数据编码技术

1、计算机网络基础数据编码技术主讲人：徐光达 一、数据通信系统基本概念回顾n数据（Data）数据通信中传输的二进制代码，是传输信息的载体 n信息（Information）数据的内容和解释n信号(Signal)数据在传输过程中的电磁波表示形式n模拟信号随时间连续变化连续变化的物理量n数字信号相对于时间和幅值而言都是不连续不连续的，即离散的物理量模拟信号数字信号信号n 周期信号信号在一段可测量的时间内完成一种模式，并且在随后同样长的时段内不断重复这种模式q周期T完成一个完整模式所需要的时间，其值是固定的信号n 非周期信号在随时间变化的过程中，不会出现重复的模式信号数据通信相关概念：n数据通信：在两点或

2、多点之间以二进制形式进行信息交换n信源：一次通信中发送信息的一端n信宿：一次通信中接收信息的一端n信道：信源和信宿之间的通信线路通信线路输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC 机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号 正文正文数据通信系统信源源系统信宿目的系统信道传输系统输出信息PC 机数据通信系统模型n一个数据通信系统由信源、信道和信宿三个部分组成。二、数据通信系统的技术指标n数据传输速率n带宽n时延n信道容量 数据传输速率n比特率：单位时间内所传送的二进制码的有效位数，单位bps。n波特率：是脉冲信号经过调制后的传输速率，它是指单位

3、时间内传输的码元数目，单位波特（Baud）。q码元：一个数字脉冲信号。一个码元可以携带K种状态n比特率与波特率的换算关系为： R(bps比特率)B（波特率）log2Kn误码率：二进制码在传输过程中出现错误的概率。 误码率=传输中发生差错的码元数/传输总码元数n设信号的波特率为600Baud，采用4相DPSK（相键控调控）调制，则信道支持的最大数据速率为_。A. 300b/s B. 600b/s C. 800b/s D. 1200b/s例题带宽n对于模拟信号而言，带宽又称为频宽，以赫兹（Hz）为单位。n对于数字信号而言，带宽是指单位时间内链路能够通过的数据量。n为了与模拟信道的带宽进行区分，数字

4、信道的带宽一般直接用波特率或符号率来描述。n信号从源端发送到宿端所需要的时间q发送时延q传播时延q处理时延时延(delay 或 latency)n发送时延（传输时延 ） 发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。发送时延 = 数据块长度（比特）信道带宽（比特/秒）时延n传播时延 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。 n信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。 传播时延 = 信道长度（米）信号在信道上的传播速率（米/秒）时延n处理时延：交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。 n结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部

5、分。n处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。n有时可用排队时延作为处理时延。 时延n数据经历的总时延就是发送时延、传播时延和处理时延之和： 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延时延三种时延所产生的地方 1 0 1 1 0 0 1发送器队列在链路上产生传播时延结点 B结点 A在发送器产生发送时延在队列中产生处理时延数据从结点 A 向结点 B 发送数据链路信道容量n信道容量：单位时间内，信道上所能传输的最大比特数，用bps表示。当传输速率超过信道容量时，会产生信号失真n香农定理： C=Wlog2(1+S/N)qC:信道的极限数据传输速率qW:信道带宽（Hz）n带宽为6KHz，信噪

6、比为20dB的信道，发送二进制信号时的最大数据传输率是多少？nS:信道内信号的平均功率nN:信道内的噪声功率。 三、编码类型及方式模拟的和数字的数据、信号 模拟数据模拟信号放大器整形器模拟数据数字信号 PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号数字发送器四、数据编码技术n数字数据调制为模拟信号n数字数据编码为数字信号n模拟数据编码为数字信号调制解调器n调制解调器(modem)包括：q调制器(Modulator)：把要发送的数字信号转换为频率范围在 3003400 Hz 之间的模拟信号，以便在电话用户线上传送。q解调器(DEModulator)：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信

7、号。n数据经过模拟传输系统后会出现差错。 出现差错010010 0100还原后的数据t接收到的失真信号010011100t发送的基带信号t采样时刻调制解调器n调制器的主要作用就是个波形变换器，它把基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形 n解调器的作用就是个波形识别器，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号q若识别不正确，则产生误码。q在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设施。 调制解调器1、 数字调制技术n 调制数字数据转换为模拟信号，即选取某一频率的正（余）弦波作为载波，来运载需传输的数字数据A：信号振幅； f：信号频率，单位时间内信号变化次数，周/秒：初始相角，单位为

8、弧度 （相位）)sin(ftAy(t)=n 根据正弦波的3个控制参数（振幅A，频率f和相位）有3种基本调制技术：n 振幅调制（AM）n 频率调制（FM）n 相位调制（PM）n 正交调幅（QAM） 振幅调制n振幅调制幅移键控（ASK）q改变载波信号的振幅来表示二进制0和1，频率和相位保持不变 频率调制n频率调制频移键控（FSK）q改变载波信号的频率来表示二进制0和1，振幅和相位保持不变 相位调制n相位调制相移键控（PSK）q改变载波信号的相位来表示二进制0和1，振幅和频率保持不变n相对相位调制n绝对相位调制n用载波信号相位的相对变化来表示数字0和1相对相位调制n用载波信号的不同相位直接表示数字0

9、和1绝对相位调制 正交调幅n结合使用载波信号中的振幅和相位变化，为每个比特组合比特组合分配一个给定的振幅和相位信号。n可以增加信号模式，提高比特率（每秒发送的比特数）。但必须使信号之间保持较大的差异，提高信号的抗干扰能力。 n信号星座图中的每一个点，就是一个合法的信号模式，信号的振幅对应于该点到原点的距离D，相位对应于振幅和水平轴的夹角a。正交调幅 8-QAM信号星座图信号星座图 2个振幅和4个相位，产生8（2*4）种信号模式，每种信号模式表示3位（log28）比特串比特值比特值调制信号的振幅调制信号的振幅调制信号的相位调制信号的相位000A10001A20010A1/2011A2/2100A

10、1101A2110A13/2111A23/2A1A28QAM例：数据例：数据001 100 011 000 110 010 111 101 按按8-QAM调制调制 2、数据编码技术1 单极性编码 只使用一种极性（正或负）的电压脉冲二进制1，零电压二进制0。q简单、易实现q不能由没有处理直流分量信号能力的介质传输q存在同步问题 数据编码技术1 单极性编码 例如：数字数据01001101的单极性编码 数据编码技术2 极化编码 采用两种极性（正和负）的电压脉冲，减少直流分量。非归零电平编码电压脉冲一种极性为1，另一种极性为0；存在发送方和接收方的时钟同步问题 。数据编码技术3 双相位编码 信号中含同

11、步信息，每个比特中间信号都跳变 。n 曼彻斯特编码：中间跳变既表示同步信息，又表示不同值。q负电平到正电平1， 正电平到负电平0。n差分曼彻斯特编码：中间跳变仅用来表示同步信息。q每比特的开始位置没有跳变1， 有跳变0。例：将数字数据例：将数字数据01001101进行双相位编码进行双相位编码（设起始位置的电压为正电平设起始位置的电压为正电平 ）。）。 思考：哪个是曼思考：哪个是曼彻斯特编码？彻斯特编码？3、 模拟数据编码为数字信号n采样q在时间上将模拟信号离散化n量化q用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值n编码q量化后的值用二进制表示，然后转换成二值或多值的数字信号流采样电路采样电路量化和编码量化和编码-话音信道带宽话音信道带宽 2倍话音最大频率倍话音最大频率)-量化级数：量化级数：256级级 (8位二进