第2章數據編碼2.1數據編碼概述2.2數字—數字編碼2.3模擬—數字編碼2.4數字—模擬編碼2.5模擬—模擬編碼2.6擴頻編碼2.7差錯控制編碼2.8數據壓縮2.9加密和解密2.1數據編碼概述2.1.1數據的編碼與調制 在第1章中說明了模擬數據和數字數據之間，以及模擬信號與數字信號之間的區別，這兩種形式的數據都可以編碼成兩種形式的信號。 模擬信號傳輸的基礎是載波，它是一個恒定的連續的正弦波信號。信號經過調制后可以用載波信號發送。2.1.2數據的差錯控制編碼 數據編碼不僅涉及到編碼技術，還涉及調制技術，這些技術是信息傳輸必不可少的。盡管如此，它們都不足以保證數據傳輸的安全和完整。2.1.3數據的加密和解密 在數據傳輸過程中，雖然采取差錯控制保證了數據的完整性，但另一個潛在的危險問題就是非法的信息或未授權接收。2.1.4數據壓縮 隨著通信技術與計算機技術的發展，大量的新應用不斷涌現，需要建立更加廉價的數據發送方法。1．格式編排 數據格式編排不必通過網絡傳輸，數據壓縮可將一個常用表格移去格式編排，這種格式編排用到大量的冗余數據，而接收設備又可以容易地重新編排數據，將各個數據域放在表格中相應的位置上，這種表格是駐留在接收設備的存儲器中的。2．冗余數據 冗余數據可以很輕易地由發送器標識并傳送到接收器。這種方法也稱為串編碼，可以產生多達4∶1的壓縮比，有時也稱為游程編碼。3．常用字符 通過使用標識符和一個小的位集，很容易標識這些常用字符，并對其進行壓縮。哈夫曼編碼就屬于這類編碼，可以實現2∶1或4∶1的壓縮比。4．常用字符串 常用字符串也可以以縮略的形式標識傳輸，這種方法依賴于在一個特定字符后面的字符出現的概率。馬爾可夫信源就是利用這種技術。2.2數字—數字編碼1．單極性不歸零編碼（NRZ） 單極性不歸零編碼是最簡單、最基本的編碼，它只使用一個電壓值（0和+）表示數據信息。2．單極性歸零編碼（RZ） 單極性歸零編碼對于數據“1”，對應一個+脈沖或?脈沖，脈沖寬度比每位傳輸周期要短，即每個脈沖都要提前回到零電位；對于數據“0”則不對應脈沖，仍按0電平傳輸。3．雙極性不歸零編碼（NRZ） 雙極性不歸零編碼對于數據“1”，用+E或?E電平傳輸；對于數據“0”，用?E或+E電平傳輸，如數據通信中使用的RS-232接口就采用這種編碼傳輸方式，其特點基本上與單極性不歸零編碼相同。4．雙極性歸零編碼（RZ） 雙極性歸零編碼對于數據“1”，用一個+E或－E電平傳輸；對于數據“0”，用－E或+E電平傳輸，且相應脈沖寬度都比每位數據所需傳輸周期要短；對于任意數據組合之間都有0電位相隔。5．曼徹斯特編碼與差分曼徹斯特編碼 曼徹斯特編碼的規律為：對于數據“1”，用前半周期為0電平，后半周期為+E（或－E）電平；對于數據“0”，則用前半周期為+E或?E電平，后半周期為0電平，即通過傳輸每位數據中間的跳變方向表示傳輸數據的值，如圖2-6（a）所示。圖2-6曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼6．交替雙極性反轉碼（AMI） 在這種編碼中，數據“1”順序交替地用+E和－E表示。對于數據“0”仍變換為0電平。交替雙極性編碼有如下特點：首先容易出現連“0”，不利于提取同步定時信號。其次，無直流分量，利于在不允許直流和低頻信號通過的介質和信道中傳輸，有利于接收端判決電路的工作；第三，由于數據“1”對應的傳輸碼電平正負交替出現，有利于誤碼的觀察。7．三階高密度碼（HDB3） HDB3碼是建立在AMI碼基礎上的，即先把數據變換成AMI傳輸碼，再對AMI碼進行變換。 HDB3碼除了有AMI碼的優點外，還克服了AMI的缺點，是歐洲和日本PCM系統中使用的傳輸碼型之一。2.3模擬—數字編碼1．脈沖振幅調制（PAM） 模擬—數字編碼技術的第一步是脈沖振幅調制（PAM）。