第3章 数据通信基础(二)

小结：模拟信号在数字信道上传输
要先进行脉冲编码调制(PCM, Pulse Code Modulation): ◆采样：按信号最高频率fmax的两倍频率取样可精确还原 （Nyquist Theorem，奈奎斯特定理） ◆量化：将取样获得的脉冲信号在振幅上进行数值分级（我国标准中 量化分为256个等级） ◆编码：将量化后的数值转换为对应的二进制编码

Digital to Analog Encoding
调制技术总览
Modulation Techniques


使用载波信号对数字数据进行调制的主要技术有： 幅移键控编码 ( ASK, Amplitude shift keying ) 频移键控编码 ( FSK, Frequency shift keying ) 相移键控编码 ( PSK, Phase shift keying ) 正交调幅编码 ( QAM, Quadrature Amplitude Modulation) 其中QAM效率最高，也是现在所有调制解调器采用的技术。
模拟数据数字化
Digitizing Analog Data
主要问题 如何在不损失信号质量的前提下，将信息（数据）从无 穷多的连续值转换为有限个离散值。 主要方法：PCM（脉冲编码调制） 采样（脉幅调制，PAM）→ 量化 → 二进制编码

脉冲振幅调制
Pulse Amplitude Modulation (PAM)
调制技术示意图
Modulation Techniques
改变载 波信号 的振幅
改变载 波信号 的频率
改变载 波信号 的相位 数字数据的模拟信号调制
幅移键控编码示意图
ASK Encoding
频移键控编码示意图
FSK Encoding
语音级线路上的FSK传输
FSK on Voice Grade Line
极性编码
Types of Polar Encoding 采用两个电压值编码：一个正电压，一个负电压。
极性码
不归零型
归零型
双相位型
不归零 电平编码
不归零 反相编码
曼彻斯特编码
差分 曼彻斯特编码
不归零编码
Nonreturn to Zero (NRZ)

不归零电平编码（NRZ-L）

负电平用于表示一个二进制值，正电平用于表示另 一个二进制值 由比特值决定信号的电平。

Байду номын сангаас
USB接口NRZI编码与位填充示意图
说明：USB接口使用的NRZI编码规则是遇到比特0 时 发生跳变，遇到比特1 时保持不变。
归零编码
RZ Encoding
归零编码使用两组电平值： 正-零，负-零 信号变化不是发生在比特之间 而是发生在每个比特内。在每 个比特间隙的中段，信号将归 零。 比特“1”实际上是用正电平跳 变到零表示，比特“0”则用负 电平跳变到零表示，而不是仅 仅通过电平的正负来表示。 在每个比特内产生信号变化可 以解决同步问题。但这种编码 方案中每比特需要两次信号变 化，从而占用了更多的带宽。
8-QAM Encoding
模拟数据→数字信号
Analog Data, Digital Signal

数字化(Digitization) 把模拟数据转换为数字数据，再通过NRZ-L或其他技 术转换为数字信号进行传输。
Analog to Digital Encoding
※Codec- 编码解码器
数字数据→模拟信号
Digital Data, Analog Signal
发送设备产生一个高频模拟信号作为基波来承载数字数据。此 基波称为“载波信号” 或“载波频率” 。 数字数据信号通过改变载波信号的一个或多个特性（振幅、频 率和相位）形成“调制信号”。 最常见的应用：借助于调制解调器(modem)利用公用电话线路 上网。
原因：收发双方脉冲时钟不可能精确一致
答案是否定的。原因在于： 任何物理设备都存在着设计上的局限性和缺陷。几乎可以肯定任 何两个时钟都存在着微小的差别，这使得设备无法对传输信号作 十分精确的采样。 就象指挥家确保演奏者的同步一样，通信设备也需要某种机制以 使它们的定时保持一致。不变的信号不具备同步机制。但如果信 号改变的话，这种改变就可以用来保持设备的同步。有些强制信 号改变的编码方案就是基于这个原因。
4 – PSK 四相位PSK

我们还可以采用四种信号相位变化方式，让每一种变化代 表两个比特(4-PSK)。此时我们可以用两倍于2-PSK的速 率传输数据。
也有称其为“四值相移键控” (QPSK)。

四相位PSK编码示意图
4 – PSK Encoding
8 - PSK 八相位PSK

4-PSK的想法可进一步扩展到8相位。此时每次对相位 只变化45°,而不是90 ° 。通过使用八个不同相位, 每 相移一次可以代表三个比特。所以8-PSK 的传输速率比 2-PSK快三倍。
单极性编码
Unipolar Encoding

传送数字信号最简单的方法 只用一个电平即可表示两个二进制数字。通常0是用零电 平即空闲的线路状态表示。 注：脉冲的极性指其电平的正负。“单极性”得名于它 的电平只有一“极”。
单极性编码存在的问题
Problems for Unipolar Encoding
两个问题使得单极性编码在信号传输应用中使用不多: 直流分量（DC Component）


信号的平均振幅不是零。 不能由没有处理直流分量能力的媒体传输，如微波或变压器。 主要用于光纤传输。 在一个码元时间内，不是有电压(或电流),就是无电压(或电流) ，电脉 冲之间没有间隔，不易区分识别。所以接收方不能正确识别每一个比 特何时开始、何时结束(原始数据中出现连续的1或0时）。

