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编码与调制总结

《通信工程专业研究方法论与创新教育》结课论文

编码与调制

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编码与调制

交大没有笨学生，只有懒学生。

编码的核心是频谱的整形，调制的核心是频带的搬移。

用数字信号承载数字或模拟数据叫做编码。

编码的码型有很多种，包括：

二进制码、不归零码、不归零反转码、单极性非归零码、双极性非归零码、归零码、单极性归零码、双极性归零码、曼切斯特码、差分曼彻斯特编码、AMI编码、HDB3编码、B3ZS编码、B8ZS编码、CMI编码、4B/5B编码、5B/6B编码、MLT-3编码、8B/10B编码、8B/6T编码、64B/66B编码、128B/130B编码和PAM-5编码。

A.二进制码最普通且最容易的方法是用两个不同的电压值来表示两个二进制值。

用无电压（或负电压）表示0，而正电压表示1。

优点：

技术实现简单，计算机是由逻辑电路组成，逻辑电路通常只有两个状态，开关的接通与断开，这两种状态正好可以用“1”和“0”表示；简化运算规则：

两个二进制数和、积运算组合各有三种，运算规则简单，有利于简化计算机内部结构，提高运算速度；适合逻辑运算：

逻辑代数是逻辑运算的理论依据，二进制只有两个数码，正好与逻辑代数中的“真”和“假”相吻合；易于进行转换，二进制与十进制数易于互相转换；用二进制表示数据具有抗干扰能力强，可靠性高等优点。

因为每位数据只有高低两个状态，当受到一定程度的干扰时，仍能可靠地分辨出它是高还是低；一位二进制代码叫做一个码元,它有0和1两种状态.N个码元可以有2^n种不同的组合；每种组合称为一个码字.用不同码字表示各种各样的信息,就是二进制编码.

B.非归零码（NRZ编码）不归零编码效率是最高编码。

光接口STM-NO、1000Base-SX、1000Base-LX采用此码型。

NRZ是一种很简单的编码方式，用0电位和1点位分别二进制的“0”和“1”，编码后速率不变，有很明显的直流成份，不适合电接口传输。

不归零码缺点：

存在直流分量，传输中不能使用变压器，不具备自动同步机制，传输时必须使用外同步。

C.不归零反转编码（NRZI编码） NRZI编码中不论电平是高还是低，都不代表二进制的1和0。

而是电压变化表示二进制的1。

如果没有电压变化，则下一位是0；如果有电压变化，则下一位是1。

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。

NRZI用于较慢的RS—232串行通信和硬盘驱动器上的数据存储中。

在同步链路上，长串的连续位（可能数千个0）会出现问题。

接收器可能会失去同步，不能检测到连续串中0的正确个数。

NRZ和NRZI都是单极性码，即都只有正电平和零电平，没有负电平，所以NRZ和NRZI码中有很多直流成份，不适合电路传输，并且NRZ和NRZI编码本身不能保证信号中不包含长连“0”或长连“1”出现，不利于时钟恢复。

