第三章数据通信基础.

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3.4 数据调制与编码技术
3.4.1 数字数据的数字信号编码 3.4.2 模拟数据的数字信号编码 3.4.3 数字数据的模拟信号调制 3.4.4 模拟数据的模拟信号调制
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3.4.1 数字数据的数字信号编码
3.4.1.1 单极性编码 3.4.1.2 极化编码 3.4.1.3 双极性编码
PCM的采样原理是：在某时间间隔内，以有效信号的 最高频率的两倍以上频率对该信号进行采样，利用这些采样 样本就足可恢复原来的模拟信号。例如，带宽为4KHz的语 音，其采样频率为每秒8K次，即每125微秒采样一次就足够 了。如果采用8位二进制代码对每个量化值进行编码，则语 音编码后的数据传输速率为：
8bit×8000次采样/秒=64000b/s
（1）曼彻斯特编码（Manchester Encoding）
曼彻斯特编码采用一个负电压到正电压的跳变表示比特1；正电压 到负电压的跳变表示比特0，每一个比特的中间均有跳变
（2）差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Encoding）
差分曼彻斯特编码采用每位的起始处有、无跳变表示0和1，若有跳 变则为0，若无跳变则为1，而每位的中间跳变只用作同步时钟信号。
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3.4.1.1 单极性编码
单极性编码的名称就是指它的电压只有一极，即只使用 一个电压值。通常将高电压表示二进制1，而零电压或线路 空闲表示二进制0，如图3-6中的粗实线所示。
振0 1 0 0 1 1 1 0 1 幅
时间
单极性编码存在致命的缺点，那就是直流分量和同步问 题。
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3.2 数字数据传输
3.2.1 并行传输 3.2.2 串行传输
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3.2.1 并行传输
在并行传输中，在两个通信设备之间传输数据时有n条 通信信道，因此一次可发送一个由n个比特组成的位组。显 然，这种传输方式的速度很快，但使用的线路较多，成本较 高，因此一般只用于近距离的通信。
第3章 数据通信基础
3.1 基本概念 3.2 数字数据传输 3.3 传输模式 3.4 数据调制与编码技术 3.5 多路复用技术 3.6 数据交换技术 3.7 错误检测与纠正技术
3.1 基本概念
1．数据（Data） 数据是对客观事物的符号描述，可以有不同的形式，如
数字、文字、图形、图像、视频、声音等都是数据。可以说， 凡是能被计算机处理的对象都可以称为数据。
振幅 0
1
0
0
1
1
1
0
1
曼彻斯特 编码
时间
振幅 差分曼斯 特编码
时间
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
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3.4.1.3 双极性编码
在数据通信行业中得到广泛应用的双极性编码方案有信 号交替反转码（AMI）、8零替换编码（B8ZS）和高密度双 极性3零编码（HDB3）。 1．信号交替反转码（AMI）
在AMI编码方案中，0值电压代表二进制0，二进制1由 交替的正负电压代表，如图3-10所示。
说从正电压到负电压的一次跳跃或者负电压到正电压的一次跳跃
代表比特1，比特0由没有电压变化的信号代表，如图3-7所示。
振幅 0
1
0
0
1
1
1
0
1
非归零电 平编码
振幅
非归零反 相编码
时间 时间
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2．归零编码 在归零编码方案中，规定在每个比特的中段，信号都将
归零，即比特1由正电压到零的跳变代表，而比特0则由负电 压到零的跳变代表，如图3-8所示。
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1．非归零编码
（1）非归零电压编码（NRZ-L）
在NRZ-L编码方案中，信号的电压由它所代表的比特位决定。 如一个正电压值代表比特1，而一个负电压值则代表比特0，从而 信号的电压就依赖于它所代表的比特，如图3-7所示。
（2）非归零反相编码（NRZ-I）
在NRZ-I编码方案中，信号电压的一次反转代表比特1，也就是
振幅 0 1 0 0 1 1 1 0 1
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时间
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2．双极性8零替换编码（B8ZS）
