第4章说说编码

1、 第4章 说说“编码” 基本内容基本内容 了解通信系统的模型及各部分功能；了解通信系统的模型及各部分功能； 了解声音了解声音 模拟信号的转换；模拟信号的转换； 了解了解A/D,D/AA/D,D/A转换，转换，PCMPCM和线路编码；和线路编码； 了解复用了解复用/ /解复用原理；解复用原理； 掌握波特率，比特率的含义；掌握波特率，比特率的含义； 了解几种典型数据技术的数据格式（以太网帧，了解几种典型数据技术的数据格式（以太网帧，IPIP数据包，帧中继，数据包，帧中继，ATMATM信元，信元，SDHSDH） 数据包，帧和信元名称的统一问题；数据包，帧和信元名称的统一问题； 图像和视频编码。图像和

2、视频编码。传输系统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数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机通信系统模型及功能通信系统模型及功能调制解调器PC数据传输网调制解调器数字比特流数字比特流调制信号调制信号 输入字符显示字符PC数据通信系统数据通信系统调制解调器调制解调器背面背面电话机电话机电话线电话线计算机接口计算机接口通信系统模型及功能通信系统模型及功能调制解调器调制解调器作用：作用：将话音、数据、视频等信号复用后通过同一条电话将话音、数据、视频等信号复用后通过同

3、一条电话线（或电缆、光纤）传输。线（或电缆、光纤）传输。复用原理：复用原理：将电话线的频带划分出话音通道和数据通道。将电话线的频带划分出话音通道和数据通道。电话线复用方式电话线复用方式020kHz25kHz1.104MHz传送传送3003400Hz频率的模拟语音信号频率的模拟语音信号上行信道：可传上行信道：可传768kbit/s数据数据下行信道：可传下行信道：可传68Mbit/s数据数据调制调制：将数据变为高：将数据变为高频已调信号；频已调信号；解调解调：从高频信号中还原出从高频信号中还原出数据。数据。话音通道话音通道数据通道数据通道注：媒质不同，复用方式可能不同。电话线是最常用的注：媒质不同

4、，复用方式可能不同。电话线是最常用的传输媒质。传输媒质。调制解调器的产品类型：调制解调器的产品类型：调制解调调制解调/路由器路由器计算内置调制解调器计算内置调制解调器调制解调器调制解调器无线调制解调器无线调制解调器USB无线调制解调器无线调制解调器调制解调器调制解调器通信系统模型及功能通信系统模型及功能信源信源信源编码器信源编码器信道编码器信道编码器传输媒介传输媒介信道译码器信道译码器信源译码器信源译码器信宿信宿噪声噪声信源信源：指人、生物、机器以及自然界一切其他事物；：指人、生物、机器以及自然界一切其他事物；信源、信道编码器信源、信道编码器：把存储信息的：把存储信息的“消息消息”变成信号的变

5、成信号的各种设施各种设施传输媒介传输媒介：声波，电磁波，光波，电缆，光缆，无线电声波，电磁波，光波，电缆，光缆，无线电波等；波等；信道、信源译码器信道、信源译码器：将信号还原为自然界信息的各种设：将信号还原为自然界信息的各种设施；施；信宿信宿：信息的目的地，接收方。：信息的目的地，接收方。从声音到模拟信号从声音到模拟信号思考：对于语音通信，如何将声音变成电信号呢？思考：对于语音通信，如何将声音变成电信号呢？贝尔发明的碳粒电话机可解决这一问题。贝尔发明的碳粒电话机可解决这一问题。目前使用的电话机原理相同。目前使用的电话机原理相同。即把话筒内振膜的振动转化成强弱不同的电流。即把话筒内振膜的振动转化

