数据编码

PartTwoDataCommunications第二部分数据通信第四章数据编码ComputerNetworks莆田学院现代教育技术中心2005年9月本章主要内容4.1用数字信号传输数字类数据4.2用模拟信号传输数字类数据4.3用数字信号传输模拟类数据4.4用模拟信号传输模拟类数据莆田学院现代教育技术中心2005年9月概述Overview模拟数据和数字数据都可以编码成模拟信号或数字信号，编码方案取决于具体的要求和所用的传输媒体及通信设备。不同的编码方案莆田学院现代教育技术中心2005年9月信号传输的基本方法基带传输基带：未经调制变换的信号所占的频带基带信号：一般基带数字信号的频谱是从零开始直到一定频率。这种高限频率与低限频率之比远大于1的信号称为“基带信号”。基带传输：不搬移基带信号频谱的传输方式不使用载波频带传输在发送端通过调制使基带信号频谱搬移到适合信道的载波频带，并在接收端通过解调恢复基带信号频谱的传输方式通过载波进行载波：频率的选取与使用的传输媒体相兼容调制的定义：将输入信号m(t)与频率为fc的载波信号合并的过程。调制后产生的信号s(t)的带宽以fc为中心。P1234.1DigitalData,DigitalSignal用数字信号传输数字类数据莆田学院现代教育技术中心2005年9月数字数据→数字信号DigitalData,DigitalSignal数字信号离散的不连续的电压脉冲一个脉冲代表一个信号元素(码元)※二进制数据可直接编码成信号元素DigitaltoDigitalEncodingDigitalDataDigitalsignal莆田学院现代教育技术中心2005年9月术语Terms数据率R数据传输的速率（比特/秒）比特持续时间或长度1/R发送方发送一个比特所需的时间调制速率(modulationrate)信号电平改变的速率以波特(baud)为单位=每秒信号元素数“传号”(mark)和“空号”(space)分别是二进制数字1和0莆田学院现代教育技术中心2005年9月信号的解读InterpretingSignals接收方必须知道：各个比特的定时方式——何时起始,何时结束每个比特信号电平的状态——是高或低这两项任务都是通过在每个比特间隔的中间位置采样来进行的影响信号成功解读的因素：数据率提高会增加误码率信噪比提高会降低误码率带宽增加可提高数据率亦可通过编码方案提高传输性能莆田学院现代教育技术中心2005年9月编码方案的评价指标EvaluatingofEncodingSchemes(1)信号频谱(signalspectrum)没有高频分量,可减少传输所需的带宽没有直流分量,可通过变压器进行交流耦合,实现隔离减少干扰实际上,信道的传输性能通常在频带的两边较差。一个好的信号设计应将传输功率集中在带宽中部,以减小失真。时钟同步(clocking)测定每一个比特起始和结束位置（同步）并非易事。一种相当昂贵的方案是在发送和接收设备间增设一条外部时钟线另一种方案是提供某些基于所传送信号的同步机制。这一点可以通过合适的编码技术来实现。莆田学院现代教育技术中心2005年9月编码方案的评价指标EvaluatingofEncodingSchemes(2)差错检测(errordetection)可在具体的信号编码中方案加入部分差错检测功能以提高检错速度信号干扰和抗噪声度有些编码在噪声存在的状态下仍具有优秀的性能费用和复杂性数据速率一定时,信号速率超高,成本越高有些编码要求信号速率高于实际的数据速率莆田学院现代教育技术中心2005年9月编码方案EncodingSchemesNonreturntoZero-Level(NRZ-L)NonreturntoZeroInverted(NRZI)ManchesterDifferentialManchesterBipolar-AMIPseudoternaryB8ZSHDB3…数字信号的编码格式莆田学院现代教育技术中心2005年9月“数字-数字”编码类型TypesofDigitaltoDigitalEncoding单极性码（单电平）非零电平代表一种信号逻辑状态，零电平代表另一种极性码(双电平)正电平代表一种信号逻辑状态，负电平代表另一种双极性码（多电平）无线路信号代表一种信号逻辑状态，正电平和负电平交替代表另一种莆田学院现代教育技术中心2005年9月单极性编码UnipolarEncoding传送数字信号最简单的方法只用一个电平即可表示两个二进制数字。通常0是用零电平即空闲的线路状态表示。注：脉冲的极性指其电平的正负。“单极性”得名于它的电平只有一“极”。莆田学院现代教育技术中心2005年9月单极性编码存在的问题ProblemsforUnipolarEncoding两个问题使得单极性编码在信号传输应用中使用不多:直流分量（DCComponent）信号的平均振幅不是零。不能由没有处理直流分量能力的媒体传输，如微波或变压器。主要用于光纤传输。同步（Synchronization）在一个码元时间内，不是有电压(或电流),就是无电压(或电流)，电脉冲之间没有间隔，不易区分识别。所以接收方不能正确识别每一个比特何时开始、何时结束(原始数据中出现连续的1或0时）。莆田学院现代教育技术中心2005年9月同步：问题在哪里?请看下图——到底有几个”1”（用高电平表示）?当一台设备发送一个比特的数字信号时，它将在一定的周期内（假定为T）产生一个持续的信号。一个内置的时钟负责定时。接收设备必须知道信号的周期，这样它才能在每个T时间单元内对信号进行采样。它也有一个负责定时的内置时钟。剩下的就是确保收发两端的两个时钟使用同样的T。但两个时钟能完全一致么？莆田学院现代教育技术中心2005年9月原因：收发双方脉冲时钟不可能精确一致答案是否定的。原因在于：任何物理设备都存在着设计上的局限性和缺陷。