第四章 数字传输

4.1 数字到数字转换

4.1.1 线路编码

线路编码是将数字数据转换为数字信号的过程

数据元素(data element):表示一块信息的最小实体，即位(bit)，是被承载的

信号元素(signal element)：是数字信号的最小单元，是传输载体

比率r的定义

r是每个信号元素承载的数据元素的个数

数据速率：1秒钟发送的数据元素(位)的数量，即bps(bits per second),或 b/s,也叫比特率

信号速率：1秒钟发送的信号元素的数量，单位是波特率(baud)，或者叫做脉冲速率(pulse rate),调制速率(modulation rate)或波特率(baud rate)

目标：增加数据速率而降低信号速率,因为降低信号速率可以让更小的带宽但是更高的数据速率

• N：数据速率，单位bps
• c: 情形因子(case factor),可变参数
• S：是信号元素的速率，单位是baud
• r: 比率

• 是波特率而不是比特率决定了数字信号的带宽
• 波特率和带宽是有关系的
• 若给定通道带宽，则可以得到最大数据速率

基线,基线偏移和直流分量

基线: 接收方计算收到信号功率的平均值

基线偏移(Baseline Wandering)：0或者1的长字串会引起基线偏移，使得接收方不能正确地进行解码。好的线路编码方案需要防止基线偏移。

直流分量(DC Components):接近于零的频率成为直流分量。会给不允许通过低频率的系统，或者使用电子耦合的系统带来问题。直流分量就是信号中掺杂的直流成分.我们希望信号中的直流分量要少一些

自同步

接收方的位间隔与发送方的位间隔严格对应与匹配。

数字信号子啊传输的数据中包含有定时信息. 通常是使用信号中包含有提示接收方起始,中间和结束位置的脉冲的跳变

4.1.2 线路编码方案

单极性不归零NRZ编码(Uniploar)

极性不归零NRZ-L和NRZ-I编码 (Polar)

在NRZ-L中电平决定了位值.
在NRZ-I中电平是否反相决定了位值

极性归零(Polar RZ)

这种方法便于检测跳变

双向编码

双向编码分为曼彻斯特编码和差分曼彻斯特

曼彻斯特编码：RZ的位中间跳变 + NRZ-L

• 位的持续时间被二等分，前半部分电平保持一个水平，后半部分编程另外一个水平
• 位中间的跳变提供了同步
• 0：中间由高到低， 1：中间由低到高

差分曼彻斯特编码：RZ + NRZ-I

• 中间总有跳变，值在位起始位置
• 交界位置看跳变,0：有跳变，1：没有跳变

AMI和伪三元编码

AMI：交替传号反码

• 传号就是1
• 0: 0电平， 1：正负电平交替变换

伪三元编码是AMI的一个变形

• 1：0电平，0：正负电平交替变换

优点：无直流分量、具有与NRZ相同的波特率(N/2)

缺点：连续0可能失去同步

多电平编码

mBnL

• m表示二进制模式的长度(基本上就是二进制的位数)
• B表示二进制数据
• n是信号模式的长度
• L是信号的电平数，若L=2，用B替换；若L=3，则用T替换；若L=4，则用Q替换

2B1Q

代表两位二进制长度,信号模式长度为1,四种电平

前一个信号为负时采用第二列的取值方式,前一个信号为正时采用第三列的取值方式

8B6T

代表八位二进制长度,信号模式长度为6,三种电平

平均信号速度理论值

最小带宽接近

4D-PAM5

• 4维5级脉冲振幅调制(four dimensional five-level pulse amplitude )
• 4D: 数据同时通过4条线路发送
• 5个电平：-2，-1, 0, 1, 2
• 0只用于发送差错检测
• 若编码是一维的，4个电平产生类似于8B4Q
• 信号速率可以降低到N/8
• 优点：G比特LAN使用这个技术来通过4条铜线（能处理125MBd）发送1Gbps的数据。

多线路传输: MLT-3

三种电平: +v,0,-v

如果下一位是0，没有跳变
如果下一位是1且当前电平不是0，下一个电平是0
如果下一位是1且当前电平是0，下一个电平是最后一个非零电平的相反值

优点：最差情况下波特率是比特率的1/4，适合于在不能传送超过32MHz频率信号的铜线中传输100Mbps的数据(频谱泄露问题)。

4.1.3 块编码

把m比特长的数据块映射成n比特长的数据块

块编码通常称为mB/nB (n>m)编码技术，用 m-bit 替换n-bit数据。
在nB中增加冗余位，解决同步问题，提供内在差错检测能力，提高线路编码性能。

4B变5B后打破连续的0或者1,4B/5B合成的新序列最多只会有连续3个0

当然类似地还有8B/10B编码方案,它提供了更强的差错检错能力

4.1.4 扰动

B8ZS

• 8个连续0电平会被替换成000VB0VB
• V表示违反(Violation)，是个非零电平，与前一个非零脉冲极性相同的极性，违反了AMI编码规则，
• B表示双极(Bipolar)，表示与AMI相一致的非零电平，即与一个非零脉冲极性相反的极性

8个0前一个符号的电平是正还是负决定了之后的电平的样式. 注意8个0前一个符号是1还是0与之后电平的样式无关而只与这个符号的正负有关

HDB3

• 根据最后一次置换后非零脉冲数，把4个连续0电平被置换成000V或B00V
• 两个不同的置换是为了维持每次置换后非零脉冲数为偶数
• 如果最后一次置换后，到当前位置的非零脉冲数是奇数，置换为000V，使得非零脉冲总数为偶数。
• 如果最后一次置换后，到当前位置的的非零脉冲数是偶数，置换为B00V，使得非零脉冲总数为偶数。

第一个4个0之前有2个非0脉冲,2为偶数,所以用B00V,之后的4个0之前有1个非0脉冲,所以用000V,之后类似

4.2 模拟到数字转换

4.2.1 脉冲码调制

为了能够在接收端通过采样值，完全恢复原始的模拟信号，采样速率必须至少是信号所含最高频率的2倍.

奈奎斯特采样定理: fs = 2 * fmax

不同的采样频率对信号恢复的影响

量化

我们把最小振幅和最大振幅之间的振幅设置L(量化等级)个区间,将区间内的值同意认为是一个值,然后给这个区间一个统一的编码. 这就是它的中心思想

量化误差:

但是因为实际中低频率的信号发生的比高频率的信号更加的频繁,所以我们在设置区间的时候就给区间的高度设置的不一样宽,这样就可以有效地降低量化误差

编码

如果量化等级是L,那么编码的位数就是

nb = log2(L)

同时比特率可以通过如下公式获得

下面有一个比较好的例子

原始信号恢复

4.2.2 Delta调制

PCM是十分复杂的技术. 已经开发出其他技术来减少PCM的复杂性. 最简单的一种是delta调制.

4.3 传输模式

4.3.1 并行传输

4.3.2 串行传输

异步传输

• 在传输中信号的时序并不重要，信息的接收和转换通过约定的模式进行。
• 约定模式基于将位流组成字节的方式建立，作为一个单位沿着链路传输。
• 没有同步时钟，增加起始位和停止位

同步传输

同步传输速度快,多用于传输大块的(二进制)数据