2.2 数据编码技术

除了模拟数据采用模拟信号发送外，数字数据采用数字信号发送，数字数据采用模拟信号发送和模拟数据采用数字信号发送都需要某种形式的数据表示形式或编码。

2.2.1 数字数据的数字信号编码

数字信号的编码就是将二进制数字数据用两个电平表示，形成矩形脉冲电信号，这种矩形脉冲电信号组成的数字数据包括单极性不归零码、双极性不归零码、单极性归零码、双极性归零码、曼彻斯特码、差分曼彻斯特码、4B/5B码等。

1.单极性不归零码（NRZ码）

这是一种最简单的码型，用高电平表示“1”，用零电平表示“0”，如图2.3（a）所示。单极性不归零码的取样时间是每个码元的中心，判决门限为半幅度电平，当测得的信号值为0～0.5时表示0，当测得的信号值为0.5～1时表示1。

单极性不归零码的特点是容易出现连续的0或连续的1，不利于传输中接收端同步信号的提取，不利于判决电路的工作。单极性不归零码传输简单，但代码易受线路特性改变，不宜长距离传输，在串行传输等短距离传输中常使用此编码。

2.双极性不归零码

这种脉冲有两个方向的电压极性。双极性不归零码用正电平表示“1”，负电平表示“0”，判决门限为零电平，当接收的信号值在0～1之间时表示“1”，当接收信号的值在-1～0之间时表示“0”，如图2.3（b）所示。从长时间传输的统计平均值来看，直流分量近似为零，有利于有线信道传输，RS-232传输就采用这种编码方式。

3.单极性归零码（RZ码）

这种码与NRZ码的根本区别在于它有小于1的占空比，即每个脉冲在码元周期内总要回归到零电平，如图2.4（a）所示。

4.双极性归零码

这种码的特点是“1”码发送正的窄脉冲，“0”码发送负的窄脉冲，采用归零形式，每个码元中间的跳变可用于同步，如图2.4（b）所示。

归零码和不归零码、单极性码和双极性码的特点如下：

不归零码在传输中难以确定一位的结束和另一位的开始，需要用某种方法使发送器和接收器之间进行定时或同步；归零码的脉冲较窄，根据脉冲宽度与传输频带宽度成反比的关系，归零码在信道上占用的频带较宽。

单极性码会积累直流分量，这样就不能使变压器在数据通信设备和所处环境之间提供良好绝缘的交流耦合，直流分量还会损坏连接点的表面电镀层；双极性码的直流分量大大减少，这对数据传输是很有利的。

5.曼彻斯特（Manchester）码

曼彻斯特码又称数字双相码或分相码，采用正的电压跳变（从低到高的跳变）表示“0”，负的电压跳变（从高到低的跳变）表示“1”，如图2.5（a）所示。每一个码元的中间均有跳变，接收端可将此跳变作为位的同步时钟，因此这种编码又称为自同步编码。以太网采用的正是曼彻斯特码。

曼彻斯特码的特点是，由于每个码元中间均有跳变，所以不存在直流分量，同时有利于误码检测。曼彻斯特码的缺点是，需要的带宽是直接二进制编码的2倍。

6.差分曼彻斯特码

差分曼彻斯特码采用每位的起始处有、无跳变表示“0”和“1”，若有跳变为“0”，无跳变则为“1”，而每位的中间跳变只用做同步时钟信号，如图2.5（b）所示。显然，这种编码能保持直流的平衡，也是自同步编码，令牌环常采用差分曼彻斯特码。对中速网络，采用这种编码方案，虽然增加了传输所需带宽，编码效率仅为50%，但简单易行。

采用差分曼彻斯特码有利于提供更好的抗噪声能力，因为一个期待跳变的丢失可用于检测差错。若要产生一个无法检测到的差错，那么线路上的噪声必须在期待的跳变发生之前和之后同时翻转信号，这样的事件发生几率是很小的。

7.4B/5B码

为了提高编码效率，高速网络常采用4B/5B或5B/6B码。4B/5B码是将4位二进制代码组进行编码，转换成5位二进制代码组，如表2-1所示。在5位代码组合中有32种组合，但只有16种组合用于数据，另8种组合用于线路状态和控制指示。

表2-1 4B/5B码

2.2.2 数字数据的模拟信号编码

计算机之间的远程通信通常采用频带传输技术。使用频带传输技术就要把数字数据转换成模拟信号。频带传输的基础是载波，载波是频率恒定的连续模拟信号。在数据通信系统中，采用频带传输数据就要利用调制技术把基带脉冲信号调制成可以远程传输的模拟信号，调制解调器就是用来进行数字信号和模拟信号相互转换的设备。

