Public Infrastructure

Public Infrastructure

Buildings

Computers

People

Smart Cards

Homes

Appliances

TransportationVehicles

VendingMachines

$$

......

数据通信与网络

Department of Computer Science and Technology, Nanjing University 2004.2-2005.3

数据通信Data Communications

杨献春南京大学计算机科学与技术系http://cs.nju.edu.cn/yangxcxcy@nju.edu.cn

数据编码5. Data Encoding

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3

数据编码技术 数字 - 数字编码

数字数据 , 数字信号 数字 - 模拟编码（数字调制， D/A 转换）

数字数据 , 模拟信号 模拟 - 数字编码（ A/D 转换）

模拟数据 , 数字信号 模拟 - 模拟编码（模拟调制）

模拟数据 , 模拟信号 扩频

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4

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5

5.1 数字数据 , 数字信号 数字信号 术语 编码方案 不归零编码 (NRZ) 多电平二进制 双相位 调制速率 扰码

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6

数字信号 离散的不连续电压脉冲 每个脉冲为一信号单元 二进制数据编码为信号单元

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7

术语 (1) 单极性

所有信号单元具有相同符号 双极性

正电压表示一种逻辑状态 负电压表示另一种

数据率 以每秒比特表示的数据传输速率

比特持续时间或长度 发送器发送出一个比特所需要的时间

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8

术语 (2) 调制速率

信号电平改变的速率 以波特度量 = 每秒多少个信号单元

传号与空号 分别指二进制数字 1 和 0

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9

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10

接收器对信号的解释 (1) 再看图 3.13 ( 噪声对一个数字信号的影响 )

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11

接收器对信号的解释 (2) 需要知道

比特的定时关系 – 比特的起止时间 信号电平 ( 在比特持续时间中间位置采样 )

决定成功解释信号的因素 信噪比 （ S/N 或 Eb/N0增加，误码率 BE

R 减少） 数据率 （数据率增加， BER 增加） 带宽 （带宽增加，数据率增加） 编码方案

数字信号常见编码格式 ( 码型 )

(cont.)

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编码方案的比较 (1) 信号频谱

缺乏高频分量可节省传输所需带宽 缺少直流成分可经变压器交流耦合提供电气隔离 传输功率集中在传输带宽中心

时钟同步 使发送器与接收器同步 外部时钟 基于发送信号的同步机制

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发送设备端 接收设备端

地球作为地线回路

a. 单线非平衡线路

b. 双线非平衡线路

c. 双线平衡线路

Signal Spectrum

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18

编码方案的比较 (2) 差错检测

可以内置于信号编码机制之中 信号抗扰抗噪度

某些编码比另一些编码好 成本与复杂度

为达到特定数据率的高信号速率导致高成本 某些编码需要信号速率大于数据率

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编码方案 不归零电平 (NRZ-L) 不归零 1 制 (NRZI) 双极性交替传号翻转 (AMI) 伪三元码 曼彻斯特 差分曼彻斯特 双极性 8 零替换 (B8ZS) 高密度 3 零码双极性 (HDB3)

