因及含义 1 减少远距离通信时的线路开支 2 降低单路信号通信时的线路带宽的浪费 3 所谓的多路复用技术 是指将多路信号在单一的传输线路上同时传输 2 2 6多路复用技术 常用的多路复用技术 1 频分多路复用 FDM 在物理信道能提供比单个原始信号宽的多的带宽情况下 把物理信道的总带宽划分成若干个与单个信号带宽相同 一般略宽 以防相邻频带的串扰 的频带 段 用每个频段来传输一路信号 典型应用 无线广播 无线 有线 电视 特点 发射端在发射之前先将原始信号 用频率调制到对应的频段 称为 频谱搬移 各频带的带宽中预留有 保护带 以防相邻频段信号的串扰 一般用于 模拟信号 传输中 频分多路复用技术 典型例子 ADSL通信 2 2 6多路复用技术 2 时分多路复用 TDM 是以信道传输时间作为分割对象 通过为多个信道分配互不重叠的时间片来实现多路复用 同步时分复用 将一条共享传输线路上的时隙按固定 预先决定好的形式分配给设备 注 此处的 同步 并非 同步传输 而是指时间片预先分配给固定的数据源 不管数据源是否有数据要传送 其所对应的时间片都被传输出去 同步时分多路复用 2 2 6多路复用技术 2 异步时分复用 将一条共享传输路线上的时隙动态 按需分配给设备的一种时分复用技术 注 与同步时分复用相比可克服时隙的浪费 线路的容量可以小于所连接设备数据传输速率总和 异步时分复用 3 波分多路复用 WDM 将光纤信道划分为多个波段 相当于FDM中的频段 每路信号占用一个波段 光纤通道 fiberopticchannel 技术采用了波长分隔多路复用方法 简称为波分复用WDM 在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号称为密集波分复用DWDM 目前一根单模光纤的数据传输速率最高可以达到20Gb s 多路复用技术典型应用实例 北美T1载波系统 欧洲的CITT标准的E1载波系统 北美T1载波系统的载波就是采用脉码调制 PCM 和时分多路复用技术 TDM 使24路采样声音信号复用一个通道 工作原理 将一条路线按时分划分为24个信