6、成强弱不同的电流。电流即为模拟信号。电流即为模拟信号。 “ “analoganalog”即模拟之意。即模拟之意。从物理学上来讲，语音是一种电波。音量与压力振从物理学上来讲，语音是一种电波。音量与压力振动的振幅和频率有关。动的振幅和频率有关。振动越大，声音越强。振动越大，声音越强。频率变化越大，声音越尖锐，能量越大。频率变化越大，声音越尖锐，能量越大。从声音到模拟信号从声音到模拟信号人的耳朵能听到的声音频率范围是人的耳朵能听到的声音频率范围是20Hz20Hz20kHz20kHz。实际上，实际上，3.4kHz3.4kHz即可理解信息，这也是电话线路的即可理解信息，这也是电话线路的语音信号带宽。语音

7、信号带宽。在此范围内，频率的提高意味着质量的提高。在此范围内，频率的提高意味着质量的提高。带宽越大，对传递信号的介质要求越高。带宽越大，对传递信号的介质要求越高。20Hz11KHz20KHz44KHz高保真立体声高保真立体声普通声道普通声道从声音到模拟信号从声音到模拟信号除了声音之外，还有图像，文字等自然界的信息，除了声音之外，还有图像，文字等自然界的信息，称为称为“原始数据原始数据”。也必须转换为电磁信号。也必须转换为电磁信号。以声音到电磁信号的转换为例。有两种主要转换方式：以声音到电磁信号的转换为例。有两种主要转换方式：原始信号原始信号f1f1转换后信号转换后信号f2f2（已调载波）（已调

8、载波）高频信号高频信号f2f2（载波）（载波）改变改变f2f2，使它能以适合传输的形式表示数据，即为调制。，使它能以适合传输的形式表示数据，即为调制。“调制解调器调制解调器”就是用于完成就是用于完成“载波载波”并并“卸载卸载”的装置。的装置。A/DA/D，D/AD/A，PCMPCM和线路编码和线路编码 模拟信号不适合远距离传输模拟信号不适合远距离传输：能量损失严重，信号会产：能量损失严重，信号会产生畸变和衰减；对信号放大的同时，也放大了失真，失真生畸变和衰减；对信号放大的同时，也放大了失真，失真叠加会加重信号失真。叠加会加重信号失真。 数字信号的数字信号的“再生器再生器”能消除前一段电路对信号

9、的衰减能消除前一段电路对信号的衰减和畸变，不会累积噪声引起的失真和畸变，不会累积噪声引起的失真。 数字信号是传送和表示的需要数字信号是传送和表示的需要。任何明确的。任何明确的0 0和和1 1不容易不容易受噪声影响，不容易引起歧义，对传送要求也低。受噪声影响，不容易引起歧义，对传送要求也低。1.A/D1.A/D的必要性：的必要性：数字产品很多，如电视，手机，相机，空调等。数字产品很多，如电视，手机，相机，空调等。为什么要数字化为什么要数字化? ?（一）计算机操作的是二进制数码信号（一）计算机操作的是二进制数码信号二进制数码的信号波形二进制数码的信号波形（二）只有数字信号才能精确表示物理量（二）只

10、有数字信号才能精确表示物理量模拟万用表模拟万用表模拟量模拟量根据表根据表的指针的指针读数，读数，一般只一般只能精确能精确到三位到三位数数。数字万用表数字万用表二进制数字可表二进制数字可表示物理量所要求示物理量所要求的精度。目前可的精度。目前可精确到精确到10位数以位数以上（对应采用上（对应采用32位二进制数码表位二进制数码表示一个数值）。示一个数值）。逻辑电路有两个状态，分别对应逻辑电路有两个状态，分别对应“1”和和“0”，计算机通过逻辑电路实现运算，计算机通过逻辑电路实现运算。二进数二进数码波形码波形实际信号波形实际信号波形受干扰后受干扰后的波形的波形定时信号定时信号再生信号再生信号（三）数

