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/[email protected]

数据编码5. Data Encoding

http://cs.nju.edu.cn/yangxc

mailto:[email protected]







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

sity

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


sity

4


sity

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


sity

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


sity

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


sity

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


sity

9


sity

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 )


sity

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.)


sity

15

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


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


sity

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


sity

19

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)


sity

20

5.1.1 NRZ 不归零电平码 (NRZ-L) 不归零 1 制

逢 1 翻转


sity

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


sity

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


sity

23

NRZ


sity

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


sity

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


sity

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


sity

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


sity

28

Bipolar-AMI and Pseudoternary


sity

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


sity

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）


sity

32

Manchester andDifferential Manchester


sity

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


sity

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


sity

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


sity

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


sity

39

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


sity

40

HDB3 Substitution Rules

B8ZS and HDB3


sity

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


sity

43

电话线的带宽


sity

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


sity

46

ASK


sity

47

FSK


sity

48

PSK


sity

49

PSK星座图


sity

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


sity

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


sity

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


sity

54

4-PSK


sity

55

4-PSK星座图


sity

56

8-PSK星座图


sity

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


sity

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


sity

59

QAM – QPSK+MASK


sity

60

8-QAM 信号


sity

61

16-QAM


sity

62

Bell 调制解调器


sity

63

Bell 调制解调器


sity

64

ITU 调制解调器


sity

65

ITU 调制解调器


sity

66

V.22bis 16-QAM星座图


sity

67

V.32星座图


sity

68

V.33星座图


sity

69

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


sity

71

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


sity

73

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


sity

74

ASK带宽


sity

75

半双工 ASK的调制速率


sity

76

全双工 ASK的调制速率


sity

77

FSK带宽


sity

78

半双工 FSK调制速率


sity

79

全双工 FSK的调制速率


sity

80

PSK带宽


sity

81

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


sity

82

Analog Data, Digital Signal


sity

83

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


sity

84

Nyquist采样定理


sity

85

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)


sity

89

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


sity

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


sity

91


sity

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


sity

96

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


sity

97

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 ）


sity

98

m(t)

cos2πfc t

5.4.1 调幅

s(t)

1+m(t)


sity

99

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


sity

107

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


5.5.1 跳频

Frequency Hopping

Frequency hopping Spread Spectrum System (a)

Frequency hopping Spread Spectrum System (b)


5.5.2 直序扩频

Direct Sequence Spread Spectrum

Direct Sequence Spread Spectrum System (a)

Direct Sequence Spread Spectrum System (b)


sity

116

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

Documents

Public Infrastructure