智能建筑设备自动化系统-数据编码技术

在数据通信中，有模拟通信和数据通信两种方式，模拟和数字数据都可以用模拟信号和数字信号表示，因此数据编码类型可以分为四种：

1）模拟数据、模拟信号；

2）数字数据、模拟信号；

3）数字数据、数字信号；

4）模拟数据、数字信号。

除了模拟数据的模拟信号发送外，后三种的数据发送都需要某种形式的表示或编码。

1.数字数据、模拟信号

数字数据的模拟信号传输是借助于载波实现的。载波是频率和幅值固定的周期信号，通常是正弦信号。振幅、频率和相位是周期函数的三个重要特征。把一个数字数据调制成模拟信号，就是用数字数据来控制一个连续信号的振幅、频率和相位。在信道中传输的已调制的连续信号，包含了原始数字数据的特征。在接收端采用与调制技术相反的“解调技术”，再把调制信号解调为原数字数据。数字信号调制方法有三种：幅移键控（Amplitude-Shift Keying，ASK）法；频移键控（Frequency-Sift Ke-ying，FSK）法；相移键控（Phase-Shift Keying，PSK）法，分别如图2-12a～c所示。

在幅移键控（ASK）方式下，如图2-12a所示，用载波的两个不同的振幅来表示两个二进制值。在有些情况下，用振幅恒定的载波的存在表示一个二进制数字，而另一个二进制数字用载波的不存在来表示。ASK方式容易受增益变化的影响，是一种效率相当低的调制技术，在音频线路上，通常只能达到1200bit/s。

在频移键控（FSK）方式下，如图2-12b所示，用载波频率附近的两个不同频率表示两个二进制值。这种方案比起ASK方式来，不容易受干扰的影响，在音频线路上，通常可达到1200bit/s。这种方式也广泛用于高频（3～30MHz）的无线电传输，甚至也用于较高频率的局域网。

图2-12 数字数据的模拟信号调制

在相移键控（PSK）方式下，如图2-12c所示，利用载波信号的相位移动来表示数据，用发送与以前发送信号串同相的信号表示0，用发送与以前发送信号串反相的信号表示1。移相键控（FSK）也可以使用多于两相的位移，如四相系统能把每个信号串编码为两位。PSK方式有较强的抗干扰能力，而且比FSK方式更有效，在音频线路上，传输速率可达到9600bit/s。

2.数字数据、数字信号

数字信号可以直接采用基带传输。所谓基带传输就是利用数字通信信道直接传输数字数据信号，即不加任何调制而在线路基本不改变数字信号波形的情况下，直接传送数字信号，可达到很高的数据传输速率。进行基带传输时，主要问题是解决数字信号表示和收发两端的同步。常见的编码方法有：不归零制（Non-Return toZero，NRZ）编码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码方法，如图2-13a～c所示。

（1）不归零制（NRZ）编码 不归零制（NRZ）编码使用负电压（低）表示0，使用正电压（高）表示1，如图2-13a所示。NRZ编码的缺点是难以判断一位的结束和另一位的开始，需要有某种方法使发送器和接收器进行定时或同步。同时，如果传输中1和0的信号个数不相等时，就会存在直流分量和损耗电路，同时还在连接点产生电腐蚀，这种情况在数据传输中是不希望存在的。(www.xing528.com)

（2）曼彻斯特编码 曼彻斯特编码如图2-13b所示，在每一比特的中间有一个跳变，前半周期传送该比特的反码，后半周期传送该比特的原码。该编码信号不含直流分量，克服了NRZ编码方法的缺点，而且在每个比特的中间都有一次电平的跳变，每次跳变的时间间隔是半个周期或一个周期。该跳变既可作为数据，又利用电平的跳变产生双方的同步信号，因此在传送曼彻斯特信号时，不需要另发同步信号。但是，曼彻斯特编码效率很低，在信号传输速率是10Mbit/s时，发送时钟信号的频率为20Mbit/s。

图2-13 数字信号编码

（3）差分曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码方法是一种改进的曼彻斯特编码，如图2-13c所示。每比特中间的跳变仅作为时钟定时，每比特值是根据开始边界是否发生跳变来决定的，例如一比特开始处出现电平跳变表示传输数据为“0”，不发生跳变表示传输数据为1。

曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码是数据通信中常用的数字数据信号编码方式，由于时钟和数据包含于信号数据流中，所以这种编码也被人们称为自同步编码。它们的缺点是需要编码的时钟频率是发送信号速率的两倍，即如果发送速率是10Mbit/s，则发送时钟为20MHz。

3.模拟数据、数字信号

由于数字信号传输具有失真小、误码率低、费用少、数据传输速率高等优点，在许多情况下都将模拟数据用数字信号编码进行传输，在接收端再恢复模拟数据。利用数字信号对模拟数据进行编码的常见方法是脉码调制（Pulse Code Modulation，PCM），它常用于对声音信号进行编码，数字化过程包括采样、量化和编码三个部分。

（1）采样 脉冲编码调制是以采样定理为基础的，以大于或等于通信信道带宽两倍的速率定时将模拟信号的值取出作为样本，那么这些采样值包含了原始信号的全部信息，利用低通滤波器可以从这些采样中重新构造出原信号的所有信息。例如，如果声音数据限用于4000Hz以下的频率，那么每秒8000次的采样可以满足完整的表示声音信号的特征。

（2）量化 量化是将信号分为若干量化级，根据精度的要求决定量化的级数，规定每一级对应的幅值范围，然后将取样所得的幅值与上述量化级幅值范围比较与取整，如图2-14所示。

（3）编码 编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的取样的量级。如果是N个量化级，则二进制的位数为log₂N。当前语音数字化系统中多采用128个量级，则需要7位编码。由于采样频率为8000kHz，因此数据传输速率可达到7×8000bit/s=56kbit/s。经过编码后，每个取样值就由相应的编码脉冲表示，如表2-1所示，D3取样的幅值为0.73，取整为0.7，量化级为7，则编码为0111。

图2-14 量化过程

表2-1 脉冲调制编码