11、字信号受干扰后可以再生，消除干扰影响（三）数字信号受干扰后可以再生，消除干扰影响受干扰后的信号经再生受干扰后的信号经再生定时判决可正确恢复。定时判决可正确恢复。为什么要数字化为什么要数字化?(?(续续1)1)（四）数字信号可采用时间复用提高传输效率（四）数字信号可采用时间复用提高传输效率例如：在闭路电视电缆上，原传一路模拟电视信号的通道内，可例如：在闭路电视电缆上，原传一路模拟电视信号的通道内，可以同时传以同时传48路数字电视节目（由于这涉及较多概念，在通信路数字电视节目（由于这涉及较多概念，在通信原理课程中才会详细讲授）。原理课程中才会详细讲授）。（五）数字电路性能稳定可靠，设计、维护、生产

12、方便，（五）数字电路性能稳定可靠，设计、维护、生产方便，体积小，重量轻体积小，重量轻数字电路数字电路高频模拟电路高频模拟电路为什么要数字化为什么要数字化?(?(续续2)2)数字化优点数字化优点性能稳定、性能稳定、生产方便生产方便（五）（五）便于计算机便于计算机操作操作（一）（一）传输效率传输效率高高（四）（四）抗干扰抗干扰能力强能力强（三）（三）精确表示精确表示物理量物理量（二）（二）为什么要数字化为什么要数字化?(?(续续3)3)二进制代码及数制二进制代码及数制十进制二进制八进制十六进制00001111210223113341004451015561106671117781000108910

13、0111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F十进制、二进制、八进制和十六进制数的对应关系表十进制、二进制、八进制和十六进制数的对应关系表1）同一数值可表示为不同一数值可表示为不同数制的数，它们之间可同数制的数，它们之间可相互转换。相互转换。2）日常书面语言习惯用日常书面语言习惯用十进制。计算机运算用二十进制。计算机运算用二进制数。计算机程序书写进制数。计算机程序书写为简便，可用八进制、十为简便，可用八进制、十六进制。六进制。3）数制之间的转换运算数制之间的转换运算方法请阅读计算机相关教方法请阅读计算机相关教材。材。A/D

14、A/D，D/AD/A，PCMPCM和线路编码和线路编码2.2.奈奎斯特准则奈奎斯特准则 思考：如何使数字信号能精确表示思考：如何使数字信号能精确表示原模拟信号？原模拟信号？ 如果模拟信号以规则时间间隔抽样，且如果模拟信号以规则时间间隔抽样，且抽样速率是模拟信号中最高频率的两倍，那么所得样本抽样速率是模拟信号中最高频率的两倍，那么所得样本是原始信号的精确表示。是原始信号的精确表示。例：语音例：语音f f：300Hz300Hz3400Hz3400Hz 抽样抽样f f：3400Hz3400Hz2=6800Hz 2=6800Hz 即即68006800次抽样次抽样/ /秒秒（1 1）实际抽样）实际抽样f

15、 f：4000Hz4000Hz2=8000Hz 2=8000Hz 即即80008000次抽次抽样样/ /秒秒 则采样周期则采样周期T=1/f=125T=1/f=125s s（2 2）将任何一次抽样结果编码为从）将任何一次抽样结果编码为从0000000000000000到到1111111111111111这这256256个阶梯数值中的某一个数值，如个阶梯数值中的某一个数值，如1011101010111010。（3 3）一秒钟有）一秒钟有80008000次抽样，每次抽样都要编码。次抽样，每次抽样都要编码。 8000 8000次次8 8位编码位编码=64000bit=64000bit 64kbit/

16、s64kbit/s即为电话信号的编码速率。即为电话信号的编码速率。 64kbit/s 64kbit/s为一路信号的带宽需求量，这为一路信号的带宽需求量，这种量化方式被称为种量化方式被称为PCMPCM（Pulse Code ModulationPulse Code Modulation，脉，脉冲编码调制）冲编码调制） 思考：如果振幅用思考：如果振幅用16bit16bit表示，带宽需表示，带宽需求量为多少？求量为多少？ 如果振幅用如果振幅用6bit6bit表示，带宽需求表示，带宽需求量为多少？量为多少？A/DA/D，D/AD/A，PCMPCM和线路编码和线路编码A/DA/D，D/AD/A，PCMP