另一问题是长串的0表现为直流，它不能通过某些电气部件。

Manchester编码和其他方案通过增加时钟信号解决了这些问题。

D.单极性非归零码 单极性码有电压表示1，无电压表示O。

没有特殊的编码。

电平在整个码元时间里不变，记作NRZ码。

它的占空比为100%。

单极性码会累积直流分量。

在数字通信设备内部，由于电路之间距离很短，都采用单极性编码这种比较简单的数字编码形式。

单极性不归零编码简单高效外，还具有廉价的特点。

单极性码主要运用于终端设备及数字调制设备中。

E．双极性非归零码 双极性码中正电压表示1，负电压表示0。

该方案降低了功率要求并减小了高电平衰减。

他与单极性非归零码不同处在于输入二元信息为1时，给出的码元前半时间为1，后半时间为0，输入0则完全相同。

它的占空比为50%。

双极性码的直流分量则大大减少,从而有利于传输。

单极性和双极性非归零码是在一个码元的全部时间内发出或不发出电流（单极性）,以及发出正电流或负电流（双极性）。

每一位编码占用了全部码元的宽度,故这两种编码都属于全宽码,也称作不归零码NRZ（NonReturnZero）。

如果重复发送"1"码,势必要连续发送正电流;如果重复发送"0"码,势必要连续不送电流或连续发送负电流,这样使某一位码元与其下一位码元之间没有间隙,不易区分识别。

归零码可以改善这种状况。

F．归零码 归零码的电压状态在某个信号状态后返回到零。

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。

优点是：

一位码元（一串脉冲）一个单位脉冲的亮度，称为全亮码。

根据通信理论，每个脉冲亮度越大，信号的能量越大，抗干扰能力强，且脉冲亮度与信道带宽成反比，即全亮码占用信道较小的带宽编码效率高。

缺点是：

当出现连续0或1时，难以分辨复位的起停点，会产生直流分量的积累，使信号失真。

因此，过去大多数数据传输系统都不采用这种编码方式。

近年来，随着技术的完善，NRZ编码已成为高速网络的主流技术。

G．单极性归零码（RZ）单极性归零码即是以高电平和零电平分别表示二进制码1和0，而且在发送码1时高电平在整个码元期间T只持续一段时间τ，其余时间返回零电平．在单极性归零码中，τ/T称为占空比．他与单极性非归零码不同处在于输入二元信息为1时，给出的码元前半时间为1，后半时间为0，输入0则完全相同。

它的占空比为50%。

单极性归零码的主要优点是可以直接提取同步信号，因此单极性归零码常常用作其他码型提取同步信号时的过渡码型．也就是说其他适合信道传输但不能直接提取同步信号的码型，可先变换为单极性归零码，然后再提取同步信号．

H．双极性归零码双极性归零码是二进制码0和1分别对应于正和负电平的波形的编码，在每个码之间都有间隙产生．这种码既具有双极性特性，又具有归零的特性。

此种码型比较特殊，它使用前半时间1，后半时间0来表示信息1；采用前半时间-1，后半时间0来表示信息0。

因此它具有三个电平。

双极性归零码的特点是：

接收端根据接收波形归于零电平就可以判决1比特的信息已接收完毕，然后准备下一比特信息的接收，因此发送端不必按一定的周期发送信息．可以认为正负脉冲的前沿起了起动信号的作用，后沿起了终止信号的作用．因此可以经常保持正确的比特同步．即收发之间元需特别的定时，且各符号独立地构成起止方式，此方式也叫做自同步方式．由于这一特性，双极性归零码的应用十分广泛 

I．Manchester（曼彻斯特） 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"。

这给接收器提供了可以与之保持同步的定时信号，因此也叫做自同步编码。

十兆以太网就是使用Manchester编码。

曼彻斯特编码常用在LAN上。

曼切斯特编码缺点：

需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。

J．差分曼彻斯特编码差分曼切斯特码是曼彻斯特编码的一种修改格式。

其不同之处在于：

每位的中间跳变只用于同步时钟信号；而0或1的取值判断是用位的起始处有无跳变来表示（若有跳变则为0，若无跳变则为1）。

这种编码的特点是每一位均用不同电平的两个半位来表示，因而始终能保持直流的平衡。

这种编码也是一种自同步编码。

K．AMI编码 AMI即AlternateMarkInversion，信号交替反转码，典型的双极性码，AMI类型的编码有HDB3、B3ZS、B8ZS等。

 AMI编码规则：

输入的“0”仍然是0，输入的“1”交替的变换为+1、-1。

 AMI能保证编码后无直流分量，但AMI本身无法保长连“0”和长连“1”出现。

这就出现HDB3、B3ZS、B8ZS，这三种编码成功弥补了AMI码的这种缺陷。

L．HDB3编码HDB3即HighDensityBipolaroforder3code，三阶高密度双极性码。

编码规则：

当原码没有四个以上连“0”串时，AMI码就是HDB3码；当出现四个以上连“0”串时，将第四个“0”变成与其前面一非“0”同极性的符号，由于这个符号破坏了极性交替反转的规则，因此叫做破坏符号，用V符号表示（+1为+V，-1为-V），相邻的V符号也需要极性交替；当V符号之间有奇数个非“0”时，是能满足交替的，如为偶数，则不能满足，这时再将该小段的第一个“0”变成“＋B”或“－B”，B符号与前一个非“0”符号相反，并让后面的非“0”符号从V符号开始交替变化。

