物理层之数据编码技术.pptx

物理层之数据编码技术,Telephone,CODEC,Analog data, analog signal,Analog data, digital signal,Modem,Digital transmitter,Digital data, analog signal,Digital data, digital signal,编码模式,编码与调制,Encoder,Decoder,g(t),g(t),x(t),digital or analog,digital,t,x(t),Modulator,Demodulator,m(t),m(t),s(t),digital or analog,analog,t,s(t),fc,信噪比 数据速率 带宽 编码模式,一、数字数据编码,影响数据成功接收的重要因素,信号频谱 时钟 差错检测 信号干扰和噪声抗扰性 成本和复杂性,评估或比较不同编码技术,接收器必须了解每一位的时间,数字信号的编码格式,B8ZS HDB3,NRZ-L NRZI,不归零,Bipolar_AMI Pseudoternary,多级二进制,Manchester Differential Manchester,双相,扰码,在一位时间内维持一常量电压脉冲。

1.不归零(NRZ，Nonreturn to Zero), 不归零,在一位间隔(时间)内信号没有变换(即没有返回到0电压) 不归零级 (NRZLevel),用正、负电压表示两个二进制位 不归零反转 (NRZInverted),如：0高电压 1低电压,如：0 = 没有变换,1 = 在一位时间的开始处变换(低到高或高到低),如果信号都有相同的代数符号(即不管是正电压，或负电压)，那么称信号是单极的 差分编码(differential encoding),在这种方式中，信号的解码通过比较相邻信号的极性进行，而不是通过确定信号的 绝对电压值来进行 信号的极性,如果用正电压表示一个逻辑状态，而用负电压表示另一个逻辑状态，则称信号是有极信的极性(polar),单极(unipolar),存有直流分量 缺少同步能力,差分编码的优点,出现噪声时检测是否变换比确定一个阀值更可靠 在复杂的传输布局中，很容易丢失信号的极性 NRZ的优点,简单 带宽利用率高, NRZ的缺点,0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1,NRZL NRZ-I,0 = 用正或负脉冲表示前后脉冲必须在极性上交替 1 = 线路上无信号；,2.多级二进制, 多级二进制编码技术,采用的信号级别多于两个。

双级AMT (bipolar-AMT,bipolar-alternate mark inversion),0 = 线路上无信号； 1 = 用正或负脉冲表示前后脉冲必须在极性上交替 伪三进制(pseudoternary),脉冲交替改变的特性提供了差错检测的简单手段；,多级二进制优点,如果发生一长串“1”(双极AMI)或“0”(伪三进制)不会丢失同步信号；,因为1或0信号在电压上正负交替因此不存在网络直流分量；,0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1,双极AMI 伪三进制,解决一长串“1”或“0”问题的方式, 插入额外的位，强制信号变换 这种技术可用于相对较低速率的传输如ISDN扰码(scrambling)技术 这种技术用于数据传输速率很高的情况多级二进制的缺点,效率不如NRZ编码,线路信号取三级中的一个，每个信号元素可表示log23=1.58个信息位，但仅承担一个信息位接收器必须区分三个信号(+A，A，0)，而不是NRZ中的二级位中间的变换仅用作时钟3.双相(biphase),曼彻斯特(Manchester),在每一位时间的中间有一个变换，位中间变换既可用作时钟机制，又可用作数据差分曼彻斯特 (Differential Manchester),0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1,曼氏 差分曼氏,如：1 = 从低变到高 0 = 从高变到低,如： 0 = 位时间开始时存在变换 1 = 位时间开始处无变换,缺少预期的变换可用来检测错误。

双相的缺点,最大调制速率是NRZ的两倍，这就意味着带宽要求更大双相的优点,同步,在每一位时间内有预期的变换，接收器可在该变换同步无直流分量,正负电压出现的概率相等，无直流分量和很低频率的分量，适用于低频响应不良的信道差错检测, 双极8零置换(B8ZS,bipolar with 8-zeros substitution),4.扰码技术,将导致线路上常量电压的序列置换成填充序列，这个填充序列为接收器维持同步的时钟提供足够的变换 高密度双极3零(HDB3,High-density bipolar-3 zeros),编码模式基于AMI00000000 000+-0 -+ -00000000 000-+0+-,每4个0被包含12个脉冲的序列置换0000 000- +00+ +0000 000+ -00-,前次置换后的脉冲数 奇数 偶数,数字数据，数字信号,0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1,NRZL NRZ-I Bipolar-AMI Pseudoternary Manchester Differential Manchester, 数字调制 把低频数字信号变换成适合于信道传输的处理过程。

数字解调 把信道中已调信号恢复成低频数字信号的处理过程 调制解调 把低频信号变换成高频信号以便于数字信号的传输 即对待传信号的频谱进行搬移和还原 调制信号 即低频信号，指待传输的信号 载波 即高频信号，指运载待传信号的信号二、数字数据，模拟信号,在ASK方式下，用载波频率的两个不同振幅来表示二个二进制值1.幅移键控(ASK, Amplitude-shift Keying),在FSK方式下， 载波的频率随数字信号改变，而载波的幅度保持恒定 调制操作等价于重叠两个单独ASK调制器的输出2.频移键控(FSK, Freqaency-Shift Keying),例如 在语音级线路上使用FSK进行全双工操作 在一个方向上，通过频率为3001700Hz的信号并使用1170为中心频率，两边各有100Hz的shift表示1和0； 在另一个方向上，通过频率为17003000Hz的信号并使用2125为中心频率，两边各有100Hz的shift表示1和0信号强度,频率(Hz),一个方向上传输的信号频谱,相反方向上传输的信号频谱,1070 1270,2025 2225, 相位相干PSK(Phase coherent PSK) 用载波的不同相位直接表示数字信息。