17、CM和线路编码和线路编码3.3.信道编码信道编码 （1 1）作用：将数字数据转换为可以在线）作用：将数字数据转换为可以在线路上传送的数字信号的过程。路上传送的数字信号的过程。 （2 2）3 3种常用编码技术：种常用编码技术： 曼彻斯特编码曼彻斯特编码 用电压跳变来区分用电压跳变来区分1 1和和0 0。 优点优点：易于差错恢复；：易于差错恢复； “ “1 1” ” “0 0” 适用于适用于：以太网线路。：以太网线路。 NRZI NRZI编码编码 在转换处，不发生跳跃编码为在转换处，不发生跳跃编码为0 0，跳跃开始处，跳跃开始处编码为编码为1 1。曼彻斯特编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码差分曼彻斯

18、特编码翻转不归零（翻转不归零（NRZINRZI）码）码 差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 0 0或或1 1的取值判断用位的起始处有无跳变来表示。的取值判断用位的起始处有无跳变来表示。 （有跳变为（有跳变为0 0，无跳变为，无跳变为1 1）A/DA/D，D/AD/A，PCMPCM和线路编码和线路编码3.3.信道编码信道编码0 010 00 00 00 011111数据流数据流二进制编码二进制编码曼彻斯特编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码NRZI编码编码A/DA/D，D/AD/A，PCMPCM和线路编码和线路编码3.3.信道编码信道编码在工程实践中，要遵从物理学顾虑，要考虑如何使误在

19、工程实践中，要遵从物理学顾虑，要考虑如何使误码率最低，传输准确率最高，易于差错恢复。码率最低，传输准确率最高，易于差错恢复。 总结：总结：模拟与数字的转化过程如下：模拟与数字的转化过程如下： 模拟信号模拟信号 数字信号，接收方数字信号，接收方做相反处理。做相反处理。抽样抽样/ /量化量化/ /编码编码奈奎斯特准则奈奎斯特准则复用和解复用复用和解复用1.1.问题的提出问题的提出 为了节省资源和成本，希望能在一条线路上为了节省资源和成本，希望能在一条线路上传送多路信号。传送多路信号。 复用可以理解为复用可以理解为“反复使用反复使用”和和“多个共同多个共同使用使用”。通信中的复用就是让多个信息源共同

20、使用一条物理通。通信中的复用就是让多个信息源共同使用一条物理通道。道。问题的提出问题的提出复用和解复用复用和解复用解决方案一：反复使用解决方案一：反复使用解决方案二：时分复用解决方案二：时分复用复用和解复用复用和解复用2.TDM（Time Division Multiplexing）时分复用）时分复用 TDMTDM定义定义：在同一条线路上按照时间位置均：在同一条线路上按照时间位置均匀分片，每个时间分片被一个用户的信息流占用。时间片即为匀分片，每个时间分片被一个用户的信息流占用。时间片即为“时隙时隙”。 时隙时隙：指能明确决定其时间位置及用途的周指能明确决定其时间位置及用途的周期性重复的时间间隔

21、。期性重复的时间间隔。 同步：同步：通信设备利用信息内容本身来获取相通信设备利用信息内容本身来获取相互间的一致性。可采用互间的一致性。可采用“同步码同步码”或者或者“信令信令”来进行信息的来进行信息的同步管理。但是需要占用一定的信道。同步管理。但是需要占用一定的信道。复用和解复用复用和解复用3.PCM3.PCM复用复用 国际电信联盟（国际电信联盟（ITUITU）对）对PCMPCM复用有两种建议复用有两种建议：PCM30/32PCM30/32制式制式 3030路话音，路话音，1 1路同步，路同步，1 1路信令路信令 A A律律 PCM24PCM24制式制式 2222路话音，路话音，1 1路同步，

