数据的传输和处理二进制数字信息编码方案|PCM编码调制技术

2025-09-30 理论教育版权反馈

【摘要】：编码是将数据表示成适当的信号形式，以便数据的传输和处理。数据编码是指二进制数字信息在传输过程中所釆用的编码方式，即如何表示0、如何表示1。表示二进制数字的码元的形式不同，便产生出不同的编码方案，如图1-23所示为数据编码示意图。对模拟数据的数字信号编码常用的是脉冲编码调制技术。在发送端通过PCM编码器将语音数据变换为数字化的语音信号，通过通信信道传送到接收方，接收方再通过PCM解码器还原成模拟语音信号。

编码是将数据表示成适当的信号形式，以便数据的传输和处理。数据编码是指二进制数字信息在传输过程中所釆用的编码方式，即如何表示0、如何表示1。也就是将计算机的0和1转换为某种实际物理的信号表现形式，如电脉冲、光脉冲或电磁脉冲等。每个脉冲代表一个离散的信号单元，也称码元。表示二进制数字的码元的形式不同，便产生出不同的编码方案，如图1-23所示为数据编码示意图。

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图1-23　数据编码示意图

1.数字数据的数字信号编码

数字数据转换成数字信号，最简单的方法就是用两种不同的电平脉冲序列来表示，如高电平为1，低电平为0。有时为了使信号具有一些有用的特点，如消除直流分量、便于提取时钟等，需要使用一些特殊的码型。常用的数字数据编码有3种：不归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码，如图1-24所示。

（1）不归零码

在不归零码（Non Return to Zero，NRZ）中，高电平表示1，低电平表示0。该编码方式的特点是：无法判断一位的开始与结束，数据的收发双方不易保持同步；如果信号中1与0的个数不相等，就会产生直流分量，不利于数据的传输。

（2）曼彻斯特编码

曼彻斯特（Manchester）编码是目前应用得最广泛的编码方法之一。其特点是每一位二进制信号的中间都有跳变：从高电平跳变到低电平为1，从低电平跳变到高电平为0。

曼彻斯特编码的优点是能实现信息的自同步，它既包括数据信息，也具有时钟信息。其缺点是系统开销将会加倍。

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图1-24　数字数据编码示意图

（3）差分曼彻斯特编码

差分曼彻斯特（Difference Manchester）编码是对曼彻斯特编码的改进。其特点是每一位二进制信号的跳变依然提供收发端间的同步，但每位二进制数据的取值，区分0和1是在相邻码元的边界，码元开始处跳变表示0，无跳变表示1，即发送1时，间隔开始时刻电平不跳变，发送0时，间隔开始时刻电平会跳变。这种编码方式主要应用在令牌环网中。

2.模拟数据的数字信号编码

由于数字信号传输的质量好、价格低、便于数据的交换和处理，通常需要把模拟信号转换成数字信号来传输。对模拟数据的数字信号编码常用的是脉冲编码调制技术（Pulse Code Modulation，PCM）。

PCM基于的采样定理是：如果在规定时间间隔内，以有效信号f（t）最高频率的两倍或两倍以上的速率对信号进行采样，则这些采样值包含便于分离的全部原始信号信息，当需要时可不失真地从这些采样值中重新构造出有效信号f（t）。PCM技术的典型应用是语音数字化。在发送端通过PCM编码器将语音数据变换为数字化的语音信号，通过通信信道传送到接收方，接收方再通过PCM解码器还原成模拟语音信号。PCM的工作过程分为采样、量化和编码3个步骤。(https://www.chuimin.cn)

（1）釆样。模拟信号数字化的第一步是在时间上对信号进行离散化处理，即将时间上连续的信号处理成时间上离散的信号，这一过程称为采样，如图1-25所示。

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图1-25　脉冲编码调制信号采样示意图

（2）量化。量化就是把信号在幅度域上连续取值变换为幅度域上离散取值的过程。量化是一个近似表示的过程，即用有限个数值的离散信号近似表示无限个取值的模拟信号，量化级次则取决于系统的精度要求。脉冲编码调制信号量化示意图如图1-26所示。

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图1-26　脉冲编码调制信号量化示意图

（3）编码。最后将量化后的采样样本电平对应成相应的二进制数值，如8bit就是使其在256种状态中取值。

3.数字数据的模拟信号编码

将基带数字信号的频谱变换成适合在模拟信道中传输的频谱，一般通过以下3种不同载波特性的调制方法对数字数据进行调制，分别是调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM），如图1-27所示。

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图1-27　基带信号的调制方式

（1）调幅。调幅方式也称移幅键控（Amplitude Shift Keying，ASK），即载波的振幅随基带数字信号而变化。用两种不同的幅度来表示二进制的1和0，通常1对应有载波输出，0对应无载波输出。调幅方式的特点是实现容易、设备简单，但抗干扰能力差。

（2）调频。调频方式也称移频键控（Frequency Shift Keying，PSK），即载波频率随基带数字信号而变化。它是用载波信号的两种不同频率来表示二进制的1和0。调频方式的特点是实现简单，抗干扰能力优于调幅方式，广泛应用于高频的无线电传输，甚至也能应用于较高频率的局域网。

（3）调相。调相方式也称移相键控（Phase Shift Keying，PSK），即载波的初始相位随基带数字信号而变化。可用0对应于相位0°，1对应于相位180°。此外，还有相对移相键控（DPSK），即0对应于相位发生变化，而1对应于相位不变化。由于检测相位的变化要比检测相位本身的数值更加容易，因此DPSK具有更好的抗干扰性。

为达到更高的信息传输速率，常采用技术上更复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。

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