调制与编码

1.2.3　调制与编码

调制：是载波信号的某些特性根据输入信号而变化的过程。调制技术涉及载波信号几个变化的参数：幅度、频率和相位。原始数据经过调制转换成模拟信号后通过传输介质传输出去，在接收端将模拟信号解调成原来的形式，如图1-10所示。

图1-10　经电话传送的计算机数据

编码：将模拟数据和数字数据转换成数字信号，以便通过数字传输介质传输出去。在接收端将数字信号变换成原来的形式。前一种称为编码，后一种称为解码，如图1-11所示。

图1-11　数字化传送声音

一、模拟数据的模拟信号调制

模拟数据由模拟信号来传输时需要经过调制过程方能传输，其调制方法有以下两种形式：

1．幅度调制（AM）

幅度调制（AM）是一种载波的幅度会随着原始模拟数据的幅度变化而变化的技术。在整个调制过程中载波的幅度会变动，而载波的频率不变，如图1-12所示。

图1-12　幅度调制

例：AM调制的收音机的原理如图1-13所示。

图1-13　AM调制的收音机的原理图

在图1-13中是高频振荡信号把语音信号载走的，所以称高频振荡信号为载波。载波和调制有密切的关系，在这里可以把信号比作纸，载波比作石头。不管用多大的力量很难把一张纸扔很远，但是如果用纸包住石头，纸就可以扔得很远。在图1-11中的AM调制传输系统中，基带信号通过调制载波信号，即基带信号依附在载波信号上面，这样基带信号就可以实现远距离的传输。

2．频率调制（FM）

频率调制是一种高频载波的频率会随着原始模拟信号的幅度变化而变化的技术。载波频率会在整个调制过程中波动，而载波的幅度不变，如图1-14所示。

图1-14　频率调制

二、数字数据的模拟信号调制

模拟信号发送的基础是一种称为载波信号的连续的频率恒定的信号。可以通过载波特性的三种变化方式——频率、振幅和相移，实现数模之间的转换。

1．频移键控（Frequency-Shift Keying，FSK）

它给数字0和1分别分配一个模拟信号频率。比如，假设1对应一个较高的频率，而0对应一个较低的频率，比特串11010001所对应的模拟信号如图1-15所示。调制解调器在一个指定的时间周期内传输一个适当频率的信号。时间周期的长短不尽相同，因此信号循环的次数也各异。

2．幅移键控（Amplitude Shift Keying，ASK）

类似于频移键控。区别只在于这里的每一个比特组对应于一个给定大小的模拟信号。和FSK一样，每个比特组可以包含一个或多个比特位，一般情况下，用振幅恒定载波的存在来表示一个二进制数字，而用载波的不存在表示另一个二进制数字。同频移键控一样，每个信号的持续周期是固定不变的，如图1-15所示。

3．相移键控（Phase Shift Keying，PSK）

也叫相位调制（Phase Modulation，PM），也是和前面类似的一种技术。信号的差异在于相移，而不是频率或振幅。通常，一个信号的相移是相对于前一个信号而言的。0表示发送与以前所发送信号串同相的信号；1表示发送与以前发送信号串反相的信号串。因此，它也经常被人们称为差分相移键控（Differential Phase Shift Keying，DPSK），如图1-15所示。

而在现实生活中常见的组合是相移键控法和幅移键控法。

图1-15　数模转换

三、数字数据的数字信号编码

数字信号最普遍的方法是用两个电压电平来表示两个二进制数字。无电压表示0，而恒定的正电压表示1。这里恒量的具体取值并不重要。如果是电子信号的话，这两个恒量数值相同，但符号相反。为了保持论述的普遍性，我们把它们分别称为“低电平”和“高电平”。

1．不归零制编码

不归零制（Nonreturn to Zero，NRZ）可能是最简单的一种编码方案。它传送一个1时把电压升高，而传送一个0时则使用低电平。这样，通过在高低电平之间作相应的变换来传送1和0的任何序列。NRZ指的是在一个比特位的传送时间内，电压是保持不变的（比如说，不回到零点）。图1-16描述了二进制串01011001的NRZ传输过程。

