数据编码格式课件

1、Part Two Data Communications第二部分 数据通信第四章 数据编码Computer Networks 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

2、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。 P123莆田学院现代教育技术中心 2005年9月4.1 Digital Data, Digital Signal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

3、信号Digital Data, Digital Signal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Digital to Digital EncodingDigital DataDigital signal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(modulation rate) 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

4、中心 2005年9月信号的解读Interpreting Signals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Evaluating of Encoding Schemes (1)信号频谱(signal spectrum)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

5、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Evaluating of Encoding Schemes (2)差错检测 (error detection)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

6、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Encoding SchemesNonreturn to Zero-Level (NRZ-L)Nonreturn to Zero Inverted (NRZI)ManchesterDifferential ManchesterBipolar -AMIPseudoternaryB8ZSHDB3莆田学院现代教育技术中心 2005年9月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Types of Digital to Digital Encodin

7、g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Unipolar Encoding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Problems for Unipolar Encoding 两个问题使得单极

8、性编码在信号传输应用中使用不多:直流分量（DC Component）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

9、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。

10、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Types of Polar Encoding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Nonreturn to Zero (NRZ)不归零电平编码（NRZ-L）负电

11、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Nonreturn to Zero (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Differential Encoding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

12、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 & Applications for NRZ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

13、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RZ Encoding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

14、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3467，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 /news/content/73/2005031609

15、4321.htm莆田学院现代教育技术中心 2005年9月双相位编码Biphase Encoding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Manchester and Diff. Manchester Encoding莆田学院现代教育技术中心 2005年9月曼彻斯特编码Manchester Encoding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

16、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Differential Manchester Encoding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Applications of Biphase Codes数据传输中的常用技术曼彻斯特编码是

17、IEEE 802.3（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Biphase Pros and Cons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4B/5B Encoding曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码每个比特需要多达两次信号状态跳变10Mbps

18、的数据率将使线路上信号状态每秒变化20M次(20M波特)，编码效率只有50%（常用于10Mbps的LAN中）。4B/5B编码以4个比特为一组进行编码，编码位数为5个，所以又称为“块编码”（ Block coding ）。其编码效率达80%（100Mbps125M波特）。4B/5B编码确保无论4比特符号为何种组合(包括全“0”)，其对应的5比特编码中至少有2位“1”，从而保证所传输的这组信号中至少发生两次跳变，以利于接收端的时钟提取。为了得到信号同步，可以采用二级编码的方法。即先按4B/5B编码，然后再利用NRZI编码。4B/5B编码用于百兆位以太网和FDDI网等。此外，还有可用于千兆位以太网

19、的8B/10B（在多模光纤上支持高达149.76 Mbps 速率 ）等编码技术。莆田学院现代教育技术中心 2005年9月4B/5B编码原理 Substitution in Block Coding4B/5B从25=32个可能的编码中取出24=16个来表示0F，使每组编码中0的个数不超过3个，1的个数不少于2个。参见P412莆田学院现代教育技术中心 2005年9月双极性编码Types of Bipolar Encoding双极性编码信号交替反转码双极性8零替换编码高密度双极性3零编码使用两个以上的电平值进行编码莆田学院现代教育技术中心 2005年9月多电平二进制编码 Multilevel Bin

20、ary归零编码使用三个电平值：正，负和零。典型方案：双极性AMI（交替信号反转码）编码最简单的双极性编码方案用零值电平代表二进制数0用正负交替变换的电平代表二进制数1在一长串1的情况下仍可保证同步 (但面对一长串0则可能导致同步丢失)没有直流分量带宽占用小差错检测容易AMI Alternate Mark Inversion，交替“传号”反转，亦称“交替信号反转”，逻辑0由空电平表示，而逻辑1由交替反转的正负电压表示。莆田学院现代教育技术中心 2005年9月双极性交替信号反转码Bipolar AMI Encoding莆田学院现代教育技术中心 2005年9月伪三进码Pseudoternary用零值

21、电平代表二进制数1用正负交替变换的电平代表二进制数0可以说是双极性AMI编码的另一种形式莆田学院现代教育技术中心 2005年9月多电平二进制的不足Trade Off for Multilevel Binary编码效率不如NRZ线路信号电平值有三个，但每个信号元素本来可以表示log23 = 1.58 个比特的信息，在此只能表示 一个比特的信息接收器必须区分三个电平状态(+A, -A, 0)而不是区分两个电平状态差错率相同的情况下，需要增加约3分贝的额外信号功率（换言之，信噪比一定时NRZ的差错率比多电平二进制低得多）。未能完全解决同步问题双极性AMI连续长串0时，伪三进码连续长串1时莆田学院现代

22、教育技术中心 2005年9月扰码技术Scrambling扰码技术的原理：将可能产生恒定电平的比特序列用足够多的跳变替换掉，以满足同步的要求（高速高效）填入的比特序列应产生足够的跳变以保证同步应能被接收方识别并能被自动替换成原始的比特序列与原始的比特序列等长优点无直流分量无长时间的零电平状态不降低数据率可提供差错检测功能典型方案：B8ZS、HDB3莆田学院现代教育技术中心 2005年9月B8ZS双极性8零替换编码基于双极性AMI（北美方式）编码规则与前导比特极性有关如果出现连续八个0，且其前导比特1是正电平，则八个0比特被编码为： 0 0 0 + - 0 - +如果出现连续八个0，且其前导比特1

