第7讲 数据编码与调制技术讲解
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数据的编码与调制如前所述,网络中的通信信道可以分为模拟信道和数字信道,分别用于传输模拟信号和数字信号,而依赖于信道传输的数据也分为模拟数据与数字数据两类。
为了正确地传输数据,必须对原始数据进行相应的编码或调制,将原始数据变成与信道传输特性相匹配的数字信号或模拟信号后,才能送入信道传输。
如图6-20所示,数字数据经过数字编码后可以变成数字信号,经过数字调制(ASK、FSK、PSK)后可以成为模拟信号;而模拟数据经过脉冲编码调制(PCM)后可以变成数字信号,经过模拟调制(AM、FM、PM)后可以成为与模拟信道传输特性相匹配的模拟信号。
图6-20 数据的编码与调制示意图6.3.1 数字数据的数字信号编码利用数字通信信道直接传输数字信号的方法,称作数字信号的基带传输。
而基带传输需要解决的两个问题是数字数据的数字信号编码方式及收发双方之间的信号同步。
在数字基带传输中,最常见的数据信号编码方式有不归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码3种。
以数字数据011101001为例,采用这3种编码方式后,它的编码波形如图6-21所示。
1.不归零码(NRZ,Non-Return to Zero)NRZ码可以用低电平表示逻辑“0”,用高电平表示逻辑“1”。
并且在发送NRZ码的同时,必须传送一个同步信号,以保持收发双方的时钟同步。
2.曼彻斯特编码(Manchester)曼彻斯特编码的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”。
曼彻斯特编码的原则是:将每个比特的周期T分为前T/2和后T/2,前T/2取反码,后T/2取原码。
曼彻斯特编码的优点是每一个比特中间的跳变可以作为接收端的时钟信号,以保持接收端和发送端之间的同步。
3.差分曼彻斯特编码(Difference Manchester)差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进,其特点是每比特的值要根据其开始边界是否发生电平跳变来决定,若一个比特开始处出现跳变则表示“0”,不出现跳变则表示“1”,每一位二进制信号中间的跳变仅用做同步信号。
数据的编码与调制如前所述,网络中的通信信道可以分为模拟信道和数字信道,分别用于传输模拟信号和数字信号,而依赖于信道传输的数据也分为模拟数据与数字数据两类。
为了正确地传输数据,必须对原始数据进行相应的编码或调制,将原始数据变成与信道传输特性相匹配的数字信号或模拟信号后,才能送入信道传输。
如图6-20所示,数字数据经过数字编码后可以变成数字信号,经过数字调制(ASK、FSK、PSK)后可以成为模拟信号;而模拟数据经过脉冲编码调制(PCM)后可以变成数字信号,经过模拟调制(AM、FM、PM)后可以成为与模拟信道传输特性相匹配的模拟信号。
图6-20 数据的编码与调制示意图6.3.1 数字数据的数字信号编码利用数字通信信道直接传输数字信号的方法,称作数字信号的基带传输。
而基带传输需要解决的两个问题是数字数据的数字信号编码方式及收发双方之间的信号同步。
在数字基带传输中,最常见的数据信号编码方式有不归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码3种。
以数字数据011101001为例,采用这3种编码方式后,它的编码波形如图6-21所示。
1.不归零码(NRZ,Non-Return to Zero)NRZ码可以用低电平表示逻辑“0”,用高电平表示逻辑“1”。
并且在发送NRZ码的同时,必须传送一个同步信号,以保持收发双方的时钟同步。
2.曼彻斯特编码(Manchester)曼彻斯特编码的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”。
曼彻斯特编码的原则是:将每个比特的周期T分为前T/2和后T/2,前T/2取反码,后T/2取原码。
曼彻斯特编码的优点是每一个比特中间的跳变可以作为接收端的时钟信号,以保持接收端和发送端之间的同步。
3.差分曼彻斯特编码(Difference Manchester)差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进,其特点是每比特的值要根据其开始边界是否发生电平跳变来决定,若一个比特开始处出现跳变则表示“0”,不出现跳变则表示“1”,每一位二进制信号中间的跳变仅用做同步信号。
