2.4 编码与调制

数据在通过传输介质发送之前，必须转换成不同的物理信号，信号的转换方式依赖于数据的原始格式和通信硬件采用的格式。

数字数据在计算机中以二进制0和1的形式存储。为了将数据从一个地方传送到另一个地方（计算机内部或计算机外部），通常要将数字数据转换成特定的数字信号以便进行传输，这就是数字-数字编码。一般来说，把数字数据编码成数字信号的设备比从数字到模拟的调制设备更简单、更廉价。

有时为了利用数字通信系统传输模拟数据，我们必须将模拟信号转换成数字信号，这种转换称为模拟到数字的转换或模拟信号数字化，或者是模拟-数字编码。将模拟数据转换成数字信号后，就可以使用先进的数字通信系统。

而有些时候，我们需要在为传输模拟信号设计的传输系统上发送来自计算机的数字信号（例如，利用电话线将两台计算机连接起来），需要将计算机生成的数字信号转换成模拟信号，这种转换称为数字到模拟的转换或数字-模拟调制。

为了将电台的声音或音乐进行远距离传输，我们可以利用高频信号作为载波，将声音或音乐等模拟信号调制到高频载波上去，这种转换称为模拟-模拟调制。

2.4.1 数字-数字编码

数字-数字编码或转换就是用数字信号表示二进制数据。在这种编码下，由计算机产生的二进制数据0和1被编码成物理信号在导线上传输。图2-25显示了数字-数字编码的工作原理。

最简单的编码方案就是将二进制数1映射为高电平，将二进制数0映射为低电平，这就是不归零制（Non-Return to Zero，NRZ）编码方案，如图2-26所示。

对于NRZ编码，几个连续的1意味着信号在一段时间内保持高电平，类似地几个连续的0意味着信号在一段时间内保持低电平。一长串的连续0或1带来两个基本问题。第一个问题是，它会导致基线漂移，尤其是当接收方采用一种它所看到的信号的平均值，然后用这个平均值去区分高、低电平的方法时。当接收方收到的信号远低于这个平均值时，接收方就判定为0；同样地，当接收方收到的信号远高于这个平均值时就判定为1。问题是连续1或0使信号平均值发生改变，这样导致很难检测显著变化的信号。第二个问题是，经常性地从高到低或从低到高的信号变化对于时钟恢复（clock recovery）是必需的。直观上讲，时钟恢复问题就是编码还是译码过程都是由时钟来驱动的，发送方每个时钟周期发送1比特，接收方每个时钟周期接收1比特。为了使接收方能恢复出发送方发送的比特，接收方的时钟必须与发送方的时钟精确同步。如果接收方的时钟比发送方的时钟稍快或稍慢，那么接收方就不能正确地解码信号。当然，工程师们也可以采用另外一条链路上用于发送方发送时钟给接收方的方法来实现时钟同步，但是这种方案会导致成本增加，所以改由接收方从收到的信号中提取时钟，这就是时钟恢复过程。无论何时，只要信号从1到0或从0到1，接收方就知道这是在时钟周期的边界上，它就能够进行时钟同步。若长时间没有这样的跳变就会导致接收方时钟漂移。所以，无论传输什么数据，时钟恢复都依赖于信号跳变。

有一种编码方案可以在某种程度上解决这个问题，这就是不归零反转（Non-Return to Zero Inverted，NRZI）编码。在NRZI编码方案中，发送方将当前信号跳变编码为1，将当前信号保持编码为0，如图2-27所示。NRZI编码解决了连续1的问题，但是没有解决连续0的问题，而曼彻斯特编码（Manchester encoding）创造性地将NRZ数据信号与本地时钟信号（把本地时钟看作一个从低到高变化的内部信号，把一对低/高信号电平看作一个时钟周期）进行异或操作，如图2-27所示。注意，曼彻斯特编码将0编码为低到高的跳变，将1编码为高到低的跳变，因为无论是0或1都导致信号的跳变，所以接收方能有效地恢复时钟。还有一种曼彻斯特编码的变种，称为差分曼彻斯特编码（differential Manchester encoding），其方法是若信号的前一半与前一比特的后一半信号相同则编码为1，若信号的前一半与前一比特的后一半信号相反则编码为0。

曼彻斯特编码方案存在的问题是链路上信号跳变的速率加倍，这意味着接收方有一半的时间在检测信号的每一个脉冲。在曼彻斯特编码中，比特率是波特率的两倍，所以编码的效率仅为50%。

最后，我们来看4B/5B编码，它力求解决曼彻斯特编码的低效问题。4B/5B编码的基本思想是在比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1。准确地说，4B/5B编码就是用5比特来编码4比特的数据，4比特数据的5比特编码规则是：每组编码最多有1个前导0，并且末端最多有2个0。因此，发送方发送的数据中，任何一个5比特中连续0的个数最多不超过3。然后，将重新编码后的5比特数据按照NRZI编码发送出去。由于NRZI编码解决了连续1的问题，而4B/5B编码又解决了连续0的问题，因此4B/5B编码也就解决了时钟恢复问题，而且4B/5B编码的效率为80%。