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20

5.1.1 NRZ 不归零电平码 (NRZ-L) 不归零 1 制

逢 1 翻转

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21

NRZ-L 用两种不同电压表示 1 比特和 0 比特 在比特间隔（比特周期）内保持电压恒定

无跳变，即不回到零电压 例如， 无电压表示 0 ，恒定正电压表示 1 更常见的是

负电压代表一个二进制值 正电压代表另一个值

后面这种编码是 NRZ-L

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22

NRZI 不归零遇 1 翻转 在比特持续时间内保持恒定电压 数据编码成在比特起始时刻看信号是否

跳变 跳变 ( 低跳高或高跳低 ) 代表一个二进制 1 无跳变表示二进制 0

差分编码的一个例子

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23

NRZ

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24

差分编码 数据是由信号变化而不是由信号电平表示

当前比特为 0 ，信号与前一比特相同 当前比特为 1 ，信号与前一比特不同

按跳变检测比按电平检测更可靠 在复杂的传输结构中，很容易对信号的极性失

去敏感 例如，即使因引脚接反而使信号极性有误，也能正确辨识

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25

NRZ 优缺点 优点

易于工程化 有效利用带宽

缺点 存在直流分量 缺乏同步能力

用于数字磁记录 在信号传输中不常用

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26

5.1.2 多电平二进制 使用多于两个的信号电平 双极性 AMI

无信号表示 0 正脉冲或负脉冲表示 1 1 的脉冲在极性上交替 即使一长串 1 也不会失去同步（ 0 仍然有问题） 不存在净直流成分 较低的带宽 易于差错检测

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27

伪三元码 无信号表示 1 由交替的正负电平表示 0 与双极性 AMI 的优缺点不分彼此

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28

Bipolar-AMI and Pseudoternary

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29

多电平二进制的得失权衡 效率不如 NRZ

每个信号单元只代表一个比特 在三电平系统中每个信号单元可以表示的比特数

log23 = 1.58 bits 接收器必须区分三级电平 (+A, -A, 0) 对于同样的 BER 需要更多的信号功率

大约 3dB

Bit Error Rate for NRZ and Multilevel Binary

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31

5.1.3 双相位 曼彻斯特编码（ Manchester ）

每个比特周期中间跳变 跳变同时作为数据和同步时钟 从低跳变到高表示 1 从高跳变到低表示 0 IEEE 802.3 使用（以太网）

差分曼彻斯特（ Differential Manchester ） 中间跳变只作为同步时钟 在一个比特周期起始位置跳变表示 0 在比特周期起始位置不跳变表示 1 注意 : 这是一种差分编码方案 IEEE 802.5 使用（令牌环）

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32

Manchester andDifferential Manchester

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33

双相位编码的优缺点 缺点

每个比特周期至少一次跳变，有可能两次跳变 最大调制速率是 NRZ 的两倍 需要更宽的带宽

优点 按照比特中间的跳变进行同步 ( 自同步时钟 ) 无直流成分 差错检测

丢失所期望跳变会检测出

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34

5.1.4 调制速率

D=调制速率 , 波特baud R=数据率 , bps b=每个信号单元的比特数

回顾如下公式 :

b

RD

M

RR b

B2log

Modulation Rate

A Description Method ofModulation Rate

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37

5.1.5 扰码技术 使用扰码替代产生恒定电压的序列 填充序列

必须产生足够的跳变以利于同步 必须被接收器识别并以原始序列替换回来 和原始序列长度相同

使得没有直流成分 使得无长的零电平信号序列 不降低数据率 有差错检测能力

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38

B8ZS 对连续 8 个零进行替换的双极性

保证最多只出现连续 3 个 0 的序列 基于双极性 AMI 倘若全零的八比特组且之前的电压脉冲为正，

编码为 000+-0-+ 倘若全零的八比特组且之前的电压脉冲为负，

编码为 000-+0+- 强迫两个码元违反 AMI 编码规则 不可能是由噪声引起的 接收器能检测并解释为连续 8 个 0

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HDB3 高密度双极性 3 零

保证出现最多连续 3 个零的序列 基于双极性 AMI 以一个或两个脉冲替换连续 4 个零的串

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40

HDB3 Substitution Rules

B8ZS and HDB3

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42

5.2 数字数据 , 模拟信号 公众电话系统

使用 modem (modulator-demodulator) 话音： 300Hz 至 3400Hz 数据： 600Hz 至 3000Hz ( 带宽 2400H

z ） 调制技术 性能

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43

电话线的带宽

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44

5.2.1 调制技术 幅移键控 (ASK)

频移键控 (FSK)

相移键控 (PSK)

00

1)2cos()(

bitBinary

bitBinarytfAtS c

0)2cos(

1)2cos()(

2

1

bitBinarytfA

bitBinarytfAtS

0)2cos(

1)2cos()(

bitBinarytfA

bitBinarytfAtS

c

c

Figure 5.7 Modulation of Analog Signals for Digital Data

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46

ASK

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47

FSK

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48

PSK

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49

PSK星座图

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50

幅移键控 由同一载波的不同振幅表示二进制值 通常 , 一个振幅为 0

即采用是否出现载波 易受突发的增益变化的影响 低效率 在话音级线路上可达 1200bps 可用于光纤

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51

频移键控 由载波频率附近的两个不同的频率表示

二进制值 比起 ASK 较不易受差错影响 在话音级线路上可达 1200bps 常用于高频无线电 在使用同轴电缆的 LAN上甚至使用更高

的频率

话音级线路上的 FSK

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53

相移键控 偏移载波信号的相位来表示数据 差分 PSK

相对于前面传输的比特移相而不是参照某个固定的信号值

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54

4-PSK

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55

4-PSK星座图

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56

8-PSK星座图

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57

正交相移键控调制 由于每个信号单元表示多于一个比特，

更加有效 例如， /2 (90o) 的相移 每个信号单元表示两个比特 可以使用 8 个相位角度，且不止一种振幅 9600bps 调制解调器使用 12 种角度，其中四个角度有两种振幅