M.B3ZS编码B3ZS即Bipolarwiththree-zerosubstitution，三阶双极性码，T3线路用此编码。

编码规则与HDB3相同，只是编码后能允许最多连“0”的个数从HDB3的三个减小到两个。

N.B8ZS编码B8ZS即Bipolarwitheigth-zerosubstitution，八阶双极性码，如果源码中没有8个或以上连“0”串时，这时AMI码就是B8ZS码，如果有8个或以上连“0”时，将8个“0”替换成“000VB0VB”，其他规则同HDB3码。

T1线路采用此编码。

O．CMI编码CMI即CodeMarkInversion，信号反转码。

编码规则：

输入的“1”交替用-1和+1表示，“0”用电平从-1到+1的跳变表示，也就是一个上升沿。

E4和SMT-1e线路采用此编码，编码后信号速率被提高，其实是以牺牲带宽来换取传输特性。

P．4B/5B编码

为什么要进行4B/5B编码？

在通信网络中，接收端需要从接收数据中恢复时钟信息来保证同步，这就需要线路中所传输的二进制码流有足够多的跳变，即不能有过多连续的高电平或低电平，否则无法提取时钟信息。

4B/5B编码方案是把数据转换成5位符号,供传输。

这些符号保持线路的交流（AC）平衡;在传输中,其波形的频谱为最小。

信号的直流（DC）分量变化小于额定中心点的10%。

在同样的20MHz钟频下,利用4B/5B编码可以在10兆位/秒的10Base-T电缆上得到16兆位/秒的带宽。

其优势是可想而知的。

这种编码的特点是将欲发送的数据流每4bit作为一个组，然后按照4B/5B编码规则将其转换成相应5bit码。

5bit码共有32种组合，但只采用其中的16种对应4bit码的16种，其他的16种或者未用或者用作控制码，以表示帧的开始和结束、光纤线路的状态（静止、空闲、暂停）等。

在IEEE802.9a等时以太网标准中的4B/5B编码方案,因其效率高和容易实现而被采用。

三种应用实例是FDDI、100BASE－TX和100BASE－FX。

4B/5B编码其实就是用5bit的二进制码来代表4bit二进制码。

此编码的效率是80%，比Manchester码高。

4B/5B编码的目的在前面已经说过了，就是让码流产生足够多的跳变。

4位二进制共有16种组合，5位二进制共有32种组合，如何从32种组合种选取16种来使用呢？

这里需要满足两个规则：

每个5比特码组中不含多于3个“0”；或者5比特码组中包含不少于2个“1”。

此规则是怎么来的？

这就要从MLT-3码的特点来解释了。

MLT-3码的特点简单的说就是：

逢“1”跳变，逢“0”不跳变。

为了让4B/5B编码后的码流中有足够多的跳变就需要编码后的码流中有尽量多的“1”和尽量少的“0”。

Q．MLT-3编码MLT-3编码是基带传输技术，在100BASE-TX网络中采用MLT-3传输方式。

为CrescendoCommunications公司（1993年被CIsco公司并购）所发明的基带传输技术，MLT-3是Multi-LevelTransmit的简称,其中的3表示这种编码方式有3种状态.MLT-3在多种文献中解释为多阶基带编码3或者三阶基带编码。

就三阶而言，信号通常区分成三种电位状态，分别为：

“正电位”、“负电位”、“零电位”。

MLT-3的运作方式如下：

用不变化电位状态，即保持前一位的电位状态来表示二进制0；用按照正弦波的电位顺序（0、+、0、-）变换电位状态来表示二进制1；

编码规则如下：

1.如果下一比特是0，则输出值与前面的值相同；

2.如果下一比特是1，则输出值就要有一个转变：

如果前面输出的值是+V或-V，则下一输出为0；如果前面输出的值是0，则下一输出的值与上一个非0值符号相反

R．8B/10B编码采用8b/10b编码方式，可使得发送的“0”、“1”数量保持基本一致，连续的“1”或“0”不超过5位，即每5个连续的“1”或“0”后必须插入一位“0”或“1”，从而保证信号DC平衡，它就是说，在链路超时时不致发生DC失调。

