數(shù)據(jù)編碼技術(shù)

在數(shù)據(jù)通信中，根據(jù)通信介質(zhì)的不同，在信道上傳輸?shù)男盘?hào)有數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)之分。在發(fā)送端，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)首先需要由編碼器進(jìn)行編碼，編碼器將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可在數(shù)字信道上傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào).如果是在模擬信道上傳輸，再由調(diào)制器將數(shù)字信號(hào)調(diào)制成可在模擬信道上傳輸?shù)哪M信號(hào)。在接收端，進(jìn)行反向操作，即模擬信號(hào)的解調(diào)(解調(diào)器)和數(shù)字信號(hào)的解碼(解碼器)，最后還原為原有的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

總之，信源產(chǎn)生的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)不是直接傳輸?shù)?，需要?jīng)過編碼等加工過程的處理。

1.編碼技術(shù)

編碼技術(shù)，即通過一些方式把數(shù)碼進(jìn)行變換，得到另外一組適于傳輸?shù)臄?shù)碼，或者用其他一些數(shù)碼對(duì)原來的數(shù)碼進(jìn)行監(jiān)測，以保證其在傳輸過程中不被誤判。

在編碼技術(shù)里，編碼種類可有以下幾種：

(1)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)~數(shù)字信號(hào)編碼:如在局域網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)站建設(shè)通信，計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)卡直接與通信介質(zhì)同軸龜纜或雙紋線連接，其信道是數(shù)字信道.網(wǎng)卡就具有數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼生成數(shù)字信號(hào)的功能。

(2)模擬數(shù)據(jù)~數(shù)宇信號(hào)編碼:如在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中語音聊天數(shù)據(jù)傳輸，其產(chǎn)生的語音模擬數(shù)據(jù)需要經(jīng)過編碼/解碼器對(duì)語音數(shù)據(jù)采樣處理形成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸。

(3)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)一模擬信號(hào)編碼:如通過電話撥號(hào)上網(wǎng)的應(yīng)用，計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過模擬傳輸系統(tǒng)的電話網(wǎng)傳輸，兩端均需要調(diào)制/解調(diào)器將數(shù)字信號(hào)調(diào)制成模擬信號(hào)或?qū)⒛M信號(hào)解調(diào)為數(shù)字信號(hào)的處理。

(4)模擬數(shù)據(jù)~模擬信號(hào)編碼:這種編碼技術(shù)一般用在電話通信系統(tǒng)中。

無論哪種編碼技術(shù)，在以數(shù)字網(wǎng)絡(luò)為發(fā)展方向的今天，數(shù)字傳輸技術(shù)是數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)。因此本節(jié)里所要介紹的內(nèi)容主要是數(shù)據(jù)通信中“數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)~數(shù)字信號(hào)”常見的數(shù)字編碼技術(shù)(有關(guān)模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼技術(shù)請(qǐng)參見第11章問題2-1的說明)。

2.二進(jìn)制編碼為什么還要采用“編碼技術(shù)”

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的存放形式雖然已是二進(jìn)制數(shù)字編碼，但在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸中，如何保證通信兩端的發(fā)送與接收同步，如何確保讀取信道上的二進(jìn)制編碼無誤等，以原有的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)是無法解決的，而采用編碼技術(shù)重新定義原有的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)卻是一種行之有效的辦法.數(shù)字編碼技術(shù)需要解決的基本間題有以下三種：

(1)在數(shù)據(jù)通信中，發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)與接收端接收數(shù)據(jù)二者同步控制的問題.為了實(shí)現(xiàn)兩端數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐娇刂?，需要在傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)中攜帶同步控制信息。

(2)信道通信能力有限的問題。需要采用質(zhì)量高的編碼技術(shù)，提高二進(jìn)制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸速率。

(3)信道抗干擾能力的問題。采用何種編碼技術(shù)來降低信道的誤碼率。

采用數(shù)據(jù)編碼技術(shù)的本質(zhì):就是對(duì)原有數(shù)字編碼的加工并加人同步信息，使之傳輸更快，不容易出錯(cuò)。

3.常用數(shù)字編碼技術(shù)

常用的數(shù)字編碼技術(shù)如圖2-3所示。

1)不歸零編碼(Non-Return to Zero Coding, NRZ)不歸零編碼就是用不同的電平信號(hào)表示二進(jìn)制代碼的0或1，并且這個(gè)電平信號(hào)要占滿整個(gè)碼元的寬度，中間不歸零.如用+5V表示1,OV表示0或用十5V表示1，一5V表示0。

注:碼元是數(shù)字信號(hào)的基本單位。在數(shù)字通信中常常用等量的時(shí)間間隔傳愉一位二進(jìn)制數(shù)字，這一等量的時(shí)間間隔信號(hào)稱為二進(jìn)制碼元。

