第2章数据编码技术

2.4 数据编码技术

2.4.1 数据编码类型

根据数据通信类型，用于数据通信的数据编码方法分为两类：模拟数据编码与数字数据编码。网络中基本的数据编码方法可以归纳如图2-11所示：

振幅键控ASK模拟数据编码移频键控FSK移相键控PSK数据编码方法非归零码NRZ数字数据编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码图2-11 数据编码方法

2.4.2 模拟数据编码方法

数字调制就是将数字符号变成适合于信道传输的波形。所用载波一般是余弦信号，调制信号为数字基带信号。利用基带信号去控制载波的某个参数，就完成了调制。

调制的方法主要是通过改变余弦波的幅度、相位或频率来传送信息。其基本原理是把数据信号寄生在载波的上述三个参数中的一个上，即用数据信号来进行幅度调制、频率调制或相位调制。分别对应“幅移键控”（ASK）、“相移键控”（PSK）和“频移键控”（FSK）三种数字调制方式。三种调制方法如图2-12所示。

0数据1ω001ω0(a)ASKω2(b)FSKπ(c)PSK(绝对)+0(d)PSK(相对)+π+0+0+π+00ππ0πω1ω2ω1ω2ω1图2-12 模拟数据编码方法

1．幅移键控（ASK）

2．频移键控（FSK）

3．相移键控（PSK）

4．幅度相位复合调制

表2-3 幅度相位复合调制

二进制数 码元幅度 码元相位 二进制数 码元幅度 码元相位

0000

0001

0010

0011

0100

0100

2

3

3

45度

0度

90度

135度

270度

315度

1000

1001

1010

1011

1100

1101

32

5

5

45度

0度

90度

135度

270度

315度

2

3

32

5

2

2

3

32

2

5

0110

0111

225度

180度

1110

1111

3225度

180度

○

○

○

○

1011

○

1001

○

1110

○

1111

○

1010

1000

1100

1101

○ ○

○

○

0001 0000

0100

0110

○ ○

○

○

0011 0010

0101

0111

2.4.3 数字数据编码方法

图2-13 V.29 Modem的星座图2-14 QAM

在基带传输中，数字数据信号的编码方法主要有以下几种，如图2-15所示。

0

1

1

0

1 0

0

1

单极性码

极性码

双极性码

归零码

双向码

不归零码

曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编多电平编

图2-15 数字数据信号的编码方法

1．单极性码

2．极性码

3．归零码

4．不归零码

5．双相码

双相码要求每一比特中都要有一个电平转换，因而这种编码的最大优点是自定时，同时双相码也有检测错误的功能，如果某一位中间缺少了电平翻转，则被认为是违例代码。

6．双极性码

7．曼彻斯特编码

曼彻斯特编码用高电平到低电平的转换边表示“0”，而用低电平到高电平的转换边表示“1”，相反的表示也是允许的。比特中间的电平转换边既表示了数据代码，同时也作为定时信号使用。

8．差分曼彻斯特编码

差分码又称相对码，在差分码中利用电平是否跳变来分别表示“1”或“0”。

9．多电平码

2.4.4 脉冲编码调制方法

把模拟数据转化成数字信号，要使用叫做编码解码器（Codec）的设备。用编码解码器把模拟信号变换为数字信号的过程叫模拟信号的数字化。常用的数字化技术就是脉冲编码调制技术（Pulse Code

Modulation，PCM），简称脉码调制。

1．PCM原理

脉码调制是将模拟信号变换为数字信号的编码技术。PCM主要经过3个过程：采样、量化和编码。

采样的频率决定了恢复的模拟信号的质量。根据尼奎斯特采样定理，采样频率必须大于模拟信号最高频率的二倍，即

f2B或f12fmax

T其中B为通信信道带宽，f为采样频率，T为采样周期，fmax为信号的最高频率。

采样后得到的样本取连续值，这些样本必须通过四舍五入量化为离散值，离散值的个数决定了量化的精度。图2-17是采样、量化和编码过程的示意图。

A1.52≈1.51.51.28≈1.31.00.50.27≈0.300.62≈0.60.73≈0.70.41≈0.40.12≈0.1D8D7D6D5D4D3D2D1t1.26≈1.3(a)采样过程样本D1D2D3D4D5D6D7D8量化级二进制编码11100011(b)编码过程编码信号图2-17 脉冲编码调制