這種技術是通過接收模擬信號，對它進行采樣（或取樣），然后根據采樣結果產生一系列脈沖。所謂采樣就是每隔相等的時間間隔就測量一次信號振幅。2．脈沖編碼調制（PCM） 脈沖編碼調制（PCM）技術是將脈沖振幅調制（PAM）所產生的采樣結果轉變成完全數字化的信號。3．采樣頻率 模擬信號的數字表示的精度取決于采樣的數量。實際上，對于接收設備來說，重現一個模擬信號只需要少量的信息。4．PCM的應用 PCM技術的最主要應用是長途電話在線語音的數字化。按照國際標準，每秒采樣8000次，每個采樣8位，每路話音是64kbit/s的傳輸速率。另一個應用就是光盤（CD）技術，CD上的音樂是應用PCM光學編碼成數字格式的。2.4數字—模擬編碼 通過對載波信號的不同參數（振幅、頻率和相位）進行調制，可以得到振幅鍵控、頻移鍵控和相移鍵控三種性能不同的調制方法，這些調制方法統稱為“數字調制技術”。振幅鍵控（ASK） ——數據信號對載波振幅調制。頻移鍵控（FSK） ——數據信號對載波頻率調制。相移鍵控（PSK） ——數據信號對載波相位調制。2.4.1振幅鍵控（ASK） 一種常用的振幅鍵控技術是開關鍵控（OOK）。在OOK中某一種比特值用沒有電壓表示。該技術的優點是傳輸信息所需要的能量下降了。2.4.2頻移鍵控（FSK） 振幅鍵控的一個缺點是容易受到噪聲和靜電的干擾。為解決噪音干擾問題，而產生了頻移鍵控（FSK）。 FSK在很大程度上避免了ASK中的噪聲問題，因為接收方是通過在給定時間段內的具體頻率變化來識別比特值的，所以可以忽略尖峰脈沖。2.4.3相移鍵控（PSK）1．PSK與DPSK（1）PSK 相移鍵控（PSK）是利用載波相位的變化來代表發送的數據，主要用于中速數據傳輸，例如在電話信道中傳輸2400bit/s、4800bit/s時，就采用此種調制方式。（2）QPSK編碼 在相移鍵控中，除了表示信號兩種變化外，還可以表示信號四種變化，每種變化代表兩個比特。（3）PSK編碼的帶寬 PSK編碼傳輸技術所需的帶寬與ASK編碼所需的帶寬相等，當PSK相位數與ASK的幅值數相同時，二者傳輸速率相同。2．信號星座（1）信號星座 在討論的PSK編碼及今后遇到的許多編碼，引入信號星座（SignalConstellation）的概念，形象地表示這些編碼信號。所謂信號星座即坐標系上的一個點陣，該點陣定義了信號所有狀態的變化。（2）PSK編碼信號的星座圖表示 在PSK編碼中，可以使用矢量圖和星座圖共同表示。如圖2-20（a）中的“1”可以用振幅為1V，相位為180°的矢量信號表示；“0”可以用振幅為－1V，相位為0°的矢量信號表示。若只畫出矢量端點，就成為星座圖，如圖2-20（b）。圖2-20BPSK的矢量圖和星座圖2.4.4正交調幅（QAM）1．QAM編碼的概念 所謂正交幅度調制（QuadratureAmplitudeModulation，QAM），又稱正交雙邊帶調制，是將兩路獨立的基帶波形分別對兩個相互正交的同頻載波進行抑制載波的雙邊帶調制，所得到的兩路已調信號疊加起來的過程。2．QAM編碼的形成（1）QAM的編碼過程 對于QAM是數字調制的一種形式，數字信息包含在發送載波的幅度和相位內。（2）QAM編碼星座圖 對于QAM編碼，理論上任何數量的振幅變化都可以和任何數量的相位變化結合在一起，圖2-23表示了兩種可能的配置，圖2-23（a）所示為4正交振幅，而圖2-23（b）所示為8正交振幅。圖2-23兩種可能配置的星座圖3．QAM編碼的應用 在調制速率相同的條件下，QAM編碼所需的最小傳輸帶寬和ASK編碼是一樣的，QAM與PSK編碼具有一樣的優點。QAM編碼的主要特點是有較高的頻譜利用率，它通常用于高速的數據傳輸系統中。正是由于QAM的優點，使得它在現代通信領域得到了廣泛的應用。