数字数据的模拟信号编码.docx

数字数据的模拟信号编码

要在模拟信道上传输数字数据，首先数字信号要对相应的模拟信号进行调制，即用模拟信号作为载波运载要传送的数字数据。
载波信号可以表示为正弦波形式：f(t)=Asin(ωt+φ)，其中幅度A、频率ω和相位φ的变化均影响信号波形。因此，通过改变这三个参数可实现对模拟信号的编码。相应的调制方式分别称为幅度调制ASK、频率调制FSK和相位调制PSK。结合ASK、FSK和PSK可以实现高速调制，常见的组合是PSK和ASK的结合。

1. 幅度调制
幅度调制简称调幅，也称为幅移键控（ASK amplitude-shift keying）
调制原理：用两个不同振幅的载波分别表示二进制值"0"和"1"。

图2-3-5 幅度调制
2. 频率调制
频率调制简称调频，也称为频移键控（FSK frequency-shift keying）
调制原理：用两个不同频率的载波分别表示二进制值"0"和"1"。

图2-3-6 频移键控
3. 相位调制
(1) 绝对相移键控
绝对相移键控用两个固定的不同相位表示数字“0”和“1”（见图2-3-7），用公式可表示为：

图2-3-7 绝对相移键控
(2) 相对相移键控法
相对相移键控用载波在两位数字信号的交接处产生的相位偏移来表示载波所表示的数字信号。最简单的相对调相方法是：与前一个信号同相表示数字“0”，相位偏移180度表示“1”，如图2-3-8所示。这种方法具有较好的抗干扰性。

图2-3-8 相对相移键控

数字数据的数字信号编码

数字数据的数字信号编码，就是要解决数字数据的数字信号表示问题，即通过对数字信号进行编码来表示数据。数字信号编码的工作由网络上的硬件完成，常用的编码方法有以下三种：
1. 不归零码NRZ（non-return to zero）
不归零码又可分为单极性不归零码和双极性不归零码。图2-3-2(a)所示为单极性不归零码：在每一码元时间内，有电压表示数字“0”，有恒定的正电压表示数字“1”。每个码元的中心是取样时间，即判决门限为0.5：0.5以下为“0”，0.5以上为“1”。图2-3-2(b)所示为双极性不归零码：在每一码元时间内，以恒定的负电压表示数字“0”，以恒定的正电压表示数字“1”。判决门限为零电平：0以下为“0”，0以上为“1”。

图2-3-2 不归零码
不归零码是指编码在发送“0”或“1”时，在一码元的时间内不会返回初始状态（零）。当连续发送“1”或者“0”时，上一码元与下一码元之间没有间隙，使接收方和发送方无法保持同步。为了保证收、发双方同步，往往在发送不归零码的同时，还要用另一个信道同时发送同步时钟信号。计算机串口与调制解调器之间采用的是不归零码。

2. 归零码

归零码是指编码在发送“0”或“1”时，在一码元的时间内会返回初始状态（零），如图2-3-3所示。归零码可分为单极性归零码和双极性归零码.

图2-3-2 归零码
图2-3-3(a)所示为单极性归零码：以无电压表示数字“0”，以恒定的正电压表示数字“1”。与单极性不归零码的区别是：“1”码发送的是窄脉冲，发完后归到零电平。图2-3-3(b)所示为双极性归零码：以恒定的负电压表示数字“0”，以恒定的正电压表示数字“1”。与双极性不归零码的区别是：两种信号波形发送的都是窄脉冲，发完后归到零电平。

3. 自同步码
自同步码是指编码在传输信息的同时，将时钟同步信号一起传输过去。这样，在数据传输的同时就不必通过其它信道发送同步信号。局域网中的数据通信常使用自同步码，典型代表是曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码，如图2-3-4所示。
曼彻斯特（Manchester）编码：每一位的中间（1/2周期处）有一跳变，该跳变既作为时钟信号（同步），又作为数据信号。从高到低的跳变表示数字“0”，从低到高的跳变表示数字“1”。
差分曼彻斯特（Different Manchester）编码：每一位的中间（1/2周期处）有一跳变，但是，该跳变只作为时钟信号（同步）。数据信号根据每位开始时有无跳变进行取值：有跳变表示数字“0”，无跳变表示数字“1”。

图2-3-4 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码

模拟数据的数字信号编码

在数字化的电话交换和传输系统中，通常需要将模拟的话音数据编码成数字信号后再进行传输。这里常用的一种称为PCM（Pulse Code Modulation）的脉冲编码调制技术。

PCM基于以下的采样定理：
如果在规定的时间间隔内，以有效信号f（t）最高频率的两倍或两倍以上的速率对该信号进行采样的话，则这些采样值包含了无混叠而又便于分离的全部原始信号信息。利用低通滤波器可不失真地从这些采样值中重新构造出f（t）。PCM原理如图2-4所示。

信号数字化的转换过程
信号数字化的转换过程可包括采样、量化和编码三个步骤。

图2.4 PCM的原理
(1) 采样：每个固定的时间间隔，取出模拟数据的瞬时值，作为本次抽样到下次抽样之间该模拟数据的代表值。X(n)就是采样处理后的脉冲调幅信号。
(2) 量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转换成对应的数字值，并取整数这样把连续的电平幅值转换成离散的数字y(n)。
(3) 编码：它是将量化后的整数值表示为一定位数的二进制数C (n)。

在发送端，经过信号数字化过程后，就可把模拟信号转换成二进制数码脉冲序列，然后经过信道进行传输。在接收端，将接收到的信号C1 (n)解码成y1 (n)，在通过逆量化获得信号X1 (n)，最后平滑之后的信号X1(t)就是还原的模拟信号。X1(t)与X(t)之差就是量化的误差
根据原信号的频宽，可以估算出采样的速度。如果声音数据限于4000Hz以下的频率，那么每秒钟8000次的采样可以满足完整地表示声音信号的特征。使用七位二进制表示采样值的话。就允许有128个量化级，这就意味着，仅仅是声音信号就需要有每秒钟8000次采样乘以每次采样7位等于56000bps的数据传输速率。
以上是模拟数据，例如声音经过PCM编码后成数字信号，就可以采用数字传输方式进行传输了，另外，计算机中的数字数据经过适当的编码后可直接采用数字传输方式传输。这样模拟数据和数字数据经过适当的编码后，可统一到相同的传输方式下进行传输。由于数字信号在传输过程中不引入噪声，传输可靠性高，因此应用相当广泛，如数字电话、数字传真、数字电视等。特别是目前多媒体技术的应用，要求将不同媒体的物理量（模拟量），如声音、图像、动画等，转换成数字信号后在计算机和网络系统内进行存储、处理和传输。这些都要用到模拟数据的数字传输技术。