信號編碼技術(shù)

1、無線局域網(wǎng)技術(shù)講義無線局域網(wǎng)技術(shù)講義第三講 信號編碼技術(shù)【回顧】 上次課我們主要學習了，無線傳輸介質(zhì)中的無線電波、微波、光波以及紅外線等，并且同學對各傳輸介質(zhì)的特性做了詳細介紹，同時我們信號的傳輸問題，一塊學習全向天線和有向天線。另外，只要我們的天線進行電磁能的轉(zhuǎn)換，只要經(jīng)信息的發(fā)送和接受，就會出現(xiàn)信號的衰減，在不能的移動環(huán)境中，信號的電磁能的衰減是有所不同的。 為了能夠更好的保證數(shù)據(jù)的傳輸，我們必須對多數(shù)據(jù)進行處理。例如，古代人利用點燃烽火臺而產(chǎn)生的滾滾狼煙，向遠方軍隊傳遞敵人入侵的消息，這屬于光信號；當我們說話時，聲波傳遞到他人的耳朵，使他人了解我們的意圖，這屬于聲信號；遨游太空的各種無線

2、電波、四通八達的電話網(wǎng)中的電流等，都可以用來向遠方表達各種消息，這屬電信號。人們通過對光、聲、電信號進行接收，才知道對方要表達的消息。那么我們說的信號是指什么呢？信號是運載消息的工具，是消息的載體。從廣義上講，它包含光信號、聲信號和電信號等?！局R點1】信號編碼方案模擬信號是傳播能量的一種形式，它指的是在時間上連續(xù)的(不間斷)，數(shù)值幅度大小也是連續(xù)不問斷變化的信號(傳統(tǒng)的音頻信號、視頻信號)。如聲波使它經(jīng)過的媒體產(chǎn)生振動，可以以頻率(以每秒的周期數(shù)或赫茲(Hz)為單位)測量聲波。通過將二進制數(shù)表示為電脈沖(其中每個脈沖是一個信號元素)使數(shù)字信號通過媒體傳輸。線路上的電壓在高低狀態(tài)之間變化。例如

3、，可以采用高電平傳輸二進制的1，采用低電平傳輸二進制的0。帶寬是指每秒通過鏈路傳輸位數(shù)的術(shù)語。 圖s-3描述了模擬和數(shù)字信號，其中模擬信號與數(shù)字信號等效。 在長距離傳輸時，信號由于衰減、噪聲和導線束中其他導線的干擾而退化。模擬信號可以周期性地加以放大，但是如果信號受到噪聲破壞，則放大的是失真信號。相比而言，由于可以很容易地從噪聲中提取數(shù)字信號并重發(fā)，所以長距離傳輸數(shù)字信號更可靠。數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸利用PCM數(shù)字信道傳輸數(shù)據(jù)信號，首先要解決的問題是數(shù)據(jù)信號如何進入PCM話 路的問題。主要通過兩種方式：同步方式和異步方式。 同步方式利用PCM數(shù)字信道傳輸數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)信號與數(shù)字端局的時鐘是同步的，這時，

4、數(shù)據(jù)終端輸出的數(shù)據(jù)信號是受PCM信道時鐘控制的，因此只需對數(shù)據(jù)信號進行多路化處理即可。這里數(shù)據(jù)終端設(shè)備處于受控制的從屬地位，因此靈活性差。 如果數(shù)據(jù)信號與數(shù)據(jù)端局時鐘是異步的，這時數(shù)據(jù)信號可采用填充方式復用到64kbit/s的集合信號，這就是異步方式。 如上所述，數(shù)字數(shù)據(jù)借助于電脈沖傳輸。一一對應使用單脈沖表示一個位。它的效率是非常低的，因此已經(jīng)開發(fā)了多種編碼方案以使用電脈沖更高效地傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)。結(jié)果大大提高了吞吐量。 這與使用旗語發(fā)送消息的情況相類似。比如說“信號旗升起”表示1，“信號旗降下”表示O。一種更有效的編碼方案是“只在出現(xiàn)二進制1時升起或降下信號旗”。例如，如果信號旗已經(jīng)舉起，則把

