计算机网络2(吴功宜)___第3章_补充内容数据编码技术

数据编码技术数据编码技术1、数据编码类型模拟数据编码数字数据编码非归零码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码数据编码方式振幅键控ASK移频键控FSK移相键控PSK信道：模拟通信信道和数字通信信道。电话通信信道数据的编码和调制技术在计算机中，数据是以离散的二进制“0”、“1”比特序列方式表示的。计算机数据在传输过程中的数据编码类型主要取决于它采用的通信信道所支持的数据通信类型。通信信道分为模拟信道和数字信道，而依赖于信道传输的数据也分为模拟数据与数字数据。因此，数据的编码方法包括数字数据的编码与调制和模拟数据的编码与调制。数字编码(NRZ、曼彻斯特等)数字数据数字信号(数字信道)调制(ASK、FSK、PSK等)数字数据模拟信号(模拟信道)脉冲编码调制PCM模拟数据数字信号(数字信号)调制（AM、FM、PM等）模拟数据模拟信号(模拟信道)数字数据的调制传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，用于传输音频300Hz～3400Hz的模拟信号，不能直接传输数字数据。为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数字数据的传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号，也就是要对数字数据进行调制。发送端将数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称为调制（Modulation），调制设备就称为调制器（Modulator）；接收端将模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称为解调（Demodulation），解调设备就称为解调器（Demodulator）。若进行数据通信的发送端和接收端以双工方式进行通信时，就需要同时具备调制和解调功能的设备，称为调制解调器（Modem）。对数字数据调制的基本方法有三种：幅移键控、频移键控和相移键控。公用电话网调制解调器计算机计算机调制解调器在调制过程中，选择音频范围内的某一角频率ω的正（余）弦信号作为载波，该正（余）弦信号可以写为：u（t）=um·sin（ωt+φ0）3个可以改变的电参量：—振幅um—角频率ω—相位φ可以通过变化3个电参量，来实现模拟数据信号编码的目的。数字数据的调制幅移键控、频移键控和相移键控幅移键控ASK（AmplitudeShiftKeying）ASK是通过改变载波信号的幅度值表示数字信号“1”、“0”，以幅度A1表示数字信号的“1”，用载波幅度A2表示数字信号的“0”（通常A1取1，A2取0），而载波信号的参数f和φ恒定。频移键控FSK（FrequencyShiftKeying）FSK是通过改变载波信号频率的方法表示数字信号“1”、“0”，用f1表示数字信号“1”，用f2表示数字信号“0”，而载波信号的A和φ不变。相移键控PSK（PhaseShiftKeying）PSK是通过改变载波信号的相位值表示数字信号“1”、“0”，而载波信号的A和f不变。PSK包括两种类型：绝对调相绝对调相使用相位的绝对值，φ为0表示数字信号“1”，、φ为π表示数字信号“0”。相对调相相对调相使用相位的相对偏移值，当数字数据为0时，相位不变化，而数字数据为1时，相位要偏移π。数字数据的调制示例频移键控FSK绝对相移键控PSK相位φ=πφ=0φ=πφ=0φ=0φ=π相位φ=0相对相移键控PSK偏移πφ=πφ不变φ=π偏移πφ=0偏移πφ=πφ不变φ=π幅移键控ASK001011数字数据多相调制3π20π相位值二进制比特00011110π2数字数据00101101四相相移键控0ππ2π2300011011ASK、FSK和PSK都是最基本的调制技术，实现容易，技术简单，抗干扰能力差，调制速率不高，为了提高数据传输速率，也可以采用多相调制的方法。例如，将待发送的数字信号按2个比特一组的方式组织，因为2个比特可以有4种组合方式，即“00、01、10、11”四个码元，所以用4个不同的相位值就可以表示出这4组组合。在调相信号传输过程中，相位每改变一次，传送两个二进制比特，这种调制方法就称为四相相移键控。混合调相为了达到更高的信息传输速率，采用多元制的振幅相位混合调制技术，比如正交振幅调制QAM（QuadratureAmplitudeModulation），它不但使用相位，而且还使用幅度：8-QAM使用了幅度与相位的8种组合，由于使用3个比特可以表示8种组合，因此，每一种组合代表一个码元，每个码元3个比特。16-QAM的幅度和相位有16种组合，每个组合代表一个码元，每个码元4个比特。00010010001100000100011101100101110111001111111010101001100010110000010100111001011101118-QAM16-QAM数字数据的编码利用数字通信信道直接传输数字数据信号的方法称作数字信号的基带传输，而数字数据在传输之前，需要进行数字编码。数字数据的编码方式有三种：不归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。不归零编码（Non-ReturntoZero，NRZ）NRZ编码规定可用负电平表示逻辑“0”，用正电平表示逻辑“1”，反之亦然。原码：10110010数字数据的编码曼彻斯特编码（Manchester）曼彻斯特编码是目前应用最广泛的编码方法之一，其特点是每一位二进制信号的中间都有跳变，若从低电平跳变到高电平，就表示数字信号“1”，若从高电平跳变到低电平，就表示数字信号“0”；差分曼彻斯特编码（DifferenceManchester）差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。其特点是每一位二进制信号的跳变依然提供收发端之间的同步，但每位二进制数据的取值，要根据其开始边界是否发生跳变来决定，若一个比特开始处存在跳变则表示“0”，无跳变则表示“1”。数字数据编码的示例信道的最高码元传输速率任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。