2.5模擬—模擬編碼 在數據通信中，信息可能有兩種類型：數字的或模擬的，而且信號也可以是數字的或模擬的。模擬—模擬編碼是用模擬信號來表示模擬信息的一種編碼技術。無線電波的應用就是模擬—模擬通信的典型例子。在這種應用中，需要將被傳輸的信號進行調制。通過調制可以獲得較高的頻率，提高傳輸的有效性；通過采用頻分多路復用技術不但提高了傳輸效率，還降低了設備費用。2.6擴頻編碼2.6.1擴頻技術概述1．擴頻技術簡介 擴展頻譜（SpreadSpectrum）簡稱擴頻，它是一種專為無線傳輸量身訂做的傳輸技術，是近年來發展很快的技術。擴頻技術最初是針對軍事及情報部門的需求而開發的。它的基本思想是將攜帶信息的信號擴展到較寬的頻譜中，用以加大抗干擾及抗竊聽的能力。開發出的第一種擴頻技術稱為跳頻（FrequencyHopping），而最新的一種技術稱為直接序列擴頻（DirectSequenceSpreadSpectrum，DSSS）。2．擴頻數字通信系統一般模型 圖2-25給出了擴頻數字通信系統的一般模型，輸入的數據經信息調制形成數字信號；然后，由偽隨機序列發生器產生的偽隨機序列去調制數字信號以展寬信號的頻譜；展寬后的信號再對載頻進行調制（如PSK，QPSK等）；最后，通過射頻功率放大到天線發射出去。圖2-25擴頻數字通信系統一般模型2.6.2跳頻（FH） 所謂跳頻（FH），比較確切地說是用一定的碼序列進行選擇的多頻率頻移鍵控，即用擴頻碼序列進行頻移鍵控，使載波頻率不斷地跳變，所以稱為跳頻。2.6.3直接序列擴頻1．直接序列擴頻概念 所謂直接序列擴頻（DS），就是直接用高碼率的擴頻碼序列在發端去擴展信號的頻譜，而在收端，用相同的擴頻碼進行解擴，把展寬的擴頻信號還原成原始的信息。2．直接序列擴頻的主要性能及應用（1）直接序列擴頻的抗干擾性 直接序列擴頻系統最早應用在軍事通信中，作為具有很強抗干擾性的通信手段。（2）直接序列擴頻的抗截獲性 理論上分析表明，信號的檢測概率與信號能量和噪聲功率譜密度之比成正比，與信號的頻帶寬度成反比。（3）易實現保密通信 上面提到的隱蔽通信不屬于保密通信，由于直接序列擴頻系統是數字化通信系統，數字很容易加密，它不需要很復雜的設備，只需要簡單的數字邏輯電路，就能有效地實現保密通信。（4）潛在的抗多徑干擾 在直接序列擴頻系統中利用一定的技術，多徑干擾不但可以克服，而且利用多徑信號進行適當分集接收。（5）用于測距定時系統 眾所周知，電磁波在空間是以光速傳輸的，若測定了電波傳播的時間，也就測定了距離。 總之，直接擴頻技術的應用已從軍用走向民用，在通信領域也越來越受到重視，目前擴頻技術不僅用于CDMA蜂窩通信系統，而且在無線局域網絡和衛星通信等領域也已獲得了廣泛的應用。2.7差錯控制編碼2.7.1差錯控制編碼概述 數據通信要求信息傳輸有很高的可靠性，也就是對誤碼率有很高的要求。1．差錯控制編碼的概念 香農（Shannon）于1934年在“通信的數學理論”一文中提出了關于在噪聲信道中傳輸信息的重要定理：只要對信息進行適當的編碼即提供足夠的冗余，就可以在不犧牲信息傳輸率的前提下把噪聲信道引起的差錯減少到希望的程度。2．差錯類型 在數據通信系統中，引起數據信息序列產生的差錯，可以分成以下兩種類型。（1）隨機性錯誤（2）突發性錯誤 由于實際信道是非常復雜的，這兩種錯誤類型通常同時存在。2.7.2差錯控制的基本方式 差錯控制的根本目的是發現傳輸過程中出現的差錯并加以糾正。差錯控制的基本工作方式主要基于兩種基本思想：一是通過抗干擾編碼，使得系統接收端譯碼器能發現錯誤并能準確地判斷錯誤的位置，從而自動糾正它們；二是在系統接收端僅能發現錯誤，但不知差錯的確切位置，無法自動糾錯，必須通過請求發送端重發等方式來達到糾正錯誤的目的。1．前向糾錯（FEC）方式（1）FEC方式 在圖2-30（a）所示的通信系統中，發信者和受信者之間僅有一條單向（正向信道）傳輸線路。圖2-30差錯控制編碼的應用（2）FEC方式的主要特點 接收端自動糾錯，解碼延遲固定，采用FEC方式傳輸系統的實時性好。 無需反饋信道，能用于單向傳輸，特別是適用于單點向多點同時傳送的廣播系統，所以FEC廣泛地應用于衛星傳送數據和現代的數字移動通信中。為了獲得較高的糾錯能力，所采用的糾錯碼通常需要較大的冗余度（即附加的額外編碼位數多），從而使傳輸效率下降。