B8ZS与AMI不同的地方在于数据流中出现了连续8个以 上的0比特时的处理方式。当出现连续8个0时，B8ZS根据 前导的比特1（即在连续8个0之前的1）的电压值改变对应 比特模式。
如果前导比特1是正电压脉冲，则8个比特0被编码成“0，0， 0，正，负，0，负，正”。如果前导1比特是负电压脉冲， 则8个0比特被编码成“0，0，0，负，正，0，正，负”。
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3.3 传输模式
3.3.1 单工模式 3.3.2 半双工模式 3.3.3 全双工模式
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3.3.1 单工模式
在单工模式（simplex mode）下，通信是单方向的，如 同看电视一样，电视台只管播放，用户则只能收看。键盘和 传统的显示器分别用来输入和输出，都是典型的单工通信设 备。
数字-模拟调制
0101110110
有三种基本的方法可以将数字数据调制为模拟信号。
1．幅移键控
在ASK中，通过改变同一个频率载波信号的振幅值来表示二 进制的“0”或“1”，而振幅改变的同时频率和相位保持不变。 有时也用振幅的存在与否表示这两个二进制值。
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2．频移键控 在FSK中，通过改变载波信号的频率来表示二进制0或1，而最 大振幅与相位保持不变。 3．相移键控 在PSK中，通过改变载波信号的相位来代表二进制0或1，同时 最大振幅和频率保持不变。
0
1
发 送
0 1 0
接 收
方
1
方
1
0
并行传输
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3.2.2 串行传输
在串行传输中，两个通信设备之间只有一条通信信道， 比特是一个一个依次发送的，因此，串行传输的速度只是并 行传输的1/n，但成本较低，只有并行传输的1/n。
在一个设备内发部的0 传1 0输1通0常1 是1 并0 行接的，而两个设备之间 的通信又是串行的送，因此，在发送端和收线路之间以及接收端 和线路之间的接口方处，都需要有转换器方（前者为并/串转换， 后者是串/并转换）。
模拟-数字编码
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脉冲编码调制PCM（Pulse Code Modulation）是模拟 数据的数字信号编码技术的重要基础，PCM编码包括采样、 量化和编码三个过程，其中采样就是指每隔相等的时间间隔 测量一次信号的振幅，从而将模拟信号转换为时间离散的样 本序列；量化就是将采样的结果赋予一个特定范围内的整数 值的方法；编码则是用一定位数的脉冲码组表示量化后的采 样值。
3．信号（Signal）
信号是指通信中承载信息的电、磁编码，它是随时间变 化的电压、电流或电磁场。相应于数据的分类，信号也可以 分为模拟信号和数字信号。模拟信号是随时间连续变化的信 号；数字信号是指离散变化的信号。
4．信道（Channel）
信道是信息从发送端到接收端所经过的传输介质。按通 信的信号形式可将信道分为数字信道和模拟信道；按传输介 质的类型分类可将信道分为有线信道和无线信道。
-00-
振幅 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0
D8ZS
振幅 HDB3
时间 时间
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3.4.2 模拟数据的数字信号编码
模拟数据的数字信号编码是用数字信号来表示模拟数据。 比如将人的声音用录音机录制下来并保存到磁盘上就是将模 拟数据转换成数字信号的过程。
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3.3.3 全双工模式
在全双工模式（full-duplex mode）下，双方主机都能 同时发送和接收。全双工就像双车道的公路，允许车辆在两 个方面同时行进。常见的全双工例子是电话网络，通话的双 方都能同时说和听。一条传输通路用于发送，另一条用于接 收。
发送 接收
双向通道
接收 发送
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异步传输以字符为单位，其数据格式如图3-1所示。每
个字符都要附加1位起始位和1位、1.5位或2位停止位，以标
记字符的开始和结束。此外，要附加1位奇偶校验位，一个
字符占用5-8位，具体位数与字符集有关。
传号
1 0 0 0 0 0 1 0 传号
起 始
字 符
校 验
停 止
位
码
位位
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3.2.2.2 同步传输
发送
单向通道
接收
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3.3.2 半双工模式
在半双工模式（half-duplex mode）下，每台设备均能 发送和接收，但不能同时进行。半双工如同两人相向过独木 桥，当一人从一边过桥时，另一人必须在另一边等待。对讲 机就是半双工系统的典型设备。
