第4章 說說編碼

第4章

說說“編碼”

基本內(nèi)容◎了解通信系統(tǒng)的模型及各部分功能；◎了解聲音模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換；◎了解A/D,D/A轉(zhuǎn)換，PCM和線路編碼；

◎了解復(fù)用/解復(fù)用原理；◎掌握波特率，比特率的含義；◎了解幾種典型數(shù)據(jù)技術(shù)的數(shù)據(jù)格式（以太網(wǎng)幀，IP數(shù)據(jù)包，幀中繼，ATM信元，SDH）

◎數(shù)據(jù)包，幀和信元名稱的統(tǒng)一問題；◎圖像和視頻編碼。傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號(hào)接收的信號(hào)輸出數(shù)據(jù)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC機(jī)公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號(hào)模擬信號(hào)正文正文數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC機(jī)通信系統(tǒng)模型及功能調(diào)制解調(diào)器PC數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)輸入字符顯示字符PC數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器背面電話機(jī)電話線計(jì)算機(jī)接口通信系統(tǒng)模型及功能調(diào)制解調(diào)器作用：將話音、數(shù)據(jù)、視頻等信號(hào)復(fù)用后通過同一條電話線（或電纜、光纖）傳輸。復(fù)用原理：將電話線的頻帶劃分出話音通道和數(shù)據(jù)通道。電話線復(fù)用方式020kHz25kHz1.104MHz傳送300~3400Hz頻率的模擬語音信號(hào)上行信道：可傳768kbit/s數(shù)據(jù)下行信道：可傳6~8Mbit/s數(shù)據(jù)調(diào)制：將數(shù)據(jù)變?yōu)楦哳l已調(diào)信號(hào)；解調(diào)：從高頻信號(hào)中還原出數(shù)據(jù)。話音通道數(shù)據(jù)通道注：媒質(zhì)不同，復(fù)用方式可能不同。電話線是最常用的傳輸媒質(zhì)。調(diào)制解調(diào)器的產(chǎn)品類型：調(diào)制解調(diào)/路由器計(jì)算內(nèi)置調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器無線調(diào)制解調(diào)器USB無線調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器通信系統(tǒng)模型及功能信源信源編碼器信道編碼器傳輸媒介信道譯碼器信源譯碼器信宿噪聲信源：指人、生物、機(jī)器以及自然界一切其他事物；信源、信道編碼器：把存儲(chǔ)信息的“消息”變成信號(hào)的各種設(shè)施傳輸媒介：聲波，電磁波，光波，電纜，光纜，無線電波等；信道、信源譯碼器：將信號(hào)還原為自然界信息的各種設(shè)施；信宿：信息的目的地，接收方。從聲音到模擬信號(hào)思考：對(duì)于語音通信，如何將聲音變成電信號(hào)呢？貝爾發(fā)明的碳粒電話機(jī)可解決這一問題。目前使用的電話機(jī)原理相同。即把話筒內(nèi)振膜的振動(dòng)轉(zhuǎn)化成強(qiáng)弱不同的電流。電流即為模擬信號(hào)。“analog”即模擬之意。從物理學(xué)上來講，語音是一種電波。音量與壓力振動(dòng)的振幅和頻率有關(guān)。振動(dòng)越大，聲音越強(qiáng)。頻率變化越大，聲音越尖銳，能量越大。從聲音到模擬信號(hào)人的耳朵能聽到的聲音頻率范圍是20Hz～20kHz。實(shí)際上，3.4kHz即可理解信息，這也是電話線路的語音信號(hào)帶寬。在此范圍內(nèi)，頻率的提高意味著質(zhì)量的提高。帶寬越大，對(duì)傳遞信號(hào)的介質(zhì)要求越高。20Hz11KHz20KHz44KHz高保真立體聲普通聲道從聲音到模擬信號(hào)除了聲音之外，還有圖像，文字等自然界的信息，稱為“原始數(shù)據(jù)”。也必須轉(zhuǎn)換為電磁信號(hào)。以聲音到電磁信號(hào)的轉(zhuǎn)換為例。有兩種主要轉(zhuǎn)換方式：原始信號(hào)f1轉(zhuǎn)換后信號(hào)f2（已調(diào)載波）高頻信號(hào)f2（載波）改變f2，使它能以適合傳輸?shù)男问奖硎緮?shù)據(jù)，即為調(diào)制?！罢{(diào)制解調(diào)器”就是用于完成“載波”并“卸載”的裝置。A/D，D/A，PCM和線路編碼◆模擬信號(hào)不適合遠(yuǎn)距離傳輸：能量損失嚴(yán)重，信號(hào)會(huì)產(chǎn)生畸變和衰減；對(duì)信號(hào)放大的同時(shí)，也放大了失真，失真疊加會(huì)加重信號(hào)失真?！魯?shù)字信號(hào)的“再生器”能消除前一段電路對(duì)信號(hào)的衰減和畸變，不會(huì)累積噪聲引起的失真?！魯?shù)字信號(hào)是傳送和表示的需要。任何明確的0和1不容易受噪聲影響，不容易引起歧義，對(duì)傳送要求也低。1.A/D的必要性：數(shù)字產(chǎn)品很多，如電視，手機(jī)，相機(jī)，空調(diào)等。為什么要數(shù)字化?（一）計(jì)算機(jī)操作的是二進(jìn)制數(shù)碼信號(hào)二進(jìn)制數(shù)碼的信號(hào)波形（二）只有數(shù)字信號(hào)才能精確表示物理量模擬萬用表模擬量根據(jù)表的指針讀數(shù)，一般只能精確到三位數(shù)。數(shù)字萬用表二進(jìn)制數(shù)字可表示物理量所要求的精度。目前可精確到10位數(shù)以上（對(duì)應(yīng)采用32位二進(jìn)制數(shù)碼表示一個(gè)數(shù)值）。邏輯電路有兩個(gè)狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)“1”和“0”，計(jì)算機(jī)通過邏輯電路實(shí)現(xiàn)運(yùn)算。二進(jìn)數(shù)碼波形實(shí)際信號(hào)波形受干擾后的波形定時(shí)信號(hào)再生信號(hào)（三）數(shù)字信號(hào)受干擾后可以再生，消除干擾影響受干擾后的信號(hào)經(jīng)再生定時(shí)判決可正確恢復(fù)。為什么要數(shù)字化?(續(xù)1)（四）數(shù)字信號(hào)可采用時(shí)間復(fù)用提高傳輸效率例如：在閉路電視電纜上，原傳一路模擬電視信號(hào)的通道內(nèi)，可以同時(shí)傳4~8路數(shù)字電視節(jié)目（由于這涉及較多概念，在《通信原理》課程中才會(huì)詳細(xì)講授）。（五）數(shù)字電路性能穩(wěn)定可靠，設(shè)計(jì)、維護(hù)、生產(chǎn)方便，體積小，重量輕數(shù)字電路高頻模擬電路為什么要數(shù)字化?(續(xù)2)數(shù)字化優(yōu)點(diǎn)性能穩(wěn)定、生產(chǎn)方便（五）便于計(jì)算機(jī)操作（一）傳輸效率高（四）抗干擾

