计算机网络-编码调制-数字信号编码与调制

在通信系统中，无论是数字数据还是模拟数据，总是要借助一定的物理信号（电磁波和光）从一个地方传输到另一个地方。物理信号可以是连续的模拟信号，也可以是离散的数字信号。

模拟数据和数字数据都可以通过模拟信号或数字信号在信道中进行传输。数据利用模拟信号经模拟信道传输时，需要对数据信号进行调制。利用数字信号经数字信道传输数据时，需要对数据信号进行编码，于是就产生了图2-4所示的4种数据传输形式。

图2-4　4种数据传输形式

（a）模拟信号传输模拟数据；（b）数字信号传输模拟数据；（c）模拟信号传输数字数据；（d）数字信号传输数字数据

2.2.2.1　数字信号的编码与调制

来自信源的信号常被称为基带信号，所谓基带是指调制前原始信号所占用的频带，是原始信号所固有的基本频带。计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号经过简单的波形变换（编码）可以很容易地在数字信道上传输，但是许多模拟信道不适用于直接传输频带很宽而能量集中在低频段的数字基带信号，因此，为了解决这个问题，必须对基带信号进行调制。

1.数字信号的编码

在信道中直接传送基带信号的过程称为基带传输。使用基带传输时，首先应解决数据的编码问题，由于这种编码只是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，所以只需对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应，变换后的信号仍然是基带信号，即由离散的电压式电流的脉冲序列组成，每个脉冲代表一个信号单元，或称为码元。数字信号常用的编码方式有如下4种。

1）不归零码NRZ

不归零码NRZ（Non-Return-to-Zero Code）是一种全宽码，即信号波形在一个码元全部时间内发出或不发出电流，每一位码元都占用全部码元宽度。不归零码又可分为单极性不归零码和双极性不归零码。

（1）单极性不归零码。

单极性不归零码（Single Polarity NRZ）脉冲是以无电压（无电流）表示“0”，用正电压表示“1”。二进制数“1011001”的单极性不归零码脉冲如图2-5所示。

（2）双极性不归零码。

双极性不归零码（Double Polarity NRZ）脉冲是以负电压表示“0”，以正电压表示“1”。二进制数“1011001”的双极性不归零码脉冲如图2-5所示。

2）归零码RZ

归零码RZ（Return-to-Zero Code）是指一个码元的信号波形不占用码元的全部时间，即在一个码元时间内发出电流的时间短于一个码元的时间宽度，发出的是窄脉冲。所以不论码元发出电流还是不发出电流，码元波形都“归零”，因此这种信号编码为归零码。以二进制数“1011001”的单极性归零码脉冲和双极性归零码脉冲为例的数字信号编码示意如图2-5所示。

图2-5　数字信号编码示意

3）曼彻斯特码

曼彻斯特码（Manchester Encoding）首先将一个码元时间一分为二，如果在前半个码元时间里，电压为高电平，在码元的中间发生电压跳变，即从高电平跳到低电平，表示“1”；反之，如果在码元的中间从低电平跳到高电平，则表示“0”。(www.xing528.com)

4）差分曼彻斯特码

差分曼彻斯特码（Differential Manchester Encoding）也是首先将一个码元时间一分为二，如果在一个码元开始处有跳变（跳变方向根据前一码元的后半周期而定），则表示“0”；如果在一个码元开始处无跳变，则表示“1”。任何波形都在码元的中间位置进行跳变。图2-5所示的曼彻斯特码脉冲所表示的二进制数为“1011001”。

2.数字信号的调制

频带传输就是先将基带信号变换（调制）成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的模拟信号（称为频带信号），再将这种频带信号在模拟信道中传输。信号调制的目的是更好地适应信号传输通道的频率特性，传输信号经过调制处理也能克服基带传输同频带过宽的缺点，而且还可以实现多路复用，以提高传输信道的利用率。采用频带传输方式时要求收发两端都安装调制解调器（Modem）。

相应于载波信号的振幅、频率和相位这三个特征，数字信号的模拟调制有三种基本调制技术：移幅键控、移频键控和移相键控。

1）移幅键控

移幅键控（Amplitude-shift Keying，ASK）就是把频率和相位设为常量，把振幅定义为变量。即用载波的两种不同的振幅来表示二进制值的两种状态。用振幅恒定的载波的存在表示“1”，而用载波的不存在表示“0”。基带信号与ASK信号的对应关系如图2-6所示。

2）移频键控

移频键控（Frequency-shift Keying，FSK）也叫频率键控，是把振幅和相位作为常量，而用载波频率附近的两个不同频率来表示两个二进制值。它以频率较低的信号状态代表“0”，以频率较高的信号状态代表“1”。基带信号与FSK信号的对应关系如图2-6所示。

3）移相键控

移相键控（Phase-shift Keying，PSK）就是把振幅和频率定义为常量，而用相位的变化来表示二进制值的变化。移相键控又可以分为绝对移相键控（APSK）和相对移相键控（DPSK）。

（1）绝对移相键控。所谓绝对移相键控，就是利用正弦载波的不同相位直接表示数字。例如，用载波信号的相位差为π的两个不同相位来表示两个二进制值。当传输的基带信号为“1”时，绝对移相键控信号和载波信号的相位差为“0”；当传输的基带信号为“0”时，绝对移相键控信号和载波信号的相位差为π。基带信号与APSK信号的对应关系如图2-6所示。

（2）相对移相键控。相对移相键控也叫差分移相键控，是利用前后码元信号相位的相对变化来传送数字信息的。例如，当传输的基带信号为“1”时，后一个码元信号和前一个码元信号的相位差为π；当传输的基带信号为“0”时，后一个码元信号和前一个码元信号的相位差为0。基带信号与DPSK信号的对应关系如图2-6所示。

2.2.2.2　模拟信号的编码与调制

1.模拟信号的编码

当利用数字信道传输模拟信号时，就要对模拟信号进行数字信号编码，这个过程分为采样、量化和编码三个步骤。编码调制是以采样定理为基础的，该定理从数学上证明，若对连续变化的模拟信号进行周期性采样，只要采样频率大于或等于有效信号最高频率或其带宽的两倍，则采样值便可包含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始信号。采样过程也可以视为基带模拟信号对采样脉冲序列的调制，是用模拟信号控制脉冲序列的幅度，可称为脉冲振幅调制（PAM）。对模拟数据进行数字信号编码的常用方法是进行PCM（Pulse Code Modulation）编码，常用于对声音信号进行编码。模拟信号的编码过程如图2-7所示。

图2-7　模拟信号的编码过程

2.模拟信号的调制

模拟信号经由模拟信道传输时不需要进行变换，但是由于考虑到便于无线传输和频分多路传输的需要，模拟形式的输入数据可在高频正弦波下进行模拟调制。模拟调制有振幅调制、频率调制和相位调制三种调制技术。其中较常用的两种调制技术是振幅调制（AM）和频率调制（FM）。