模擬信號(hào)的基本原理和信號(hào)編碼方案介紹

模擬信號(hào)是傳播能量的一種形式，它指的是在時(shí)間上連續(xù)的（不間斷），數(shù)值幅度大小也是連續(xù)不問(wèn)斷變化的信號(hào)（傳統(tǒng)的音頻信號(hào)、視頻信號(hào)）。如聲波使它經(jīng)過(guò)的媒體產(chǎn)生振動(dòng)，可以以頻率（以每秒的周期數(shù)或赫茲（Hz）為單位）測(cè)量聲波。通過(guò)將二進(jìn)制數(shù)表示為電脈沖（其中每個(gè)脈沖是一個(gè)信號(hào)元素）使數(shù)字信號(hào)通過(guò)媒體傳輸。線路上的電壓在高低狀態(tài)之間變化。例如，可以采用高電平傳輸二進(jìn)制的1，采用低電平傳輸二進(jìn)制的0。帶寬是指每秒通過(guò)鏈路傳輸位數(shù)的術(shù)語(yǔ)。

圖１描述了模擬和數(shù)字信號(hào)，其中模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)等效。

在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，信號(hào)由于衰減、噪聲和導(dǎo)線束中其他導(dǎo)線的干擾而退化。模擬信號(hào)可以周期性地加以放大，但是如果信號(hào)受到噪聲破壞，則放大的是失真信號(hào)。相比而言，由于可以很容易地從噪聲中提取數(shù)字信號(hào)并重發(fā)，所以長(zhǎng)距離傳輸數(shù)字信號(hào)更可靠。

信號(hào)編碼方案

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸利用PCM數(shù)字信道傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，首先要解決的問(wèn)題是數(shù)據(jù)信號(hào)如何進(jìn)入PCM話 路的問(wèn)題。主要通過(guò)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(hào)與數(shù)字端局的時(shí)鐘是同步的，這時(shí)，數(shù)據(jù)終端輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)是受PCM信道時(shí)鐘控制的，因此只需對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)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(hào)與數(shù)據(jù)端局時(shí)鐘是異步的，這時(shí)數(shù)據(jù)信號(hào)可采用填充方式復(fù)用到64kbit／s的集合信號(hào)，這就是異步方式。

如上所述，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)借助于電脈沖傳輸。一一對(duì)應(yīng)使用單脈沖表示一個(gè)位。它的效率是非常低的，因此已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種編碼方案以使用電脈沖更高效地傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。結(jié)果大大提高了吞吐量。

這與使用旗語(yǔ)發(fā)送消息的情況相類似。比如說(shuō)“信號(hào)旗升起”表示1，“信號(hào)旗降下”表示O。一種更有效的編碼方案是“只在出現(xiàn)二進(jìn)制1時(shí)升起或降下信號(hào)旗”。例如，如果信號(hào)旗已經(jīng)舉起，則把　它降下來(lái)。不管信號(hào)旗是舉起還是降下，它的運(yùn)動(dòng)才是指示器。這種方法還需要某種類型的定時(shí)（例如，每秒發(fā)送一位）。因此，在第一秒，信號(hào)旗升起。

圖１ AM和FM對(duì)數(shù)字信號(hào)的表達(dá) （假設(shè)它原來(lái)是降下的）以表示1。然后再維持升起兩秒鐘（兩個(gè)為0的位），然后在第四秒降下以表示改變到為1的位。

對(duì)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(shí)機(jī)制幫助發(fā)送器和接收器處于同步狀態(tài)。同步信號(hào)可以占有一個(gè)單獨(dú)的信道，但更經(jīng)常的是直接集成到信號(hào)中。

下面介紹幾種信令和編碼方案并以圖2說(shuō)明。圖中示出的是0100110001位序列。目的是傳盡可能多的信號(hào)，使用低電平以減少長(zhǎng)距離衰減的影響，并在信號(hào)中直接提供同步機(jī)制。前幾個(gè)例子表示基本的信號(hào)，但很少在實(shí)際中應(yīng)用。

單極性 單極性碼有電壓表示1，無(wú)電壓表示O。沒(méi)有特殊的編碼。單極性碼會(huì)累積直流分量。

雙極性 雙極性碼中正電壓表示1，負(fù)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(gè)信號(hào)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2 數(shù)字信號(hào)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，都不代表二進(jìn)制的1和0。而是電壓變化表示二進(jìn)制的1。如果沒(méi)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(kāi)始，需要用某種方法使發(fā)送器和接收器之間進(jìn)行定時(shí)或同步。NRZI用于較慢的RS—232串行通信和硬盤驅(qū)動(dòng)器上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中。在同步鏈路上，長(zhǎng)串的連續(xù)位（可能數(shù)千個(gè)0）會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。接收器可能會(huì)失去同步，不能檢測(cè)到連續(xù)串中0的正確個(gè)數(shù)。另一問(wèn)題是長(zhǎng)串的0表現(xiàn)為直流，它不能通過(guò)某些電氣部件。Manchester編碼和其他方案通過(guò)增加時(shí)鐘信號(hào)解決了這些問(wèn)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(shí)鐘信號(hào)，又作數(shù)據(jù)信號(hào)；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(shí)信號(hào)。曼徹斯特編碼常用在LAN上。

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