第4章 说说编码

第4章

说说“编码”

基本内容◎了解通信系统的模型及各部分功能；◎了解声音模拟信号的转换；◎了解A/D,D/A转换，PCM和线路编码；

◎了解复用/解复用原理；◎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，IP数据包，帧中继，ATM信元，SDH）

◎数据包，帧和信元名称的统一问题；◎图像和视频编码。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数据通信系统调制解调器背面电话机电话线计算机接口通信系统模型及功能调制解调器作用：将话音、数据、视频等信号复用后通过同一条电话线（或电缆、光纤）传输。复用原理：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020kHz25kHz1.104MHz传送300~3400Hz频率的模拟语音信号上行信道：可传768kbit/s数据下行信道：可传6~8Mbit/s数据调制：将数据变为高频已调信号；解调：从高频信号中还原出数据。话音通道数据通道注：媒质不同，复用方式可能不同。电话线是最常用的传输媒质。调制解调器的产品类型：调制解调/路由器计算内置调制解调器调制解调器无线调制解调器USB无线调制解调器调制解调器通信系统模型及功能信源信源编码器信道编码器传输媒介信道译码器信源译码器信宿噪声信源：指人、生物、机器以及自然界一切其他事物；信源、信道编码器：把存储信息的“消息”变成信号的各种设施传输媒介：声波，电磁波，光波，电缆，光缆，无线电波等；信道、信源译码器：将信号还原为自然界信息的各种设施；信宿：信息的目的地，接收方。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？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。即把话筒内振膜的振动转化成强弱不同的电流。电流即为模拟信号。“analog”即模拟之意。从物理学上来讲，语音是一种电波。音量与压力振动的振幅和频率有关。振动越大，声音越强。频率变化越大，声音越尖锐，能量越大。从声音到模拟信号人的耳朵能听到的声音频率范围是20Hz～20kHz。实际上，3.4kHz即可理解信息，这也是电话线路的语音信号带宽。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。20Hz11KHz20KHz44KHz高保真立体声普通声道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，称为“原始数据”。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：原始信号f1转换后信号f2（已调载波）高频信号f2（载波）改变f2，使它能以适合传输的形式表示数据，即为调制。“调制解调器”就是用于完成“载波”并“卸载”的装置。A/D，D/A，PCM和线路编码◆模拟信号不适合远距离传输：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，失真叠加会加重信号失真。◆数字信号的“再生器”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。◆数字信号是传送和表示的需要。任何明确的0和1不容易受噪声影响，不容易引起歧义，对传送要求也低。1.A/D的必要性：数字产品很多，如电视，手机，相机，空调等。为什么要数字化?（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）只有数字信号才能精确表示物理量模拟万用表模拟量根据表的指针读数，一般只能精确到三位数。数字万用表二进制数字可表示物理量所要求的精度。目前可精确到10位数以上（对应采用32位二进制数码表示一个数值）。逻辑电路有两个状态，分别对应“1”和“0”，计算机通过逻辑电路实现运算。二进数码波形实际信号波形受干扰后的波形定时信号再生信号（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定时判决可正确恢复。为什么要数字化?(续1)（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，可以同时传4~8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）。（五）数字电路性能稳定可靠，设计、维护、生产方便，体积小，重量轻数字电路高频模拟电路为什么要数字化?(续2)数字化优点性能稳定、生产方便（五）便于计算机操作（一）传输效率高（四）抗干扰

能力强（三）精确表示物理量（二）为什么要数字化?(续3)二进制代码及数制十进制二进制八进制十六进制000011112102231133410044510155611066711177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F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数制的数，它们之间可相互转换。2）日常书面语言习惯用十进制。计算机运算用二进制数。计算机程序书写为简便，可用八进制、十六进制。3）数制之间的转换运算方法请阅读计算机相关教材。A/D，D/A，PCM和线路编码2.奈奎斯特准则思考：如何使数字信号能精确表示原模拟信号？

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，那么所得样本是原始信号的精确表示。例：语音f：300Hz～3400Hz

抽样f：3400Hz×2=6800Hz即6800次抽样/秒（1）实际抽样f：4000Hz×2=8000Hz即8000次抽样/秒则采样周期T=1/f=125μs（2）将任何一次抽样结果编码为从00000000到11111111这256个阶梯数值中的某一个数值，如10111010。（3）一秒钟有8000次抽样，每次抽样都要编码。8000次×8位编码=64000bit

64kbit/s即为电话信号的编码速率。64kbit/s为一路信号的带宽需求量，这种量化方式被称为PCM（PulseCodeModulation，脉冲编码调制）思考：如果振幅用16bit表示，带宽需求量为多少？

