数据通信第3章

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1、郭亚军,章必雄 陈先桥,郭羽成,林姗 华中科技大学出版社,数据通信,第3章 数据编码与调制,本章导读(一) 本书中所讨论的各种形式的信息都可用电信号表示。根据不同的传输媒体和通信环境，可以使用模拟信号或数字信号来传输这些信息。 传输媒体只能传输信号，数据终端产生的数据必须转换成传输媒体能够传输的信号，共有4种转换方式：数字数据数字信号，数字数据模拟信号，模拟数据数字信号，模拟数据模拟信号。 模拟数字转换（模拟数据数字信号）：不论是语音还是图像视频，这样的模拟数据经常被数字化，以便用数字传输设备或计算机网络处理。其中最常用的技术是脉码调制（PCM），它包括依照定理进行的采样以及对样本的量化处理。

2、,本章导读(二),数字基带传输编码（数字数据数字信号）：一方面数据必须进行编码，另一方面，由于原始数字数据往往含有丰富的直流或低频成分、不便于提取同步信息、易于形成码间串扰等，故必须编码为适合信息传输的码型（又叫做线路码）。 模拟调制（模拟数据模拟信号）：模拟数据需经过模拟调制生成模拟信号才能经模拟传输系统进行传输。其基本技术是调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）。,本章导读(三),数字调制（数字数据模拟信号）：数字数据经过数字调制生成含有数字数据信息的模拟信号才能经模拟传输系统进行传输。除了基本的二进制数字调制技术（ASK、FSK、PSK）之外，还有近代广泛采用的多进制数字调制、扩频调制

3、以及OFDM正交多载波调制。 数据传输速率是衡量数据通信系统通信能力的主要指标，通常采用调制速率或编码码元数据速率（或者比特率）来描述。,3.1 数据与信号,数据分为数字数据和模拟数据。 模拟数据是指在一段时间内具有连续取值的数据，例如，语音系统中的声音、电视中的视频数据。 数字数据是离散的量，例如，计算机输出的文本信息就被处理成数字数据。由于计算机系统及通信系统都只能处理二进制数据，以字符形式表示的数据既无法被计算机存储，也不容易被计算机系统进行处理及被通信系统进行传输，因此要采用编码方案将文本中的字符表示成比特序列。最常见的编码方案就是ASCII七位编码字符集。采用编码后，每个字符用七位二

4、进制数“0”或“1”表示，而在处理时“0”或“1”用不同的电位脉冲表示，因此文本字符变成了一组用“0”或“1”表示的序列，亦即数字数据。,数据常常以电磁信号的方式从一点传播到另一点的。 信号分为模拟信号和数字信号。 模拟信号就是连续变化的电磁波。 数字信号是电压脉冲序列，例如，对于二进制数字数据。最常见的形式是采用两个恒定的电压值表示，一个表示“1”，一个表示“0”，如正电位表示“1”，负电位表示“0”。,数据终端产生的数据只有转换成信号才能在媒体中传输。 将数据转换为信号有4种形式: 数字数据数字信号, 数字数据模拟信号 模拟数据数字信号, 模拟数据模拟信号。 其中，数字数据数字信号和模拟数

5、据数字信号的转换采用的是编码技术，数字数据模拟信号和模拟数据模拟信号的转换采用的是调制技术。 注意两个概念: 频谱和带宽。频谱即信号频率的范围。带宽即信号频谱的宽度，其值为信号最高频率与最低频率之差值。,3.2 模/数转换,模/数转换即把模拟数据转换为数字信号的过程。 将模拟数据转变成数字数据好处: 1. 在传输中, 数字数据只是进行处理纠错和拷贝重复，不会出现噪声积累、信号畸变失真和积累。 2. 数字数据传输可以采用各种先进的编码和调制技术，可灵活而又充分地利用信道资源，提高信道利用率。 但是,我们也常常将数字数据经常被调制成模拟信号来传输(见3.5节). 例如，电话Modem上网、数字手机

