1、數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號編碼

實現(xiàn)數(shù)字信號與模擬信號互換的設備稱作調(diào)制解調(diào)器(Modem)。

模擬信號傳輸?shù)幕A是載波，載波具有三大要素：幅度、頻率和相位，數(shù)字數(shù)據(jù)可以針對載波的不同要素或它們的組合進行調(diào)制。

數(shù)字調(diào)制的三種基本形式：移幅鍵控法ASK、移頻鍵控法FSK、移相鍵控法PSK。

圖1  數(shù)字調(diào)制的三種基本形式

在ASK方式下，用載波的兩種不同幅度來表示二進制的兩種狀態(tài)。ASK方式容易受增益變化的影響，是一種低效的調(diào)制技術。在電話線路上，通常只能達到1200bps的速率。

在FSK方式下，用載波頻率附近的兩種不同頻率來表示二進制的兩種狀態(tài)。在電話線路上，使用FSK可以實現(xiàn)全雙工操作，通常可達到1200bps的速率。

在PSK方式下，用載波信號相位移動來表示數(shù)據(jù)。PSK可以使用二相或多于二相的相移，利用這種技術，可以對傳輸速率起到加倍的作用。

由PSK和ASK結合的相位幅度調(diào)制PAM，是解決相移數(shù)已達到上限但還要提高傳輸速率的有效方法。

公共電話交換網(wǎng)中使用調(diào)制解調(diào)器的必要性

公共電話交換網(wǎng)是一種頻帶模擬信道，音頻信號頻帶為300Hz～3400Hz，而數(shù)字信號頻寬為0Hz～幾千兆Hz。若不加任何措施利用模擬信道來傳輸數(shù)字信號，必定出現(xiàn)極大的失真和差錯。所以，要在公共電話網(wǎng)上傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)，必須將數(shù)字信號變換成電話網(wǎng)所允許的音頻頻帶范圍300Hz～3400Hz。

2、數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼

數(shù)字信號可以直接采用基帶傳輸。基帶傳輸就是在線路中直接傳送數(shù)字信號的電脈沖，它是一種最簡單的傳輸方式，近距離通信的局域網(wǎng)都采用基帶傳輸。基帶傳輸時，需要解決的問題是數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號表示及收發(fā)兩端之間的信號同步兩個方面。

(1)數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號表示

對于傳輸數(shù)字信號來說，最常用的方法是用不同的電壓電平來表示兩個二進制數(shù)字，即數(shù)字信號由矩形脈沖組成。

a)單極性脈沖

b)雙極性脈沖

c)單極性歸零脈沖

d)雙極性歸零脈沖

e)交替雙極性歸零脈沖

圖2基脈沖編碼方案

a)單極性不歸零碼，無電壓表示"0"，恒定正電壓表示"1"，每個碼元時間的中間點是采樣時間，判決門限為半幅電平。

b)雙極性不歸零碼，"1"碼和"0"碼都有電流，"1"為正電流，"0"為負電流，正和負的幅度相等，判決門限為零電平。

c)單極性歸零碼，當發(fā)"1"碼時，發(fā)出正電流，但持續(xù)時間短于一個碼元的時間寬度，即發(fā)出一個窄脈沖；當發(fā)"0"碼時，仍然不發(fā)送電流。

d)雙極性歸零碼，其中"1"碼發(fā)正的窄脈沖，"0"碼發(fā)負的窄脈沖，兩個碼元的時間間隔可以大于每一個窄脈沖的寬度，取樣時間是對準脈沖的中心。

(2)歸零碼和不歸零碼、單極性碼和雙極性碼的特點

不歸零碼在傳輸中難以確定一位的結束和另一位的開始，需要用某種方法使發(fā)送器和接收器之間進行定時或同步；歸零碼的脈沖較窄，根據(jù)脈沖寬度與傳輸頻帶寬度成反比的關系，因而歸零碼在信道上占用的頻帶較寬。

單極性碼會積累直流分量，這樣就不能使變壓器在數(shù)據(jù)通信設備和所處環(huán)境之間提供良好絕緣的交流耦合，直流分量還會損壞連接點的表面電鍍層；雙極性碼的直流分量大大減少，這對數(shù)據(jù)傳輸是很有利的。

(3)同步過程

1)位同步

位同步又稱同步傳輸，它是使接收端對每一位數(shù)據(jù)都要和發(fā)送端保持同步。實現(xiàn)位同步的方法可分為外同步法和自同步法兩種。

在外同步法中，接收端的同步信號事先由發(fā)送端送來，而不是自己產(chǎn)生也不是從信號中提取出來。即在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，發(fā)送端先向接收端發(fā)出一串同步時鐘脈沖，接收端按照這一時鐘脈沖頻率和時序鎖定接收端的接收頻率，以便在接收數(shù)據(jù)的過程中始終與發(fā)送端保持同步。

自同步法是指能從數(shù)據(jù)信號波形中提取同步信號的方法。典型例子就是著名的曼徹斯特編碼，常用于局域網(wǎng)傳輸。在曼徹斯特編碼中，每一位的中間有一跳變，位中間的跳變既作時鐘信號，又作數(shù)據(jù)信號；從高到低跳變表示"1"，從低到高跳變表示"0"。還有一種是差分曼徹斯特編碼，每位中間的跳變僅提供時鐘定時，而用每位開始時有無跳變表示"0"或"1"，有跳變?yōu)?quot;0"，無跳變?yōu)?quot;1"。