23、是负电平，则八个0比特被编码为： 0 0 0 - + 0 + -其中有两个码元违背了AMI编码规则（所谓“扰乱”），亦不可能是由噪声产生。接收方检测到这一组编码后，会将其还原为连续八个0的比特序列。莆田学院现代教育技术中心 2005年9月“双极性8零替换”编码示意图B8ZS Encoding莆田学院现代教育技术中心 2005年9月HDB3高密度双极性3零编码亦基于双极性编码（欧洲和日本方式）遇到连续四个0比特时就在编码中用含有一个或两个正负电平的脉冲来制造“扰乱”，以便同步。遇到连续四个0比特即“扰乱”，而不是连续八个0比特，故曰“高密度”。编码规则：根据前导比特1的极性和自上一次替换后传输的

24、比特1的数目，按四种方式相应改变编码。莆田学院现代教育技术中心 2005年9月“高密度双极性3零”编码示意图HDB3 Encoding莆田学院现代教育技术中心 2005年9月 AMI、B8ZS和HDB3编码比较 P108图5.6B- 合乎AMI编码规则 V- 不合AMI编码规则莆田学院现代教育技术中心 2005年9月多电平二进制编码的应用实例ISDN接口 P159192kbps的“基本速率”接口，使用伪三进码。1.544Mbps的“基群速率”接口，使用B8ZS的AMI编码。2.048Mbps的“基群速率”接口，使用HDB3的AMI编码。莆田学院现代教育技术中心 2005年9月小结：“数字数字”

25、编码方案莆田学院现代教育技术中心 2005年9月4.2 Digital Data, Analog Signal 用模拟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Digital to Analog Encoding数字数据模拟信号Digital Data, Analog Signal发送设备产生一个高频模拟信号作为基波来承载数字数据。此基波称为“载波信号” 或“载波频率” 。数字数据信号通过改变载波信号的一个或多个特性（振幅、频率和相位）形成“调制信号”。最常见的应用：借助于调制解调器(modem)利用公用电话线路上网。莆田学院现代教育技术中心 2005年9月调制技术总览Modu

26、lation Techniques使用载波信号对数字数据进行调制的主要技术有：幅移键控编码 ( ASK, Amplitude shift keying )频移键控编码 ( FSK, Frequency shift keying )相移键控编码 ( PSK, Phase shift keying )正交调幅编码 ( QAM, Quadrature Amplitude Modulation) 其中QAM效率最高，也是现在所有调制解调器采用的技术。莆田学院现代教育技术中心 2005年9月调制技术示意图Modulation TechniquesP110图5.7 数字数据的模拟信号调制改变载波信号的振幅

27、改变载波信号的频率改变载波信号的相位莆田学院现代教育技术中心 2005年9月二进制的两个数分别由载波信号两种不同的振幅值表示。通常，其中一个振幅值为零，以降低传输信息所需的能量。所生成的调制信号： 式中，载波信号是 A cos(2fc t)。噪声通常只影响振幅。所以ASK是受噪声影响最大的调制技术。故此在语音线路上ASK通常仅用于数据率不高于1200 bps的情况。更多地用于通过光纤传输数字数据（有无光脉冲）。幅移键控编码Amplitude Shift Keying二进制 1二进制 0莆田学院现代教育技术中心 2005年9月幅移键控编码示意图ASK Encoding莆田学院现代教育技术中心 2

28、005年9月频移键控编码Frequency Shift Keying二进制的两个数分别由邻近载波频率的两个频率表示。 式中， f1 和 f2 通常是载波频率fc 的两个偏移值，其绝对值相等，偏移方向相反。抗干扰性能优于ASK（噪声对其影响小）。典型数据率为1200bps左右（语音线路）。亦常用于高频 (3 to 30 MHz)无线传输。使用同轴电缆的局域网中，甚至可用于更高的频率。二进制 1二进制 0莆田学院现代教育技术中心 2005年9月频移键控编码示意图FSK Encoding莆田学院现代教育技术中心 2005年9月语音级线路上的FSK传输FSK on Voice Grade Line莆田

29、学院现代教育技术中心 2005年9月相移键控编码Phase Shift Keying通过载波相位的变换表示数据抗干扰性能优于ASK（噪声对其影响小）。用两个相位代表两个二进制数： 双值相移键控 (BPSK) 及其“星座图 ”(Constellation)二进制 1二进制 0莆田学院现代教育技术中心 2005年9月二相位PSK编码示意图2 - PSK Encoding莆田学院现代教育技术中心 2005年9月差分相移键控(DPSK) Differential PSK传输信号的起始相位与前一信号的起始相位相同：二进制 0传输信号的起始相位与前一信号的起始相位相反：二进制 1接收器和发送器的相位无需精