通过8b/10b编码，可以保证传输的数据串在接收端能够被正确复原，除此之外，利用一些特殊的代码（在PCI-Express总线中为K码），可以帮助接收端进行还原的工作，并且可以在早期发现数据位的传输错误，抑制错误继续发生。

直观的理解就是把8bit数据编码成10bit来传输，为什么要引入这种机制呢？

其根本目的是“直流平衡”。

当高速串行流动逻辑1或逻辑0有多个位没有产生变化时，信号的转换就会因为电压位阶段关系而造成信号错误，直流平衡的最大好处便是可以克服以上问题。

8B/10B编码是将一组连续的8位数据分解成两组数据，一组3位，一组5位，经过编码后分别成为一组4位的代码和一组6位的代码，从而组成一组10位的数据发送出去。

相反，解码是将1组10位的输入数据经过变换得到8位数据位。

数据值可以统一的表示为DX.Y或KX.Y，其中D表示为数据代码，K表示为特殊的命令代码，X表示输入的原始数据的低5位EDCBA，Y表示输入的原始数据的高3位HGF。

8B/10B编码是目前许多高速串行总线采用的编码机制，如USB3.0、1394b、SerialATA、PCIExpress、Infini-band、FibreChannel（光纤通道）、RapidIO等总线或网络等。

S．5B/6B码5B共有32个码字，变换为6B码共有64个码字，其中WDS=0的码字共有20个，WDS=+2的码字共有15个，WDS=-2的码字共有15个，因此共有50个|WDS|最小的码字供选择。

由于变换为6B时只需要32个码字，故禁用|WDS|=4和6的码字。

编码规则：

 若输入的5B码的码重为0，则设定其对应的6B码为0 0 0 1 1 0，且下次出现时输出其反码；若输入的5B码的码重为2，则在其5B码后直接补1；若输入的5B码的码重3，则在其5B码后直接补0；若输入的5B码的码重为4且不为11110，则在5B码前补0；若输入的5B码的码重为5，则直接设定为011000，且下次出现时输出其反码。

T．8B/6T编码8B/6T8比特被映射为6个三进制位100Base-T4即3类UTP，它采用的信号速度为25MHz，需要四对双绞线，不使用曼彻斯特编码，而是三元信号，每个周期发送4比特，这样就获得了所要求的100Mb/s，还有一个33.3Mb/s的保留信道。

该方案即所谓的8B6T（8比特被映射为6个三进制位）。

以太网在传输中使用8B/6T编码方式,信号频率为25MHz,符合EIA586结构化布线标准。

它使用与10BASE-T相同的RJ-45连接器,最大网段长度为100米。

U．64B/66B编码64B/66B编码是万兆以太网PCS（PhysicalCodingSublayer，物理编码子层）的关键部分。

它并不是真正的编码，而是一种基于扰码机制编解码方式。

这种编码方式，是IEEE推荐的10G通信的标准编码方式。

优点：

编码开销小：

8b/10b编码的开销约为20%，而64b/66b编码的开销约为3%；码字长。

缺点：

对齐时间长：

通过数据流中的有效同步位进行数据块对齐，正确匹配后才进入Lock状态完成定界，然后通过不间断的识别这两位，维持锁定；DC不平衡：

由于电口传输有一个相关时间常数，在下一位发送之前，高速接口经常不允许全电压摆幅。

因此，‘1’或者‘0’数量的连续不均衡会导致差分对眼图中心电位的偏移，会导致接收端电路设计的复杂、增加误码率；对发送端扰码器及接收端的解扰码起要求较高。

 V．128B/130B编码128B/130B编码选择A，10位2进制正好是1024，编码为0000000000——1111111111

128b/130b编码机制应用于PCI-E3.0，可以确保几乎100％的传输效率，相比此前版本的8b/10b机制提升了25％，从而促成了传输带宽的翻番，延续了PCI-E规范的一贯传统

