2.2 數(shù)據(jù)編碼技術(shù)

用二進(jìn)制數(shù)表示的數(shù)據(jù)采用基帶信號(hào)傳輸是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中最合適的通信方式，但數(shù)字通信對(duì)物理鏈路的頻率特性有較高要求，要求物理鏈路有較高的帶寬，并不是所有實(shí)際使用的物理鏈路都能達(dá)到傳輸高速基帶信號(hào)所要求的頻率特性，如果勉強(qiáng)在用戶線上直接傳輸基帶信號(hào)，可能產(chǎn)生傳輸速率很低、傳輸距離因?yàn)樾盘?hào)失真受到限制或受到外部噪聲的影響等結(jié)果，從而使最大傳輸速率和傳輸距離受到影響。因此，在這樣的物理鏈路上，直接傳輸基帶信號(hào)不合適，需要對(duì)基帶信號(hào)調(diào)制成頻帶信號(hào)。

數(shù)據(jù)編碼技術(shù)是指將需要加工處理的數(shù)據(jù)信息表示成某種適合信道傳輸?shù)男盘?hào)形式以便進(jìn)行可靠傳輸?shù)囊环N技術(shù)，主要有模擬數(shù)據(jù)編碼技術(shù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼技術(shù)兩大類。

2.2.1 模擬數(shù)據(jù)編碼技術(shù)

模擬數(shù)據(jù)編碼是指將所傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)調(diào)制成適合通信信道需要的模擬（頻帶）信號(hào)的過程，這種技術(shù)稱為模擬數(shù)據(jù)編碼技術(shù)，又稱調(diào)制技術(shù)。調(diào)制過程是指將基帶信號(hào)表示的二進(jìn)制數(shù)變成用帶寬范圍內(nèi)的正弦信號(hào)表示的過程；解調(diào)是調(diào)制的反過程，將用帶寬范圍內(nèi)的正弦信號(hào)表示的二進(jìn)制還原成用基帶信號(hào)表示的方式。

調(diào)制過程通過改變正弦信號(hào)的特性，使其具有表示不同的二進(jìn)制數(shù)的功能。正弦信號(hào)的特性有幅度、頻率和相位，對(duì)應(yīng)這3種特性的有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相技術(shù)。

基本的模擬數(shù)據(jù)編碼技術(shù)主要包括幅移鍵控調(diào)制技術(shù)（Amplitude Shift Keying，ASK）、頻移鍵控調(diào)制技術(shù)（Frequency Shift Keying，F(xiàn)SK）和相移鍵控調(diào)制技術(shù)（Phase Shift Keying，PSK）。

1.幅移鍵控調(diào)制技術(shù)（ASK）

幅移鍵控調(diào)制技術(shù)（ASK）用兩種不同幅度的載波信號(hào)來表示兩個(gè)不同的二進(jìn)制數(shù)，通常一種載波的幅度為0，另一種載波的幅度用正常值表示。ASK的調(diào)制過程如圖2-8所示。ASK是一種效率較低的調(diào)制技術(shù)，在語音頻率范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸速率只能達(dá)到1.2kbit/s。

2.頻移鍵控調(diào)制技術(shù)（FSK）

頻移鍵控調(diào)制技術(shù)（FSK）采用兩種不同頻率的信號(hào)來表示兩個(gè)不同的二進(jìn)制數(shù)，F(xiàn)SK的調(diào)制過程如圖2-9所示。FSK的數(shù)據(jù)傳輸速率也只能在1.2kbit/s左右。

3.相移鍵控調(diào)制技術(shù)（PSK）

相移鍵控調(diào)制技術(shù)（PSK）通過改變載波的相位來表示不同的二進(jìn)制數(shù)，圖2-10是一個(gè)具有兩種不同相位的系統(tǒng)，在這樣一個(gè)系統(tǒng)中，二進(jìn)制0由和前面信號(hào)相同相位的載波信號(hào)表示，二進(jìn)制1由和前面信號(hào)相反相位（相差180°）的載波信號(hào)表示，這種調(diào)制技術(shù)稱為差分PSK（DPSK），移相值參考前一位二進(jìn)制數(shù)發(fā)送的載波信號(hào)，而不是根據(jù)固定的參考信號(hào)，相位相對(duì)前一位二進(jìn)制數(shù)的信號(hào)確定。

