2.4 __数据编码

1、模拟传输系统：模拟信道 在模拟传输系统中采用模拟信号传送数据， 该系统的特点是使用放大器来补偿信号在传输过程中的衰减。在放大信号的同时也放大了由噪声，从而信号的失真越来越大数字传输系统： 在数字传输系统中既可采用数字信号、也可采用模拟信号传送数据。 该系统的特点是在传输介质中插入转发器（Repeater，或叫中继器）以补偿传输过程中信号的衰耗和抑止干扰。/存在数字调制解调过程数字传输数字传输 有优点，在模拟数据或数字数据的长距离传输中，数字传输技术逐步取代原来的模拟传输技术数据编码（调制）： 就是将数据转换为适合于在信道上传输的某种电信号形式(模拟或数字信号)。l模拟数据用模拟信道发送模拟数据

2、用模拟信道发送 - 载波 例如模拟电话l数字数据用数字信道发送 - 编码l数字数据用模拟信道发送 - 调制 例如电话拨号l模拟数据用数字信道发送 - 采样 例如IP电话2.4.1数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码2.4.2数字数据的模拟信号编码（调制数字数据的模拟信号编码（调制/解调）解调）2.4.3 模拟数据的数字信号编码模拟数据的数字信号编码1. 普通二进制编码普通二进制编码l普通二进制编码就是简单地用高、低电平的方波在物理媒体中表示二进制的“0”和“1” l接收端无法从高低电平的方波中读出正确的比特串。比如 “0110” 会读成为“00111100”。需要发送器和接收器进行定时

3、或同步。l一段时间内会积累出直流分量l单极型脉冲单极型脉冲(电压有或无)和双极型脉冲双极型脉冲(电压正或负)都可以用来表示2进制数。双极型脉冲可以有效抑制直流分量。l常用的编码方式有： 不归零编码(NRZ)， 归零编码， 曼彻斯特编码， 差分曼彻斯特编码。l不归零编码不归零编码在一个码元的全部时间内，电平保持恒定。归零编码归零编码在一个码元结束时电平总是回到零l曼彻斯特编码曼彻斯特编码：每位中间有一个电平跳变，从高到低的跳变表示“1”，从低到高的跳变表示“0”。l差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码：曼彻斯特编码的一种变形。在这种编码方式中，每位的中间跳变只用于作为同步时钟信号，而用位的起始处有无

4、跳变来区分“0”和“1”，若有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。l曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码，都可以被用来从中间电平跳变中提取同步信号，这两种编码方式常用于局域网中,用两个信号来表示一个比特的信息 ,编码效率只有50% l编码效率编码效率 80% :用用5比特的码组来表示比特的码组来表示4比特数据比特数据信息。信息。l编码方式编码方式 :仅在每个比特仅在每个比特“l”持续时间的开始处有持续时间的开始处有电平跳变。电平跳变。l自带同步信号自带同步信号: 要求每个要求每个5比特码组中不会少于比特码组中不会少于2个个“l”，每，每5个码元的传输中至少有两次电平跳变。个码元的传输中至少有两次电平跳

5、变。 2.4.1数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码2.4.2数字数据的模拟信号编码（调制数字数据的模拟信号编码（调制/解调）解调）2.4.3 模拟数据的数字信号编码模拟数据的数字信号编码广义的调制广义的调制/解调解调:变换器的变换与反变换。变换器的变换与反变换。l调制调制/解调：由信源产生的原始电信号为基带信号，由于它具有解调：由信源产生的原始电信号为基带信号，由于它具有频率较低的谐波分量，不适宜在远距离直接传输，而要将其组频率较低的谐波分量，不适宜在远距离直接传输，而要将其组合到更高频率的载波上去，这个过程就称为调制。合到更高频率的载波上去，这个过程就称为调制。l调制信号：调制过程