5、它降下來。不管信號旗是舉起還是降下，它的運動才是指示器。這種方法還需要某種類型的定時(例如，每秒發(fā)送一位)。因此，在第一秒，信號旗升起 圖S-3 AM和FM對數(shù)字信號的表達 (假設(shè)它原來是降下的)以表示1。然后再維持升起兩秒鐘(兩個為0的位)，然后在第四秒降下以表示改變到為1的位。 對于數(shù)字設(shè)備，接收器必須具有某種方法能夠知道數(shù)據(jù)流中字節(jié)的起始和結(jié)束。在異步通信中，字節(jié)邊界由起始和停止位指示。在同步通信中，定時機制幫助發(fā)送器和接收器處于同步狀態(tài)。同步信號可以占有一個單獨的信道，但更經(jīng)常的是直接集成到信號中。 下面介紹幾種信令和編碼方案并以圖S-4說明。圖中示出的是0100110001位序列。目

6、的是傳盡可能多的信號，使用低電平以減少長距離衰減的影響，并在信號中直接提供同步機制。前幾個例子表示基本的信號，但很少在實際中應用。 單極性 單極性碼有電壓表示1，無電壓表示O。沒有特殊的編碼。單極性碼會累積直流分量。 雙極性 雙極性碼中正電壓表示1，負電壓表示0。該方案降低了功率要求并減小了高電平衰減。雙極性碼的直流分量則大大減少,從而有利于傳輸。 RZ (歸零制) 歸零碼的電壓狀態(tài)在某個信號狀態(tài)后返回到零。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(guān)系，因而歸零碼在信道上占用的頻帶較寬。 圖S-4數(shù)字信號編碼方案 NRZI(按1反相不歸零制) NRZI編碼中不論電平是高還是低，都不

7、代表二進制的1和0。而是電壓變化表示二進制的1。如果沒有電壓變化，則下一位是0；如果有電壓變化，則下一位是1。不歸零碼在傳輸中難以確定一位的結(jié)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。NRZI用于較慢的RS232串行通信和硬盤驅(qū)動器上的數(shù)據(jù)存儲中。在同步鏈路上，長串的連續(xù)位(可能數(shù)千個0)會出現(xiàn)問題。接收器可能會失去同步，不能檢測到連續(xù)串中0的正確個數(shù)。另一問題是長串的0表現(xiàn)為直流，它不能通過某些電氣部件。Manchester編碼和其他方案通過增加時鐘信號解決了這些問題。 Manchester(曼徹斯特) 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

8、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。這給接收器提供了可以與之保持同步的定時信號。曼徹斯特編碼常用在LAN上。 【核心知識點】信號編碼技術(shù)數(shù)據(jù)、信號和傳輸?shù)哪M與數(shù)字之分1、 模擬(analog)和數(shù)字(digital)大致分別與連續(xù)(continuous)和離散(discrete)相對應 。數(shù)據(jù)、信號和傳輸經(jīng)常使用這兩個術(shù)語。2、 數(shù)據(jù)(data)定義為傳達某種意義或信息的實體3、 信號(signal)是數(shù)據(jù)的電氣或電磁表示 4、 傳輸(transmission)是通過信號的傳播和處理進行數(shù)據(jù)通信的過程話音和音樂的聲音頻譜 模擬信號和數(shù)字信號1、數(shù)據(jù)以電磁信號的方式從一點

9、傳播至另一點2、模擬信號(analog signal)就是一個連續(xù)變化的電磁波，根據(jù)它的頻率可以在多種類型的媒體上傳播。如銅線媒體、光纖、無線空間3、 數(shù)字信號(digital signal)是一個電壓脈沖序列，這些電壓脈沖可以在銅線媒體上傳輸，不適宜直接在無線媒介中傳播。 數(shù)字信號的優(yōu)缺點 擴頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在接收端則用同樣的碼進行相關(guān)同步接收、解擴及恢復所傳信息數(shù)據(jù)。v 優(yōu)點：通常比使用模擬信號便宜，且較少受噪聲的干擾。v 缺點：比模擬信