3.相移键控(PSK,Phase-shift keying),在PSK方式下，载波信号的相位移动表示数据如：0 = “0” = “1”, 差分PSK(Differential PSK) 前后信号相位之间的移动表示数字信息如：0 = “0” = “1”, 数字化 将模拟信号转换成数字信号的过程 编码解码器(CODEC，Coder-Decoder) 将模拟数据转换成数字形式，随后又从数字形式恢复成 原始模拟数据的设备三、模拟数据，数字信号,脉冲编码调制 增量调制,编码解码采用两种基本技术,数字数据用NRZL编码发送 数字数据可用非NRZL模式编码成数字信号 数字数据可用任一种调制技术转换成模拟信号digitizer,Modulator,Analog data (voice),Digital data (NRZ-L),Analog data (ASK),数字化模拟数据, 采样定理： 如果在规定的时间间隔内，以高于两倍最高有效信号频率的速率对信号f(t)进行采样的话，那么这些采样值包含了原始信号的全部信息利用低通滤波器可从这些采样中更新构造出函数f(t)数字传输,抽 样,量 化,编 码,解 码,滤 波,模拟信号,输出信号,PCM的信号处理,1.脉冲编码调制(PCM，Pulse Code Modulation),相当于用脉冲S(t)对模拟信号f(t)进行脉冲调制。

模拟信号的抽样,从时间上连续的信号中取出“样品”，使连续信号成为一串时间上离散的“样值”序列即抽样后得出的一串在时间上离散的样值抽样,样值序列(或样值信号),抽样过程,f(t),s(t),fs(t),Ts,fs(t),f(t),连续信号的抽样和抽样波形,PAM脉冲,抽样脉冲,原始信号,6.6,6.4,4.6,5.6,2.6,5.5,3.8,量化值与原样值的幅度差别量化,量化,把样值信号的瞬时幅度分成许多度量单位，一个度量单位称为一个量化级，用量化级的大小来表示瞬时样值量化误差e(t)(量化值)(样值),把样值信号的无限多个可能的取值，近似地用有限个数的数值来表示量化级,量化误差,fs(t),7,6,5,6,3,6,4,样值信号量化及脉冲代码波形,PCM脉冲,fs(t) ：量化样值信号函数 PCM输出：100011110110111101110,100 011 110 110 111 101 110,fs(t),fs(t),f(t),6.6,6.4,4.6,5.6,2.6,5.5,3.8,PAM脉冲,0 000 1 001 2 010 3 011 4 100 5 101 6 110 7 111,数字 二进制 脉冲代码波形,等分： 不管信号的幅度大小，每个采样的绝对误差是同样的。

原始样值幅度越大，量化级设定越小，不但量度更精度，产生的量化误差愈小量化误差与量化级的关系,改进方法,非线性编码(nonlinear encoding)、非均匀量化： 实际上，这种技术的意义是量化级不等分编码,编码,在二进制码中，由n位代码可组成2n个不同的码字，表示量化信号可有2n个不同的数值 n越大，在相同的编码信号范围内，其量化级的值就愈小量化就愈精细，,实现,把数字信号码组变换成相应的电压或电流量，恢复成原量化的样值信号解码,编码处理使离散的量化样值成为合适的二进制数字码组2.差分调制(Differential PCM),数字化后输出的不是数字化的幅度本身，而是当前值和前一个值的差对前后信号的变化差值进行量化和编码，而不是对样 值本身独立进行编码在保持相同量化级的条件下，差值编码所需的码位个数可减少，而传送差值同样可传送该样值信号的幅度信息 基本思想,例如：采用128个量化级，则需7位； 如果：前后号的变化差值小于16，则只需5位3.增量调制(DM，Delta Modulation),要求相邻两个样值之间的变化不大,用差值编码进行通信的方法 即模拟输入信号用一个楼梯函数近似表示，该函数在每个抽样间隔(Ts)内上或下一个量化级(),4.改进方法,用前面几个值来预测即将到达的下一个值，然后对实际值和预测值的差进行编码。

要求：收发双方采用相同的预测算法模拟到数字的转换（过程）,PAM sampler,Quantizer,Encoder,时间连续 幅值连续的 (模拟)输入信号,时间离散 幅值连续的 信号(PAM脉冲),时间离散 幅值离散的 信号(PCM脉冲),数字比特流输出信号,PAM, pulse amplitude modulation PCM, pulse code modulation,为了有效传输需要高频 调制可允许频分多路复用,四、模拟数据，模拟信号, 调制解调,将一个输入信号m(t)与频率为fc的载波结合以便产生一个带宽以fc为中心的信号s(t)的过程 为什么对数字数据进行调制解调？,只有模拟传输设施可用 为什么模拟数据进行调制解调？,。