工业数据编码技术实践

2023-11-20 理论教育版权反馈

【摘要】：码元是传输数据的基本单位。分别用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0、1状态的，称为模拟数据编码；用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0、1状态的，称为数字数据编码。如果分别以这3个特征的不同作为不同数据的模拟编码依据，就出现了3种最常见的模拟编码方法。

计算机网络系统的通信任务是传送数据或数据化的信息。这些数据通常以离散的二进制0、1序列的方式表示。码元是传输数据的基本单位。在计算机网络通信中，传输的大多为二元码，它的每一位只能在1或0两个状态中取一个，每一位就是一个码元。

数据编码是指通信系统中以何种物理信号的形式来表达数据。分别用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0、1状态的，称为模拟数据编码；用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0、1状态的，称为数字数据编码。

采用数字数据编码，在基本不改变数据信号频率的情况下，直接传输数据信号的传输方式称为基带传输。基带传输可以达到较高的数据传输速率，是目前广泛应用的数据通信方式。

1.模拟数据编码

模拟数据编码采用模拟信号来表达数据的0、1状态。幅度、频率、相位是描述模拟信号的参数，可以通过改变这3个参数，实现模拟数据编码。幅度键控（Amplitude-Shift Ke-ying，ASK）、频移键控（Frequency-Shift Keying，FSK）、相移键控（Phase-Shift Keying，PSK）是模拟数据编码的3种编码方法。

公用电话通信信道是典型的模拟通信信道，它是专为传输语音信号设计的，只适用于传输音频（300～3400Hz）的模拟信号，无法直接传输数字信号，但可以通过调制和解调（频带传输）传送数字信号。模拟信道的数据传输结构如图2-2所示。

图2-2 模拟信道的数据传输结构

在传输中，通常采用信道允许的频带范围内某一频率的正（余）弦信号作为载波，调制时根据数据的不同改变信号的特征。如载波信号为u（t）=u_msin（ωt+φ），其信号特征包括振幅（u_m）、频率（ω）和相角（φ）。如果分别以这3个特征的不同作为不同数据的模拟编码依据，就出现了3种最常见的模拟编码方法。

（1）幅度键控

在幅度键控中，两个二进制数值分别用两个不同振幅的载波信号表示。通常用有载波信号表示“1”，用无载波信号或载波信号振幅为零表示“0”，如图2-3a所示。具体表示为

幅度键控实现容易，技术简单，但采用电信号传输时，抗电磁干扰能力较差，调制效率低。光纤介质上常采用ASK编码方法。

（2）频移键控

在移频键控中，两个二进制数值分别用两个不同频率的载波信号表示，如图2-3b所示，具体表示为

频移键控实现容易，技术简单，抗电磁干扰能力强，是最常用的调制方式。

（3）相移键控

在相移键控中，用载波信号的相位偏移表示数据。相移键控可分为绝对移相键控和相对移相键控两种，最简单的绝对移相键控——二相位PSK如图2-3c所示，具体表示为

图2-3 模拟数据编码

a）幅度键控 b）频移键控 c）相移键控

2.单极性码

信号电平是单极性的，如逻辑“1”用高电平表示，逻辑“0”用零电平表示的信号表达方式称为单极性码，如图2-4和图2-5所示。

3.双极性码(www.chuimin.cn)

信号电平为正、负两种极性的，如逻辑“1”用正电平表示，逻辑“0”用负电平表示的信号表达方式称为双极性码，如图2-6和图2-7所示。

图2-4 单极性非归零码

图2-5 单极性归零码

4.归零码（RZ）

在每一位二进制信息传输之后均返回到零电平的编码称为归零码。例如，其逻辑“1”只在该码元时间中的某段（如码元时间的一半）维持高电平后就回复到低电平，如图2-5和图2-7所示。

5.非归零码（NRZ）

在整个码元时间内维持有效电平称为非归零码，如图2-4和图2-6所示。

图2-6 双极性非归零码

图2-7 双极性归零码

6.差分码

用电平的变化与否来代表逻辑“1”和“0”，电平变化代表“1”，不变化代表“0”，按此规定的码称为差分码。根据初始状态为高电平或低电平，差分码有两种波形（相位恰好相反）。显然，差分码不可能是归零码，其波形如图2-8所示。

差分码可以通过一个JK触发器来实现。当计算机输出为“1”时，JK端均为“1”，时钟脉冲使触发器翻转；当计算机输出为“0”时，JK端均为“0”，触发器状态不变，实现了差分码。

根据信息传输方式，还可分为平衡传输和非平衡传输。平衡传输指无论“0”或“1”都是传输格式的一部分；而在非平衡传输中，只有“1”被传输，“0”则以在指定的时刻没有脉冲来表示。

图2-8 差分码

7.曼彻斯特编码（Manchester Encoding）

这是一种常用的基带信号编码。它具有内在的时钟信息，因而能使网络上的每一个系统保持同步。在曼彻斯特编码中，时间被划分为等间隔的小段，其中每小段代表一个比特。每一小段时间本身又分为两半，前半个时间段所传信号是该时间段传送比特值的反码，后半个时间段传送的是比特值本身。可见在一个时间段内，其中间点总有一次信号电平的变化。因此，携带有信号传送的同步信息而不需另外传送同步信号。

曼彻斯特编码过程与波形如图2-9所示。由频谱分析理论可知，理想的方波信号包含从零到无限高的频率成分，由于传输线中不可避免地存在分布电容，故允许传输的带宽是有限的，所以要求波形完全不失真的传输是不可能的。为了与线路传输特性匹配，除很近距离传输外，一般可用低通滤波器将图2-9中的矩形波整形成为变换点比较圆滑的基带信号；在接收端，则在每个码元的最大值（中心点）处取样复原。

图2-9 曼彻斯特编码过程与波形

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