如果振幅用6bit表示，带宽需求量为多少？A/D，D/A，PCM和线路编码A/D，D/A，PCM和线路编码3.信道编码（1）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。（2）3种常用编码技术：◆曼彻斯特编码用电压跳变来区分1和0。优点：易于差错恢复；“1”“0”适用于：以太网线路。◆NRZI编码在转换处，不发生跳跃编码为0，跳跃开始处编码为1。曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码翻转不归零（NRZI）码◆差分曼彻斯特编码0或1的取值判断用位的起始处有无跳变来表示。（有跳变为0，无跳变为1）A/D，D/A，PCM和线路编码3.信道编码01000011111数据流二进制编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码NRZI编码A/D，D/A，PCM和线路编码3.信道编码在工程实践中，要遵从物理学顾虑，要考虑如何使误码率最低，传输准确率最高，易于差错恢复。

总结：模拟与数字的转化过程如下：

模拟信号数字信号，接收方做相反处理。抽样/量化/编码奈奎斯特准则复用和解复用1.问题的提出为了节省资源和成本，希望能在一条线路上传送多路信号。复用可以理解为“反复使用”和“多个共同使用”。通信中的复用就是让多个信息源共同使用一条物理通道。问题的提出复用和解复用解决方案一：反复使用解决方案二：时分复用复用和解复用2.TDM（TimeDivisionMultiplexing）时分复用

◆TDM定义：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“时隙”。◆时隙：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。◆同步：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“同步码”或者“信令”来进行信息的同步管理。但是需要占用一定的信道。复用和解复用3.PCM复用◆国际电信联盟（ITU）对PCM复用有两种建议：PCM30/32制式30路话音，1路同步，1路信令A律PCM24制式22路话音，1路同步，1路信令μ律◆对于PCM32，125μs/帧，8位PCM码分为32组，则在1秒内，能够通过8000（抽样）×32×8=2048kbit2048kbit/s即为PCM的一次群速率。PCM与TDM的区别：（1）TDM是复用方式，PCM是利用TDM的编码格式；（2）PCM编码后信息可以在TDM或FDM或WDM网络上传送。波特率和比特率信息速率

：单位时间（1s）内传输的平均信息量。单位是比特/秒，或b/s，或bps。简称比特率。码元速率

：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M进制传输。M进制码元称为符号，有M个取值。单位时间（1s）内传输的码元数称为码元速率。单位波特或B，也称为波特率。几种典型数据技术的数据格式思考：数字0和1的这些组合如何通过网络组织管理到达目的地呢？◆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：（1）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。（2）货物的特征：（3）货物本身的运送要求：时间要求，安全性要求，完整性要求等。◆通信中的“容器”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“冗余信息”。1.以太网帧◆标准：802.3◆标准拓扑结构为总线型。用交换机进行网络连接和组织的拓扑结构为星型。◆总线争用技术为CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect）

载波侦听多路访问——冲突检测。1.以太网帧以太网帧格式1.以太网帧FCS：32bit的CRC校验和。接收端将接收数据逐位进行CRC校验，如果与FCS相同，正确接收。不同，帧破坏，要求重发该帧。2.IP数据包格式3.帧中继帧格式◆帧中继用于连接两个局域网——企业分支机构间或企业到运营商的骨干IP网络上。◆是典型的数据链路层技术。4.ATM信元通信网的传递方式分为同步传递方式STM和异步传递方式ATM。STM特点：复用信号中的各路原始信号按一定时间间隔周期性出现。ATM特点：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ATM，每个信元的信头表明其属于哪一路信号4.ATM信元ATM原理：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。为了能够承载任何信息，设计为53字节定长的帧格式。特点：适应快速交换能力，提高网络传输速度。思考：ATM交换机如何识别从端口进来的信元？（1）ATM信元头中隐藏信息HEC，可以识别哪一位是信元的开始位，称为“信元同步检测”；（2）ATM信元头中的VPI/VCI值，是链路标识符，可以识别信元属于哪条链路。5.SDHPDH：准同步数字体系SDH：同步数字体系◆SDH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容。◆兼容：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以及信号的传输和交叉连接。◆作用：在其上可承载语音，DDN（数字数据网），帧中继，IP，ATM。5.SDH◆SDH中定义了“虚容器”，它是一种用来支持通道层连接的信息结构。◆虚容器结构：9行，270列，每格8位，8000次/秒9×270×8×8000=155520000即155.52Mbit/s

此为基速率。◆其他体系以基速率进行多路复用，可为其4倍，16倍，64倍。即622Mbit/s，2.5Gbit/s，10Gbit/s。◆每个格子的速率：8000×8=64000=64kbit/s◆因为每路PCM语音是64kbit/s，DDN是以64kbit/s为基准的。可以是它的整数倍或者整数分之一。5.SDHSDH的帧结