圖3  數(shù)字信號的同步編碼

兩種曼徹斯特編碼是將時鐘和數(shù)據(jù)包含在數(shù)據(jù)流中，在傳輸代碼信息的同時，也將時鐘同步信號一起傳輸?shù)綄Ψ剑课痪幋a中有一跳變，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干擾性能。但每一個碼元都被調(diào)成兩個電平，所以數(shù)據(jù)傳輸速率只有調(diào)制速率的1/2。

2)群同步

在數(shù)據(jù)通信中，群同步又稱異步傳輸。是指傳輸?shù)男畔⒈环殖扇舾?ldquo;群”。數(shù)據(jù)傳輸過程中，字符可順序出現(xiàn)在比特流中，字符間的間隔時間是任意的，但字符內(nèi)各個比特用固定的時鐘頻率傳輸。字符間的異步定時與字符內(nèi)各個比特間的同步定時，是群同步即異步傳輸?shù)奶卣鳌?/p>

群同步是靠起始和停止位來實現(xiàn)字符定界及字符內(nèi)比特同步的。起始位指示字符的開始，并啟動接收端對字符中比特的同步；而停止位則是作為字符間的間隔位設置的，沒有停止位，下一字符的起始位下降沿便可能丟失。

群同步傳輸每個字符由四部組成：

1)1位起始位，以邏輯"0"表示；

2)5～8位數(shù)據(jù)位，即要傳輸?shù)淖址麅?nèi)容；

3)1位奇偶校驗位，用于檢錯；

4)1～2位停止位，以邏輯"1"表示,用作字符間的間隔。

圖4 群同步的字符格式

3、 模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼

(1)脈碼調(diào)制PCM。

脈碼調(diào)制是以采樣定理為基礎，對連續(xù)變化的模擬信號進行周期性采樣，利用≥有效信號最高頻率或其帶寬２倍的采樣頻率，通過低通濾波器從這些采樣中重新構造出原始信號。

采樣定理表達公式:

　　　　　　　Fs(=1/Ts)≥2Fmax或Fs≥2Bs

式中　Ts為采樣周期
　　　　　Fs為采樣頻率
　　　　　Fmax為原始信號的最高頻率
　　　　　Bs(=Fmax-Fmin)為原始信號的帶寬

(2)模擬信號數(shù)字化的三步驟

1)采樣，以采樣頻率Fs把模擬信號的值采出；

2)量化，使連續(xù)模擬信號變?yōu)闀r間軸上的離散值；

3)編碼，將離散值變成一定位數(shù)的二進制數(shù)碼。

圖5  脈碼調(diào)制(PCM)原理

4、多路復用技術

多路復用技術就是把許多個單個信號在一個信道上同時傳輸?shù)募夹g。頻分多路復用FDM和時分多路復用TDM是兩種最常用的多路復用技術。

(1)頻分多路復用 FDM技術原理

在物理信道的可用帶寬超過單個原始信號所需帶寬情況下，可將該物理信道的總帶寬分割成若干個與傳輸單個信號帶寬相同(或略寬)的子信道，每個子信道傳輸一路信號，這就是步分多路復用。

多路原始信號在步分復用前，先要通過頻譜搬移技術將各路信號的頻譜搬移到物理信道頻譜的不同段上，使各信號的帶寬不相互重疊，然后用不同的頻率調(diào)制每一個信號，每個信號要一個樣以它的載波頻率為中心的一定帶寬的通道。為了防止互相干擾，使用保護帶來隔離每一個通道。

(a)頻分多路復用

(b)時分多路復用

圖2.12  頻分多路復用與時分多路復用

(2)時分多路復用 TDM技術原理

若媒體能達到的位傳輸速率超過傳輸數(shù)據(jù)所需的數(shù)據(jù)傳輸速率，可采用時分多路復用 TDM技術，即將一條物理信道按時間分成若干個時間片輪流地分配給多個信號使用。每一時間片由復用的一個信號占用，這樣，利用每個信號在時間上的交叉，就可以在一條物理信道上傳輸多個數(shù)字信號。

時分多路復用 TDM不僅局限于傳輸數(shù)字信號，也可同時交叉?zhèn)鬏斈M信號。

(3)T1載波與E1載波的幀結構

1)T1載波

Bell系統(tǒng)的T1載波利用脈碼調(diào)制PCM和時分TDM技術，使24路采樣聲音信號復用一個通道。每一個幀包含 193位，每一幀用 125us時間傳送。T1系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率為1.544Mbps。

圖2.13  T1載波幀結構

2)E1載波

CCITT建議了一種2.048Mbps速率的 PCM載波標準，稱為E1載波(歐洲標準)。它每一幀開始處有8位同步作用，中間有8位作用信令，在組織30路8位數(shù)據(jù)，全幀包括256位，每一幀用 125us時間傳送。可計算出E1系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率為256位/125us=2.048Mbps。

5、 異步傳輸和同步傳輸

(1)異步傳輸方式中，一次只傳輸一個字符。每個字符用一位起始位引導、一位停止位結束。在沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時，發(fā)送方可發(fā)送連續(xù)的停止位。接收方根據(jù)"1"至"0"的跳變來判斷一個新字符的開始,然后接收字符中的所有位。

(2)同步傳輸時，為使接收雙方能判別數(shù)據(jù)塊的開始和結束，還需要在每個數(shù)據(jù)塊的開始處和結束處各加一個幀頭和一個幀尾，加有幀頭、幀尾的數(shù)據(jù)稱為一幀。