能力強(qiáng)（三）精確表示物理量（二）為什么要數(shù)字化?(續(xù)3)二進(jìn)制代碼及數(shù)制十進(jìn)制二進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制000011112102231133410044510155611066711177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F十進(jìn)制、二進(jìn)制、八進(jìn)制和十六進(jìn)制數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系表1）同一數(shù)值可表示為不同數(shù)制的數(shù)，它們之間可相互轉(zhuǎn)換。2）日常書面語言習(xí)慣用十進(jìn)制。計(jì)算機(jī)運(yùn)算用二進(jìn)制數(shù)。計(jì)算機(jī)程序書寫為簡(jiǎn)便，可用八進(jìn)制、十六進(jìn)制。3）數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換運(yùn)算方法請(qǐng)閱讀計(jì)算機(jī)相關(guān)教材。A/D，D/A，PCM和線路編碼2.奈奎斯特準(zhǔn)則思考：如何使數(shù)字信號(hào)能精確表示原模擬信號(hào)？

如果模擬信號(hào)以規(guī)則時(shí)間間隔抽樣，且抽樣速率是模擬信號(hào)中最高頻率的兩倍，那么所得樣本是原始信號(hào)的精確表示。例：語音f：300Hz～3400Hz

抽樣f：3400Hz×2=6800Hz即6800次抽樣/秒（1）實(shí)際抽樣f：4000Hz×2=8000Hz即8000次抽樣/秒則采樣周期T=1/f=125μs（2）將任何一次抽樣結(jié)果編碼為從00000000到11111111這256個(gè)階梯數(shù)值中的某一個(gè)數(shù)值，如10111010。（3）一秒鐘有8000次抽樣，每次抽樣都要編碼。8000次×8位編碼=64000bit

