数字数据的数字信息编码

2023-10-22 理论教育版权反馈

【摘要】：对于数字信号来说，最常用的方法是用不同的电压电平表示两个二进制数字，即数字信号由矩形脉冲组成（方波）。①单极性归零码：以无电压表示数字“0”，以恒定的正电压表示数字“1”。局域网中的数据通信常使用自同步码，典型代表是曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。

对于数字信号来说，最常用的方法是用不同的电压电平表示两个二进制数字，即数字信号由矩形脉冲组成（方波）。在基带数字通信系统中，信道编码器输出的代码还需要经过码形变换，变为适合传输的码形。常用的编码方式有不归零/归零编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码、4B/5B、8B/10B等编码方式。

1.不归零码与归零码

根据信号编码时是否归零，可以将编码方式分为不归零码（Non—Return to Zero，NRZ）和归零码（Return to Zero，RZ），同时每种编码方式都有“单极性”和“双极性”两种方式。单极性是指用正脉冲和零分别代表数字“1”和“0”，没有负脉冲；双极性是指用正脉冲和负脉冲分别代表数字“1”和“0”。

（1）不归零码（NRZ）。

不归零码是指编码在发送“0”或“1”时，在一码元的时间内不会返回初始状态（零）。当连续发送“1”或者“0”时，上一码元与下一码元之间没有间隙，使接收方和发送方无法保持同步。为了保证收、发双方同步，往往在发送不归零码的同时，还要用另一个信道同时发送同步时钟信号。计算机串口与调制解调器之间采用的是不归零码。

不归零码NRZ又可分为单极性不归零码和双极性不归零码。

①单极性不归零码：在每一码元时间内，无电压表示数字“0”，而有恒定的正电压表示数字“1”。每个码元的中心是取样时间，即判决门限为0.5，0.5以下为“0”，0.5以上为“1”。

②双极性不归零码：在每一码元时间内，以恒定的负电压表示数字“0”，以恒定的正电压表示数字“1”。判决门限为零电平，0以下为“0”，0以上为“1”，如图2—27所示。

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图2—27　不归零编码

（2）归零码（RZ）。

归零码是指编码在发送“0”或“1”时，在一码元的时间内会返回初始状态（零）。归零码可分为单极性归零码和双极性归零码。

①单极性归零码：以无电压表示数字“0”，以恒定的正电压表示数字“1”。与单极性不归零码的区别是“1”码发送的是窄脉冲，发完后归到零电平。

②双极性归零码：以恒定的负电压表示数字“0”，以恒定的正电压表示数字“1”。与双极性不归零码的区别是两种信号波形发送的都是窄脉冲，发完后归到零电平，如图2—28所示。

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图2—28　归零编码

2.曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码(www.chuimin.cn)

曼彻斯特编码（Manchester Encoding）也称为自同步码（Self-Synchronizing Code）。自同步码是指编码在传输信息的同时，将时钟同步信号也一起传输过去。这样，在数据传输的同时就不必通过其他信道发送同步信号。局域网中的数据通信常使用自同步码，典型代表是曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。

在曼彻斯特编码方式中，每一位的中间都有一个跳变。位中间的跳变既作为时钟，又作为数据；从高电平到低电平的跳变表示“1”，从低电平到高电平的跳变表示“0”。由于跳变都发生在每一个码元的中间位置（半个周期），接收端可以方便地利用它作为同步时钟，因此这种曼彻斯特编码又称为“自同步曼彻斯特编码”。

差分曼彻斯特（Different Manchester）编码是曼彻斯特编码的一种修改形式，其不同之处是用每一位的起始处有无跳变来表示“0”和“1”。在起始处与前一个码元比较，若有跳变则为“0”，若无跳变则为“1”。而每一位中间的跳变只用作同步的时钟信号，所以它也是一种自同步编码，如图2—29所示。

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图2—29　曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码

3.4B/5B编码与8B/10B编码

与电压调制（即以信号电压的高低来控制线路上数字信号的产生）方式不同，光纤通信中采用强度调制的方式控制信号的产生（强度即光强，是指单位面积上的光功率），其原理是以电信号来控制发光器的工作电流，从而控制发光器的输出功率，使之随信号电流成线性变化，在线路上通过光信号的有无表示数字信号的“1”和“0”。

在光纤分布式数据接口（Fiber Distributed Data Interface，FDDI）中采用的mB/nB码是分组码的一种，它将原始码流以m个比特一组，根据一定的规则变为九个比特（n＞m）一组的码组输出。优点是加入冗余信息，可用于误码监测，定时信息丰富，且频率特性好；缺点是不利于插入辅助通信信息。

4B/5B编码的特点是将要发送的数据流每4位作为一组，然后按照4B/5B编码规则将其转换为相应的5位码。5位码共有32种组合，但只采用24种（要求每个5位码中不含多于3个“0”，或者不会少于2个“1”），其中16种对应4位码的16种状态，8种用作控制码，以表示帧的开始和结束、光纤线路状态（静止、空闲、暂停）等，如图2—30所示。

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图2—30　4B/5B传输方式

在4B/5B编码中将5位码组转换成电信号的波形采用了NRZI（Non—Return—to—Zero Inverted，反向不归零码）的编码方式。NRZI编码中，在每个比特“1”的开始处都有电平跳变，每个比特“0”的开始处电平没有跳变（在USB的应用中，跳变方式与之相反）。

曼彻斯特编码也可以看成是mB/nB编码的一个特例，其中m=1，n=2，它将“0”实际转换为“01”（低电平到高电平），将“1”转换成“10”（高电平到低电平），如图2—31所示。其码元速率是传输速率的两倍，编码效率为50%。而4B/5B编码中是将4位比特数据转换为5位码组，因此编码效率为80%，编码效率大大提高。

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图2—31　4B/5B及装换的NRZI波形

8B/10B编码与4B/5B的概念类似，在千兆以太网中就采用了8B/10B的编码方式，如Fiber Channel（光纤通道）、USB3.0、PCI Express、Rapid I/O等总线或网络。另外，在万兆以太网中用的是64B/66B编码。

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