基带信号编码方式

Posted 2023-03-04 bobuddy

来自信源的信号常称为基带信号（即基本的频带信号）。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。但基带信号中常含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道不能传输这种低频分量或直流分量。所以必须对基带信号进行调制。

调制可分为两大类

一是仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号（将一种形式的数字信号转化为另一种数字信号）。这类调制成为基带调制，常称为编码。

二是调制需要使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，经过载波调制后的信号为带通信号（仅在一段频率范围内能够通过信道），而使用载波调制的调制方式称为带通调制。

对于传输数字信号来说，最常用的方法是用不同的电压电平来表示两个二进制数字，即数字信号由矩形脉冲组成。

1、极性码

我们知道极包括正极和负极，那我们就用正极表示二进制的“0”，负极表示二进制的“1”。

通过上图，可以看出，每一个比特对应的波形都很清楚的用正电平和负电平表示出来了。比如第一个0就是用正极表示，第二1就是用负电平表示。

特点

优点：极性码直接用正负电平来表示二进制“0”和“1”，电平差比较大，所以极性码的抗干扰行较好。

缺点：图中第二个“1”和第三个“1”为连续的两个数据，当发送端发送出去的时候，接收端难以定时，不知道这个“1”是啥时候的，所以在传送一长串的“1”或“0”的时候需要同步信号。

2、单极性码

单极性码，顾名思义就是只使用了一个极性，然后加上零电平来表示二进制中的“0”和“1”，具体是用正极（正电平）表示“0”，用零电压（零电平）表示“1”，具体波形图如下图所示。

特点

单极性也需要同步，而且单极性的的抗干扰行一般。所以一般不单独采用单极性码来工作。

3、双极性码

双极性码，顾名思义使用的正负两个极性，然后再加上零电平来表示，这双极性码对于极性码和单极性码稍微有一点点改变。用零电平表示二进制“0”，用正负电平来表示二进制“1”（这句话可能有人不能理解，为啥用两个电平来表示二进制“1”呢？），我们使用正负电压交替来表示“1”。

第一个二进制“0”的时候，用零电平来表示；

第二个二进制“1”的时候用正电平来表示；

第三个二进制“1”的时候用负电平来表示（第二个“1”和第三个“1”就是用了正负电平交替来表示）；

第四个二进制“0”的时候用零电平来表示；

第五个二进制“1”的时候用正电平来表示【为什么这里要用正电平呢，因为前面的一个二进制“1”，也就是第三个“1”是用负电平来表示的（这里面不需要再去看紧挨着它前面的二进制“0”，往前看距离它最近的一个二进制“1”是什么状态），所以这个“1”需要交替反转一下，所以用正电平来表示。这】；

第六个和第七个都是二进制“0”，所以用零电平来表示；

第八个二进制“1”用负电平来表示（因为前面的一个二进制“1”，也就是第五个二进制数“1”是正电平，根据交替原则，第八个二进制数“1”使用负电平来表示）；

第九个二进制“1”用正电平来表示（因为前面的一个二进制“1”，也就是第八个二进制数“1”是负电平，根据交替原则，第九个二进制数“1”使用正电平来表示）。

特点

双极性编码采用了三种电平方式进行编码，抗干扰行好；

但是在遇到连续的0的时候也无法直接判断信号个数。

总结

极性包括正极（正电平）和负极（负电平）。

极性编码分为单极性码，极性码，双极性码。

单极性码，使用一个极性，加一个零电平（正极表示“0”，零电平表示“1”）。

极性码使用了正极和负极（正极表示“0”，负极表示“1”）。

双极性使用了正极和负极和零电平（零电平表示“0”，正极和负极交替表示“1”）

极性编码的缺点是因为始终使用某一特定的电平来表示特定的数，当发送连续多个“1”或“0”，将无法直接从信号判断个数，要解决这个问题，就需要引入时钟信号。

a)单极性不归零码，无电压表示"0"，恒定正电压表示"1"，每个码元时间的中间点是采样时间，判决门限为半幅电平。 　　

b)双极性不归零码，"1"码和"0"码都有电流，"1"为正电流，"0"为负电流，正和负的幅度相等，判决门限为零电平。 　　

c)单极性归零码，当发"1"码时，发出正电流，但持续时间短于一个码元的时间宽度，即发出一个窄脉冲；当发"0"码时，仍然不发送电流。 　

d)双极性归零码，其中"1"码发正的窄脉冲，"0"码发负的窄脉冲，两个码元的时间间隔可以大于每一个窄脉冲的宽度，取样时间是对准脉冲的中心。 　

归零码和不归零码、单极性码和双极性码的特点 　　

不归零码在传输中难以确定一位的结束和另一位的开始，需要用某种方法使发送器和接收器之间进行定时或同步；

归零码的脉冲较窄，根据脉冲宽度与传输频带宽度成反比的关系，因而归零码在信道上占用的频带较宽。 　　

单极性码会积累直流分量，这样就不能使变压器在数据通信设备和所处环境之间提供良好绝缘的交流耦合，直流分量还会损坏连接点的表面电镀层；

双极性码的直流分量大大减少，这对数据传输是很有利的。

2. 编码技术

数字数据已经有了1和0的码值区别，为什么不直接使用高、低电平加到物理信道上传输，而要按照一定方式编码之后再进行传输呢？

· 编码更有利于在接收端区分0和1

· 编码可以在传输信号中携带时钟，便于接收端提取定时时钟信号

· 采用合理的编码方式，可以适合信道的传输特性，充分利用信道的传输能力

常见编码方式：

· 不归零制：正电平代表1，负电平代表0

· 归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0

· 曼彻斯特：位周期中心向上跳代表0，位周期中心向下跳表示1（也可以反过来定义）

· 差分曼彻斯特：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，位开始边界没有跳变代表1

3. 不归零制编码（NZR）

正电平代表1，负电平代表0，这一电平信号要占满整个码元的宽度，中间不归零。

优点：传输效率高

缺点：

· 当出现多个连续的“0”或连续的“1”的时候，难以判断是何处是上一位结束和下一位的开始，不能给接收端提供足够的定时信息，定时时钟提取不方便。

单极性归零码,当发"1"码时,发出正电流,但持续时间短于一个码元的时间宽度（即相当于剩下的时间归零了）,即发出一个窄脉冲;当发"0"码时,仍然完全不发送电流,所以称这种码为单极性归零码。