64kbit/s即為電話信號(hào)的編碼速率。64kbit/s為一路信號(hào)的帶寬需求量，這種量化方式被稱為PCM（PulseCodeModulation，脈沖編碼調(diào)制）思考：如果振幅用16bit表示，帶寬需求量為多少？

如果振幅用6bit表示，帶寬需求量為多少？A/D，D/A，PCM和線路編碼A/D，D/A，PCM和線路編碼3.信道編碼（1）作用：將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可以在線路上傳送的數(shù)字信號(hào)的過程。（2）3種常用編碼技術(shù)：◆曼徹斯特編碼用電壓跳變來區(qū)分1和0。優(yōu)點(diǎn)：易于差錯(cuò)恢復(fù)；“1”“0”適用于：以太網(wǎng)線路。◆NRZI編碼在轉(zhuǎn)換處，不發(fā)生跳躍編碼為0，跳躍開始處編碼為1。曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼翻轉(zhuǎn)不歸零（NRZI）碼◆差分曼徹斯特編碼0或1的取值判斷用位的起始處有無跳變來表示。（有跳變?yōu)?，無跳變?yōu)?）A/D，D/A，PCM和線路編碼3.信道編碼01000011111數(shù)據(jù)流二進(jìn)制編碼曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼NRZI編碼A/D，D/A，PCM和線路編碼3.信道編碼在工程實(shí)踐中，要遵從物理學(xué)顧慮，要考慮如何使誤碼率最低，傳輸準(zhǔn)確率最高，易于差錯(cuò)恢復(fù)。

總結(jié)：模擬與數(shù)字的轉(zhuǎn)化過程如下：

模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)，接收方做相反處理。抽樣/量化/編碼奈奎斯特準(zhǔn)則復(fù)用和解復(fù)用1.問題的提出為了節(jié)省資源和成本，希望能在一條線路上傳送多路信號(hào)。復(fù)用可以理解為“反復(fù)使用”和“多個(gè)共同使用”。通信中的復(fù)用就是讓多個(gè)信息源共同使用一條物理通道。問題的提出復(fù)用和解復(fù)用解決方案一：反復(fù)使用解決方案二：時(shí)分復(fù)用復(fù)用和解復(fù)用2.TDM（TimeDivisionMultiplexing）時(shí)分復(fù)用

◆TDM定義：在同一條線路上按照時(shí)間位置均勻分片，每個(gè)時(shí)間分片被一個(gè)用戶的信息流占用。時(shí)間片即為“時(shí)隙”?！魰r(shí)隙：指能明確決定其時(shí)間位置及用途的周期性重復(fù)的時(shí)間間隔?！敉剑和ㄐ旁O(shè)備利用信息內(nèi)容本身來獲取相互間的一致性?？刹捎谩巴酱a”或者“信令”來進(jìn)行信息的同步管理。但是需要占用一定的信道。復(fù)用和解復(fù)用3.PCM復(fù)用◆國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）對(duì)PCM復(fù)用有兩種建議：PCM30/32制式30路話音，1路同步，1路信令A(yù)律PCM24制式22路話音，1路同步，1路信令μ律◆對(duì)于PCM32，125μs/幀，8位PCM碼分為32組，則在1秒內(nèi)，能夠通過8000（抽樣）×32×8=2048kbit2048kbit/s即為PCM的一次群速率。PCM與TDM的區(qū)別：（1）TDM是復(fù)用方式，PCM是利用TDM的編碼格式；（2）PCM編碼后信息可以在TDM或FDM或WDM網(wǎng)絡(luò)上傳送。波特率和比特率信息速率

