2.4 __數(shù)據(jù)編碼

1、模擬傳輸系統(tǒng)：模擬信道 在模擬傳輸系統(tǒng)中采用模擬信號傳送數(shù)據(jù)， 該系統(tǒng)的特點(diǎn)是使用放大器來補(bǔ)償信號在傳輸過程中的衰減。在放大信號的同時也放大了由噪聲，從而信號的失真越來越大數(shù)字傳輸系統(tǒng)： 在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中既可采用數(shù)字信號、也可采用模擬信號傳送數(shù)據(jù)。 該系統(tǒng)的特點(diǎn)是在傳輸介質(zhì)中插入轉(zhuǎn)發(fā)器（Repeater，或叫中繼器）以補(bǔ)償傳輸過程中信號的衰耗和抑止干擾。/存在數(shù)字調(diào)制解調(diào)過程數(shù)字傳輸數(shù)字傳輸 有優(yōu)點(diǎn)，在模擬數(shù)據(jù)或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的長距離傳輸中，數(shù)字傳輸技術(shù)逐步取代原來的模擬傳輸技術(shù)數(shù)據(jù)編碼（調(diào)制）： 就是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適合于在信道上傳輸?shù)哪撤N電信號形式(模擬或數(shù)字信號)。l模擬數(shù)據(jù)用模擬信道發(fā)送模擬數(shù)據(jù)

2、用模擬信道發(fā)送 - 載波 例如模擬電話l數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)用數(shù)字信道發(fā)送 - 編碼l數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)用模擬信道發(fā)送 - 調(diào)制 例如電話撥號l模擬數(shù)據(jù)用數(shù)字信道發(fā)送 - 采樣 例如IP電話2.4.1數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼2.4.2數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號編碼（調(diào)制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號編碼（調(diào)制/解調(diào)）解調(diào)）2.4.3 模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼1. 普通二進(jìn)制編碼普通二進(jìn)制編碼l普通二進(jìn)制編碼就是簡單地用高、低電平的方波在物理媒體中表示二進(jìn)制的“0”和“1” l接收端無法從高低電平的方波中讀出正確的比特串。比如 “0110” 會讀成為“00111100”。需要發(fā)送器和接收器進(jìn)行定時

3、或同步。l一段時間內(nèi)會積累出直流分量l單極型脈沖單極型脈沖(電壓有或無)和雙極型脈沖雙極型脈沖(電壓正或負(fù))都可以用來表示2進(jìn)制數(shù)。雙極型脈沖可以有效抑制直流分量。l常用的編碼方式有： 不歸零編碼(NRZ)， 歸零編碼， 曼徹斯特編碼， 差分曼徹斯特編碼。l不歸零編碼不歸零編碼在一個碼元的全部時間內(nèi)，電平保持恒定。歸零編碼歸零編碼在一個碼元結(jié)束時電平總是回到零l曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼：每位中間有一個電平跳變，從高到低的跳變表示“1”，從低到高的跳變表示“0”。l差分曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼：曼徹斯特編碼的一種變形。在這種編碼方式中，每位的中間跳變只用于作為同步時鐘信號，而用位的起始處有無

4、跳變來區(qū)分“0”和“1”，若有跳變表示“0”，無跳變表示“1”。l曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼，都可以被用來從中間電平跳變中提取同步信號，這兩種編碼方式常用于局域網(wǎng)中,用兩個信號來表示一個比特的信息 ,編碼效率只有50% l編碼效率編碼效率 80% :用用5比特的碼組來表示比特的碼組來表示4比特?cái)?shù)據(jù)比特?cái)?shù)據(jù)信息。信息。l編碼方式編碼方式 :僅在每個比特僅在每個比特“l(fā)”持續(xù)時間的開始處有持續(xù)時間的開始處有電平跳變。電平跳變。l自帶同步信號自帶同步信號: 要求每個要求每個5比特碼組中不會少于比特碼組中不會少于2個個“l(fā)”，每，每5個碼元的傳輸中至少有兩次電平跳變。個碼元的傳輸中至少有兩次電平跳