如果采用均匀量化的方式，则把信号的幅度均等分为128或256个取值间隔，这样会使得小信号量化误差大音质变差。所以有必要采用不均匀选取量化间隔的非线性量化方法，即在小信号时分层密，量化间隔小，而在大信号时分层稀，量化间隔大，实际上是对原始话音信号进行了对数压缩。在实际中使用两种对数压缩方法：A律和μ律，A律编码用于E1系统，μ律编码用于T1系统。

2．增量调制

增量调制（Delta Modulation，DM）是一种预测编码方式，是将信号瞬时值与前一采样时刻的量化值之差进行量化，而且只对这个差值的符号进行编码，而不是对差值的大小编码。

2.5 多路复用

多路复用（Multiplexing）在计算机网络中是一个基本概念，它将出现在通信线路的多路复用技术的讨论中，也会出现在计算机进程过程的讨论中。本节主要讨论如何在单一的物理线路上建立多条并行通信信道的问题。

2.5.1 多路复用的概念及分类

多路复用技术是把多个低速信道组合成一个高速信道的技术。这种技术要用到两个设备：多路复用器和解复用器（demultiplexer）。多路复用器和多路分配器统称多路器，简写为MUX，如图2-20所示。

图2-20 多路复用

也可以相反地使用多路复用技术，即把一个高带宽的信号分解到几个低速线路上同时传输，然后在接收端再合成为原来的高带宽信号。

多路复用一般可以分为以下四种基本形式：

（1）频分多路复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）

（2）时分多路复用（Time Division Multiplexing，TDM）

（3）波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）

（4）码分多址访问（Code Division Multiple Access，CDMA）

2.5.2 频分复用

图2-21 频分多路复用

(a)原带宽 (b)升频之后的带宽 (c)复用之后的信道

频分多路复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）是在一条传输介质上使用多个频率不同的模拟载波信号进行多路传输，这些载波可以进行任何方式的调制：ASK、FSK、PSK以及它们的组合。每一个载波信号形成了一个子信道，各个子信道的中心频率不相重

合，子信道之间留有一定宽度的隔离频带。

2.5.3 时分复用

时分多路复用（Time Division Multiplexing，TDM）要求各个子通道按时间片轮流地占用整个带宽，如图2-22所示。

193比特帧(125微秒)信道11信道2信道3信道4信道2407位数据位帧开始位校验位图2-22 时分多路复用原理

2.5.4 波分复用

共享光纤的波谱光纤1的波谱功率波长共享光纤光纤2的波谱功率波长光纤2光栅光栅光纤4光纤4的波谱功率波长光纤1功率波长波长光纤3光纤3的波谱功率图2-23 波分多路复通信是由光来运载信号进行传输的方式。在光通信领域，人们习惯按波长而不是按频率来命名。因此，所谓的波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）其本质上也是频分复用而已。图2-23显示了WDM的基本原理。

波分复用技术作为一种系统概念，通常有3种复用方式，即1310nm和1550nm波长的波分复用、粗波分复用（CWDM，Coarse

Wavelength Division Multiplexing）和密集波分复用（DWDM，Dense

Wavelength Division Multiplexing）。

2.5.5 码分复用

码分复用（Code Division Multiplexing，CDM）是另一种信道复用方法，更常用的名称是码分多址访问（Code Division Multiple

Access ，CDMA）。CDMA是一种采用扩频技术的通信方式，按照所使用的扩频技术可以分为：直接序列（Direct Sequence）CDMA，记为DS-CDMA；跳频（Frequency Hopping）CDMA，记为FH-CDMA。