表2-3给出了16个可能的4比特数据符号对应的5比特编码。注意，5比特数据有32个编码，而我们只用了16个，剩下的16个编码可用于其他目的，比如，11111可用于表示线路空闲，00000表示线路不同，00100表示停止。在剩下的13个编码中，7个是无效的（因为它们违反了1个前导0或2个末尾0的规则），另外6个代表各种控制符号。在本书后面我们将会看到，某些组帧协议会使用这些符号。

2.4.2 模拟-数字编码

有时，我们需要将模拟信号数字化。本节将讨论模拟-数字编码或转换的几种方法。图2-28显示了一个模拟-数字转换器，我们称之为编码解码器。

在模拟-数字编码中，我们用一系列脉冲信号（二进制的0或1）来表示连续波形中的信息。而模拟-数字转换中最主要问题是如何在不损失信号质量的前提下，将信息从无穷多的连续值转换为有限个离散值。

1.脉冲振幅调制

模拟-数字转换的第一步是脉冲振幅调制（Pulse Amplitude Modulation，PAM）。脉冲振幅调制，即脉冲信号的幅度随模拟信号变化的一种调制方式。通过脉冲振幅调制技术对模拟信号进行采样，然后根据采样结果产生一系列脉冲，如图2-29所示。根据前面介绍的奈奎斯特定理，当采用PAM技术时，为保证得到足够精度的原始信号的重现，采样频率应该至少是原始信号最高频率的两倍。因此如果需要对最高频率为4000Hz的话音信号进行采样，只需要每秒8000次的采样频率就可以了，相当于每隔125μs采样一次。

2.脉冲编码调制

脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）是将脉冲振幅调制所产生的采样结果变成完全数字化的信号。为实现这一目标，PCM首先对PAM的脉冲进行量化，即进行模拟/数字（A/D）转换，得到二进制数字数据。然后，这些二进制数字数据通过某种数字编码技术转换成适合于数据通信的数字信号。量化涉及用多少比特来表示采样后的样本值，这取决于所需的精度，即要使重现后的信号能在振幅上满足预期的精度。

3.差分脉冲编码调制

差分脉冲编码调制（Differential PCM，DPCM）是对PCM的改进。差分脉冲编码调制的思想是，根据上一个采样值去估算下一个采样值的幅度大小（这个值称为预测值），然后对实际信号值与预测值之差进行量化编码，这样就减少了表示每个采样信号的位数。不同的是，PCM是直接对采样信号进行量化编码，而DPCM是对实际信号值与预测值之差进行量化编码，存储或者传送的是差值而不是幅度绝对值，这就降低了传送或存储的数据量。

4.增量调制

增量调制（delta modulation，简称ΔM）或增量脉码调制方式，是继PCM后出现的又一种模拟信号数字化的方法。1946年，它由法国工程师De Loraine提出，目的在于简化模拟信号的数字化方法。增量调制主要在军事通信和卫星通信中广泛使用，有时也作为高速大规模集成电路中的A/D转换器使用。

增量调制是一种把信号上一个采样的采样值作为预测值的单纯预测编码方式，是预测编码中最简单的一种。它将信号瞬时值与前一个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，而不对差值的大小进行编码。因此，量化只限于正和负两个电平，只用一比特传输一个采样值。若差值为正就发送“1”，若差值为负就发送“0”。因此，数字“1”和“0”只是表示信号相对于前一时刻的增减，不代表信号的绝对值。同样，在接收端，每收到一个“1”，译码器的输出就相对于前一个时刻的值上升一个量阶，每收到一个“0”，译码器的输出就相对于前一个时刻的值下降一个量阶。当收到连续的“1”时，表示信号连续增长；当收到连续的“0”时，表示信号连续下降。

2.4.3 数字-模拟调制

数字-模拟调制或转换是基于以数字信号（二进制的0或1）表示的数字数据来改变模拟信号特征的过程。例如，当通过一条电话线将数字数据从一台计算机传送到另一台计算机时，由于电话线只能传输模拟信号，因此必须将计算机发出的二进制数据进行转换，将二进制数据调制到模拟信号上。图2-30显示了数字数据、数字-模拟调制硬件以及调制后的模拟信号关系。

正如前面所提到的，一个正弦波可以通过三个参数来表示，即振幅、频率和相位。当我们改变其中任何一个参数时，就有了波的另一个形式。如果用原来的波表示二进制1，那么波的变形就可以表示二进制0，反之亦然。波的三个参数中的任意一个都可以用这种方式改变，因此我们至少有三种将数字数据调制到模拟信号的机制：幅移键控（Amplitude-Shift Keying，ASK）、频移键控（Frequency-Shift Keying，FSK）以及相移键控（Phase-Shift Keying，PSK）。另外，还有一种将振幅和相位变化结合起来的机制，叫作正交调幅（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）。其中正交调幅的效率最高，它也是现在调制解调器中经常采用的技术。下面详细介绍各种不同的调制技术。