目前相关主板已经上市。

W．PAM-5编码PAM-5是采用多级振幅信号编码，编码8位，2的8次方=256，有256种组合，有五种信号（例如-2V、-1V、0V、1V和2V），称为脉冲振幅调制。

应用在千兆以太网上。

总结应用：

二进制编码比较简单，一般用于计算机的制造和信息的处理。

目前通用的是ASCII码。

最基本的单位为bit；不归零编码效率是最高编码。

编码后速率不变，有很明显的直流成份，不适合电接口传输。

光接口STM-NO、1000Base-SX、1000Base-LX采用此码型；不归零反转码（NRZI）用于较慢的RS—232串行通信和硬盘驱动器上的数据存储中。

单极性非归零编码简单高效外，还具有廉价的特点。

单极性码主要运用于终端设备及数字调制设备中。

归零码每个脉冲亮度越大，信号的能量越大，抗干扰能力强，且脉冲亮度与信道带宽成反比，即全亮码占用信道较小的带宽编码效率高。

缺点是：

当出现连续0或1时，难以分辨复位的起停点，会产生直流分量的积累，使信号失真。

因此，过去大多数数据传输系统都不采用这种编码方式。

近年来，随着技术的完善，NRZ编码已成为高速网络的主流技术。

4B/5B三种应用实例是FDDI、100BASE－TX和100BASE－FX。

曼切斯特编码主要应用于10兆以太网，MLT-3编码和NRZI编码一般应用于100兆以太网，NRZ编码一般应用于1000兆以太网。

百兆以太网用的4B/5B编码与MLT-3编码组合方式，发送码流先进行4B/5B编码，再进行MLT-3编码，最后再上线路传输；千兆以太网用的是8B/10B编码与NRZ编码组合方式；万兆以太网用的是64B/66B编码；PCIE3.0用的是128B/130B编码。

调制是一种将信号注入载波，以此信号对载波加以调制的技术，以便将原始信号转变成适合传送的电波信号，常用于无线电波的广播与通信、利用电话线的数据通信等各方面。

依调制信号的不同，可区分为数字调制及模拟调制，这些不同的调制，是以不同的方法，将信号和载波合成的技术。

调制的核心是频带的搬移。

模拟调制

常规双边带调幅AM

幅度调制也可简称为调幅，通过改变输出信号的幅度，来实现传送信息的目的。

AM信号调制效率总是小于1的。

一般在调制端输出的高频信号的幅度变化与原始信号成一定的函数关系，在解调端进行解调并输出原始信号。

幅度调制是用调制信号去控制高频正弦载波的幅度，使其按调制信号的规律变化的过程。

幅度调制器的一般模型如图2-1所示。

图2-1幅度调制器的一般模型

图中，

为调制信号，

为已调信号，

为滤波器的冲激响应，则已调信号的时域和频域一般表达式分别为

式中，

为调制信号

的频谱，

为载波角频率。

    由以上表达式可见，对于幅度调制信号，在波形上，它的幅度随基带信号规律而变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的简单搬移。

由于这种搬移是线性的，因此幅度调制通常又称为线性调制，相应地，幅度调制系统也称为线性调制系统。

若假设滤波器为全通网络（

＝1），调制信号

叠加直流

后再与载波相乘，则输出的信号就是常规双边带调幅（AM）信号。

AM调制器模型如图2-2所示。

图2-2AM调制器模型

AM信号的时域和频域表示式分别为

AM信号的频谱

是由载频分量和上、下两个边带组成（通常称频谱中画斜线的部分为上边带，不画斜线的部分为下边带）。

上边带的频谱与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。

显然，无论是上边带还是下边带，都含有原调制信号的完整信息。

故AM信号是带有载波的双边带信号，它的带宽为基带信号带宽的两倍，即

实际上的函数关系一般是正比关系。

这种调制方式的最大好处是调制和解调非常简单，只需要一个二极管和一个电容器即可，当然最大的缺点是失真比较大，同时对干扰比较敏感，相对来说是一种比较古老的技术。

不过技术古老并不表示应用不广泛，目前仍然在很多领域应用，如收音机（中波广播）及航空无线电，尤其在航空无线电的领域，飞机的行进速度非常快，战斗机更快，对调频而言，多普勒效应太大了，会影响通讯，而调幅不受多普勒效应的影响，故无法被取代。