两个定理、四个方面讲解数据编码与调制工程师都会考虑一个问题:信道上到底可以传输多大的数据,或者指定的信道上的极限传输率是多少。
这就是信道容量的问题。
在给定通频带宽(Hz)的物理信道上,到底可以有多高的数据速率来可靠传送信息?两个定理奈奎斯特定理奈奎斯特证明,对于一个带宽为W赫兹的理想信道,其最大码元(信号)速率为2W波特。
这一限制是由于存在码间干扰。
如果被传输的信号包含了M个状态值(信号的状态数是M),那么W赫兹信道所能承载的最大数据传输速率(信道容量)是:C =2&TImes;W&TImes;log2M(bps)对于给定的信道带宽,可以通过增加不同信号单元的个数来提高数据传输速率。
然而这样会增加接收端的负担,因为,接收端每接收一个码元,它不再只是从两个可能的信号取值中区分一个,而是必须从M个可能的信号中区分一个。
传输介质上的噪声将会限制M的实际取值。
香农定理奈奎斯特考虑了无噪声的理想信道,而且奈奎斯特定理指出,当所有其他条件相同时,信道带宽加倍则数据传输速率也加倍。
但是对于有噪声的信道,情况将会迅速变坏。
现在让我们考虑一下数据传输速率、噪声和误码率之间的关系。
噪声的存在会破坏数据的一个比特或多个比特。
假如数据传输速率增加了,每比特所占用的时间会变短,因而噪声会影响到更多比特,则误码率会越大。
对于通过有噪声信道传输数字数据而言,信噪比非常重要,因为它设定了有噪声信道一个可达的数据传输速率上限,即对于带宽为W 赫兹,信噪比为S/N的信道,其最大数据传输速率(信道容量)为:C = W×log2(1+S/N)(bps)香农定理给出的是无误码数据传输速率。
香农还证明,假设信道实际数据传输速率比无误码数据传输速率低,那么使用一个适当的信号编码来达到无误码数据传输速率在理论上是可能的。
遗憾的是,香农并没有给出如何找到这种编码的方法。
不可否认的是,香农定理确实提供了一个用来衡量实际通信系统性能的标准。
一、信道信道是信号的传输媒介。
一般用来表示向某一个方向传送信息的介质,因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。
信道根据传输信号分为数字信道(传输数字信号)和模拟信道(传输模拟信号),根据传输介质可分为无线信道和有线信道。
同时根据传输信号还可以分为基带信道和宽带信道。
基带信道:将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示,再送到数字信道上去传输。
(基带传输)来自信源的信号,像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。
基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号,比如我们说话的声波就是基带信号。
宽带信道:将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号,再传送到模拟信道上去传输(宽带传输)把基带信号经过载波调制后,把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。
(即仅在一段频率范围内能够通过信道)。
在传输距离较近时,计算机网络采用基带传输方式(近距离衰减小,从而信号内容不易发生变化)。
在传输距离较远时,计算机网络采用宽带传输方式(远距离衰减大,即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号)。
二、数据与信号的转换编码:把数据转换成数字信号称为编码;调制:把数据转换成模拟信号称为调制。
可通过数字发送器把数字数据转换成数字信号;可通过调制器把数字数据转换成模拟信号;可通过pcm编码器把模拟数据转换成数字信号;可通过放大器调制器把模拟数据转换成模拟信号。
三、数字数据转换成数字信号的编码方式1、非归零编码(nrz)2、曼彻斯特编码3、差分曼彻斯特编码4、归零编码(rz)5、反向不归零编码(nrzi)6、4b/5b编码1、非归零编码:使用高电平表示1,低电平表示0。
(即高1低0)编码容易实现,但没有检错功能,且无法判断一个码元的开始和结束,以至于收发双方难以保持同步。
通常会再添一条通信电路来传递码元的传输速率等,即多长时间接收一个码元。
2、曼彻斯特编码:将一个码元分成两个相等的间隔,前一个间隔为低电平,后个间隔为高电平表示码元为1;码元o则正好相反。