数据调制与编码-计算机网络工程实用技术

在实际应用中，根据传输系统和设备的不同，模拟数据与数字数据之间存在着相互转换的问题。例如，当使用计算机对生产装置进行控制时，首先应将生产装置中的模拟信号通过传感器采样出来变成数字信息，输入计算机中进行处理；然后，把计算机处理的数字结果转换成模拟信号反馈给控制生产装置。另一方面，作为一种发展中的技术，数字信号和数字传输系统具有广泛的应用前景。利用光纤数字信道作为电话网络的长途干线已经成为发展方向。例如，使用数字传输技术有利于消除模拟信号传输过程中的噪声分量，提高声音传输的质量。此时，与调制、解调相类似的技术必须被使用，这就是编码解码技术，与之对应的设备称为编码解码器。

1.数字数据编码为数字信号

（1）曼彻斯特编码

曼彻斯特编码方法是将每一个码元再分成两个相等的间隔。码元1是在前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平；码元0则正好相反，从低电平变到高电平。这种编码的好处是可以保证在每一个码元的正中间出现一次电平的跳变，这对接收端提取位同步信号是非常有利的。其缺点是它所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。IEEE 802.3以太网就采用曼彻斯特编码。

曼彻斯特编码的特点：

每比特的中间有一次电平跳变。

利用电平跳变可以产生收发双方的同步信号，无直流分量。曼彻斯特编码信号又称做“自含钟编码”信号，发送曼彻斯特编码信号时无需另发同步信号。

在以太网使用，所占频带宽度比原始基带信号增加了一倍。

（2）差分曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码是曼彻斯特编码的一个变种。在它的编码规则中，若码元为1，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平一样；但若码元为0，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反。不论码元是1还是0，在每个码元的正中间一定有一次电平的跳变。差分曼彻斯特编码需要较复杂的技术，但可以获得较好的抗干扰性能。IEEE 802.5令牌环LAN就采用了差分曼彻斯特编码。

差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码不同点主要是：

1）1比特开始处出现电平跳变表示传输二进制“0”，不发生跳变表示传输二进制“1”，即每位开始有无跳变（正或负）表示数字0∕1（有∕无）。

2）每比特的值根据其开始边界是否发生跳变来决定。

3）每比特的中间跳变仅做同步之用。

4）令牌环使用。

曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码示例如图2-3所示。

图2-3 编码示例图

2.数字数据调制为模拟信号

典型的模拟通信信道是电话通信信道，它是当前世界上覆盖面最广、应用最普遍的通信信道之一。传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，用于传输语音音频为300～3400 Hz的模拟信号，不能直接传输数字数据。为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机数字数据的传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号，也就是要对数字数据进行调制。

发送端将数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称为调制，对应的调制设备称为调制器；接收端将模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称为解调，对应的解调设备就称为解调器。

对数字数据调制的基本方法有3种：幅移键控、频移键控和相移键控。

（1）幅移键控（Amplitude Shift Keying，ASK）(www.xing528.com)

ASK是通过改变载波信号的幅度值来表示数字信号“1”和“0”的，以载波幅度A₁表示数字信号“1”，用载波幅度A₂表示数字信号“0”（通常A₁取1，A₂取0），而载波信号的参数f和ϕ是恒定不变的。幅移键控实现简单，但抗干扰性能差。如图2-4a所示。

（2）频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）

FSK是通过改变载波信号的频率值来表示数字信号“1”和“0”的，用f₁表示数字信号“1”，用f₂表示数字信号“0”，而载波信号的A和ϕ保持不变。设载波频率为f_c，调制后频率为f₁，f₂（一般要求f₂-f_c=f_c-f₁）。例如，电话线上全双工传输声音信号，频率分别为1170 Hz±100 Hz，2125 Hz±100 Hz。频移键控抗干扰性能较好。如图2-4b所示。

（3）相移键控（Phase Shift Keying，PSK）

PSK是通过改变载波信号的相位值来表示数字信号“1”和“0”的，而载波信号的A和f保持不变。如图2-4c所示。PSK包括两种类型：

1）绝对移相。使用相位的绝对值，ϕ为π表示数字信号“1”，ϕ为0表示数字信号“0”。

2）相对调相。相对调相使用相位的相对偏移值，当数字数据为0时，相位不变化，而数字数据为1时，相位要偏移π。

图2-4 各种调制示意图

a）幅移键控 b）频移键控 c）相移键控

3.模拟数据编码为数字信号

脉冲编码调制技术（Pulse Code Modulation，PCM）最初用于将电话模拟信号转换为数字信号。转换的过程包含三个步骤，即采样、量化和编码。

（1）采样

通过某种频率的采样脉冲将模拟信号等间隔取样，变连续的模拟信号为离散信号的过程称为采样。采样技术的理论依据是基于“香农采样定理”，即只要采样频率大于或等于有效信号的最高频率的两倍，采样值可以基本包含原始信号的所有信息，被采样的信号可以不失真地还原为原始信号。

（2）量化

模拟信号不仅在时间上是连续的，而且在幅度上也是连续的。而数字信号要求有离散的数值。这就需要对采样得到的测量值进行数字化转换，也就是量化。测量值不一定恰好等于其中的某一数值，而是要根据测量值的大小选择一个近似的量化数值（取整）。这种不能使量化数据准确表达测量值的情况称为在量化过程中加入了量化噪声。量化过程通常使用一种叫做A/D转换器（模拟/数字转换器）的器件来完成。

（3）编码

将量化后的值编码成一定位数的二进制数值，这个过程通常称为脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）。通常，当量化级为N时，对应的二进制位数为log₂ N。

如图2-5所示为采用8级量化对正弦信号的编码过程。编码的二进制位数取3位即可。人类的语音频率一般为300～3400 Hz，量化级为256时，即每125μs采样一次，采样值使用log₂256=8位二进制数表示，为了支持这样的语音信息实时传输，要求达到8000（次采样/秒）×8（比特/次采样）=64000比 特/秒（即64 kbit/s）的 数据传输速率。因此，目前公用电话网采用64 kbit/s的 带宽传输每一路用户电话。

图2-5 脉冲编码调制的采样、量化与编码

a）原始信号 b）PAM脉冲 c）PCM脉冲