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Public Infrastructure

Homes. Buildings. Appliances. Computers. People. Transportation Vehicles. $. Vending Machines. Smart Cards. Public Infrastructure. 数据通信与网络. 数据通信 Data Communications. 数据编码 5. Data Encoding. 杨献春 南京大学计算机科学与技术系 http://cs.nju.edu.cn/yangxc xcy@nju.edu.cn. 数据编码技术. 数字 - 数字编码

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Presentation Transcript

  1. Homes Buildings Appliances ... Computers People Transportation Vehicles $ Vending Machines Smart Cards Public Infrastructure 数据通信与网络

  2. 数据通信Data Communications 数据编码 5. Data Encoding 杨献春 南京大学计算机科学与技术系 http://cs.nju.edu.cn/yangxc xcy@nju.edu.cn Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  3. 数据编码技术 • 数字-数字编码 • 数字数据, 数字信号 • 数字-模拟编码（数字调制，D/A转换） • 数字数据, 模拟信号 • 模拟-数字编码（A/D转换） • 模拟数据, 数字信号 • 模拟-模拟编码（模拟调制） • 模拟数据, 模拟信号 • 扩频 Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  4. Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  5. 5.1 数字数据, 数字信号 • 数字信号 • 术语 • 编码方案 • 不归零编码 (NRZ) • 多电平二进制 • 双相位 • 调制速率 • 扰码 Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  6. 数字信号 • 离散的不连续电压脉冲 • 每个脉冲为一信号单元 • 二进制数据编码为信号单元 Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  7. 术语 (1) • 单极性 • 所有信号单元具有相同符号 • 双极性 • 正电压表示一种逻辑状态 • 负电压表示另一种 • 数据率 • 以每秒比特表示的数据传输速率 • 比特持续时间或长度 • 发送器发送出一个比特所需要的时间 Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  8. 术语 (2) • 调制速率 • 信号电平改变的速率 • 以波特度量 =每秒多少个信号单元 • 传号与空号 • 分别指二进制数字1和0 Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  9. Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  10. 接收器对信号的解释(1) • 再看图3.13 (噪声对一个数字信号的影响) Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  11. 接收器对信号的解释(2) • 需要知道 • 比特的定时关系 –比特的起止时间 • 信号电平 (在比特持续时间中间位置采样) • 决定成功解释信号的因素 • 信噪比 （S/N 或Eb/N0增加，误码率BER减少） • 数据率 （数据率增加，BER增加） • 带宽 （带宽增加，数据率增加） • 编码方案 Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  12. 数字信号常见编码格式(码型)

  13. (cont.)

  14. 编码方案的比较 (1) • 信号频谱 • 缺乏高频分量可节省传输所需带宽 • 缺少直流成分可经变压器交流耦合提供电气隔离 • 传输功率集中在传输带宽中心 • 时钟同步 • 使发送器与接收器同步 • 外部时钟 • 基于发送信号的同步机制 Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  15. 发送设备端 接收设备端 地球作为地线回路 a. 单线非平衡线路 b. 双线非平衡线路 c. Department of Computer Science and Technology, Nanjing University 双线平衡线路