5、變。 2.4.1數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼2.4.2數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號編碼（調(diào)制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號編碼（調(diào)制/解調(diào)）解調(diào)）2.4.3 模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼廣義的調(diào)制廣義的調(diào)制/解調(diào)解調(diào):變換器的變換與反變換。變換器的變換與反變換。l調(diào)制調(diào)制/解調(diào)：由信源產(chǎn)生的原始電信號為基帶信號，由于它具有解調(diào)：由信源產(chǎn)生的原始電信號為基帶信號，由于它具有頻率較低的諧波分量，不適宜在遠(yuǎn)距離直接傳輸，而要將其組頻率較低的諧波分量，不適宜在遠(yuǎn)距離直接傳輸，而要將其組合到更高頻率的載波上去，這個過程就稱為調(diào)制。合到更高頻率的載波上去，這個過程就稱為調(diào)制。l調(diào)制信號：調(diào)制過程

6、中，要傳輸?shù)男盘栒{(diào)制信號：調(diào)制過程中，要傳輸?shù)男盘柣鶐盘柣鶐盘?(是被調(diào)是被調(diào)制的信號制的信號)。l調(diào)制的過程就是按調(diào)制信號的變化規(guī)律去改變載波某些參數(shù)調(diào)制的過程就是按調(diào)制信號的變化規(guī)律去改變載波某些參數(shù)的過程；的過程；l解調(diào)就是調(diào)制的逆過程。解調(diào)就是調(diào)制的逆過程。l據(jù)載波分類：據(jù)載波分類： l模擬調(diào)制：模擬調(diào)制：調(diào)制信號為連續(xù)型的低頻正弦波信號的正弦波調(diào)制過程，例如廣播信號的調(diào)制過程，；l數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制調(diào)制信號為數(shù)字信號的正弦波調(diào)制，用模擬信道進(jìn)行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸（通常所說的調(diào)制技術(shù)。） 數(shù)字調(diào)制技術(shù)：正弦振蕩的載波可用來表示，使其幅度A、頻率f或相位根據(jù)數(shù)字基帶信號變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)對

7、載波的數(shù)字調(diào)制 .有：調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)或調(diào)相(PM) 正弦波調(diào)制載波是正弦型高頻波脈沖調(diào)制載波是脈沖串?dāng)?shù)字調(diào)制模擬(連續(xù))調(diào)制l調(diào)幅：用兩個不同幅值的載波信號分別表示二進(jìn)制數(shù)字“1”和“0”。例如可用恒定幅度載波的有和無（即最大和最小值）來代表二進(jìn)制數(shù)字“0”和“1”，l調(diào)幅方式技術(shù)簡單，較容易實(shí)現(xiàn)，易受干擾，主要用于低速、異步傳輸方式的調(diào)制 l頻率調(diào)制頻率調(diào)制 :用兩個不同頻率（f1、f2）的載波代表二進(jìn)制數(shù)“1”和“0”l特點(diǎn)：抗干擾能力好，但占頻帶較寬，低速率的數(shù)字信號傳輸中用l相位調(diào)制：相位調(diào)制：用載波的相位變化來表示二進(jìn)制數(shù)字“1”和“0”，兩間隔載波信號的相位差為時，表前

8、后相鄰兩位的數(shù)字不同(01或10)，兩間隔載波信號的相位差為0時，表前后相鄰兩位的數(shù)字相同(00或11)。l特點(diǎn)：占用頻帶較窄，抗干擾性能好，可以達(dá)到更高的數(shù)據(jù)速率。l在實(shí)際應(yīng)用中，各種調(diào)制方式可適當(dāng)?shù)亟M合。最常在實(shí)際應(yīng)用中，各種調(diào)制方式可適當(dāng)?shù)亟M合。最常用的有用的有調(diào)相與調(diào)幅調(diào)相與調(diào)幅的結(jié)合，的結(jié)合，l如：載波可以有如：載波可以有4種相位種相位(0、90、180、270或或45、135、225、315)變化和兩種變化和兩種振幅變化，信號就可有振幅變化，信號就可有8種狀態(tài)，這樣每個碼元種狀態(tài)，這樣每個碼元(1 個個單位的信號單位的信號)可傳送可傳送3比特的信息，從而在相同的調(diào)比特的信息，從而在