模拟-数字编码的第一步是所谓“PAM”（脉幅调制）， 即对模拟信号进行采样，然后生成一连串基于采样结果 的脉冲。
采样 : 奈奎斯特定理 Sampling : Nyquist Theorem 如果以一定时间间 隔对某个信号f(t)进 行采样，并且采样 频率高于该信号最 高频率的两倍，则 采样值包含了原信 号的全部信息。通 过使用低通过滤器， 可以由这些采样值 重新构成信号f(t) 。
不归零编码
Nonreturn to Zero (NRZ)

不归零反相编码（不归零1制，NRZI）

用一个比特间隔开始时是否出现电平跳变表示1或0。 属于差分编码，可靠性更好。 比特值决定正负电压之间是否跳变，而非决定电平正负。
差分编码
Differential Encoding 数据由电平变化而非电平 高低表示。 检测信号跳变比检测信号 电平高低更可靠。 在复杂传输系统中，信号 的正负极性可能失去意义。 如在一条多支路双绞线线 路上，当双绞线与某相连 设备引脚的接线接反时， 如果采用NRZ-L编码，所 有的0和1都将颠倒。采用 差分编码则不会出现这种 颠倒现象。

双相位编码
Biphase Encoding 解决同步问题的最佳方案 信号在比特间隔中发生改 变但并不归零 现代网络中常用的双相位 编码方式: 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码

曼彻斯特编码 Manchester Encoding 每个比特间隔的 中间位置处都存 在一个跳变。这 种中间处的跳变 既含有时钟信息， 也含有数据信息： 从低到高的跳变 代表1，从高到 低的跳变代表0 (注意有些系统 也可能相反)。

同步（Synchronization）

同步：问题在哪里?
请看下图——到底有几个”1”（用高电平表 示）?
当一台设备发送一个比特的数字信号时，它将在一定的周期内 （假定为T）产生一个持续的信号。一个内置的时钟负责定时。接 收设备必须知道信号的周期，这样它才能在每个T 时间单元内对信 号进行采样。它也有一个负责定时的内置时钟。剩下的就是确保 收发两端的两个时钟使用同样的T 。但两个时钟能完全一致么？
数据编码
概述
Overview

模拟数据和数字数据都可以编码成模拟信号或数 字信号，编码方案取决于具体的要求和所用的传 输媒体及通信设备。
不同的编码方案
用数字信号传输数字类数据
“数字-数字”编码类型
Types of Digital to Digital Encoding
单极性码（单电平） 非零电平代表一种信号逻辑状态，零电平代表另一种 极性码 (双电平) 正电平代表一种信号逻辑状态，负电平代表另一种 双极性码（多电平） 无线路信号代表一种信号逻辑状态，正电平和负电平 交替代表另一种
量化
Quantization

脉冲振幅调制信号的量化
二进制编码
Binary Encoding
“数字-数字”编码 Digital to Digital Encoding

使用各种“数字-数字”编码技术将二进制数字转换为 数字信号进行传送。
从模拟信号到PCM
From Analog to PCM
脉幅调制(PAM)→量化→二进制编码→“数字-数字”编码
差分曼彻斯特编码 Differential Manchester Encoding 比特间隔中间 位置处的跳变 仅含有时钟信 息。在比特间 隔开始处如果 出现跳变表示 0，如果没有 跳变表示1。
双相位编码的应用 Applications of Biphase Codes


数据传输中的常用技术 曼彻斯特编码是IEEE 802.3（以太局域网） 标准规定的编码（使用 同轴电缆和双绞线）。 差分曼彻斯特编码是 IEEE802.5（令牌局域 网）标准规定的编码 （使用屏蔽双绞线）。
相移键控编码
Phase Shift Keying

通过载波相位的变换表示数据 抗干扰性能优于ASK（噪声对其影响小）。 用两个相位代表两个二进制数： 双值相移键控 (BPSK) 及其“星座图 ”(Constellation)
二进制 1 二进制 0
二相位PSK编码示意图
2 - PSK Encoding
然后再用“数字→数字”编码技术进行二次编码。
模拟数据→模拟信号
Analog Data, Analog Signals


调制：将输入信号m(t)与频率为fc 的载波信号合并的过程。 调制后产生的信号s(t)的带宽以fc为中心。 模拟信号进行模拟调制的必要 高频可以获得更高的传输效率 可使用“频分复用技术” 调制方式 振幅 频率 相位
正交调幅编码
Quadrature Amplitude Modulation (QAM)

一种常用于ADSL（非对称数字用户线路）和无线通信的 模拟信号传输技术。 调幅(ASK)和调相(PSK)技术的综合(同时改变正弦波三个 特性中的振幅和相位)。理论上可以有无数的状态组合。※
8-QAM编码示意图
Analog to Analog Encoding
Analog Modulation 模拟调制

误码率 Undetectd Error Rate
发生差错的码元数 Pe = ———————————— 接收的总码元数 在计算机网络中，误码率一般要求低于10-6。