缺点：不归零制（NRZ）难以决定一位的开始和结束，需要有某种方法使发送器和接收器进行同步。如果传输中1或0占优势的话，可能在每位时间内将有累积的直流分量，直流分量可使连接点产生电腐蚀或其他损坏。

图1-16　NRZ编码

2．曼彻斯特编码

曼彻斯特编码（Manchester Code）用信号的变化来保持发送设备和接收设备之间的同步。也有人称之为自同步码（ Self-Synchronizing Code）。为了避免图1-16中出现的情况，它用电压的变化来分辨0和1。它明确规定，从高电平到低电平的跳变代表1，而从低电平到高电平的跳变代表0。图1-17给出了比特串10100110的曼彻斯特编码。如图1-17所示，信号的保持不会超过一个比特位的时间间隔。即使是0或1的序列，信号也将在每个时间间隔的中间发生跳变。这种跳变将允许接收设备的时钟与发送设备的时钟保持一致。曼彻斯特编码的一个缺点是需要双倍的带宽。也就是说，信号跳变的频率是NRZ编码的两倍。

图1-17　曼彻斯特编码

3．差分曼彻斯特编码

这种编码的一个变形称为差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Encoding）。和曼彻斯特编码一样，在每个比特时间间隔的中间，信号都会发生跳变。区别在于每个时间间隔的开始处。0将使信号在时间间隔的开始处发生跳变，而1将使信号保持它在前一个时间间隔尾部的取值。因此，根据信号初始值的不同，0将使信号从高电平跳到低电平，或从低电平跳到高电平。图1-18给出了比特串10100110的差分曼彻斯特编码。在这里，我们通过检查每个时间间隔开始处信号有无跳变来区分0和1。检测跳变通常更加可靠，特别是线路上有噪音干扰的时候。如果有人把连接的导线颠倒了，也就是把高低电平颠倒了，这种编码仍然是有效的，采用差分曼彻斯特编码，你就不必给导线做记号以标明哪根携带高电平了，这也将减少导线的费用。

图1-18　差分曼彻斯特编码

四、模拟数据的数字信号编码

数字化模拟信号的方法之一是采用脉冲代码调制（Pulse Code Modulation，PCM）。以采样定理为基础，按一定的时间间隔对模拟信号进行采样，接着分配一个预先确定的振幅等于采样信号的脉冲，如图1-19所示。

图1-19　模拟数据转换数字信号

采样定理：如果在规则的时间间隔内，以高于两倍最高有效信号频率的速率对信号进行采样的话，那么这些采样值就包含了原始信号的全部信息。

PCM有几种普通的应用。其一是长途电话线上语音信号的数字化。按照国际标准，每秒采样8 000次，每个采样8个比特位。依照尼奎斯特定理，这个频率是电话机所能够处理的最大语音频率的两倍多一点。它要求每秒8×8 000，即大约64 kb/s的比特速率。另一项应用是光盘（CD）技术。CD上的音乐是应用PCM光学编码成数字格式的。然而，为了保留高品质的音响效果，PCM编码必须采用较高的频率，并为每个脉冲分配较多的比特位。实际的数值随具体的设备而定。比如，翻阅一台CD播放器的用户手册，可以找到下面的技术参数：

采样频率：44.1 kHz

D-A转换：16比特线性

正如你可能想到的一样，所谓的D-A即数字到模拟。16个比特允许大约64 000个采样振幅。每秒采样44 000次左右，是2 Hz到20 000 Hz的频率响应范围的两倍多一点。术语“线性”指脉冲的振幅是均匀分布的。

注意：采样频率越快，脉冲振幅越大，传输的质量也就越高，但价格也更贵。因为它们都将增加每秒的比特流量，于是比特速率也必须相应地提高，费用也随之上涨。