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58

QPSK QPSK

重申 :01)

4

72cos(

00)4

52cos(

10)4

32cos(

11)4

2cos(

)(

tfA

tfA

tfA

tfA

tS

c

c

c

c

L

R

b

RD

2log

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59

QAM – QPSK+MASK

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60

8-QAM 信号

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61

16-QAM

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62

Bell 调制解调器

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63

Bell 调制解调器

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64

ITU 调制解调器

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65

ITU 调制解调器

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66

V.22bis 16-QAM星座图

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67

V.32星座图

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68

V.33星座图

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5.2.2 数字 - 模拟调制的性能 带宽

ASK 与 PSK 带宽与比特率直接相关 FSK 对于低频载波，带宽主要与数据率相关；而对高频载波，带宽则取决于调制频率相对于载波频率的偏移

在出现噪声时 , PSK 和 QPSK的比特差错率（误码率）比 ASK 和 FSK 低 ASK/FSK欲达同样误码率，需要 Eb/N0多出 3dB PSK 和 QPSK 的 Eb/N0孰高？习题 5.11给出结论

Bit Error Rate for NRZ and Multilevel Binary

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传输带宽 ASK和 PSK

FSK

多电平调制

10)1( rRrBT

12)1(2 ffffFRrFB ccT

M

rR

b

rBT

2log

1)

1(

数据率与传输带宽之比率

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误码率与带宽效率 当带宽为 BT 时噪声 N=N0BT , 因此

当 S恒定， N 不变， BT增加，则 N0减少 S/N 不变， BT增加或 R 减少， Eb/ N0增加 BT增加或 R 减少，带宽效率降低

举例 调制带宽公式和图 5.4 是推导的依据 你或许会产生一些疑问，也可能引发一些有意义的话题

R

B

N

S

RN

S

N

E Tb 00

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74

ASK带宽

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75

半双工 ASK的调制速率

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76

全双工 ASK的调制速率

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77

FSK带宽

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78

半双工 FSK调制速率

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79

全双工 FSK的调制速率

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80

PSK带宽

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5.3 模拟数据 , 数字信号 数字化

模拟数据转换为数字数据 数字数据使用 NRZ-L 传输 数字数据使用非 NRZ-L 的编码传输 数字数据转换为模拟数据 模拟到数字的转换使用 CODEC 来完成 脉冲编码调制 (PCM) 增量调制

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Analog Data, Digital Signal

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5.3.1 PCM (1) 如果以固定的时间间隔对一个信号 f(t) 采样，采

样速率是信号最高主频率的两倍，那么这些样本则包含了原信号的所有信息 根据这些样本，借助于低通滤波器，可以重建 f(t) ( 证明 – Stallings教材的附录 4A)

话音数据频率限制在 4000Hz 以下 每秒需要采集 8000 个样本 模拟样本 (Pulse Amplitude Modulation, PAM) 每个样本需要赋予一个数字值

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Nyquist采样定理

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PCM (2) 4 比特系统使用 16 级电平 量化

量化误差或量化噪声 只是近似值，不可能完全恢复成原始信号 每增加一个比特，信噪比增加 6dB

SNR=(20lg2n+1.76)dB=(6.02n+1.76)dB 如果使用 8 比特样本，可给出 256 级电平 质量是可以与模拟传输相比的 每秒 8000 个样本且每个样本 8 比特，数据率达到 64kbps

从模拟信号到PCM

动画演示

Figure 5.10 Pulse Code Modulation (a)

Figure 5.10

Pulse Code Modulation (b)

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差分 PCM 对每个电平级别不用绝对的数值表示 量化时使用相对值，高出或低于某个电

