2.4 編碼與調制


 

在計算機網絡中,計算機需要處理和傳輸用戶的文字,圖片,音頻和視頻,他們可以統稱為消息。

 

 

 數據是運送消息的實體

 

 

 我們人類比較熟悉的是十進制數據,而計算機只能處理二進制數據,也就是比特0和比特1。計算機中的網卡將比特0和比特1變換成相應的電信號發送到網線。也就是說信號是數據的電磁表現。

 

 

 由信源發出的原始信號稱為基帶信號。

 

 

 基帶信號又可分為兩類,一類是數字基帶信號,例如計算機內部cpu和內存之間傳輸的信號

 

 

 另一類是模擬基帶信號,例如麥克風收到聲音后產生的音頻信號。

 

 

 信號需要在信道中進行傳輸,信道可分為數字信道和模擬信道兩種。

 

 

 

在不改變信號性質的前提下,僅對數字基帶信號的波形進行變換,稱為編碼。編碼后產生的信號仍為數字信號,可以在數字信道中傳輸。例如,以太網使用曼徹斯特編碼,4B/5B,8B/10B等編碼。

 

 

 

 把數字基帶信號的頻率范圍,搬移到較高的頻段,並轉化為模擬信號,稱為調制。調制后產生的信號是模擬信號。可以在模擬信道中傳輸。例如,WIFI使用補碼鍵控,直接序列擴頻,正交頻分復用等調制方法。

 

 

 

對於模擬基帶信號的處理,也有編碼和調制兩種方法

對模擬基帶信號進行編碼的典型應用是:對音頻信號進行編碼的脈碼調制PCM,也就是將模擬音頻信號,通過采樣,量化,編碼這三個步驟進行數字化

對模擬信號進行調制的典型應用是:將語音數據加載到模擬的載波信號中傳輸。例如傳統的電話。另一個是頻分復用FDM技術,可以充分利用帶寬資源。

碼元

在使用時間域的波形表示數字信號時,代表不同離散數值的基本波形

 

常用編碼:

2.4.1不歸零編碼

不歸零編碼:在整個碼元時間內,電平不會出現零電平

 

 

請大家思考一下圖中的問題:

 

 

這需要發送方的發送與接收方的接收做到嚴格的同步。這就需要額外一根傳輸線來傳輸時鍾信號。接收方按時鍾信號的節拍來逐個接收碼元。然而對於計算機網絡,寧願利用這根傳輸線傳輸數據信號,而不是時鍾信號。

因此,由於不歸零編碼存在同步問題,不采用該類編碼。

2.4.2歸零編碼

接下來我們看看歸零編碼

 

 

很明顯,每個碼元傳輸結束后信號都要歸零,所以接收方只要在信號歸零后進行采樣即可。不需要單獨的時鍾信號。

實際上歸零編碼相當於把時鍾信號用“歸零”方式編碼在了數據之內,這稱為“自同步”信號。

但是歸零編碼中的大部分的數據帶寬,都用來傳輸“歸零”而浪費掉了。編碼效率低。

2.4.3 曼徹斯特編碼

在每個碼元的中間時刻,信號都會發生跳變。負跳變表示比特1,正跳變表示比特0。(0上1下)

 

 

碼元中間時刻的跳變即表示時鍾,又表示數據。傳統以太網(10Mb/S)使用的就是曼徹斯特編碼。

2.4.4 差分曼徹斯特編碼

 

 

在每個碼元的中間時刻都會發生跳變,但是與曼徹斯特編碼不同,跳變僅表示時鍾

,而用碼元開始處電平是否發生變化來表示數據。

 

練習題:

 

 

疑問:如何辨別是曼徹斯特編碼還是差分曼徹斯特編碼?

題目中說了10BaseT,10表示帶寬為10Mb/s Base表示基帶傳輸,T表示雙絞線。所以是曼徹斯特編碼。

至於是正跳變表示0還是負跳變表示0我們可以假設一下,然后看結果對比。

 

2.4.5 基本調制方法

調制的概念:發送端發送的原始信號通常具有頻率很低的頻譜分量,太低了,不適合在信道傳輸,因此需要轉換為高頻的適合信道傳輸,這一過程被稱為調制。

下圖為待傳輸的數字基帶信號,也就是來自信源的原始數字信號。我們要使用模擬信道來傳輸,因此需要將數字基帶信號通過調制方法,調制成可以在模擬信道中傳輸的模擬信號

 

 

調幅產生的信號,有突出的是1,沒突出的是0.

 

 

調頻所產生的信號,胖的為0,瘦的為1

 

 

調相的波形,初相位0度的為0,初相位180度的為1

 

 

使用基本調制方法,一個碼元只能包含1個比特信息,如何使1個碼元包含更多的比特呢?

  • 可以采用混合調制的方法

  •  

     

 


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