9、相同的調(diào)制速率下就可達(dá)到更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。制速率下就可達(dá)到更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。 l鍵控方式鍵控方式 ：數(shù)字調(diào)制中，利用數(shù)字信號離散取值，數(shù)字電路的開關(guān)像撥鍵一樣來控制振幅、頻率或相位的變化。因而，在數(shù)據(jù)通信中調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相常相應(yīng)地稱為幅移鍵控ASK(Amplitude Shift Keying)、頻移鍵控FSK(Frequency Shift Keying)和相移鍵控PSK(Phase Shift Keying)。 l解調(diào)解調(diào)解調(diào)是調(diào)制的逆過程，將調(diào)制信號還原為數(shù)字信號方法：鑒幅、鑒頻和鑒相l(xiāng)調(diào)制解調(diào)器標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制解調(diào)器V系列建議 ：為便于調(diào)制解調(diào)器發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，國際電信聯(lián)盟ITU

10、定制調(diào)制解調(diào)器V系列建議，目前所有的調(diào)制解調(diào)器生產(chǎn)廠商都按照V系列建議進(jìn)行生產(chǎn)l差錯控制協(xié)議：差錯控制協(xié)議：Microcom的MNP協(xié)議中的差錯控制部分和ITU設(shè)計(jì)的V.42協(xié)議 l數(shù)據(jù)壓縮協(xié)議：數(shù)據(jù)壓縮協(xié)議：ITU的V.42 bis協(xié)議和Microcom公司的MNP協(xié)議中的數(shù)據(jù)壓縮部分 l調(diào)制解調(diào)器兼實(shí)現(xiàn)差錯控制和數(shù)據(jù)壓縮及多路復(fù)用功能2.4.1數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼2.4.2數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號編碼（調(diào)制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號編碼（調(diào)制/解調(diào)）解調(diào)）2.4.3 模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼l數(shù)字傳輸優(yōu)于模擬傳輸：數(shù)字傳輸優(yōu)于模擬傳輸：抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高；

11、抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高；保密性保密性強(qiáng)，加密方便；強(qiáng)，加密方便；數(shù)字傳輸設(shè)備易集成化；數(shù)字傳輸設(shè)備易集成化；可以傳輸各種數(shù)據(jù)；可以傳輸各種數(shù)據(jù)；便于用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理等。公共傳輸系統(tǒng)現(xiàn)多用數(shù)字信道便于用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理等。公共傳輸系統(tǒng)現(xiàn)多用數(shù)字信道l原理圖示：模擬信號的數(shù)字傳輸要在發(fā)送端先變換成數(shù)字信號，原理圖示：模擬信號的數(shù)字傳輸要在發(fā)送端先變換成數(shù)字信號，然后在數(shù)字信道上進(jìn)行數(shù)字傳輸，在接收端再復(fù)原成模擬信號。然后在數(shù)字信道上進(jìn)行數(shù)字傳輸，在接收端再復(fù)原成模擬信號。l編碼器編碼器(Coder) ：發(fā)送端將模擬信號變換為數(shù)字信號：發(fā)送端將模擬信號變換為數(shù)字信號 l解碼器解碼器(Decoder)

12、:接收端將收到的數(shù)字信號復(fù)原成模擬信號接收端將收到的數(shù)字信號復(fù)原成模擬信號l編碼解碼器編碼解碼器(Codec)l 由于數(shù)字傳輸?shù)馁|(zhì)量好、價格低，在通信由于數(shù)字傳輸?shù)馁|(zhì)量好、價格低，在通信網(wǎng)絡(luò)中便于交換和處理，常常需要把模擬數(shù)網(wǎng)絡(luò)中便于交換和處理，常常需要把模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號來傳輸。最常用的模擬信據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號來傳輸。最常用的模擬信號號編碼方法是脈沖編碼調(diào)制編碼方法是脈沖編碼調(diào)制 PCMPCM。l PCMPCM包括三個步驟，采樣，量化和編碼。包括三個步驟，采樣，量化和編碼。l從模擬數(shù)據(jù)到數(shù)字信號的過程如下圖：從模擬數(shù)據(jù)到數(shù)字信號的過程如下圖：采樣：采樣： 即按一定的時間間隔采樣測量模擬信號