2.2.2 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼技術(shù)

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼是指在基本不改變數(shù)字信號(hào)頻帶（即波形）的情況下將數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)變換成合適的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的過程，這種變換技術(shù)稱為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼技術(shù)。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼分為數(shù)字-數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼和模擬-數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼兩類。

1.數(shù)字-數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼

數(shù)字-數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼是指將數(shù)字信號(hào)變換成適合傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)。常見的數(shù)字-數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼類型有3類：不歸零編碼（Non-Return to Zero code，NRZ）、歸零編碼（Return to Zero code，RZ）和雙相位編碼。不歸零編碼和歸零編碼又可分為單極性編碼和雙極性編碼。雙相位編碼分為曼徹斯特編碼（Manchester Encoding，ME）和差分曼徹斯特編碼（Difference Manchester Encoding，DME）。

（1）不歸零編碼（NRZ）

不歸零編碼用低電平表示“0”，用高電平表示“1”。不歸零編碼有單極性編碼和雙極性編碼之分。在單極性不歸零編碼中，以無電平表示比特“0”，以恒定的正電平表示比特“1”，如圖2-11a所示。在雙極性不歸零編碼中，以恒定的負(fù)電平表示比特“0”，以恒定的正電平表示比特“1”，如圖2-11b所示。

（2）歸零編碼（RZ）

歸零編碼是指在一個(gè)比特時(shí)間內(nèi)，非零電平持續(xù)時(shí)間小于比特間隙的時(shí)間，即一個(gè)比特時(shí)間內(nèi)，后半部分電平總是歸于零。歸零編碼也有單極性編碼和雙極性編碼之分，歸零編碼與不歸零編碼相同，采用低電平表示“0”，用高電平表示“1”。歸零編碼解決了不歸零編碼接收雙方無法保持同步的問題。歸零編碼如圖2-12a、b所示。

（3）曼徹斯特編碼

曼徹斯特編碼使用電平跳變來表示比特“0”或“1”，在每個(gè)比特中間均有一個(gè)跳變。這種跳變有雙重作用，既作為接收端的時(shí)鐘信號(hào)，從而保證收發(fā)雙方的同步，也作為數(shù)據(jù)信號(hào)，電平不發(fā)生變化的位稱為非數(shù)據(jù)位，常用做傳輸數(shù)據(jù)塊的控制符。

一般規(guī)定：從高電平到低電平的跳變表示比特“1”，低電平到高電平的跳變表示比特“0”。曼徹斯特編碼如圖2-13a所示。曼徹斯特編碼是目前使用非常廣泛的一種編碼類型，主要用于以太局域網(wǎng)中。

在曼徹斯特編碼中，也可以使用相反的電平跳變策略來定義比特“0”和比特“1”。即曼徹斯特編碼采用從低電平到高電平的跳變表示比特“1”，高電平到低電平的跳變表示比特“0”。

（4）差分曼徹斯特編碼

差分曼徹斯特編碼又稱為相對(duì)碼，它是對(duì)曼徹斯特編碼的改進(jìn)，每個(gè)比特中間的跳變僅做雙方時(shí)鐘同步之用，每個(gè)比特取值為“0”或“1”則根據(jù)其起始時(shí)刻（起始邊界）是否存在跳變來決定。一般規(guī)定：每個(gè)比特起始時(shí)刻有跳變表示比特“0”，無跳變則表示比特“1”。差分曼徹斯特編碼如圖2-13b所示。差分曼徹斯特編碼主要用于令牌環(huán)局域網(wǎng)中。

曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼的特點(diǎn)是每個(gè)比特均用不同電平的兩個(gè)半位來表示，因而始終能保持直流的平衡，而且可以避免連續(xù)比特“0”或比特“1”信號(hào)的誤判。其最大優(yōu)點(diǎn)是將時(shí)鐘和數(shù)據(jù)包含在信號(hào)數(shù)據(jù)流中，只要有信號(hào)，在線路上就存在電平跳變，易于被檢測(cè)。在傳輸代碼信息的同時(shí)，也將時(shí)鐘同步信號(hào)一起傳輸?shù)綄?duì)方，因此，具有自同步功能，稱為自同步編碼。但其缺點(diǎn)也很明顯，就是編碼效率低，例如當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率為100Mbit/s時(shí)，需要200MHz的脈沖。

曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼是自帶同步時(shí)鐘的編碼。

2.模擬-數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼

模擬-數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼是將模擬信號(hào)變換為適合傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)傳輸失真小、誤碼率低、數(shù)據(jù)傳輸速率高，因此在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中除計(jì)算機(jī)直接產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)外，語音、圖像等信息采用數(shù)字信號(hào)傳輸已成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。脈沖編碼調(diào)制（Pulse Code Modulation，PCM）是模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化的主要方法。PCM技術(shù)的典型應(yīng)用是語音數(shù)字化。語音可以用模擬信號(hào)的形式通過電話線路傳輸，但是要將語音與計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字、文字、圖像同時(shí)傳輸，就必須首先將語音信號(hào)數(shù)字化。發(fā)送端通過PCM編碼器將語音信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過通信信道傳送到接收端，接收端通過PCM解碼器將它還原成語音信號(hào)。數(shù)字化語音數(shù)據(jù)的傳輸速率高、失真小，可以存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，并且進(jìn)行必要的處理。PCM操作包括采樣、量化與編碼3部分內(nèi)容。

（1）采樣

模擬信號(hào)數(shù)字化的第一步是采樣。模擬信號(hào)是電平連續(xù)變化的信號(hào)。采樣是指在間隔固定長(zhǎng)度的時(shí)間點(diǎn)上抽取模擬數(shù)據(jù)的瞬時(shí)值，作為從這一次采樣到下一次采樣之間該模擬數(shù)據(jù)的代表值。將時(shí)間上連續(xù)的模擬數(shù)據(jù)變成時(shí)間上離散的采樣數(shù)據(jù)。根據(jù)采樣時(shí)間間隔是否相同，采樣可分為均勻采樣和非均勻采樣。采樣時(shí)，必須遵循奈奎斯特采樣定理，即采樣的頻率f應(yīng)滿足：f≥2B或f=1/T≥2f_max，研究結(jié)果表明，這樣所獲得的樣本可以包含足以重構(gòu)原模擬信號(hào)的所有信息。

（2）量化

量化是將采樣信號(hào)的無限多個(gè)數(shù)值用有限個(gè)數(shù)值替代的過程，即將采樣取得的電平幅值按照一定的分級(jí)標(biāo)度轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字值，并取整數(shù)，從而將時(shí)間上離散、幅值上連續(xù)的模擬數(shù)據(jù)變成時(shí)間和幅值上都離散的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。根據(jù)量化間隔是否相同，量化可分為均勻量化和非均勻量化。

（3）編碼

編碼是將量化后的數(shù)值（數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)）按規(guī)則轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的位數(shù)固定的二進(jìn)制編碼的過程。如果有k個(gè)量化級(jí)，則二進(jìn)制的位數(shù)為log₂k。例如，如果量化級(jí)有16個(gè)，就需要4位編碼。圖2-14和表2-2給出了模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的PCM編碼過程。圖2-14描述了模擬信號(hào)的采樣過程，圖中設(shè)置了8個(gè)均勻采樣點(diǎn)D₁~D₈。

表2-2給出了對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)的信號(hào)幅值、量化值及二進(jìn)制編碼。量化時(shí)，將0~6V區(qū)間均勻劃分成128個(gè)區(qū)間（量化值），量化值=128/（6-0）×采樣點(diǎn)幅值。編碼采用7位（log₂128=7）二進(jìn)制碼。