22、路同步，1 1路信令路信令 律律 对于对于PCM32PCM32，125125s/s/帧，帧，8 8位位PCMPCM码分为码分为3232组，组， 则在则在1 1秒内，能够通过秒内，能够通过 80008000（抽样）（抽样）32328=2048kbit8=2048kbit 2048kbit/s 2048kbit/s即为即为PCMPCM的一次群速率。的一次群速率。 PCM PCM与与TDMTDM的区别的区别： （1 1）TDMTDM是复用方式，是复用方式，PCMPCM是利用是利用TDMTDM的编码格式的编码格式； （2 2）PCMPCM编码后信息可以在编码后信息可以在TDMTDM或或FDMFDM或或

23、WDMWDM网络上网络上传送。传送。波特率和比特率波特率和比特率信息速率信息速率 ：单位时间（：单位时间（1s1s）内传输的平均信息量。）内传输的平均信息量。单位是比特单位是比特/ /秒，或秒，或b/sb/s，或，或bpsbps。简称。简称比特率比特率。)/(log2sbMrrsbbrsr码元速率码元速率 ：为了提高有效性，在相同信道带宽时：为了提高有效性，在相同信道带宽时提高信息传输速率，可采用提高信息传输速率，可采用M M进制传输。进制传输。M M进制码元进制码元称为符号，有称为符号，有M M个个取值取值。单位时间（。单位时间（1s1s）内传输的码）内传输的码元数称为码元速率。单位波特或元

24、数称为码元速率。单位波特或B B，也称为，也称为波特率波特率。几种典型数据技术的数据格式几种典型数据技术的数据格式 思考：数字思考：数字0 0和和1 1的这些组合如何通过网络组织管理的这些组合如何通过网络组织管理到达目的地呢？到达目的地呢？ 数据的拆分打包方式很像货物打包装车的方数据的拆分打包方式很像货物打包装车的方式，实际上就是选用何种类型的容器的问题。容器特性取决于式，实际上就是选用何种类型的容器的问题。容器特性取决于一下几个因素：一下几个因素： （1 1）道路的特征：单双行线；车道宽窄；水运）道路的特征：单双行线；车道宽窄；水运还是空运。道路不同，选用容器的类型也不完全相同。还是空运。道

25、路不同，选用容器的类型也不完全相同。 （2 2）货物的特征：）货物的特征： （3 3）货物本身的运送要求：时间要求，安全性）货物本身的运送要求：时间要求，安全性要求，完整性要求等。要求，完整性要求等。 通信中的通信中的“容器容器”不仅仅运送信息本身，还不仅仅运送信息本身，还要运送许多为了保证信息运送成功而增加的额外的信息，称为要运送许多为了保证信息运送成功而增加的额外的信息，称为“冗余信息冗余信息”。1.1.以太网帧以太网帧 标准：标准：802.3802.3 标准拓扑结构为标准拓扑结构为总线型总线型。用交换机进行网络连。用交换机进行网络连接和组织的拓扑结构为星型。接和组织的拓扑结构为星型。 总

26、线争用技术为总线争用技术为CSMA/CDCSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Carrier Sense Multiple Access/Collision DetectDetect） 载波侦听多路访问载波侦听多路访问冲突检测。冲突检测。1.1.以太网帧以太网帧以太网帧格式以太网帧格式1.1.以太网帧以太网帧 FCS FCS：32bit32bit的的CRCCRC校验和。接收端将接收数据逐校验和。接收端将接收数据逐位进行位进行CRCCRC校验，如果与校验，如果与FCSFCS相同，正确接收。不同，帧破坏，要相同，正确接收。不同，帧破坏，要求

