编码与调制

数据无论是数字的还是模拟的,为了传输的目的都必须转变成信号。把数据变换为模拟信号的过程称为调制，把数据变换为数字信号的过程称为编码。

信号是数据的具体表示形式,它和数据有一定的关系,但又和数据不同。数字数据可以通过数字发送器转换为数字信号传输,也可以通过调制器转换成模拟信号传输;同样,模拟数据可以通过PCM编码器转换成数字信号传输,也可以通过放大器调制器转换成模拟信号传输。这样,就形成了下列4种编码方式。

数字数据编码为数字信号

数字数据编码用于基带传输中,即在基本不改变数字数据信号频率的情况下,直接传输数字信号。具体用什么样的数字信号表示0及用什么样的数字信号表示1就是所谓的编码。编码的规则有多种,只要能有效地把1和0区分开即可,常用的数字数据编码有以下几种。

1. 归零编码。在归零编码(RZ)中用高电平代表1、低电平代表0 (或者相反),每个时钟周期的中间均跳变到低电平(归零),接收方根据该跳变调整本方的时钟基准,这就为传输双方提供了自同步机制。由于归零需要占用一部分带宽,因此传输效率受到了一定的影响。
2. 非归零编码。非归零编码(NRZ)与RZ编码的区别是不用归零，一个周期可以全部用来传输数据。但NRZ编码无法传递时钟信号,双方难以同步,因此若想传输高速同步数据,则需要都带有时钟线。
3. 反向非归零编码。反向非归零编码(NRZI)与NRZ编码的区别是用信号的翻转代表0、信号保持不变代表1。翻转的信号本身可以作为一种通知机制。这种编码方式集成了前两种编码的优点,既能传输时钟信号,又能尽量不损失系统带宽。USB 2.0通信的编码方式就是 NRZI 编码。
4. 曼彻斯特编码。曼彻斯特编码(Manchester Encoding)将一个码元分成两个相等的间隔,前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平表示码元1;码元0的表示方法则正好相反。,当然,也可采用相反的规定。该编码的特点是,在每个码元的中间出现电平跳变,位中间的跳变既作为时钟信号(可用于同步),又作为数据信号,但它所占的频带宽度是原始基带宽度的两倍。 > 注意：以太网使用的编码方式就是曼彻斯特编码。
5. 差分曼彻斯特编码。差分曼彻斯特编码常用于局域网传输,其规则是:若码元为1,则前半个码元的电平与上一码元的后半个码元的电平相同;若码元为0,则情形相反。该编码的特点是,在每个码元的中间都有一次电平的跳转,可以实现自同步,且抗干扰性较好。
6. 4B/5B编码。将欲发送数据流的每4位作为一组,然后按照4B/5B编码规则将其转换成相应的5位码。5位码共32种组合，但只采用其中的16种对应16种不同的4位码,其他16种作为控制码(帧的开始和结束、线路的状态信息等)或保留。

数字数据调制为模拟信号

数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号,而在接收端将模拟信号还原为数字信号,分别对应于调制解调器的调制和解调过程。基本的数字调制方法有如下几种:

1. 幅移键控(ASK)。通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0,而载波的频率和相位都不改变。比较容易实现,但抗干扰能力差。
2. 频移键控(FSK)。通过改变载波信号的频率来表示数字信号1和0,而载波的振幅和相位都不改变。容易实现,抗干扰能力强, 目前应用较为广泛。
3. 相移键控(PSK)。通过改变载波信号的相位来表示数字信号1和0,而载波的振幅和频率都不改变。它又分为绝对调相和相对调相。
4. 正交振幅调制(QAM)。在频率相同的前提下,将ASK与PSK结合起来,形成叠加信号。设波特率为B,采用m个相位,每个相位有n种振幅,则该QAM技术的数据传输速率R为R=Blog2(mn)（单位为b/s）

模拟数据编码为数字信号

这种编码方式最典型的例子是常用于对音频信号进行编码的脉码调制(PCM)。它主要包括三个步骤，即采样、量化和编码。

采样定理:在通信领域,带宽是指信号最高频率与最低频率之差,单位为Hz。因此,将模拟信号转换成数字信号时,假设原始信号中的最大频率为f,那么采样频率必须大于或等于最大频率f的两倍,才能保证采样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息(只需记住结论)。另外,采样定理又称奈奎斯特定理。

1. 采样是指对模拟信号进行周期性扫描,把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。根据采样定理，当采样的频率大于或等于模拟数据的频带带宽(最高变化频率)的两倍时所得的离散信号可以无失真地代表被采样的模拟数据。
2. 量化是把采样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值并取整数,这样就把连续的电平幅值转换为了离散的数字量。采样和量化的实质就是分割和转换。
3. 编码是把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。

模拟数据调制为模拟信号

为了实现传输的有效性,可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用(FDM)技术,充分利用带宽资源。电话机和本地局交换机采用模拟信号传输模拟数据的编码方式,模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。