：?jiǎn)挝粫r(shí)間（1s）內(nèi)傳輸?shù)钠骄畔⒘?。單位是比?秒，或b/s，或bps。簡(jiǎn)稱比特率。碼元速率

：為了提高有效性，在相同信道帶寬時(shí)提高信息傳輸速率，可采用M進(jìn)制傳輸。M進(jìn)制碼元稱為符號(hào)，有M個(gè)取值。單位時(shí)間（1s）內(nèi)傳輸?shù)拇a元數(shù)稱為碼元速率。單位波特或B，也稱為波特率。幾種典型數(shù)據(jù)技術(shù)的數(shù)據(jù)格式思考：數(shù)字0和1的這些組合如何通過網(wǎng)絡(luò)組織管理到達(dá)目的地呢？◆數(shù)據(jù)的拆分打包方式很像貨物打包裝車的方式，實(shí)際上就是選用何種類型的容器的問題。容器特性取決于一下幾個(gè)因素：（1）道路的特征：?jiǎn)坞p行線；車道寬窄；水運(yùn)還是空運(yùn)。道路不同，選用容器的類型也不完全相同。（2）貨物的特征：（3）貨物本身的運(yùn)送要求：時(shí)間要求，安全性要求，完整性要求等?！敉ㄐ胖械摹叭萜鳌辈粌H僅運(yùn)送信息本身，還要運(yùn)送許多為了保證信息運(yùn)送成功而增加的額外的信息，稱為“冗余信息”。1.以太網(wǎng)幀◆標(biāo)準(zhǔn)：802.3◆標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型。用交換機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和組織的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型?！艨偩€爭(zhēng)用技術(shù)為CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect）

載波偵聽多路訪問——沖突檢測(cè)。1.以太網(wǎng)幀以太網(wǎng)幀格式1.以太網(wǎng)幀F(xiàn)CS：32bit的CRC校驗(yàn)和。接收端將接收數(shù)據(jù)逐位進(jìn)行CRC校驗(yàn)，如果與FCS相同，正確接收。不同，幀破壞，要求重發(fā)該幀。2.IP數(shù)據(jù)包格式3.幀中繼幀格式◆幀中繼用于連接兩個(gè)局域網(wǎng)——企業(yè)分支機(jī)構(gòu)間或企業(yè)到運(yùn)營(yíng)商的骨干IP網(wǎng)絡(luò)上?！羰堑湫偷臄?shù)據(jù)鏈路層技術(shù)。4.ATM信元通信網(wǎng)的傳遞方式分為同步傳遞方式STM和異步傳遞方式ATM。STM特點(diǎn)：復(fù)用信號(hào)中的各路原始信號(hào)按一定時(shí)間間隔周期性出現(xiàn)。ATM特點(diǎn)：無周期性，需附加標(biāo)志來分辨原始信號(hào)。22223333411111444234STM，每路原始信號(hào)周期出現(xiàn)ATM，每個(gè)信元的信頭表明其屬于哪一路信號(hào)4.ATM信元ATM原理：每個(gè)分組作為一個(gè)單元獨(dú)立傳輸，分組間傳輸間隔為任意時(shí)間。為了能夠承載任何信息，設(shè)計(jì)為53字節(jié)定長(zhǎng)的幀格式。特點(diǎn)：適應(yīng)快速交換能力，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速度。思考：ATM交換機(jī)如何識(shí)別從端口進(jìn)來的信元？（1）ATM信元頭中隱藏信息HEC，可以識(shí)別哪一位是信元的開始位，稱為“信元同步檢測(cè)”；（2）ATM信元頭中的VPI/VCI值，是鏈路標(biāo)識(shí)符，可以識(shí)別信元屬于哪條鏈路。5.SDHPDH：準(zhǔn)同步數(shù)字體系SDH：同步數(shù)字體系◆SDH實(shí)現(xiàn)了數(shù)字傳輸體制上的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)及多家廠家設(shè)備的橫向兼容?！艏嫒荩喊ńy(tǒng)一的數(shù)字速率等級(jí)，幀結(jié)構(gòu)，復(fù)接方式，線路接口和監(jiān)控管理，從而簡(jiǎn)化了信號(hào)的互通以及信號(hào)的傳輸和交叉連接?！糇饔茫涸谄渖峡沙休d語音，DDN（數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)），幀中繼，IP，ATM。5.SDH◆SDH中定義了“虛容器”，它是一種用來支持通道層連接的信息結(jié)構(gòu)?！籼撊萜鹘Y(jié)構(gòu)：9行，270列，每格8位，8000次/秒9×270×8×8000=155520000即155.52Mbit/s

此為基速率。◆其他體系以基速率進(jìn)行多路復(fù)用，可為其4倍，16倍，64倍。即622Mbit/s，2.5Gbit/s，10Gbit/s。◆每個(gè)格子的速率：8000×8=64000=64kbit/s◆因?yàn)槊柯稰CM語音是64kbit/s，DDN是以64kbit/s為基準(zhǔn)的?？梢允撬恼麛?shù)倍或者整數(shù)分之一。5.SDHSDH的幀結(jié)