10、號的衰減要嚴重 模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號和數(shù)字信號 數(shù)據(jù)的信號表示1、 數(shù)字數(shù)據(jù)，數(shù)字信號：比起將數(shù)字數(shù)據(jù)編碼為模擬信號的設(shè)備來，將數(shù)字數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號的設(shè)備不那么復雜且不昂貴。2、 模擬數(shù)據(jù)，數(shù)字信號：將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式允許對模擬數(shù)據(jù)使用現(xiàn)代數(shù)字傳輸和交換設(shè)備。3、 數(shù)字數(shù)據(jù)，模擬信號：有些傳輸媒體，例如光纖和衛(wèi)星只傳輸模擬信號。4、 模擬數(shù)據(jù)，模擬信號：模擬數(shù)據(jù)很容易被轉(zhuǎn)換為模擬信號。 數(shù)據(jù)和信號【信號編碼準則】v 對任一給定的通信任務來說，選擇一種特定的組合的理由是不同的，而后3種技術(shù)與無線通信密切相關(guān)，因為無線傳輸系統(tǒng)主要是采用模擬載波信號進行傳輸。v 數(shù)字到模擬：數(shù)字數(shù)據(jù)

11、和數(shù)字信號必須轉(zhuǎn)換成模擬信號進行無線傳輸。v 模擬到模擬：基帶模擬信號，諸如話音或視頻，通常都必須調(diào)制到高頻的載波上進行傳輸。 v 模擬到數(shù)字：先于傳輸之前，通常將話音數(shù)字化后再在導向的或非導向的媒體上傳輸，這樣可以改進傳輸質(zhì)量并可利用TDM方式。對于無線傳輸來說，結(jié)果得到的數(shù)字信號必須調(diào)制到一個模擬載波上。 數(shù)據(jù)傳輸術(shù)語 數(shù)字數(shù)據(jù)與模擬信號v 最常用的應用是通過公用電話網(wǎng)傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)。v 電話網(wǎng)并不適用于處理來自用戶端的數(shù)字信號。v 數(shù)字設(shè)備通過調(diào)制解調(diào)器與網(wǎng)絡相連，調(diào)制解調(diào)器將數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號，或?qū)⒛M信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字數(shù)據(jù)。v 調(diào)制技術(shù)涉及對載波信號的3個特性(振幅、頻率和相位)中的一

12、個或多個特性的操作:幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK) 數(shù)字數(shù)據(jù)調(diào)制為模擬信號 模擬數(shù)據(jù)與模擬信號v 當數(shù)據(jù)已經(jīng)是模擬形式時，調(diào)制的主要原因有兩個：(1)為了實現(xiàn)有效的傳輸，可能需要較高的頻率。對于無導向傳輸，實際上是不可能直接傳輸基帶信號的,需要使用的天線直徑為幾千米。(2)調(diào)制允許使用頻分復用技術(shù)，可以提高信道的利用率。v 模擬數(shù)據(jù)的調(diào)制技術(shù)：調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)和調(diào)相(PM)。 擴頻技術(shù)擴頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在

13、接收端則用同樣的碼進行相關(guān)同步接收、解擴及恢復所傳信息數(shù)據(jù)。擴頻技術(shù)最初是針對軍事和情報部門的需求而開發(fā)的。 基本思想是將攜帶信息的信號擴展到較寬的帶寬中，以加大干擾和竊聽的難度。 第一種擴頻技術(shù)稱為跳頻(frequency hopping)，更新的一種技術(shù)是直接序列(direct sequence)。擴頻數(shù)字通信系統(tǒng)的一般模型 跳頻擴頻在跳頻擴頻(frequency hopping spread spectrum，F(xiàn)HSS)中，信號用看似隨機的無線電頻率序列進行廣播，并在固定間隔里從一個頻率跳到另一個頻率。而接收器在接收消息時，也和發(fā)送器同步地從一個頻率跳到另一個頻率。這樣一來，原本打算竊聽的人聽到的只是無法識別的嘩嘩聲，即使試圖在某一頻率上干擾，也只能抹去信號中很少的幾個位。 直接序列擴頻直接序列擴頻(direct sequence spread spectrum，DSSS)，原始信號中的每一個位在傳輸信號中以多個位表示，此技術(shù)使用了擴展編碼(spreading code)。這種擴展編碼將信號擴展到更寬的頻帶范圍上，而這個頻帶范圍與使用的位數(shù)成正比。因此，一個10位的擴展編碼能夠在一個頻帶上將信號擴展至比1位擴展編碼大10倍的帶寬。碼分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)是一種基于DSSS的具有擴頻功能的多路技術(shù)。 差錯控制技術(shù)無