FEC方式差錯控制規程簡單，但譯碼設備實現較復雜。2．檢錯重發（ARQ）方式（1）ARQ方式 檢錯重發（ARQ）是數據通信中常用的一種差錯控制方式，有時也稱為自動重發請求。（2）ARQ方式的主要特點

ARQ方式只需要較少的冗余碼，就能獲得極低的傳輸誤碼率。相對于FEC方式而言，ARQ方式是用檢錯碼代替糾錯碼，因而比前向糾錯占用更少的傳輸線路，編碼器和譯碼器較為簡單，成本也低得多。

ARQ方式需要有反饋信道，因而不能用于單向傳輸信道和廣播系統中。

ARQ方式的控制規程比較復雜。當系統出現錯誤需要重發時，其通信效率較低。由于反饋重發的隨機性，ARQ方式的實時響應性不如前向糾錯方式，所以ARQ方式不適合用于實時傳輸系統。（3）常見的檢錯重發方式 常見的檢錯重發方式有三種：等待發送（空閑重發請求或停發等候重發）、選擇重發（或連續發送）和有限連續發送（限制連續發送的幀數）。 ①等待重發 ②有限連續發送 ③選擇重發3．混合糾錯（HEC）方式 混合糾錯（HEC）是前向糾錯方式和檢錯重發方式的結合，如圖2-31（c）所示。其內層采用FEC方式，糾正部分差錯；外層采用ARQ方式，重傳那些雖已檢出但未糾正的差錯。混合糾錯方式在實時性和譯碼復雜性方面是前向糾錯和檢錯重發方式的折衷，較適合于環路延遲大的高速數據傳輸系統。圖2-31差錯控制的基本方式2.7.3糾錯檢錯編碼的基本原理1．糾錯和檢錯的基本原理 差錯控制包括檢錯和糾錯，它們能夠有效地檢測出通信過程中產生的差錯，并進行糾正，從而提高通信質量。2．糾錯和檢錯中的基本概念（1）冗余度 香農定理告訴我們：信源編碼的目的就是去冗余，提高編碼的效率。圖2-33分組碼結構 ④碼距 兩個碼組對應位上數字不同的位數稱碼組間的碼距。 ⑤最小碼距 某種編碼所產生的各個碼組間距離的最小值。 ⑥編碼效率 通常用碼率 表示碼組中信息碼所占的比例，稱為編碼效率。（3）最小碼距與糾檢錯能力 ①檢錯能力 設要檢測的錯碼個數為e，則要求最小碼距d0≥e+1。 ②糾錯能力 設要糾正的錯碼個數為，則要求最小碼距d0≥2t+1。 ③同時能糾錯和檢錯的能力d0≥e+t+1(e＞t) 若能滿足條件③，就可以同時糾正個錯誤，檢出個錯誤。2.7.4奇偶校驗1．奇偶校驗（1）奇偶校驗的概念 奇偶校驗是用于數據通信系統的最簡單的檢錯方法，它常與垂直和水平冗余校驗一起使用。（2）奇偶校驗的電路實現 奇偶校驗可以用“異或”邏輯電路實現，使用異或電路時，若所有輸入相等（全“0”或全“1”），輸出就是“0”；若所有輸入不等，輸出就是“1”。（3）奇偶校驗的主要特點 奇偶校驗的主要優點是簡單，缺點是當收到偶數個位出錯時，奇偶校驗將無法檢測出來，奇偶校驗只能檢測出部分傳輸差錯。2．二維奇偶監督碼 二維奇偶角度碼又稱為方陣碼，它是在上述奇偶校驗碼的基礎上形成的。3．校驗和 校驗和是一種特別簡單的檢錯方法，其實質也是奇偶校驗法，主要用于數據通信的高層協議對錯誤進行檢測。2.7.5漢明碼1．漢明碼特點（1）漢明不等式 對于一個（n,k）分組碼，其監督位數r=n-k。若用r個監督位構造監督式指示1位錯誤，錯誤發生的情況將有種可能位置。2．漢明碼的編碼和糾錯過程（1）漢明碼中冗余碼的位置確定（2）冗余比特值的計算 圖2-39表示一個ASCII碼字符的漢明碼實現步驟。圖2-39漢明碼中冗余比特的計算圖示2.7.6循環冗余校驗1．循環冗余校驗概述 奇偶校驗本身不是很可靠的。若采用垂直和水平冗余校驗（VRC），把數據序列合成兩維比特陣列，每次發送一列，奇偶校驗就很可靠了。2．CRC編碼組成 循環冗余校驗（CyclicRedundancyCheck，CRC）是一種通過多項式除法運算檢測錯誤的，人們稱它是一種不尋常而巧妙的方法。