30、确匹配。DPSK利用前后脉冲的相位差别来区分1或者0，用这种技术设计的光接收机，可以在光功率非常低的情况下，正确区分信号。据报道，通过采用该特殊编码技术，可以将64个40G高速通道同时传输2000公里以上，而无需昂贵的中继设备。P113图5.10莆田学院现代教育技术中心 2005年9月4 PSK四相位PSK我们还可以采用四种信号相位变化方式，让每一种变化代表两个比特(4-PSK)。此时我们可以用两倍于2-PSK的速率传输数据。教材P112-113称其为“四值相移键控” (QPSK)。莆田学院现代教育技术中心 2005年9月四相位PSK编码示意图4 PSK Encoding莆田学院现代教育技术中

31、心 2005年9月8 - PSK八相位PSK4-PSK的想法可进一步扩展到8相位。此时每次对相位只变化45,而不是90 。通过使用八个不同相位, 每相移一次可以代表三个比特。所以8-PSK 的传输速率比 2-PSK快三倍。莆田学院现代教育技术中心 2005年9月性能问题 Performance带宽 ASK 带宽与数据率R成正比。 P115式(5.8)PSK 带宽亦与数据率R成正比。P115式(5.10)-(5.11)FSK的带宽与低频数据率R直接相关，但如果频率很高，则主要取决于调制频率相对于载波频率的偏移量F。 P115式(5.9)在存在噪声干扰的情况下，DPSK和QPSK的比特差错率要比A

32、SK和FSK优3dB 。莆田学院现代教育技术中心 2005年9月正交调幅编码Quadrature Amplitude Modulation (QAM)一种常用于ADSL（非对称数字用户线路）和无线通信的模拟信号传输技术。调幅(ASK)和调相(PSK)技术的综合(同时改变正弦波三个特性中的振幅和相位)。理论上可以有无数的状态组合。莆田学院现代教育技术中心 2005年9月8-QAM编码示意图8-QAM Encoding莆田学院现代教育技术中心 2005年9月16-QAM Constellations三种常见的16-QAM编码星座图莆田学院现代教育技术中心 2005年9月QAM调制器：实例图 QAM

33、 ModulatorP118 图5.14莆田学院现代教育技术中心 2005年9月4.3 Analog Data, Digital Signal 用数字信号传输模拟类数据莆田学院现代教育技术中心 2005年9月模拟数据数字信号Analog Data, Digital Signal数字化(Digitization)把模拟数据转换为数字数据，再通过NRZ-L或其他技术转换为数字信号进行传输。Analog to Digital EncodingCodec- 编码解码器莆田学院现代教育技术中心 2005年9月模拟数据数字化 Digitizing Analog DataP119图5.15主要问题 如何在不

34、损失信号质量的前提下，将信息（数据）从无穷多的连续值转换为有限个离散值。主要方法：PCM（脉冲编码调制） 采样（脉幅调制，PAM） 量化 二进制编码莆田学院现代教育技术中心 2005年9月脉冲振幅调制Pulse Amplitude Modulation (PAM)模拟-数字编码的第一步是所谓“PAM”（脉幅调制），即对模拟信号进行采样，然后生成一连串基于采样结果的脉冲。莆田学院现代教育技术中心 2005年9月采样 : 奈奎斯特定理Sampling : Nyquist Theorem如果以一定时间间隔对某个信号f(t)进行采样，并且采样频率高于该信号最高频率的两倍，则采样值包含了原信号的全部信息

35、。通过使用低通过滤器，可以由这些采样值重新构成信号f(t) 。莆田学院现代教育技术中心 2005年9月量化Quantization脉冲振幅调制信号的量化莆田学院现代教育技术中心 2005年9月二进制编码Binary Encoding莆田学院现代教育技术中心 2005年9月“数字-数字”编码Digital to Digital Encoding使用各种“数字-数字”编码技术将二进制数字转换为数字信号进行传送。莆田学院现代教育技术中心 2005年9月脉冲编码调制: 模拟数据数字化PCM: From analog to digital signal莆田学院现代教育技术中心 2005年9月从模拟信号到

36、PCMFrom Analog to PCM脉幅调制(PAM)量化二进制编码“数字-数字”编码莆田学院现代教育技术中心 2005年9月小结：模拟信号在数字信道上传输 要先进行脉冲编码调制(PCM, Pulse Code Modulation): 采样：按信号最高频率fmax的两倍频率取样可精确还原 （Nyquist Theorem，奈奎斯特定理）量化：将取样获得的脉冲信号在振幅上进行数值分级（我国标准中量化分为256个等级）编码：将量化后的数值转换为对应的二进制编码 然后再用“数字数字”编码技术进行二次编码。莆田学院现代教育技术中心 2005年9月非线性编码Nonlinear Encoding用于优化PCM编码方案。量化值间距相等带来的问题是：不论信号电平大小如何，每个采样值的绝对误差都相同。结果是振幅值较低的时候失真就更大一些。解决方法: 量化值不要均匀分度在振幅较低时设置的量化级数更