假定每个信息位的宽度为T，在DS-CDMA系统中，每个T时间都被划分为m个时间片，使每一个时间片的长度为T/m。这样，含有更细微结构的T时间宽度称为一个码片（chip）。DS-CDMA中的每一个站点都分配有一个m位的码片序列（chip sequence）（或称为码片向量）。每个码片序列的长度正好等于T，这个码片序列就是每个终端的地址码。比如指派给站点A的码片序列是00011011，用（-1 -1

-1 +1 +1 -1 +1 +1）表示。图2-26（a）给出了4个站点的二进制码片序列，图2-26（b）给出了它们的双极型形式。

图2-26 CDMA示例

站点发送数据时，用自己的码片序列来调制要发送的信息。

要从信号中还原出单个站点的比特流，接收端必须事先知道站点的码片序列。通过计算接收到的码片序列（所有站点发送码片序列的线性总和）和欲还原站点的码片序列的内积，就可以还原出原比特流。

2.6 数据交换

2.6.1 数据交换的分类

最初的数据通信是在物理上两端直接相连的设备间进行的，随着通信的设备的增多、设备间距离的扩大，这种每个设备都直连的方式是不现实的。两个设备间的通信需要一些中间结点来过渡，我们称这些中间结点为交换设备。这些交换设备并不需要处理经过它的数据的内容，只是简单地把数据从一个交换设备传到下一个交换设备，直到数据到达目的地。

通常使用三种交换技术：电路交换、报文交换和分组交换。

2.6.2 电路交换

1．电路交换的工作原理

电路交换（circuit switching）技术即在通信两端设备间，通过—个一个交换设备中线路的连接，实际建立了一条专用的物理线路，在该连接被拆除前，这两端的设备单独占用该线路进行数据传输。

典型的电路交换过程如下图2-27所示。

结点E结点F结点A主机A结点B结点C结点G结点D主机B虚电路建立呼叫请求呼叫应答p11p2p1p2p1p2ACKACK数据传输ACK虚电路拆除释放请求释放应答电路交换方式的通信过程分为三个阶段。

（1）电路建立阶段

图2-27 电路交换

（2）数据传输阶段

（3）电路释放阶段

2．电路交换的特点

电路交换的优点为：

（1）连接建立后，数据以固定购传输率被传输，传输延迟小。

（2）由于物理线路被单独占用，因此不可能发生冲突。

（3）适用于实时大批量连续的数据传输

电路交换的缺点为：

（1）建立连接将跨多个设备或线缆，则会需要花费很长的时间。

（2）连接建立后，由于线路是专用的，即使空闲，也不能被其它设备使用造成一定的浪费。

（3）对通信双方而言，必须做到双方的收发速度、编码方法、信息格式和传输控制等一致才能完成通信。

2.6.3 报文交换

报文交换（message switching）技术是一种存储转发技术，它没有在通信两端设备间建立一条物理线路。发送设备将发送的信息作为

一个整体（又被称为报文），并附加上目的地地址，交给交换设备。交换设备接收该报文，暂时存储该报文，等到有合适的输出线路时把该报文转发给下一个交换设备。报文交换方式与电路交换方式的主要区别表现在以下来两个方面。

（1）发送的数据、目的地址、源地址和控制信息按照一定格式组成一个数据单元（报文或报文分组）并进入通信子网。

（2）通信子网中的节点是通信控制处理及，它负责完成数据单元的接收、差错校验、存储、路由选择和转发功能。

报文交换的优点为：

（1）线路的利用率较高。许多报文可以分时共享交换设备间的线路。

（2）当接收端设备不可用时，可暂时由交换设备保存报文，报文在传输时对报文的大小没有限制。

（3）在线路交换网中，当通信量变得很大时，某些连接会被阻塞，即网络在其负荷降下来之前，不再接收更多的请求。而在报文交换网络中，却仍然可以接收报文，只是传送延迟会增加。