平的差值 编码时比特数比常规PCM少

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90

非线性编码 量化级别不是等距的 减少总体的信号失真

图 5.11 也可使用压扩（压缩 - 扩展）实现

图 5.12

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93

5.3.2 增量调制 用一个阶梯函数来近似模拟输入

本质：近似一个模拟信号的导数，而非振幅 重要特性：其行为是二进制的

在每个样本间隔上移或下移一个电平 () 输出样本对应一个二进制值

阶梯函数上升，生成 1；下降，生成 0； 0 和 1 交替，表示相同的量化级别

两个重要参数 步长值（纵坐标），采样速率（横坐标）

两种误差（噪声） 斜率（波峰）过载噪声，量化噪声

步长值与两种噪声的关系

增量调制举例

增量调制操作

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5.3.3 性能 良好的话音再生

PCM - 128 级电平 (7 比特 ) 话音带宽 4kHz 对于 PCM ，数据率为 8000 x 7 = 56kbps Nyquist容量 : R=2Blog2L ; B=28kHz

数据压缩可以使其改善 例如，视频的帧间编码技术

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5.4 模拟数据，模拟信号 为何调制模拟信号 ?

高频可以更有效的传输 允许频分复用（教材第 8章）

调制类型 调幅（ AM ） 调频（ FM ） 调相（ PM ）

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m(t)

cos2πfc t

5.4.1 调幅

s(t)

1+m(t)

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调幅 图 5.15 DSBTC - 双边带发射载波 举例 :

发射总功率 BT=2B

tftxnts ca 2cos)](1[)(

tffn

tffn

tf

tftfnts

mca

mca

c

cma

)(2cos2

)(2cos2

2cos

2cos]2cos1[)(

)2

1(2a

ctn

PP

若无此直流成分， AM信号的波形会怎样？

AM 信号成分：载波 ,下边带 ,上边带实例：模拟载波系统

na<1, 输入信号与载波信号的振幅比m(t)=nax(t)

AM 带宽

图 5.16AM 信号频谱

SSB- 单边带 BT=B DSBSC- 双边带抑制载波 VSB- 残留边带

5.4.2 角度调制 PM- Phase Modulation

FM- Frequency Modulation

Example

)()(')](2cos[)(

tmntttfAtS

f

cc

)()()](2cos[)(

tmntttfAtS

p

cc

HzAnF

tftf

mf

ci

2

1

)('2

1)(

举例 AM

PM 瞬时相位偏移与峰值相位偏移

FM 瞬时频率偏移与峰值频率偏移

tffn

tffn

tf

tftfnts

mca

mca

c

cma

)(2cos2

)(2cos2

2cos

2cos]2cos1[)(

)]2

)2()(2cos()

2)(2)[cos((

2cos)(

)2

22cos()(

]2cos2cos[)(

0

ntnftf

ntnftfnJ

tfnJ

ntftfnJ

tfntfts

mcmcpn

n

cp

mcpn

n

mpc

5.4.3 正交振幅调制 (QAM)

)2sin()()2cos()()( 21 tftdtftdtS cc

并行的 ASK各路相位偏移

多路 QAM见 P.267(210)

QAM 解调

Y1(t)=s(t)cos2fct=d1(t)cos22fct+d2(t)sin2fct cos2fct Y2(t)=s(t)sin2fct= d1(t)cos2fct sin2fct+d2(t) sin22fct 提示：利用三角恒等式和低通滤波解习题 5.10

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5.5 扩频 模拟数据或数字数据 模拟信号 主要用于无线传输 把数据携载的信息扩散到更宽的带宽中 使得难以被干扰和窃听 跳频 (FH)

以看似随机的无线电频率序列进行广播 直序扩频 (DSSS)

每个比特由发射信号的多个比特来表示 切片编码

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5.5.1 跳频

Frequency Hopping

Frequency hopping Spread Spectrum System (a)

Frequency hopping Spread Spectrum System (b)

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5.5.2 直序扩频

Direct Sequence Spread Spectrum

Direct Sequence Spread Spectrum System (a)

Direct Sequence Spread Spectrum System (b)

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ASSIGNMENTS Required Reading

Stallings chapter 5 Exercises

5.4, 5.5, 5.7, 5.8, 5.10, 5.11, 5.13, 5.14, 5.15, 5.18, 5.19, 5.23

Optional (not hand in) 5.2, 5.6, 5.9, 5.20, 5.21, 5.22, 5.24, 5.25

Think independently 5.1, 5.3, 5.16, 5.17