几乎可以肯定任何两个时钟都存在着微小的差别，这使得设备无法对传输信号作十分精确的采样。就象指挥家确保演奏者的同步一样，通信设备也需要某种机制以使它们的定时保持一致。不变的信号不具备同步机制。但如果信号改变的话，这种改变就可以用来保持设备的同步。有些强制信号改变的编码方案就是基于这个原因。莆田学院现代教育技术中心2005年9月传输不同步：换一种方式理解用户A用户B我发了几个大箱几个小箱?四个大箱四箱小箱莆田学院现代教育技术中心2005年9月问题在于：连续多个相同数据的采样节奏用户A用户B我发了几个大箱几个小箱?？？大概是……莆田学院现代教育技术中心2005年9月极性编码TypesofPolarEncoding极性码不归零型归零型双相位型不归零电平编码不归零反相编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码采用两个电压值编码：一个正电压，一个负电压。莆田学院现代教育技术中心2005年9月不归零编码NonreturntoZero(NRZ)不归零电平编码（NRZ-L）负电平用于表示一个二进制值，正电平用于表示另一个二进制值由比特值决定信号的电平。莆田学院现代教育技术中心2005年9月不归零编码NonreturntoZero(NRZ)不归零反相编码（不归零1制，NRZI）用一个比特间隔开始时是否出现电平跳变表示1或0。属于差分编码，可靠性更好。比特值决定正负电压之间是否跳变，而非决定电平正负。莆田学院现代教育技术中心2005年9月差分编码DifferentialEncoding数据由电平变化而非电平高低表示。检测信号跳变比检测信号电平高低更可靠。在复杂传输系统中，信号的正负极性可能失去意义。如在一条多支路双绞线线路上，当双绞线与某相连设备引脚的接线接反时，如果采用NRZ-L编码，所有的0和1都将颠倒。采用差分编码则不会出现这种颠倒现象。莆田学院现代教育技术中心2005年9月不归零码：问题及应用Problems&ApplicationsforNRZ对工程师而言，实施容易。能充分利用带宽。仍含有一定的直流分量，且缺乏同步能力。因其简单性和较低的频率响应特性，常用于终端设备、接口和数字磁记录。信号传输中则不常单独用之。※应用实例：连接优盘的USB串行接口通常使用NRZI作为信号的编码。为了解决一长串连续比特0引起的同步问题，采用了所谓“位填充技术”。即在连续传输6个比特0的情况下强行插入一个比特1。莆田学院现代教育技术中心2005年9月USB接口NRZI编码与位填充示意图说明：USB接口使用的NRZI编码规则是遇到比特0时发生跳变，遇到比特1时保持不变。莆田学院现代教育技术中心2005年9月归零编码RZEncoding归零编码使用两组电平值：正-零，负-零信号变化不是发生在比特之间而是发生在每个比特内。在每个比特间隙的中段，信号将归零。比特“1”实际上是用正电平跳变到零表示，比特“0”则用负电平跳变到零表示，而不是仅仅通过电平的正负来表示。在每个比特内产生信号变化可以解决同步问题。但这种编码方案中每比特需要两次信号变化，从而占用了更多的带宽。莆田学院现代教育技术中心2005年9月归零码：在40G传输技术中的应用目前，绝大多数的信号均采用了非归零码（NRZ）的编码方式，这种方式可以降低信号的谱宽，但由于占空比较大，前后脉冲的间隔较小，较容易发生重叠，造成码间串扰。而归零码（RZ）的占空比通常只有普通非归零码的34％～67％，拉开了相邻脉冲的间隔，在信号平均能量不变的基础上，大大提高了峰值功率，为接收端提供了更高的光信噪比，同时也提高了对光纤中极化模色散造成的时延的抵抗能力。朗讯科技公司在其最新的40G远距离传输技术采用了一种称为载波抑制的归零码调制技术(CSRZ)，该技术可以最大程度地减小编码造成的频谱展宽，同时保留了归零码所拥有的一切优点。资料来源莆田学院现代教育技术中心2005年9月双相位编码BiphaseEncoding解决同步问题的最佳方案信号在比特间隔中发生改变但并不归零现代网络中常用的双相位编码方式:曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码莆田学院现代教育技术中心2005年9月曼彻斯特和差分曼彻斯特编码ManchesterandDiff.ManchesterEncoding莆田学院现代教育技术中心2005年9月曼彻斯特编码ManchesterEncoding每个比特间隔的中间位置处都存在一个跳变。这种中间处的跳变既含有时钟信息，也含有数据信息：从低到高的跳变代表1，从高到低的跳变代表0(注意有些系统也可能相反)。莆田学院现代教育技术中心2005年9月差分曼彻斯特编码DifferentialManchesterEncoding比特间隔中间位置处的跳变仅含有时钟信息。在比特间隔开始处如果出现跳变表示0，如果没有跳变表示1。莆田学院现代教育技术中心2005年9月同步问题回头看用户A用户B我发了几个大箱几个小箱?？？大概是……莆田学院现代教育技术中心2005年9月曼彻斯特编码如何解决收发同步问题?用户A用户B我发了几个大箱几个小箱?哈哈,我知道了!莆田学院现代教育技术中心2005年9月双相位编码的应用ApplicationsofBiphaseCodes数据传输中的常用技术曼彻斯特编码是IEEE802.3（以太局域网）标准规定的编码（使用同轴电缆和双绞线）。差分曼彻斯特编码是IEEE802.5（令牌局域网）标准规定的编码（使用屏蔽双绞线）。莆田学院现代教育技术中心2005年9月双相位编码的优缺点BiphaseProsandCons缺点每个比特时间内至少出现一次跳变，可能出现两次最大调制率是NRZ的两倍需要更大的带宽（高速低效）优点通过比特中间跳变实现同步(自定时)无直流分量差错检测如果发现预期的跳变未出现莆田学院现代教育技术中心2005年9月4B/5B编码技术