（4）能够建立报文优先级。可以把暂存在交换设备里的许多报文重新安排先后顺序，优先级高的报文先转发，减少高优先级报文的

延迟。

（5）交换设备能够复制报文副本，并把每一个拷贝送到多个所需的目的地。

（6）报文交换网可以进行速率和码型的转换。利用交换设备的缓冲作用，可以解决不同数据传输率的设备的连接。交换设备也可以很容易地转换各种编码格式，如从ASCII码转换为EBCDIC码。

报文交换的缺点为：

（1）数据的传输延迟比较长，而且延迟时间长短不一，因此不适用于实时或交互式的通信系统。

（2）当报文传输错误时，必须重传整个报文。

2.6.4 数据报分组交换

分组交换也称包交换，它是将用户传送的数据划分成多个更小的等长部分，每个部分叫做一个数据段。在每个数据段的前面加上一些必要的控制信息组成的首部，就构成了一个分组。分组交换实质上是在“存储—转发”基础上发展起来的。它兼有电路交换和报文交换的优点。

存在两种类型的分组，一种是在最大长度的限制内允许分组的长度变化，称为可变长分组；另一种就是固定分组，所有分组的长度都是一样的。

分组交换有两种方式：数据报（datagram）方式，和虚电路（virtual

circuit）方式，在本节我们介绍数据报方式，即数据报分组交换。

1．数据报分组交换工作原理

在数据报分组交换中，分组传送之前不需要预先在源主机与目的主机之间建立“线路连接”。源主机发送的每一个分组都可以独立的选择一条传输路径。每个分组在通信子网中可能通过不同的传输路径到达目的主机。

数据报分组交换的数据交换过程如图2-28所示。

图2-28 分组交换

2．数据报分组交换技术的特点：

（1）同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网；

（2）同一报文的不同分组到达目的节点时可能会出现乱序、重复和丢失现象；

（3）每个分组在传输过程中都必须带有目的地址和源地址用于

中间结点的路由工作，即每个分组在中间节点各自选路转发；

（4）数据报方式传输延迟较大，适用于突发性的通信，不适用于长报文、会话式的通信。

在研究数据报分组交换方式的优缺点的基础上，人们进一步提出了虚电路交换方式。

2.6.5 虚电路分组交换

1．虚电路分组交换的工作原理

虚电路分组交换在分组发送之前，需要在发送方和接收方建立一条逻辑连接的虚电路；通信过程分为虚电路建立、数据传输与虚电路释放阶段。

2．虚电路分组交换技术的特点：

（1）在分组发送之前，必须在发送方与接收方之间建立一条专用的逻辑连接（虚电路）；

（2）一次通信的所有分组都通过这条虚电路顺序传送，因此报文分组不必带目的地址、源地址等辅助信息。分组到达目的节点时不会出现丢失、重复与乱序的现象；

（3）分组通过虚电路上的每个中间节点时，中间节点只需要做差错检测，而不需要做路径选择；

（4）在数据存储的基础上，通信子网中每个节点可以和任何节点建立多条虚电路连接。

小结

物理层是所有网络的基础，它向数据链路层提供服务。我们介绍了信道、信号、宽带、码元、波特、传输速率等基本的数据通信概念，以及傅立叶分析、有限带宽的信号、信道的最大传输率等数据通信的理论基础知识。决定信道带宽的是针对无噪声信道的尼奎斯特定理和针对有噪声信道的香农定理。

传输介质可以是有线的，也可以是无线的。基本的有线介质是双绞线、同轴电缆和光纤。无线介质包括无线电、微波传输、通信卫星

和激光。常见的物理层设备有中继器，集线器等。

数据编码包括模拟数据编码方法（如ASK，FSK，PSK，QAM）、数字数据编码方法（如单极性码、极性码、双极性码、归零码、双向码、不归零码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特码编码和多电平编码）和脉冲编码调制方法（PAM，DM）。

在一条通信信道上可以实现多路复用，包括FDM、TDM、WDM、CDMA。

数据交换技术中的电路交换、报文交换、数据包分组交换和虚电路分组交换都是非常重要的。