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编码与调制


信号是数据的具体表示形式,数据无论是数字的还是模拟的,为了传输的目的,都要转换成信号。将数据转换为数字信号的过程称为编码,将数据转换为模拟信号的过程称为调制。


数字数据可通过数字发送器转换为数字信号传输,也可通过调制器转换成模拟信号传输;同样,模拟数据可通过 PCM 编码器转换成数字信号传输,也可通过放大器调制器转换成模拟信号传输。这样,就形成了如下 4 种编码与调制方式。

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,只要能有效区分 0 和 1 即可。常用的数字数据编码有以下几种。


数字数据编码

归零(RZ)编码


用高电平表示 1 、低电平表示 0 (或者相反),每个码元的中间均跳变到零电平(归零),接收方根据该跳变调整本方的时钟基准,这就为收发双方提供了自同步机制。因为归零需要占用一部分带宽,所以传输效率受到了一定的影响。

非归零(NRZ)编码


与 RZ 编码的区别是不用归零,一个时钟全部用来传输数据,编码效率最高。但 NRZ 编码的收发双方存在同步问题,为此需要双方都带有时钟线。

反向非归零(NRZI)编码


与 NRZ 编码的区别是用电平的跳变表示 0、电平保持不变表示1。跳变信号本身可作为一种通知机制。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 的编码方式就是 NRZI 编码。

曼彻斯特编码


每个码元的中间都发生电平跳变,电平跳变既作为时钟信号(用于同步),又作为数据信号。可用向下跳变表示 1、向上跳变表示 0 ,或者采用相反的规定。

差分曼彻斯特编码


每个码元的中间都发生电平跳变,与曼彻斯特编码不同的是,电平跳变仅表示时钟信号,而不表示数据。数据的表示在于每个码元开始处是否有电平跳变:无跳变表示 1 ,有跳变表示 0 。差分曼彻斯特编码拥有更强的抗干扰能力。标准以太网使用的就是曼彻斯特编码,而差分曼彻斯特编码则被广泛用于宽带高速网中。

模拟数据编码为数字信号

主要包括三个步骤,即采样、量化和编码,常用于对音频信号进行编码的 PCM 编码。

  • 采样:对模拟信号进行周期性扫描,将时间上连续的信号变成时间上离散的信号。

    根据奈奎斯特定理,采样频率必须大于或等于模拟信号最大频率的两倍。

  • 量化

    将采样得到的电平幅值按照一定的分级标度转换为对应的数值并取整,这样就将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。

  • 编码:将量化得到的离散整数转换为与之对应的二进制编码。

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。图中展示了数字调制的三种方式。


数字数据调制

  • 调幅(AM)或幅移键控(ASK)

    通过改变载波的振幅来表示数字信号 1 和 0 。

    例如,用有载波和无载波输出分别表示 1 和 0 。这种方式容易实现,但抗干扰能力差。

2)调频(FM)或频移键控(FSK)。通过改变载波的频率来表示数字信号 1 和 0 。例如,用频率 f1 和频率 f2 分别表示 1 和 0 。这种方式容易实现,抗干扰能力强,目前应用较广泛。

3)调相(PM)或相移键控(PSK)。通过改变载波的相位来表示数字信号 1 和 0 。例如,用相位 0 和 $ \pi $ 分别表示 1 和 0 ,是一种绝对调相方式。

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。

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