发送 接收
双向通道
接收 发送
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01001 1101
二进制信号
幅移键控
频移键控
相移键控
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常用的调制技术采用四个相位，相位偏移值为π/2的倍 数，这种调制技术称为正交相移键控QPSK（Quadrature Phase-Shift Keying），这时一个信号单元可代表2个比特， 如图3-15所示。
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2．面向比特的同步传输
面向比特的同步传输是把数据块作为比特流而不是作为 字符流来处理。在面向比特的同步传输中，由于数据块中可 以有任意的比特模式，因此规定帧头和帧尾都使用位模式 “01111110”作为定界标志，同时为了避免在数据块中也出 现这种模式，发送方在所发送的数据中每当出现5个连续的1 之后就插入一个附加的0。当接收方检测到5个连续的1的序 列时，就检查后续的一位数据，若该比特是0，接收方就删 除掉这个附加的0，否则就表示数据的开始或结束。这种就 是位填充技术。
发送并行数据只有一种方法，而串行传输有异步传输和
同步传输两种方法。
串行传输
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3.2.2 串行传输
3.2.2.1 异步传输 3.2.2.2 同步传输
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3.2.2.1 异步传输
在异步传输模式中，信号的时序并不重要，但要求信息 必须以一种约定的模式来被接收和解释，只有遵照约定的模 式，接收设备才能正确地获取信息。
数据从形式上可以分为模拟数据和数字数据。模拟数据 是指在某个区间内连续取值的数据，例如，声音、温度和大 气压强等都是随时间连续变化的量。数字数据的取值在其定 义区间是离散的，例如自然数，英文字母、汉字、电子表显 示的时间等都是离散的数据。
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2．信息（Information）
信息通常意义上被认为是有一定含义的、经过加工处理 的、有价值的数据。数据经过处理仍然是数据，只有经过解 释后才有意义，才成为信息。
在同步传输中，比特流被组装成更长的“帧”或数据块， 一个数据块包含有许多个字符，传输时以数据块为单位，每 个数据块的头部或尾部用特殊字符或比特序列作为开始和结 束的标记。由于同步的标记方式不同，所以有两种不同的同 步传输方式，即面向字符的同步传输和面向比特的同步传输。 1．面向字符的同步传输
在面向字符的同步传输中，每个数据块的头部用一个或 多个同步字符SYN来标记数据块的开始，用ETX标记数据块 的结束。IBM公司的BISYNC就是一个典型的实例。
振 幅0 1 0 0 1 1 1 0 1
时间
归零编码的主要缺陷在于每比特位都需要两次信号变化， 从而增加了占用的带宽。但是相对于前面介绍的几种编码方 式而言，它是最有效的。
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3．双相位编码
目前对同步问题最好的解决方案就是双相位编码，在当今网络中使 用的双相位编码有曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码两种。
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3.4.1.2 极化编码
在极化编码方案中，采用两个电压值，即一个正电压和一 个负电压。通过使用两个电压，在大多数极化编码技术中线路 上的平均电压值下降了，从而减轻了单极性编码中的直流分量 问题。在曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码中，每比特均含有 正电压和负电压，从而彻底解决了直流分量和同步问题。
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3.4.3 数字数据的模拟信号调制
数字数据的模拟信号调制是用模拟信号来代表数字数据 的编码技术，例如，通过一条公用电话线将数据从一台计算 机传输到另一台计算机时，数据开始是数字的，但是由于电 话线只能传输模拟信号，所以数据必须进行转换。也就是数 据必须被调制到一个模拟信号上，如图3-13所示。
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3．高密度双极性3零编码（HDB3）
在HDB3中，当出现连续4个0时，这4个0将被含有一个 或两个脉冲的序列代替，HDB3的替换规则如表3-1所示。
此次出现 4 个零之前，最 后一个脉冲的极性
-（负极）
自上次替换后传输比特 1 的数目
奇数
偶数
000-
+00+
+（正极）
000+