6、中，要传输的信号调制信号：调制过程中，要传输的信号基带信号基带信号 (是被调是被调制的信号制的信号)。l调制的过程就是按调制信号的变化规律去改变载波某些参数调制的过程就是按调制信号的变化规律去改变载波某些参数的过程；的过程；l解调就是调制的逆过程。解调就是调制的逆过程。l据载波分类：据载波分类： l模拟调制：模拟调制：调制信号为连续型的低频正弦波信号的正弦波调制过程，例如广播信号的调制过程，；l数字调制数字调制调制信号为数字信号的正弦波调制，用模拟信道进行数字数据传输（通常所说的调制技术。） 数字调制技术：正弦振荡的载波可用来表示，使其幅度A、频率f或相位根据数字基带信号变化而变化，从而实现对

7、载波的数字调制 .有：调幅(AM)、调频(FM)或调相(PM) 正弦波调制载波是正弦型高频波脉冲调制载波是脉冲串数字调制模拟(连续)调制l调幅：用两个不同幅值的载波信号分别表示二进制数字“1”和“0”。例如可用恒定幅度载波的有和无（即最大和最小值）来代表二进制数字“0”和“1”，l调幅方式技术简单，较容易实现，易受干扰，主要用于低速、异步传输方式的调制 l频率调制频率调制 :用两个不同频率（f1、f2）的载波代表二进制数“1”和“0”l特点：抗干扰能力好，但占频带较宽，低速率的数字信号传输中用l相位调制：相位调制：用载波的相位变化来表示二进制数字“1”和“0”，两间隔载波信号的相位差为时，表前

8、后相邻两位的数字不同(01或10)，两间隔载波信号的相位差为0时，表前后相邻两位的数字相同(00或11)。l特点：占用频带较窄，抗干扰性能好，可以达到更高的数据速率。l在实际应用中，各种调制方式可适当地组合。最常在实际应用中，各种调制方式可适当地组合。最常用的有用的有调相与调幅调相与调幅的结合，的结合，l如：载波可以有如：载波可以有4种相位种相位(0、90、180、270或或45、135、225、315)变化和两种变化和两种振幅变化，信号就可有振幅变化，信号就可有8种状态，这样每个码元种状态，这样每个码元(1 个个单位的信号单位的信号)可传送可传送3比特的信息，从而在相同的调比特的信息，从而在

9、相同的调制速率下就可达到更高的数据传输速率。制速率下就可达到更高的数据传输速率。 l键控方式键控方式 ：数字调制中，利用数字信号离散取值，数字电路的开关像拨键一样来控制振幅、频率或相位的变化。因而，在数据通信中调幅、调频和调相常相应地称为幅移键控ASK(Amplitude Shift Keying)、频移键控FSK(Frequency Shift Keying)和相移键控PSK(Phase Shift Keying)。 l解调解调解调是调制的逆过程，将调制信号还原为数字信号方法：鉴幅、鉴频和鉴相l调制解调器标准标准调制解调器V系列建议 ：为便于调制解调器发展的标准化和规范化，国际电信联盟ITU

10、定制调制解调器V系列建议，目前所有的调制解调器生产厂商都按照V系列建议进行生产l差错控制协议：差错控制协议：Microcom的MNP协议中的差错控制部分和ITU设计的V.42协议 l数据压缩协议：数据压缩协议：ITU的V.42 bis协议和Microcom公司的MNP协议中的数据压缩部分 l调制解调器兼实现差错控制和数据压缩及多路复用功能2.4.1数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码2.4.2数字数据的模拟信号编码（调制数字数据的模拟信号编码（调制/解调）解调）2.4.3 模拟数据的数字信号编码模拟数据的数字信号编码l数字传输优于模拟传输：数字传输优于模拟传输：抗干扰能力强，可靠性高；

11、抗干扰能力强，可靠性高；保密性保密性强，加密方便；强，加密方便；数字传输设备易集成化；数字传输设备易集成化；可以传输各种数据；可以传输各种数据；便于用计算机进行处理等。公共传输系统现多用数字信道便于用计算机进行处理等。公共传输系统现多用数字信道l原理图示：模拟信号的数字传输要在发送端先变换成数字信号，原理图示：模拟信号的数字传输要在发送端先变换成数字信号，然后在数字信道上进行数字传输，在接收端再复原成模拟信号。然后在数字信道上进行数字传输，在接收端再复原成模拟信号。l编码器编码器(Coder) ：发送端将模拟信号变换为数字信号：发送端将模拟信号变换为数字信号 l解码器解码器(Decoder)