数字信号通过实际的信道失真不严重失真严重实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输入信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)奈氏(Nyquist)准则每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。Baud是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaudW是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)不能通过能通过0频率(Hz)W(Hz)另一种形式的奈氏准则每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒1个码元。理想带通特性信道的最高码元传输速率=WBaudW是理想带通信道的带宽，单位为赫(Hz)不能通过能通过0频率(Hz)W(Hz)不能通过要强调以下两点实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出上限数值。波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。比特是信息量的单位。要注意信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上却有一定的关系。若1个码元只携带1bit的信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。若1个码元携带nbit的信息量，则MBaud的码元传输速率所对应的信息传输速率为Mnb/s。信道的极限信息传输速率香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。信道的极限信息传输速率C可表达为C=Wlog2(1+S/N)b/sW为信道的带宽（以Hz为单位）；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率。香农公式表明信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率C也就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围源系统传输系统目的系统传输系统源点终点发送器接收器输入信息输出信息输入数据输出数据发送的信号接收的信号码元传输速率受奈氏准则的限制信息传输速率受香农公式的限制模拟数据调制为数字信号在模拟数据通信系统中，信源的信息经过转换，形成电信号，比如人说话的声音经过电话转变为模拟的电信号，这也是模拟数据的基带信号。模拟数据的基带信号具有比较低的频率，不宜直接在信道中传输，而数字信号传输失真小、误码率低、数据传输速率高，因此在网络中除计算机直接产生的数字信号外，语音、图像信息必须数字化处理，需要对信号进行调制，将信号搬移到适合信道传输的频率范围内，接收端将接收的已调信号再搬回到原来信号的频率范围内，恢复成原来的消息，比如无线电广播。PCM技术脉冲编码调制PCM（PulseCodeModulation）是模拟数据数字化的主要方法。PCM技术的典型应用是语音数字化。在发送端通过PCM编码器将语音数据变换为数字化的语音信号，通过通信信道传送到接收方，接收方再通过PCM解码器还原成模拟语音信号。语音数据数字化后，其传输速率高、失真小，可以存储在计算机中，进行必要的处理。因此在网络与通信的发展中语音数字化成为重要的部分。PCM的工作原理脉冲编码调制包括三部分：采样、量化和编码。采样：每隔一定的时间间隔，采集模拟信号的瞬时电平值做为样本，表示模拟数据在某一区间随时间变化的值。量化：量化是将取样样本幅度按量化级决定取值的过程。量化级可以分为8级、16级，或者更多的量化级，这取决于系统的精确度要求。编码：编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级。PCM的工作过程3.23.92.83.41.24.243314011100011011001100011100011011001100采样信号：基于nyquist理论原始信号PAM脉冲（采样）PCM脉冲（量化）有量化差错PCM输出（编码）3PCM的工作过程采样量化编码幅度幅度..011010001010010110001010011...模拟数据数字信号量化级+127-1270121.5124.4125.2124.6123.2122124125125123样本幅度值量化取整量化值编码采样话音信号PCM的工作过程3.23.92.83.41.24.243314011100011011001100011100011011001100采样信号：基于nyquist理论原始信号PAM脉冲（采样）PCM脉冲（量化）有量化差错PCM输出（编码）Nyquist理论在理想的无噪声信道，若f是传输媒体的最大传输频率,采样频率为2*f时，接收方才可以从采样脉冲信号中完全恢复原信号Nyquist,1920PCM编码的典型应用模拟信号传输数字信号模拟信号模拟信号模拟信号程控交换机公用电话交换网模拟电话机计算机Modem模拟电话机模拟电话机Modem计算机PCM编码模拟信号数字信号调制解调器Modem是为数字信号在具有有限带宽的模拟信道上进行远距离传输而设计的，是一种数据通信设备DCE。其主要功能是进行信号的调制和解调，在DTE和模拟传输线路之间起到数字信号与模拟信号之间的转换作用。计算机也可以通过Modem的传真和语音功能，发送传真以及提供电话录音留言和全双工的免持听筒服务。公用电话网调制解调器计算机计算机调制解调器DTEDCEDCEDTERS-232CRS-232C调制解调器的组成Modem一般由基带处理、调制解调、信号放大和滤波、均衡等几部分组成。基带处理调制、放大滤波均衡解调滤波判决取样载波噪声时钟载波物理信道发送接收调制——把数字信号转换为模拟信号的过程。解调——把模拟信号转换为数字信号的过程。调制解调器的分类一按通信设备分类可分为：拨号Modem拨号Modem主要用于公用电话网上传输数据。拨号Modem具有在性能指标较低