27、重发该帧。求重发该帧。2.IP2.IP数据包格式数据包格式3.3.帧中继帧格式帧中继帧格式 帧中继用于连接两个局域网帧中继用于连接两个局域网企业分支机构间企业分支机构间或企业到运营商的骨干或企业到运营商的骨干IPIP网络上。网络上。 是典型的数据链路层技术。是典型的数据链路层技术。4. ATM4. ATM信元信元通信网的传递方式分为通信网的传递方式分为同步传递方式同步传递方式STMSTM和和异步传递异步传递方式方式ATMATM。STMSTM特点特点：复用信号中的各路原始信号按一定时间间：复用信号中的各路原始信号按一定时间间隔周期性出现。隔周期性出现。ATMATM特点特点：无周期性，需附加标志来

28、分辨原始信号。：无周期性，需附加标志来分辨原始信号。22223333411111444234STM，每路原始信号周期出现，每路原始信号周期出现ATM，每个信元的信头表明其属于哪一路信号，每个信元的信头表明其属于哪一路信号4. ATM4. ATM信元信元ATMATM原理原理：每个分组作为一个单元独立传输，分组间：每个分组作为一个单元独立传输，分组间传输间隔为任意时间。传输间隔为任意时间。为了能够承载任何信息，设计为为了能够承载任何信息，设计为5353字节字节定长的帧格式。定长的帧格式。特点特点：适应快速交换能力，提高网络传输速度。：适应快速交换能力，提高网络传输速度。思考：思考：ATMATM交换

29、机如何识别从端口进来的信元？交换机如何识别从端口进来的信元？（1 1）ATMATM信元头中隐藏信息信元头中隐藏信息HECHEC，可以识别哪一位是信，可以识别哪一位是信元的开始位，称为元的开始位，称为“信元同步检测信元同步检测”；（2 2）ATMATM信元头中的信元头中的VPI/VCIVPI/VCI值，是链路标识符，可以值，是链路标识符，可以识别信元属于哪条链路。识别信元属于哪条链路。5. SDH5. SDHPDHPDH：准同步数字体系：准同步数字体系SDHSDH：同步数字体系：同步数字体系 SDHSDH实现了数字传输体制上的国际标准及多家厂家实现了数字传输体制上的国际标准及多家厂家设备的横向兼

30、容设备的横向兼容。 兼容兼容：包括统一的数字速率等级，帧结构，复接：包括统一的数字速率等级，帧结构，复接方式，线路接口和监控管理，从而简化了信号的互通方式，线路接口和监控管理，从而简化了信号的互通以及信号的传输和交叉连接。以及信号的传输和交叉连接。 作用作用：在其上可承载语音，：在其上可承载语音，DDNDDN（数字数据网），（数字数据网），帧中继，帧中继，IPIP，ATMATM。5. SDH5. SDH SDH SDH中定义了中定义了“虚容器虚容器”，它是一种用来支持通道，它是一种用来支持通道层连接的信息结构。层连接的信息结构。 虚容器结构虚容器结构：9 9行，行，270270列，每格列，每格

31、8 8位，位，80008000次次/ /秒秒 9 92702708 88000=155520000 8000=155520000 即即155.52Mbit/s155.52Mbit/s 此为基速率此为基速率。 其他体系以基速率进行多路复用，可为其其他体系以基速率进行多路复用，可为其4 4倍，倍，1616倍，倍，6464倍。即倍。即622Mbit/s622Mbit/s，2.5Gbit/s2.5Gbit/s，10Gbit/s10Gbit/s。 每个格子的速率：每个格子的速率： 8000 80008=64000=64kbit/s8=64000=64kbit/s 因为每路因为每路PCMPCM语音是语音是64kbit/s64kbit/s，DDNDDN是以是以64kbit/s64kbit/s为基准的。可以是它的整数倍或者整数分之一。为基准的。可以是它的整数倍或者整数分之一。5. SDH5. SDHSDHSDH的帧结构的帧结构SOHSOH：段开销；