同时调幅也有一些改进的技术，在图2-1的一般模型中，适当选择滤波器的特性

，便可得到各种幅度调制信号，例如：

常规双边带调幅（AM）、抑制载波双边带调幅（DSB-SC）、单边带调制（SSB）和残留边带调制（VSB）信号等，调幅以及调幅的变种目前在移动通信广泛使用的多幅度数字调制等。

双边带调制DSB

DSB信号的调制效率是100%。

在幅度调制的一般模型中，若假设滤波器为全通网络（

＝1），调制信号

中无直流分量，则输出的已调信号就是无载波分量的双边带调制信号，或称抑制载波双边带（DSB-SC）调制信号，简称双边带（DSB）信号。

    DSB调制器模型如图3-7所示。

可见DSB信号实质上就是基带信号与载波直接相乘，其时域和频域表示式分别为

DSB信号的包络不再与

成正比，故不能进行包络检波，需采用相干解调；除不再含有载频分量离散谱外，DSB信号的频谱与AM信号的完全相同，仍由上下对称的两个边带组成。

故DSB信号是不带载波的双边带信号，它的带宽与AM信号相同，也为基带信号带宽的两倍，即

式中，

为调制信号带宽，

为调制信号的最高频率。

    抑制载波的双边带幅度调制的好处是，节省了载波发射功率，调制

效率高；调制电路简单，仅用一个乘法器就可实现。

缺点是占用频带宽

度比较宽，为基带信号的2倍。

单边带调制SSB

SSB信号的调制效率是100%。

由于DSB信号的上、下两个边带是完全对称的，皆携带了调制信号的全部信息，因此，从信息传输的角度来考虑，仅传输其中一个边带就够了。

这就又演变出另一种新的调制方式――单边带调制（SSB）。

产生SSB信号的方法很多，其中最基本的方法有滤波法和相移法。

用滤波法形成SSB信号，原理框图简洁、直观，但存在的一个重要问题是单边带滤波器不易制作。

这是因为，理想特性的滤波器是不可能做到的，实际滤波器从通带到阻带总有一个过渡带。

滤波器的实现难度与过渡带相对于载频的归一化值有关，过渡带的归一化值愈小，分割上、下边带就愈难实现。

而一般调制信号都具有丰富的低频成分，经过调制后得到的DSB信号的上、下边带之间的间隔很窄，要想通过一个边带而滤除另一个，要求单边带滤波器在

附近具有陡峭的截止特性――即很小的过渡带，这就使得滤波器的设计与制作很困难，有时甚至难以实现。

为此，实际中往往采用多级调制的办法，目的在于降低每一级的过渡带归一化值，减小实现难度。

相移法形成SSB信号的困难在于宽带相移网络的制作，该网络要对调制信号的所有频率分量严格相移

，这一点即使近似达到也是困难的。

单边带幅度调制的好处是，节省了载波发射功率，调制效率高；频带宽度只有双边带的一半，频带利用率提高一倍。

缺点是单边带滤波器实现难度大。

残留边带调制VSB

 残留边带调制是介于单边带调制与双边带调制之间的一种调制方式，它既克服了DSB信号占用频带宽的问题，又解决了单边带滤波器不易实现的难题。

 用滤波法实现残留边带调制的原理图如上图所示。

    在残留边带调制中，除了传送一个边带外，还保留了另外一个边带的一部分。

对于具有低频及直流分量的调制信号，用滤波法实现单边带调制时所需要的过渡带无限陡的理想滤波器，在残留边带调制中已不再需要，这就避免了实现