数据编码

莆田学院现代教育技术中心 2005年9月
曼彻斯特和差分曼彻斯特编码 Manchester and Diff. Manchester Encoding
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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)。
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影响信号成功解读的因素：
编码方案的评价指标
Evaluating of Encoding Schemes (1)
信号频谱(signal spectrum) 没有高频分量,可减少传输所需的带宽 没有直流分量,可通过变压器进行交流耦合,实现隔离减 少干扰 实际上,信道的传输性能通常在频带的两边较差。一个 好的信号设计应将传输功率集中在带宽中部,以减小失 真。 时钟同步 (clocking) 测定每一个比特起始和结束位置（同步）并非易事。 一种相当昂贵的方案是在发送和接收设备间增设一条 外部时钟线 另一种方案是提供某些基于所传送信号的同步机制。 这一点可以通过合适的编码技术来实现。
原因：收发双方脉冲时钟不可能精确一致 原因：
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 不变的信号不具备同步机制。但如果信 使它们的定时保持一致。不变的信号不具备同步机制 不变的信号不具备同步机制 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。
频带传输
调制的定义：将输入信号m(t)与频率为fc的载波信号合并的过程。调 f 制后产生的信号s(t)的带宽以fc为中心。 P123 f
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4.1 Digital Data, Digital Signal 用数字信号传输数字类数据
数字数据→ 数字数据→数字信号
资料来源 http://www.c-fol.net/news/content/73/20050316094321.htm
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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
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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”。
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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？
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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） 直流分量
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。
同步（Synchronization） 同步
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编码方案
Encoding Schemes
Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L) Nonreturn to Zero Inverted (NRZI) Manchester Differential Manchester Bipolar -AMI Pseudoternary B8ZS HDB3 …
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编码方案的评价指标
Evaluating of Encoding Schemes (2)
差错检测 (error detection) 可在具体的信号编码中方案加入部分差错检测功能 以提高检错速度 信号干扰和抗噪声度 有些编码在噪声存在的状态下仍具有优秀的性能 费用和复杂性 数据速率一定时,信号速率超高,成本越高 有些编码要求信号速率高于实际的数据速率
Digital Data, Digital Signal
数字信号 离散的不连续的电压脉冲 一个脉冲代表一个信号元素(码元) ※ 二进制数据可直接编码成信号元素
Digital signal Digital Data
Digital to Digital Encoding
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信号的解读
Interpreting Signals 接收方必须知道：
各个比特的定时方式——何时起始,何时结束 每个比特信号电平的状态——是高或低 这两项任务都是通过在每个比特间隔的中间位置采样 来进行的 数据率提高会增加误码率 信噪比提高会降低误码率 带宽增加可提高数据率 亦可通过编码方案提高传输性能
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USB接口 USB接口NRZI编码与位填充示意图 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 说明：USB接口使用的NRZI编码规则是遇到比特0 时 接口使用的NRZI 发生跳变， 时保持不变。 发生跳变，遇到比特1 时保持不变。
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。
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不归零编码
Nonreturn to Zero (NRZ) 不归零反相编码（不归零1制，NRZI） 不归零反相编码
用一个比特间隔开始时是否出现电平跳变表示1或0。 1 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。
术语
Terms 数据率 R
数据传输的速率（比特/秒）
比特持续时间或长度 1/R
发送方发送一个比特所需的时间
调制速率(modulation rate)
信号电平改变的速率 以波特(baud)为单位 = 每秒信号元素数
“传号”(mark) 和“空号” (space)
分别是二进制数字1和0
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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）。
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同步：问题在哪里? 同步：问题在哪里?
请看下图——到底有几个”1”（用高电平表 示）?
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差分曼彻斯特编码 Differential Manchester Encoding
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归零码：在40G传输技术中的应用 归零码： 40G传输技术中的应用
目前，绝大多数的信号均采用了非归零码（NRZ）的编 码方式，这种方式可以降低信号的谱宽，但由于占空比 较大，前后脉冲的间隔较小，较容易发生重叠，造成码 间串扰。而归零码（RZ）的占空比通常只有普通非归 零码的34％～67％，拉开了相邻脉冲的间隔，在信号平 均能量不变的基础上，大大提高了峰值功率，为接收端 提供了更高的光信噪比，同时也提高了对光纤中极化模 色散造成的时延的抵抗能力。朗讯科技公司在其最新的 40G远距离传输技术采用了一种称为载波抑制的归零码 调制技术(CSRZ)，该技术可以最大程度地减小编码造 成的频谱展宽，同时保留了归零码所拥有的一切优点。
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
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不归零编码
Nonreturn to Zero (NRZ) 不归零电平编码（NRZ-L） 不归零电平编码
Computer Networks
Part Two Data Communications 第二部分 数据通信
第四章 数据编码
本章主要内容
4.1 4.2 4.3 4.4
用数字信号传输数字类数据 用模拟信号传输数字类数据 用数字信号传输模拟类数据 用模拟信号传输模拟类数据
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传输不同步： 传输不同步：换一种方式理解
我发了几个大 箱几个小箱? 四个大箱 四箱小箱
用户A 用户B
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问题在于：连续多个相同数据的采样节奏
我发了几个大 箱几个小箱? ？？ 大概是……
用户A 用户B
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不归零码：问题及应用 不归零码：
Problems & Applications for NRZ
对工程师而言，实施容易。 能充分利用带宽。 仍含有一定的直流分量，且缺乏同步能力。 因其简单性和较低的频率响应特性，常用于终端设备、接 口和数字磁记录。信号传输中则不常单独用之。※ 应用实例： 应用实例： 连接优盘的USB串行接口通常使 连接优盘的 串行接口通常使 用NRZI作为信号的编码。为了 作为信号的编码。 作为信号的编码 解决一长串连续比特0 解决一长串连续比特0引起的同 步问题，采用了所谓“ 步问题，采用了所谓“位填充技 即在连续传输6个比特 个比特0 术”。即在连续传输 个比特0的 情况下强行插入一个比特1 情况下强行插入一个比特1。
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数 字 信 号 的 编 码 格 式
“数字-数字”编码类型 数字-数字”
Types of Digital to Digital Encoding
单极性码（单电平 单电平） 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 双电平) 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 多电平） 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
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
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信号传输的基本方法
基带传输
基带：未经调制变换的信号所占的频带 基带信号：一般基带数字信号的频谱是从零开始直到一定频率。这 种高限频率与低限频率之比远大于1的信号称为“基带信号”。 基带传输：不搬移基带信号频谱的传输方式 不使用载波 在发送端通过调制使基带信号频谱搬移到适合信道的载波频带，并 在接收端通过解调恢复基带信号频谱的传输方式 通过载波进行 载波：频率的选取与使用的传输媒体相兼容
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Hale Waihona Puke Baidu
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 1” 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。
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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。