常见的数字信号的调制都选用正弦（或余弦）波作为载波，由于正弦波有三个参数：振幅、频率和相位，因此在理论上也就有三种不同的调制方法。图2.6给出了数字数据的模拟信号调制的三种基本形式：幅移键控（Amplitude-Shift Keying，ASK）、频移键控（Frequency-Shift Keying，FSK）、相移键控（Phase-Shift Keying，PSK）。

1.幅移键控

在幅移键控（ASK）方式下，用固定频率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，一个振幅为零，即用振幅恒定载波的存在来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表示。ASK方式容易受增益变化的影响，因此是一种效率相当低的调制技术，通常用于小于1200b/s的低速话音线路上。

2.频移键控

在频移键控（FSK）方式下，用载波信号的两种不同的频率来表示二进制值，一般利用载波频率附近的两个不同频率来表示。若模拟信号的载波中心频率为1100Hz，以1100Hz频率上移100Hz，即“1200Hz载波”表示“1”；以中心频率下移100Hz，即“1000Hz载波”表示“0”。这种方案比起ASK方式来，不容易受干扰的影响，主要用于高达1200b/s的传输速率中，也可广泛用于3～30MHz的高频无线电传输和局域广播网络。

3.相移键控

在相移键控（PSK）方式下，用载波的相位表示数字。根据确定相位参考点的不同，PSK分为绝对调相和相对调相。绝对调相是以未调载波信号的相位作为参考点，如已调载波信号的相位与参考点一致则表示二进制数“1”，如相位差180°，则为“0”。相对调相是以前一位数据的已调载波信号的相位做参考点，如与前一位的相位一致则为二进制数“1”，如相位差180°，则为“0”。

PSK方式占用频带较窄，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9600b/s。PSK可以使用二相或多于二相的相移，利用这种技术可以对传输速率起到加倍的作用。

上述所讨论的各种技术也可以组合起来使用。常见的组合是相移键控和幅移键控，由PSK和ASK组合的相位幅度调制PAM，是解决相移数已达到上限但还要提高传输速率的有效方法。

2.2.3 模拟数据的数字信号编码

脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）是模拟数据数字化的主要方法。由于数字信号传输失真小、误码率低、数据传输速率高，因此在网络中除计算机等数字设备直接产生的数字信号外，语音、图像等模拟信号必须数字化才能用数字设备进行处理。

PCM技术的典型应用是语音数字化。语音可以用模拟信号的形式通过电话线路传输，但是在网络中将语音与计算机产生的数字、文字、图形、图像同时传输，就必须先将语音信号数字化。在发送端通过PCM编码器变换为数字化语音数据，通过通信信道传送到接收端，接收端再通过PCM解码器还原成模拟语音信号。数字化语音传输速率高、失真小，可以存储在计算机中进行必要的处理。因此在网络与通信的发展中语音数字化成为重要的发展趋势。

PCM编码过程分为采样、量化和编码三个步骤。

1.采样

采样就是按照一定的时间间隔采样测量模拟信号幅值。根据奈奎斯特采样定理，只要采样频率不低于模拟信号最高频率的2倍，则可以由采样得到的样本值无失真地恢复原来的模拟信号。

例如，声音频带是20～20kHz，而人类听觉的语言频带为300～3400Hz，足以清晰地分辨电话声音。因此电话的语音频带（简称话带）取为4kHz，其采样频率为8kHz，即每秒8000次，即采样周期为125ms；又如，彩色电视信号带宽为4.6MHz，采样频率为9.2MHz。

2.量化

采样后得到的样本在时间上是离散的，但在幅值上仍然是连续的。量化就是把幅值上连续的抽样信号转化为离散信号，将样值幅度按量化级决定取值的过程。经过量化的样值幅度为离散的量化值。

3.编码

用二进制数表示量化值。如果有L个量化级，则二进制数的位数为log2L。例如，16个量化级需要4位二进制码。

从上述脉冲编码调制的原理可以看出，采样速率取决于模拟信号的最高频率，而量化级的多少则决定了采样的精度。在实际使用中，希望采样的速率不要太高，以免编、解码器的工作频率太高，不利于设备的正常工作；同时也希望量化级不要太多，主要能够满足要求就可以了，以免得到的数据量太大。