双极性归零码,其中"1"码发正的窄脉冲,"0"码发负的窄脉冲,两个码元的间隔时间可以大于每一个窄脉冲的宽度,取样时间是对准脉冲的中心。

非归零码在传输中难以确定一位的结束和另一位的开始,需要用某种方法使发送器和接收器之间进行定时或同步;归零码的脉冲较窄,根据脉冲宽度与传输频带宽度成反比的关系,因而归零码在信道上占用的频带就较宽。

单极性码会积累直流分量,这样就不能使用变压器在数据通信设备和所处环境之间提供良好绝缘的交流藕合,直流分量还会损坏连接点的表面电镀层;双极性码的直流分量大大减少,这对数据传输是很有利的。

从以上讨论中可以发现,基带传输的另一个重要问题就是同步问题。接收端和发送端发来的数据序列在时间上必须取得同步,以便能准确地区分和接收发来的每位数据。这就要求接收端要按照发送端所发送的每个码元的重复频率及起止时间来接收数据,在接收过程中还要不断校准时间和频率,这一过程称为同步过程。在计算机通信与网络中,广泛采用的同步方法有位同步法和群同步法两种

1、位同步

位同步使接收端对每一位数据都要和发送端保持同步。在数据通信中,习惯于把位同步称为"同步传输"。实现位同步的方法可分为外同步法和自同步法两种。在外同步法中,接收端的同步信号事先由发送端送来,而不是自己产生也不是从信号中提取出来。即在发送数据之前,发送端先向接收端发出一串同步时钟脉冲,接收端按照这一时钟脉冲频率和时序锁定接收端的接收频率,以便在接收数据的过程中始终与发送端保持同步。

自同步法是指能从数据信号波形中提取同步信号的方法。典型例子就是著名的曼彻斯特编码,这种编码通常用于局域网传输。在如下图所示的曼彻斯特编码方式中,每一位的中间有一跳变,位中间的跳变既作为时钟信号,又作为数据信号:从高到低的跳变表示"1",从低到高的跳变表示"0"。

另外,还有一种差分曼彻斯特编码,这种编码每位中间的跳变仅提供时钟定时,而用每位开始时有无跳变表示"0"或"1",有跳变表示"0",无跳变表示"1"。由此可见,两种曼彻斯特编码方法都是将时钟和数据包含在信号流中,在传输代码信息的同时,也将时钟同步信号一起传输到对方,所以这种编码也称为自同步编码。

从曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的脉冲波形中可以看出,这两种双极型编码的每一个码元都被调制成两个电平,所以数据传输速率只有调制速率的1/2,也即对信道的带宽有更高的要求。但它们具有自同步能力和良好的抗干扰性能,在局域网中仍被广泛使用。

2、群同步

在群同步的通信系统中,传输的信息被分成若干"群"。所谓的"群",一般是以字符为单位,在每个字符的前面冠以起始位、结束处加上终止位,从而组成一个字符序列o数据传输过程中,字符可顺序出现在比特流中,字符与字符间的间隔时间是任意的,即字符间采用异步定时,但字符中的各个比特用固定的时钟频率传输。在数据通信中,习惯于把群同步称为"异步传输"。字符间的异步定时和字符中比特之间的同步定时,是群同步即异步传输的特征。这种传输方式中,每个字符以起始位和停止位加以分隔,故也称"起一止"式传输。

群同步传输规程中的每个字符可由下列四部分组成:

(1)1位起始位,以逻辑“0"表示:

(2)5~8位数据位,即要传输的字符内容;

(3)1位奇/偶检验位,用于检错,该部分可以不选;

(4)1~2位停止位,以逻辑"1"表示,用以作字符间的间隔。

群同步的字符格式见图2。由图中可以看出,群同步是靠起始位(逻辑"0")和停止位(逻辑"1")来实现字符的定界及字符内比特的同步的。接收端靠检测链路上由空闲位或前一字符停止位(均为逻辑"1")到该字符起始位的下降沿来获知一个字符的开始,然后按收、发双方约定的时钟频率对约定的字符比特数(5~8位)进行逐位接收,最后以约定算法(奇/偶校验法)进行差错检测,完成一个字符的传输。发送器和接收器中近似于同一频率的两个约定时钟,在一段较短的时间内能够保持同步。在群同步传输中,起始位和停止位的作用是十分重要的。起始位指示字符的开始,并启动接收端对字符中比特的同步;而停止位则是作为字符之间的间隔位而设置的,没有停止位,紧跟其后的下一字符的起始位下降沿便可能丢失。

群同步法只需保持每个字符的起始点同步,在群内则按约定的频率进行位的接收就可以了。这种方法实现简单,但需要添加诸如起始位、校验位和停止位等附加位,相对于同步传输来说,编码效率和信道利用率较低,一般用于低速数据传输的场合