计算机网络：四类数据编码技术

前提知识：

数据分为两大类：

模拟数据：也称为模拟量，取值范围是连续的变量或数值。
数字数据：也称为数据量，取值范围是离散的变量或数值。

相应的就对应着两大类信号！

模拟信号：在时间上和幅值上均是连续的信号叫做模拟信号。此类信号的特点是,在一定动态范围内幅值可取任意值。许多物理量,例如声音、压力、温度等均可通过相应的传感器转换为时间连续、数值连续的电压或电流。

数字信号：与模拟信号相对应,时间和幅值均离散( 不连续 ) 的信号。数字信号的特点是幅值只可以取有限个值。

为了使信源产生的数据能够在相应信道上传输，在源系统端需要有信号变换设备，将信源产生的原始数据转换为适合在信道上传输的信号。同样，为了使信宿能够接收并处理信道上传输过来的信号，在目的系统端也需要信号变换设备，将信道上传输的信号转换为适合被信宿处理的数据。在上述过程中需要用到数据编码技术。

所以数据编码技术一共分为四种！

一、数字数据的数字信号编码：

基本信号编码：

——不归零

单级不归零码：有电压（电流）：1；无电压（电流）：0
双级不归零码：正电压（电流）：1；负电压（电流）：0

——归零

单级归零码：发送1码时，有电流，码元周期内回调为0电流；发送0码无电流
双级归零码：发送1码时，有电流，码元周期内回调为0电流；发送0码负电流

(a)(b)不归零码两种编码占用全部码元宽度，又称全宽码。
归零码可以解决不归零码边界不易识别的问题，但是占用频带较宽。
单极性编码会造成直流分量积累，无法使用变压器在通信设备和所处环境之间提供良好绝缘的交流耦合，而且直流分量还会损坏连接点的表面电镀层。
双极性编码的直流分量会大大减少，有利于数据传输。

曼彻斯特与差分曼彻斯特编码：

两种编码中，每个二进制位均用一个“高-低”或“低-高”电平对表示
在每个二进制位持续时间的中间有一次电平的跳变
接收方可以通过检测该跳变来保持与发送方的比特同步（自同步）
每一个码元都被调制成为两个电平，数据传输速率只有调制速率的一半，因此编码效率只有50%
在低速局域网中被广泛使用

4B/5B编码：

将要发送的数据流每 4bit 为一组，然后按照 4B/5B 编码规则将其转换为相应的 5bit 码（相当于用5位存4位数据），每个 5 位码组中不会多于 3 个 0 或者不会少于两个 1 。

4B/5B 编码效率为80%。

二、数字数据的模拟信号编码：

首先介绍一下通带传输：

一般情况下，我们在一个信道上发送信息所使用的频率范围并不是从零开始的。

对于无线信道来说，发送非常低频率的信号很不切实际：

因为天线的大小与信号的波长成正比
低频信号需要相当大的天线
在任何情况下，监管约束和避免干扰的需要往往决定了频率的选择

即使是电线，把信号防止在一个给定的频带上非常有用，因为这样在信道上可以允许不同信号共存

这类任意的一个频率波段都用来传递信号的传输，称为通带传输。

数字调制可借助通带传输完成。

即针对通带内的载波信号进行调节或调制

可以调节载波信号的振幅、频率和相位

针对这些信号特征的调制方法都有一个对应的名称：

移幅键控(调幅)（Amplitude Shift Keying, ASK）：用两个不同载波信号的幅值分别代表两个二进制数字0和1。
移频键控(调频)（Frequency Shift Keying, FSK）：用两种不同频率的载波分别表示二进制数字0和1。
移相键控(调相)（Phase Shift Keying, PSK）：利用相位不同的载波信号来表示数据。

为了提高数据传输速率，还可以把各种调制方式组合如将ASK和PSK组合产生的正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation, QAM）。

正交振幅调制（QAM）：

三、模拟数据的数字信号编码：

这个编码方式面临的最主要的问题是——如何在不损失信号质量的前提下，将信息从无穷多的连续值转换为有限个离散值！

最常用的调制方法为——脉冲编码调制（Pulse Code Modulation, PCM）

脉冲编码调制（Pulse Code Modulation, PCM）：

脉冲编码调制的工作过程为：采样、量化和编码三个步骤。

采样：

采样就是按照一定的时间间隔（或采样频率）测量模拟信号幅值。采样频率由采样定理给出。

采样定理：若对连续变化的模拟信号进行周期性采样，只要采样频率大于等于有效信号带宽的两倍，则采样值便可包含原始信号的全部信息。

使用举例：某路语音信号的带宽为4kHz，则采样频率可取为8kHz，即每秒采样8k次，或者说每隔125微秒采样一次。

量化：

量化就是将采样点处测得的信号幅值分级取整的过程。量化级数一般取为 $2^{n}$ 。

因为要对采样点的幅值取整，所以量化误差是一直存在的，可以通过提高量化级数来减少量化误差。

编码：

编码就是将量化后的整数值用二进制数来表示。

将每个采样点对应的离散值编成一定位数的二进制数码，称作一个码字，码字长度是量化级数 N 的对数 $log_{2}N$ 。

计算举例：对于带宽为4kHz的语音信号，采用量化级别为128的PCM方法编码，请问：所产生的二进制位最少需要多大传输速率的信道才能传输？

带宽为： $log_{2}128$ x 2 x 4000 = 56000bit/s = 56kbit/s

脉冲编码调制（PCM）存在着一个瑕疵——每个样本取整量化的绝对误差相同，与信号幅值无关，因此低幅值的采样值相对误差较大。为了解决这个问题，所以又提出了差分脉冲编码调制（DPCM，Differential Pulse Code Modulation）

差分脉冲编码调制（DPCM，Differential Pulse Code Modulation）：

方法：利用信号的相关性找出可以反映信号变化特征的一个差量值进行编码，即对当前值和前一个值之差进行编码。

优势：依据相关性原理，这一差值的幅度范围一定小于原信号的幅度范围，这样就：减少了编码位数。因此，在保持相同量化误差的条件下量化电平数减少，即提高了编码效率。

下面介绍一个差分脉冲编码调制中的一种！

增量调制：

特征：增量调制是一种简单的差值脉冲编码调制方式。

将相邻采样点的量化值之差进行量化，并且只对这个差值的符号进行编码。
量化值限于正和负，只用一个比特传输样值。

目的：简化模拟信号的数字化方法

应用：在军事通信和卫星通信中广泛应用

四、模拟数据在模拟信道上传输：

模拟调制将一个输入信号m(t)与频率为fc的载波结合以便产生一个带宽以fc为中心的信号s(t)的过程。

模拟数据进行调制解调：为了有效传输需要高频；调制可允许频分多路复用。

调幅：

调幅在调幅技术中，载波信号的振幅根据调制信号的振幅的改变调整。
载波信号的频率相位不变。
调制信号变成了载波信号的一个包络线。

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