13、幅值。根即按一定的時間間隔采樣測量模擬信號幅值。根據(jù)奈奎斯特定理：只要采樣頻率不低于有效信號最高頻據(jù)奈奎斯特定理：只要采樣頻率不低于有效信號最高頻率的兩倍，則采樣值包含了原始信號的全部信息率的兩倍，則采樣值包含了原始信號的全部信息量化：量化：使采樣值在取值上離散化。通常的做法是將原始使采樣值在取值上離散化。通常的做法是將原始信號的取值范圍劃分成若干個等級（通常為信號的取值范圍劃分成若干個等級（通常為2 2n n級），將級），將每個采樣值取整到離它最近的一個等級上。每個采樣值取整到離它最近的一個等級上。編碼：編碼：將量化的的采樣值用一定位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)來表示。將量化的的采樣值用一定位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)來

14、表示。l圖中一段4 KHz的音頻模擬信號，用8KHz的頻率取樣，即每1000000/8000=125s取樣一次；把最大幅值等分為16級，并采取舍入取整的方法進(jìn)行量化，誤差為最大幅度值的1/32；每一個量化后的整數(shù)要用4位二進(jìn)制數(shù)來編碼，得到該段信號的脈沖串為：00011000110110010100001000110100l在脈沖編碼調(diào)制過程中的分級取整量化時產(chǎn)生了量化誤差。l分級越細(xì)誤差越小分級越細(xì)，樣本值量化后的編碼位數(shù)就越多碼字就越長同樣時間內(nèi)需要的數(shù)據(jù)傳輸速率就越高。l例如：把上例中的最大幅度值等分為128級來量化，將量化誤差減少為1/256，顯然可大大提高還原音頻信號的質(zhì)量。但是每個

15、樣本點(diǎn)的量化值需要用7位二進(jìn)制數(shù)來編碼，數(shù)據(jù)傳輸速率也要從l提高到 kbpskkhz3248)424(kbpsk5678l聲音數(shù)字化時，以8000Hz的采樣頻率，128級量化。一個樣本值用7位編碼，1個控制位，所以一個聲音話路的數(shù)據(jù)化速率為8k*8=64Kbps。lT1信道：24個話路按時分多路復(fù)用組成一個幀，加上一個幀同步位，每幀193位，要在一個取樣周期125s內(nèi)傳送完一個幀。故T1載波的數(shù)據(jù)傳輸速率為(7+1)*24+1)/125=1.544Mbps是PCM傳輸標(biāo)準(zhǔn)之一。lCCITT的標(biāo)準(zhǔn)：每幀32個話路分時復(fù)用，其中30個話路用于傳輸用戶數(shù)據(jù)，2個話路用于傳輸控制信號。32個話路分時復(fù)

16、用成一幀，每幀共328256位，采樣頻率為8000Hz，所以它的數(shù)據(jù)傳輸速率為2.048Mbps。 l對對PCM中幅度值等分量化的方法進(jìn)行優(yōu)化中幅度值等分量化的方法進(jìn)行優(yōu)化。 每個樣本量化的絕對誤差是相同的，而與信號幅值大小無關(guān)，但是相對誤差在幅值較低的地方比幅值較大的地方就大得多了相對誤差不同l不等分的量化級別。不等分的量化級別。 保持量化級總步數(shù)不變：在低幅值區(qū)使用較多的量化步，在高幅值區(qū)則使用較少的量化步。 既不增加數(shù)據(jù)量，又能在整體上減少信號的失真程度 。 l同樣量化誤差不變，壓縮編碼的長度。 壓縮原理：在信號的變化比采樣頻率慢得多的情況下，用7個或更多個比特來數(shù)字化前后兩幅度值之差。l差分