数据编码

研究数据在信号传输过程中如何进行编码（变换），不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合，每一种相应地需要进行不同的编码处理。

 

  编码和调制

用数字信号承载数字或模拟数据——编码

用模拟信号承载数字或模拟数据——调制

 

为什么要进行调制或编码？

        首先，对调制的需要是用无线电通过空间传输低频信号而产生的。为了有效地传输这种信号，天线尺寸必须与所辐射的信号波长的尺寸大致相同。因为约1000Hz的低频模型拟信号的波长约300KM。

      其次，数字信号不可能通过为模拟信号设计的传输线（如电话线）传送，反之亦然。

一、数字数据的数字信号传输（基带传输）

      基带：基本频带，指传输变换前所占用的频带，是原始信号所固有的频带。

n   基带传输：在传输时直接使用基带信号。

   

   基带传输是一种最简单最基本的传输方式，一般用低电平表示“0”，高电平表示“1”。

n    适用范围：低速和高速的各种情况。

   n限制：因基带信号所带的频率成分很宽，所以对传输线有一定的要求。

常用的几种编码方式：

1）不归零制码（NRZ：Non-Return to Zero）

    原理：用两种不同的电平分别表示二进制信息“0”和“1”，低电平表示“0”，高电平表示“1”。

    缺点： a  难以分辨一位的结束和另一位的开始；

         b  发送方和接收方必须有时钟同步； 

         c  若信号中“0”或“1”连续出现，信号直流分量将累加。

    结论：容易产生传播错误。 

2）曼彻斯特码（Manchester），也称相位编码

   原理：每一位中间都有一个跳变，从低跳到高表示“0”，从高跳到低表示“1”。

   优点：克服了NRZ码的不足。每位中间的跳变即可作为数据，又可作为时钟，能够自同步。

< XMLNAMESPACE PREFIX ="P" />

3）差分曼彻斯特码（Differential Manchester）

   原理：每一位中间都有一个跳变，每位开始时有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。位中间跳变表示时钟，位前跳变表示数据。

   优点：时钟、数据分离，便于提取。

4）逢“1”变化的NRZ码

   原理：在每位开始时，逢“1”电平跳变，逢“0”电平不跳变。

5）逢“0”变化的NRZ码

   原理：在每位开始时，逢“0”电平跳变，逢“1”电平不跳变。

 

二、数字数据的模拟信号传输（频带传输）

?    频带传输：指在一定频率范围内的线路上，进行载波传输。用基带信号对载波进行调制，使其变为适合于线路传送的信号。

?    调制（Modulation）：用基带脉冲对载波信号的某些参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化。

?    解调（Demodulation）：调制的反变换。

?    调制解调器MODEM（modulation-demodulation)   

       

调制技术

    n根据载波 Asin(wt + j)的三个特性：幅度、频率、相位，产生常用的三种调制技术：

?    幅移键控法 Amplitude-shift keying (ASK)

?   频移键控法 Frequency-shift keying (FSK)

?   相移键控法 Phase-shift keying (PSK)

   基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。

   载波 S(t) = Acos(wt+j)

        S(t)的参量包括： 幅度A、频率w 、相位j

   调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化

        ASK：用载波的两个不同振幅表示0(0v)和1(+5v)

        FSK：用载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)和1(2.4KHz)

        PSK：用载波的起始相位的变化表示0 (同相)和1(反相)

 多级调制方法1 -单参量多级调制

 数据率 = 信号速率 x log2M

        M：调制级数

 

多级调制方法2 –多参量多级调制

16-QAM(正交振幅调制) :使用振幅和相位的16种组合

 

三、模拟数据的模拟信号传输

    要将模拟数据转换成模拟信号传输，主要是要使其能作长距离传输。一般常用的调制信号技术包含三种：

    振幅调制（Amplitude Modulation，简称AM）

    频率调制（Frequency Modulation，简称FM）

    相位调制（Phase Modulation，简称PM）

四、模拟数据的数字信号编码

    奈奎斯特定理（采样定理）：  

       如果连续变化的模拟信号最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。

 

   语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过三个步骤：

      1）采样——按一定间隔对语音信号进行采样

      2）量化——对每个样本舍入到量化级别上

      3）编码——对每个舍入后的样本进行编码

    编码后的信号称为PCM（Pulse Coded Modulation）信号（脉码调制信号）——用于语音处理

 

   --话音信道带宽<4KHz

   --采样时钟频率：8KHz  (> 2倍话音最大频率)

   --量化级数：256级  (8位二进制码表示)

   --数据率：8000次/s*8bit = 64Kb/s

     ∴每路PCM信号的速率 = 64000bps

 

PCM转换过程举例

 

PCM 转换波形图