12、:接收端将收到的数字信号复原成模拟信号接收端将收到的数字信号复原成模拟信号l编码解码器编码解码器(Codec)l 由于数字传输的质量好、价格低，在通信由于数字传输的质量好、价格低，在通信网络中便于交换和处理，常常需要把模拟数网络中便于交换和处理，常常需要把模拟数据转换为数字信号来传输。最常用的模拟信据转换为数字信号来传输。最常用的模拟信号号编码方法是脉冲编码调制编码方法是脉冲编码调制 PCMPCM。l PCMPCM包括三个步骤，采样，量化和编码。包括三个步骤，采样，量化和编码。l从模拟数据到数字信号的过程如下图：从模拟数据到数字信号的过程如下图：采样：采样： 即按一定的时间间隔采样测量模拟信号

13、幅值。根即按一定的时间间隔采样测量模拟信号幅值。根据奈奎斯特定理：只要采样频率不低于有效信号最高频据奈奎斯特定理：只要采样频率不低于有效信号最高频率的两倍，则采样值包含了原始信号的全部信息率的两倍，则采样值包含了原始信号的全部信息量化：量化：使采样值在取值上离散化。通常的做法是将原始使采样值在取值上离散化。通常的做法是将原始信号的取值范围划分成若干个等级（通常为信号的取值范围划分成若干个等级（通常为2 2n n级），将级），将每个采样值取整到离它最近的一个等级上。每个采样值取整到离它最近的一个等级上。编码：编码：将量化的的采样值用一定位数的二进制数来表示。将量化的的采样值用一定位数的二进制数来

14、表示。l图中一段4 KHz的音频模拟信号，用8KHz的频率取样，即每1000000/8000=125s取样一次；把最大幅值等分为16级，并采取舍入取整的方法进行量化，误差为最大幅度值的1/32；每一个量化后的整数要用4位二进制数来编码，得到该段信号的脉冲串为：00011000110110010100001000110100l在脉冲编码调制过程中的分级取整量化时产生了量化误差。l分级越细误差越小分级越细，样本值量化后的编码位数就越多码字就越长同样时间内需要的数据传输速率就越高。l例如：把上例中的最大幅度值等分为128级来量化，将量化误差减少为1/256，显然可大大提高还原音频信号的质量。但是每个

15、样本点的量化值需要用7位二进制数来编码，数据传输速率也要从l提高到 kbpskkhz3248)424(kbpsk5678l声音数字化时，以8000Hz的采样频率，128级量化。一个样本值用7位编码，1个控制位，所以一个声音话路的数据化速率为8k*8=64Kbps。lT1信道：24个话路按时分多路复用组成一个帧，加上一个帧同步位，每帧193位，要在一个取样周期125s内传送完一个帧。故T1载波的数据传输速率为(7+1)*24+1)/125=1.544Mbps是PCM传输标准之一。lCCITT的标准：每帧32个话路分时复用，其中30个话路用于传输用户数据，2个话路用于传输控制信号。32个话路分时复

16、用成一帧，每帧共328256位，采样频率为8000Hz，所以它的数据传输速率为2.048Mbps。 l对对PCM中幅度值等分量化的方法进行优化中幅度值等分量化的方法进行优化。 每个样本量化的绝对误差是相同的，而与信号幅值大小无关，但是相对误差在幅值较低的地方比幅值较大的地方就大得多了相对误差不同l不等分的量化级别。不等分的量化级别。 保持量化级总步数不变：在低幅值区使用较多的量化步，在高幅值区则使用较少的量化步。 既不增加数据量，又能在整体上减少信号的失真程度 。 l同样量化误差不变，压缩编码的长度。 压缩原理：在信号的变化比采样频率慢得多的情况下，用7个或更多个比特来数字化前后两幅度值之差。l差分