6、、数字电视等。 实际上，将数字数据调制成的模拟信号是含有数字数据信息的已调载波模拟信号，无论在传输中受噪声的影响和产生波形畸变的情况如何，只要在接收端正确地解调出经过纠错编码的原始数字数据，就达到了数字数据传输的基本要求。它具备数字数据传输的所有优点。,模/数转换,基本过程如下如所示. 在这个过程中有两个重要的过程:采样和量化. 主要问题是在信号不失真的前提下，如何将无穷多的连续值转换为有限个离散值,3.2.1 采样,采样是每隔相等时间测量一次信号振幅值. 采样定理（奈奎斯特准则）:对一个带限（频谱受限）的模拟信号f (t), 采样频率至少是f (t),最高频分量频率的两倍.这样还原信号不失真

7、. 最小采样速率s = 2m =2/Ts (或fs =2fm)称为奈奎斯特（Nyqist）速率；最大采样间隔Ts称为奈奎斯特间隔。 将输入模拟信号f(t)与矩形脉冲序列P(t) 直接相乘的方法为自然采样 . 平顶采样所得采样信号的所有脉冲形状均相同，幅度则取决于模拟信号f (t)的瞬时采样值。 自然采样和平顶采样实际上是输入模拟信号对采样脉冲序列的幅度调制，故又称为脉冲幅度调制PAM（Pulse Amplitude Modulation）,3.2.2 脉冲编码调制（PCM）,PAM采样所得样本在幅值上是模拟量，难以用有限状态的数字码字表示。 需要将离散时间样本的模拟量幅值量化，即将每个样本的幅

8、值用振幅域上离散的值来近似. 量化也是分“层”处理，即分成若干个量化电平阶，每个样本值按“四舍五入”方法归于最近量化阶的整数层上。 这样原来时间离散，幅值仍为模拟量的样本转换成了时间离散幅值也是离散的样本。 由于量化阶的数目是有限的，因而可以用二进制或多进制码字表示，这一步是编码，,PCM的基本过程如图所示.(数字/数字编码部分将在下一节介绍),由于PCM采用n bit量化编码，所以其带宽为PAM的n倍。 从另外一个角度来看PCM的工作原理 .,量化是近似逼近，因此存在误差，这个量化误差又称为量化噪声. 在均匀量化（即量化阶等间距）的情况下，可以增加量化阶数目来减少量化的噪声。 量化噪声的信噪

9、比可用下式表示 SNRe = 20lg 2n + 1.76 (dB) = 6.02n + 1.76 (dB) 式中n是量化阶的比特位数。由式中可知每增加1个比特，信噪比就增加6dB，即4倍。 增加量化阶的比特位数会显著增加PCM的编码长度 ,这会增加码流量，扩大对传输带宽的需求 .,一种较好的解决方法是采用非线性编码方法，即非均匀量化法. 非均匀量化法: 量化阶距随输入信号大小而改变，即小信号时量化阶距小，大信号时量化阶距增大. 常采用的方法是对数压扩法，即量化器仍采用统一的均匀量化器，而在输入端对信号进行对数压缩，在接收方的输出端对信号进行扩张还原，此方法同样可达到非均匀量化的效果 . 目前

10、流行的对数压扩法是数字压扩技术,3.2.3 增量调制（DM）,增量调制DM（delta modulation）是根据输入信号幅值的变化增量（上升或下降）进行量化编码. 增量调制将输入信号当前时刻的瞬时值与前一时刻采样样本的量化值之差进行量化，而且只对差值的符号编码，不对差值的大小编码。 生成一个近似原始输入模拟信号波形的阶梯函数 ,该函数的变化总是与输入信号一致。 增量调制可以用一个样本对应一个二进制数表示 如果被采样的波形值超过阶梯函数最新值,则生成一个1,相反就生成一个0,如下是DM系统原理及波形图,DM的量化噪声分为颗粒噪声和斜率过载噪声。前者由电平的量化产生；后者是由于输入信号的斜率过

11、大，调制器的量化阶大小跟不上而产生的。见下图所示。 DM的量化比特数比PCM少得多，因此它所需要的传输带宽比PCM小得多；然而它的抗干扰性、失真率和稳定性远不如PCM。,3.3 数字基带传输编码,原始基带数字数据信号往往含有丰富的直流或低频成份；不便于提取同步信息；易形成码间串绕等，因而不适合在信道中传输。所以必须将原始数字数据变换为适合信道传输的传输码（又叫线路码），这个操作称为数字基带传输编码。 它是将数字数据转换成数字信号. 主要的编码格式如下图所示.,码型的选择应考虑以下几点因素： （1）直流及低频分量要尽量少，高频分量也要尽量少（即所需带宽小）。 （2）应包含同步信息。 （3）变换设