不歸零編碼的主要缺點(diǎn):當(dāng)數(shù)據(jù)流中連續(xù)出現(xiàn)?；?時(shí)，接收端不容易分辨每個(gè)比特信號(hào)何時(shí)開始、何時(shí)結(jié)束，即不能從高低電平的矩形波中讀出正確的比特串。如發(fā)送端發(fā)送11011000的矩形波，若把發(fā)送比特持續(xù)時(shí)間縮短一半，接收端就會(huì)讀出111100111100000。的比特串。為了保證傳輸數(shù)據(jù)的正確，必須在發(fā)送NRZ碼的同時(shí)，用另一個(gè)信道同時(shí)傳送時(shí)鐘同步信號(hào)，見圖2-3的上端。

當(dāng)信號(hào)中的0和1個(gè)數(shù)不均勻時(shí)，這種編碼會(huì)產(chǎn)生直流分量的積累，導(dǎo)致信號(hào)失真與畸變，使傳輸?shù)目煽啃越档?因此，在局域網(wǎng)傳輸中很少采用這種編碼。

2)受徹斯特編碼(Manchester Coding)

曼徹斯特編碼自帶同步信號(hào)。在曼徹斯特編碼中每個(gè)比特持續(xù)時(shí)間分為兩半，在發(fā)送比特0時(shí)，信號(hào)位中間電平從低跳變到高;在發(fā)送比特1時(shí)，信號(hào)位中間電平從高跳變到低。由于電壓變化發(fā)生在每一個(gè)碼元的中間，即發(fā)送每個(gè)比特的持續(xù)時(shí)間中間必定有一次電平的跳變，接收方可以很方便地利用它作為同步時(shí)鐘。此外，曼徹斯特編碼雖不含直流分量，但編碼效率較低。因此，這種編碼也只用于10Mbps的局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸中。

3)差分曼徹斯特編碼(Differential Manchester Coding)

差分曼徹斯特編碼是受徹斯特編碼的改進(jìn)，即在信號(hào)位開始時(shí)不改變信號(hào)極性(沒有跳變)表示1;在信號(hào)位開始時(shí)改變信號(hào)極性(有跳變)表示0,受徹斯特和差分曼徹斯特的編碼原理基本相同。它們共同的特征是在傳輸每一個(gè)比特位中都帶有位同步時(shí)鐘，具有自同步能力和良好的抗干擾性能，彌補(bǔ)了不歸零缺陷。

二者區(qū)別在于:差分受徹斯特編碼在每個(gè)時(shí)鐘位即每個(gè)比特位中間都有一次跳變，專門用于同步控制，傳輸?shù)氖?還是。由在每個(gè)時(shí)鐘位的開始有無跳變來區(qū)分。因此，差分曼徹斯特編碼比受徹斯特編碼的變化相對(duì)要少，16Mbps的令牌環(huán)網(wǎng)就是采用這種差分曼徹斯特編碼。

然而，由于這兩種編碼的每一個(gè)比特都被轉(zhuǎn)換成兩個(gè)電平，所以，這兩種編碼的效率僅可達(dá)到50%左右，不宜在高速網(wǎng)中采用。

4) DNRZ編碼(Differential NRZ)

DNRZ碼是NRZ碼的一種改進(jìn)形式。它也是用信號(hào)的極性變化來表示1和0，一個(gè)比特位的起始處有跳變表示1，而無跳變表示。。DNRZ碼不僅保持了NRZ碼的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)提高了信號(hào)的抗干擾性和易同步性。而且DNRZ編碼中的碼元速率與編碼時(shí)鐘速率一致，具有很高的編碼效率，符合高速網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)編碼的要求。

5) 4B/5B編碼與8B/10B編碼

隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)特別是局域網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，在快速以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)中應(yīng)用光纖技術(shù)已成熟。由此，在光纖介質(zhì)中傳輸數(shù)據(jù)更多采用另一種編碼技術(shù)4B/5B編碼或8B/10B編碼。

4B/5B編碼:這種編碼技術(shù)的特點(diǎn)是將欲發(fā)送的比特流每4比特作為一個(gè)組，然后按照4B/5B編碼規(guī)則將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)5比特碼.轉(zhuǎn)換后的符號(hào)能保持線路的交流平衡，使傳輸中波形頻譜為最小。如FDDI,10OBase-TX和10OBase-FX局域網(wǎng)中就采用這種編碼技術(shù)。

8B/10B編碼:是將一組連續(xù)的8位比特流分解成兩組，一組3位，另一組5位，經(jīng)過編碼后分別成為一組4位的代碼和一組6位的代碼，從而組成一組10位的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。在千兆以太網(wǎng)中就采用BB/10B的編碼方式。