（3）關于生成多項式G(x)（4）CRC碼生成和校驗的硬件實現 在實際應用中，CRC碼的生成與校驗過程可用軟件或硬件來實現。目前，已有很多通信集成電路芯片本身帶有標準的CRC碼生成與校驗功能，使用非常方便。（5）CRC碼的檢錯性能 CRC碼的校驗能力很強，既能檢測隨機差錯，又能檢測突發性差錯，其檢錯性能是： 能檢測出全部單個錯誤； 能檢測出全部隨機的兩位錯誤； 能檢測出全部奇數個錯誤；能檢測出全部長度小于位的突發性錯誤；能以 的概率檢測出長度為（k+1）位的突發性錯誤。2.8數據壓縮2.8.1什么是數據壓縮 所謂數據壓縮，就是削減表示信息的符號的數量，即通過一些方法將數據轉換成為更加有效、需要更少存儲量的格式，以減少傳輸的字節數。數據壓縮的目的是：能較快地傳輸各種信號，如傳真信號和Modem通信信號等； 在現有的通信干線并行開通更多的多媒體業務，如各種通信增值業務；另外，可以緊縮數據的存儲容量，如CDROM，VCD和DVD等；對于多媒體移動通信系統，可以降低發信機的功率。因此，數據壓縮在通信時間、傳輸帶寬、存儲空間甚至發射能量等方面都會起很大作用。2.8.2數據壓縮方法1．無損壓縮 無損壓縮就是經過壓縮編碼后，不能丟失任何信息。無損壓縮常常用于磁盤文件、數據通信和氣象衛星云圖等場合，因為這些場合不允許在壓縮過程中有絲毫的損失。下面是在無損壓縮中使用的一些技術。（1）游程壓縮 當數據中包含有重復符號串（如比特，字符等）時，這個串可以用一個特殊的標記所代替，接著是重復的符號，再后面是出現的次數。（2）統計壓縮 統計壓縮使用短編碼表示常用的符號，使用長編碼表示不常用的符號。（3）相對壓縮 相對壓縮也稱為差分壓縮，這種方法在發送視頻數據時非常有用。2．有損壓縮 若解碼后的信息不必和原始信息是完全一樣的，只要非常接近就可以了，則可以使用一種有損壓縮的方法實現。2.9加密和解密2.9.1有關術語1．密寫和編碼 把真實信息轉化成為秘密形式信息的技術，有密寫和編碼兩種類型。轉化前的信息稱為明文，轉化后產生的信息稱為密文。2．加密和解密 通信雙方中的信息發送者把明文轉換成密文的過程稱之為加密；而信息接收者，把接收到的密文再現為明文的過程就是解密。3．算法 算法即計算某些量值或對某個反復出現的數學問題求解的公式、法則或程序，它規定了明文和密文之間的變換方式。4．密鑰 密鑰控制算法的實現，是信息通信雙方所掌握的專門信息。 密鑰和算法是密碼體制中兩個最基本的要素。在某種意義上，可將算法視為常量，它可以是公開的；將密鑰視為變量，它是秘密的。2.9.2基本的加密技術1．傳統密鑰 在傳統密鑰中，有基于字符的和基于比特的加密方法。加密是通過單字母替換法、多字母替換法和位置變換等方法實現的，這些方法是基于字符的。2．公共密鑰 在傳統的加密/解密方法中，加密算法通常是解密算法的反過程，而且加密和解密使用相同的密鑰。謝謝觀看/歡迎下載BYFAITHIMEANAVISIONOFGOODONECHERISHESANDTHEENTHUSIASMTHATPUSHESONETOSEEKITSFULFILLMENTREGARDLESSOFOBSTACLES.BYFAITHIBYFAITH最易遭老板“炒”的15種員工廣東韋邦集團李雙華有人在工作中出了問題，于是首先想到的是換一家企業去工作，考慮的只是換一個環境而已，根本沒有反思自身的問題。可是，換了工作環境問題卻依然存在啊！老板雖然換了，但他們考慮“炒魷魚”的因素是一致的。那么，老板眼中什么樣的人