  16. Signal Spectrum

  17. 编码方案的比较(2) • 差错检测 • 可以内置于信号编码机制之中 • 信号抗扰抗噪度 • 某些编码比另一些编码好 • 成本与复杂度 • 为达到特定数据率的高信号速率导致高成本 • 某些编码需要信号速率大于数据率 Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  18. 编码方案 • 不归零电平 (NRZ-L) • 不归零1制(NRZI) • 双极性交替传号翻转(AMI) • 伪三元码 • 曼彻斯特 • 差分曼彻斯特 • 双极性8零替换(B8ZS) • 高密度3零码双极性(HDB3) Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  19. 5.1.1 NRZ • 不归零电平码 (NRZ-L) • 不归零1制 • 逢1翻转 Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  20. NRZ-L • 用两种不同电压表示1比特和0比特 • 在比特间隔（比特周期）内保持电压恒定 • 无跳变，即不回到零电压 • 例如， 无电压表示0，恒定正电压表示1 • 更常见的是 • 负电压代表一个二进制值 • 正电压代表另一个值 • 后面这种编码是 NRZ-L Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  21. NRZI • 不归零遇1翻转 • 在比特持续时间内保持恒定电压 • 数据编码成在比特起始时刻看信号是否跳变 • 跳变(低跳高或高跳低) 代表一个二进制1 • 无跳变表示二进制 0 • 差分编码的一个例子 Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  22. NRZ Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  23. 差分编码 • 数据是由信号变化而不是由信号电平表示 • 当前比特为0，信号与前一比特相同 • 当前比特为1，信号与前一比特不同 • 按跳变检测比按电平检测更可靠 • 在复杂的传输结构中，很容易对信号的极性失去敏感 • 例如，即使因引脚接反而使信号极性有误，也能正确辨识 Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  24. NRZ 优缺点 • 优点 • 易于工程化 • 有效利用带宽 • 缺点 • 存在直流分量 • 缺乏同步能力 • 用于数字磁记录 • 在信号传输中不常用 Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  25. 5.1.2 多电平二进制 • 使用多于两个的信号电平 • 双极性AMI • 无信号表示0 • 正脉冲或负脉冲表示1 • 1的脉冲在极性上交替 • 即使一长串1也不会失去同步（0仍然有问题） • 不存在净直流成分 • 较低的带宽 • 易于差错检测 Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  26. 伪三元码 • 无信号表示1 • 由交替的正负电平表示0 • 与双极性AMI的优缺点不分彼此 Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  27. Bipolar-AMI and Pseudoternary Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  28. 多电平二进制的得失权衡 • 效率不如 NRZ • 每个信号单元只代表一个比特 • 在三电平系统中每个信号单元可以表示的比特数 • log23 = 1.58 bits • 接收器必须区分三级电平(+A, -A, 0) • 对于同样的BER需要更多的信号功率 • 大约 3dB Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  29. Bit Error Rate for NRZ and Multilevel Binary

  30. 5.1.3 双相位 • 曼彻斯特编码（Manchester） • 每个比特周期中间跳变 • 跳变同时作为数据和同步时钟 • 从低跳变到高表示1 • 从高跳变到低表示0 • IEEE 802.3使用（以太网） • 差分曼彻斯特（Differential Manchester） • 中间跳变只作为同步时钟 • 在一个比特周期起始位置跳变表示0 • 在比特周期起始位置不跳变表示1 • 注意: 这是一种差分编码方案 • IEEE 802.5使用（令牌环） Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  31. Manchester andDifferential Manchester Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  32. 双相位编码的优缺点 • 缺点 • 每个比特周期至少一次跳变，有可能两次跳变 • 最大调制速率是 NRZ的两倍 • 需要更宽的带宽 • 优点 • 按照比特中间的跳变进行同步 (自同步时钟) • 无直流成分 • 差错检测 • 丢失所期望跳变会检测出 Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  33. 5.1.4 调制速率 • D=调制速率, 波特baud • R=数据率, bps • b=每个信号单元的比特数 • 回顾如下公式: Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  34. Modulation Rate

  35. A Description Method ofModulation Rate

  36. 5.1.5 扰码技术 • 使用扰码替代产生恒定电压的序列 • 填充序列 • 必须产生足够的跳变以利于同步 • 必须被接收器识别并以原始序列替换回来 • 和原始序列长度相同 • 使得没有直流成分 • 使得无长的零电平信号序列 • 不降低数据率 • 有差错检测能力 Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  37. B8ZS • 对连续8个零进行替换的双极性 • 保证最多只出现连续3个0的序列 • 基于双极性AMI • 倘若全零的八比特组且之前的电压脉冲为正，编码为000+-0-+ • 倘若全零的八比特组且之前的电压脉冲为负，编码为000-+0+- • 强迫两个码元违反 AMI 编码规则 • 不可能是由噪声引起的 • 接收器能检测并解释为连续8个0 Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  38. HDB3 • 高密度双极性 3 零 • 保证出现最多连续3个零的序列 • 基于双极性AMI • 以一个或两个脉冲替换连续4个零的串 Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  39. HDB3 Substitution Rules Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  40. B8ZS and HDB3

  41. 5.2 数字数据, 模拟信号 • 公众电话系统 • 使用modem (modulator-demodulator) • 话音：300Hz至3400Hz • 数据：600Hz至3000Hz (带宽2400Hz） • 调制技术 • 性能 Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  42. 电话线的带宽 Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  43. 5.2.1 调制技术 • 幅移键控 (ASK) • 频移键控(FSK) • 相移键控(PSK) Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  44. Figure 5.7 Modulation of Analog Signals for Digital Data

  45. ASK Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  46. FSK Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  47. PSK Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  48. PSK星座图 Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

  49. 幅移键控 • 由同一载波的不同振幅表示二进制值 • 通常, 一个振幅为0 • 即采用是否出现载波 • 易受突发的增益变化的影响 • 低效率 • 在话音级线路上可达 1200bps • 可用于光纤 Department of Computer Science and Technology, Nanjing University

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