12、备要简单可靠。 （4）具有一定的检错能力。,3.3.1 不归零码（NRZ）,最常用、最简单的方法是用两个不同的恒定电平来表示二进制的两个数字（“0”或“1”） 用一个负电平和一个正电平分别表示二进制的两个数字（不会回到零电平），则称为不归零电平（Non Return to Zero-Level, NRZ-L），又称为双极性不归零码 上图所示的就是负逻辑（用正电平表示“0”，用负电平表示“1”）的NRZ-L码。 NRZ-L码常用于终端和其它设备中（例如可以直接通过接口输入计算机），以生成或解释数字数据。,NRZ码的一个变种是单极性NRZ码，它实际上是将NRZ-L码的负电平变为零电平而得到的。 单

13、极性NRZ码有直流分量积累，因而只在老式的电传机上用过，现在很少用。 NRZ码的另一个变种是不归零1码（Non Return to Zero, Invert on ones, NRZI）。与NRZ-L一样，NRZI在每一bit的持续时间内电平保持恒定，编码规则是看每bit起始时刻有无跳变，若每一bit起始时刻有跳变（上跳或下跳），则该bit表示“1”，或无跳变，则表示“0”。 NRZI实际上是差分编码，它所传输的信息是两个连续位元信号之间是否发生变化来表示的。通常，对当前bit的编码情况判断如下：若当前bit为“0”，则该bit编码后的信号与前一bit相同，若当前bit为“1”，则该bit编码

14、后的信号与前一bit相反。,NRZI的优点一是在有噪声干扰的情况下探测跳变比探测信号与门限的比较值更可靠。 NRZI的优点二是在复杂的传输结构中，若连接设备的双绞线引脚不小心接反，造成极性翻转，对NRZ-L的影响很大（所有的“0”和“1”都翻转），而对NRZI则无影响。 NRZ 的优缺点: 优点: 容易实现; 能有效地利用带宽 缺点: 它具有直流成分; 缺乏同步能力 因此NRZ很少用于信号传输,3.3.2 多电平二进制,多电平二进制（multilevel binary）编码使用了多于2个信号的电平，如双极性AMI码和伪三进制码. 使用多电平二进制目的是为了弥补NRZ码的一些缺陷 . 在双极性A

15、MI码中，用零电平表示“0”，而“1”则用正负交替的电平表示，且每逢“1”必翻转电平。 伪三进制码是用零电平表示“1”，而“0”则用正负交替的电平表示，且每逢“0”必翻转电平 . 这两种码都具有一定的同步能力 .但是若在AMI码中存在较长的连续“0”比特串，或是在伪三进制码中存在较长的连续“1”比特串，仍会存在问题。,3.3.3 双相位,双相位（biphase）码是在每一bit位元中间都出现跳变的码，它克服了NRZ码的缺点 最常用的两种码是曼彻斯特码和差分曼彻斯特码。 曼彻斯特（Manchester）编码中，每一bit位元中心处都存在一个跳变，常用技术是用从高到低的下跳表示“1”，用从低到高为

16、上跳表示“0”。见前图(图3-8) 图3.8中给出的是负逻辑相位的曼彻斯特码波形，即用从高到低的下跳表示“0”，用从低到高的上跳表示“1”， 此种编码逻辑已用于局域网IEE802.3标准中。在曼彻斯特编码中，每一bit位元中心处的跳变不仅定义了数据，还提供了位同步的定时信息。,在差分曼彻斯特（Differential Manchester）编码中，每一bit位元中心处的跳变仅提供位同步信息，而用bit位元起始时存在跳变表示“0”，bit位元起始时无跳变表示“1”。 它已用于IEEE802.5令牌环网中 差分曼彻斯特码更增添了差分技术所具有的优点。 由于双相位码在每一bit位元中间至少存在一次跳变，因此编码后的脉冲速率增加一倍，所需传输带宽也增加一倍.(在下一节中我们可以知道双相位码的调制率是比特率的两倍). 双相码的三大优点是 （1）每bit位均含位同步信息. （2）无直流成份。 （3）差错检测能力强。,3.3.4 数据率与调制率,数据率为数字数据的传输速率，单位为bps或者b/s（每秒比特）,也称比特率. 数字数据经编码后生成的码元的传输