数据编码技术和时钟同步

1、数字数据的模拟信号编码

实现数字信号与模拟信号互换的设备称作调制解调器(Modem)。

模拟信号传输的基础是载波，载波具有三大要素：幅度、频率和相位，数字数据可以针对载波的不同要素或它们的组合进行调制。

数字调制的三种基本形式：移幅键控法ASK、移频键控法FSK、移相键控法PSK。

图1  数字调制的三种基本形式

在ASK方式下，用载波的两种不同幅度来表示二进制的两种状态。ASK方式容易受增益变化的影响，是一种低效的调制技术。在电话线路上，通常只能达到1200bps的速率。

在FSK方式下，用载波频率附近的两种不同频率来表示二进制的两种状态。在电话线路上，使用FSK可以实现全双工操作，通常可达到1200bps的速率。

在PSK方式下，用载波信号相位移动来表示数据。PSK可以使用二相或多于二相的相移，利用这种技术，可以对传输速率起到加倍的作用。

由PSK和ASK结合的相位幅度调制PAM，是解决相移数已达到上限但还要提高传输速率的有效方法。

公共电话交换网中使用调制解调器的必要性

公共电话交换网是一种频带模拟信道，音频信号频带为300Hz～3400Hz，而数字信号频宽为0Hz～几千兆Hz。若不加任何措施利用模拟信道来传输数字信号，必定出现极大的失真和差错。所以，要在公共电话网上传输数字数据，必须将数字信号变换成电话网所允许的音频频带范围300Hz～3400Hz。

2、数字数据的数字信号编码

数字信号可以直接采用基带传输。基带传输就是在线路中直接传送数字信号的电脉冲，它是一种最简单的传输方式，近距离通信的局域网都采用基带传输。基带传输时，需要解决的问题是数字数据的数字信号表示及收发两端之间的信号同步两个方面。

(1)数字数据的数字信号表示

对于传输数字信号来说，最常用的方法是用不同的电压电平来表示两个二进制数字，即数字信号由矩形脉冲组成。

a)单极性脉冲

b)双极性脉冲

c)单极性归零脉冲

d)双极性归零脉冲

e)交替双极性归零脉冲

图2基脉冲编码方案

a)单极性不归零码，无电压表示"0"，恒定正电压表示"1"，每个码元时间的中间点是采样时间，判决门限为半幅电平。

b)双极性不归零码，"1"码和"0"码都有电流，"1"为正电流，"0"为负电流，正和负的幅度相等，判决门限为零电平。

c)单极性归零码，当发"1"码时，发出正电流，但持续时间短于一个码元的时间宽度，即发出一个窄脉冲；当发"0"码时，仍然不发送电流。

d)双极性归零码，其中"1"码发正的窄脉冲，"0"码发负的窄脉冲，两个码元的时间间隔可以大于每一个窄脉冲的宽度，取样时间是对准脉冲的中心。

(2)归零码和不归零码、单极性码和双极性码的特点

不归零码在传输中难以确定一位的结束和另一位的开始，需要用某种方法使发送器和接收器之间进行定时或同步；归零码的脉冲较窄，根据脉冲宽度与传输频带宽度成反比的关系，因而归零码在信道上占用的频带较宽。

单极性码会积累直流分量，这样就不能使变压器在数据通信设备和所处环境之间提供良好绝缘的交流耦合，直流分量还会损坏连接点的表面电镀层；双极性码的直流分量大大减少，这对数据传输是很有利的。

(3)同步过程

1)位同步

位同步又称同步传输，它是使接收端对每一位数据都要和发送端保持同步。实现位同步的方法可分为外同步法和自同步法两种。

在外同步法中，接收端的同步信号事先由发送端送来，而不是自己产生也不是从信号中提取出来。即在发送数据之前，发送端先向接收端发出一串同步时钟脉冲，接收端按照这一时钟脉冲频率和时序锁定接收端的接收频率，以便在接收数据的过程中始终与发送端保持同步。

自同步法是指能从数据信号波形中提取同步信号的方法。典型例子就是著名的曼彻斯特编码，常用于局域网传输。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从高到低跳变表示"1"，从低到高跳变表示"0"。还有一种是差分曼彻斯特编码，每位中间的跳变仅提供时钟定时，而用每位开始时有无跳变表示"0"或"1"，有跳变为"0"，无跳变为"1"。

图3  数字信号的同步编码

两种曼彻斯特编码是将时钟和数据包含在数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到对方，每位编码中有一跳变，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。但每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。

2)群同步

在数据通信中，群同步又称异步传输。是指传输的信息被分成若干“群”。数据传输过程中，字符可顺序出现在比特流中，字符间的间隔时间是任意的，但字符内各个比特用固定的时钟频率传输。字符间的异步定时与字符内各个比特间的同步定时，是群同步即异步传输的特征。

群同步是靠起始和停止位来实现字符定界及字符内比特同步的。起始位指示字符的开始，并启动接收端对字符中比特的同步；而停止位则是作为字符间的间隔位设置的，没有停止位，下一字符的起始位下降沿便可能丢失。

群同步传输每个字符由四部组成：

1)1位起始位，以逻辑"0"表示；

2)5～8位数据位，即要传输的字符内容；

3)1位奇偶校验位，用于检错；

4)1～2位停止位，以逻辑"1"表示,用作字符间的间隔。

图4 群同步的字符格式

3、 模拟数据的数字信号编码

(1)脉码调制PCM。

脉码调制是以采样定理为基础，对连续变化的模拟信号进行周期性采样，利用≥有效信号最高频率或其带宽２倍的采样频率，通过低通滤波器从这些采样中重新构造出原始信号。

采样定理表达公式:

　　　　　　　Fs(=1/Ts)≥2Fmax或Fs≥2Bs

式中　Ts为采样周期
　　　　　Fs为采样频率
　　　　　Fmax为原始信号的最高频率
　　　　　Bs(=Fmax-Fmin)为原始信号的带宽

(2)模拟信号数字化的三步骤

1)采样，以采样频率Fs把模拟信号的值采出；

2)量化，使连续模拟信号变为时间轴上的离散值；

3)编码，将离散值变成一定位数的二进制数码。

图5  脉码调制(PCM)原理

4、多路复用技术

多路复用技术就是把许多个单个信号在一个信道上同时传输的技术。频分多路复用FDM和时分多路复用TDM是两种最常用的多路复用技术。

(1)频分多路复用 FDM技术原理

在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同(或略宽)的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是步分多路复用。

多路原始信号在步分复用前，先要通过频谱搬移技术将各路信号的频