1.幅移键控

在幅移键控技术中，通过改变载波信号的强度来表示二进制0或1。0用什么电平来表示、1用什么电平来表示则由系统设计者来决定。比特持续时间表示一个比特所占的时间区段。在每个比特持续时间中信号的最大振幅是一个常数，其值与所代表的比特有关。采用ASK调制技术的数据率受传输介质的物理特性所限。图2-31给出了关于ASK调制技术的概念描述。

不幸的是，ASK调制技术受噪声的影响很大。噪声是指在数据传输过程中由于产生的热、电磁感应等现象而引起线路中不期望的噪声信号，这些噪声信号改变了载波信号的振幅。在这种情况下，0可能变成1，1可能变成0。可以想象，对于一个主要依赖于振幅来识别比特的ASK调制方法，噪声会是一个较大的问题。噪声通常只影响振幅，因此ASK是受噪声影响最大的调制技术。

2.频移键控

在频移键控中，通过改变载波信号的频率来表示二进制0或1。在每比特持续时间内，信号的频率是一个常数，其值依赖于所代表的二进制数，而振幅和相位都不变，图2-32给出了FSK调制技术的概念描述。

3.相移键控

在相移键控中，通过改变载波信号的相位来表示二进制0或1。在相位改变时，信号的最大振幅和频率都不改变。例如，如果我们用0度相位来表示二进制0，就可以把相位改变到180度来表示二进制1。在每个比特持续时间内，相位是一个常数，其值依赖于所代表的比特值（0或1），图2-33给出了PSK调制技术的概念描述。

4.正交调幅

到目前为止，我们都是只是一次变动了正弦波三个参数中的一个，如果同时改变其中两个参数会有何结果？带宽限制使FSK调制技术与其他调制技术的结合在实际中不太可行的。通常的做法是将ASK和PSK两种调制技术结合起来，因此在相位上有 x 种变化，在振幅上有 y 种变化，于是总共就有了 x * y 种可能的变化和对应每个变化的相应比特数。正交调幅技术正是如此，QAM技术使得在双位、三位组等之间具有最大的反差。

QAM可能的变化是无数的。理论上讲，振幅变化的可能数量可以和相位变化的可能数量结合在一起。图2-34给出了两种可能的配置：4-QAM调制和8-QAM调制。

在图2-34给出的两种配置中，振幅变化的数量都小于相位变化的数量。振幅变化比相位变化更容易受噪声影响，因此不同的振幅值之间需要更大的距离，QAM技术中所使用的相位变化的数量是比振幅变化的数量要多。图2-34中8-QAM信号相应的时域图如图2-35所示。

最后需要说明的一点是，QAM所需的最小带宽与ASK和PSK所需的最小带宽相同。

2.4.4 模拟-模拟调制

模拟-模拟调制方式主要有调幅、调频和调相三种。

1.调幅

在调幅（AM）方式中，对载波信号进行调制，使振幅根据调制信号振幅的改变而变化，载波信号的频率和相位保持不变，只有振幅随着模拟数据而改变。图2-36显示了模拟-模拟调制的工作原理。调制信号成为载波信号的一个包络线。

调幅信号的带宽等于调制信号带宽的两倍，并且覆盖了以载波频率为中心的频率范围，如图2-37所示。

在图2-37中，BW _m 表示调制信号（音频信号）的带宽，BW _t 表示无线电调幅信号的带宽， f _c 则是载波信号的频率。音频信号（话音和音乐）的带宽通常为5kHz，因此一个调幅无线电台至少需要10kHz的带宽。实际上，一般国家的频率分配委员都会为每个调幅无线电台分配10kHz的带宽。

事实上，调幅无线电台可以使用530～1700kHz（1.7MHz）之间的任何频率作为载波频率。但是，每个调幅电台的载波频率必须和其他调幅电台的载波频率间隔10kHz（一个调幅带宽）来避免干扰。

2.调频

在调频（FM）方式中，载波信号的频率随着调制信号电压（振幅）的改变而改变。载波信号的最大振幅和相位都保持不变，但是在调制信号的振幅改变时，载波信号的频率会相应地改变。图2-38显示了调制信号、载波信号以及合成的调频信号的关系。

一个调频信号的带宽等于调制信号带宽的10倍，而且与调幅带宽一样以载波频率为中心，图2-39显示了调频带宽。

立体声广播里的音频信号（话音和音乐）的带宽大约是15kHz，因此每个调频立体声电台最少需要150kHz的带宽。美国联邦通信委员会为每个调频立体声电台预留了200kHz带宽。

调频电台使用88～108MHz间的任意频率作为载波频率，但为了防止电台之间波段重叠，电台之间必须有至少200kHz的频率差。

3.调相

为使硬件实现更简单，在某些系统中采用调相（PM）技术代替调频技术。在调相方式中，载波信号的相位随着信号的电压变化而调整。载波的最大振幅和频率保持不变，而当数据信号的振幅变化时，载波信号相位随之发生相应改变。调相信号带宽与调频信号带宽是类似的。 Ca7Bgk6GzfUao+mJi74/OHpIUnt2a+XxLprNftzHCXC4d+0q0V7iGDyO6megUszD