数据编码(041440516董迎顺)

数据编码姓名__董迎顺__学号041440516由于计算机要处理的数据信息十分庞杂，有些数据库所代表的含义又使人难以记忆。为了便于使用，容易记忆，常常要对加工处理的对象进行编码，用一个编码符合代表一条信息或一串数据。对数据进行编码在计算机的管理中非常重要，可以方便地进行信息分类、校核、合计、检索等操作。因此，数据编码就成为计算机处理的关键。即不同的信息记录应当采用不同的编码，一个码点可以代表一条信息记录。人们可以利用编码来识别每一个记录，区别处理方法，进行分类和校核，从而克服项目参差不齐的缺点，节省存储空间，提高处理速度。二进制数字信息在传输过程中可以采用不同的代码，各种代码的抗噪声特性和定时能力各不相同，实现费用也不一样，几种常用的编码方案：单极性码、极性码、双极性码、归零码、双相码、不归零码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码、多电平编码、4B/5B编码。首先介绍两个基本概念：基带信号和频带信号。基带信号是原始电信号，其频谱从零频附近开始，例如基带话音信号的频率范围为300～3400Hz，基带图像信号的频率范围为0～6MHz。频带信号是经过调制后的信号，它的特征是携带信息、适合在信道中传输、频谱具有带通形式且中心频率远离零频。这一节讲述数字数据的基带传输，下一节讲述数字数据的频带传输。二进制数据采用基带传输时可以采用不同的编码方案，各种编码的抗噪声特性和定时能力各不相同，实现费用也不一样。数字基带信号的码型设计应遵循以下原则：（1）对于传输频率很低的信道，传输的码型频谱中应不包含直流分量。（2）可以从基带信号中提取比特定时信号，使得代码具有自定时能力。（3）基带编码应具有内在检错能力，可以检测传输过程中出现的差错。（4）码型变换过程应具有透明性，即编码与信源的统计特性无关。（5）尽量减少基带信号频谱中的高频分量。这样可以提高信道的频谱利用率，还可以减少串扰。下面介绍几种常用的编码方案，1.单极性码在这种编码方案中，只用正的（或负的）电平表示数据。例如，在图2-3中我们用+3V表示二进制数字“0”，而用0V表示二进制数字“1”。单极性码用在电传打字机（TTY）接口以及PC机与TTY兼容的接口中，这种代码需要单独的时钟信号配合定时，否则当传送一长串0或1时，发送机和接收机的时钟将无法同步。另外单极性码的抗噪声特性也不好，而且这种编码的功率谱中有丰富的低频分量，不能用于基带传输。2.极性码在这种编码方案中，分别用正和负电平表示二进制数“0”和“1”，例如在图2-3中用+3V表示二进制数字“0”，而用-3V表示二进制数字“1”。由于这种编码有正负极性的差别，因而抗干扰特性较好，但仍然需要另外的同步信号。另外，这种二元码中“1”或“0”分别对应某个电平，相邻电平不存在制约关系，没有纠错能力。3.归零码在归零码（ReturntoZero，RZ）中，码元中间的信号回归到0电平，因此任意两个码元之间被0电平隔开，与以上仅在码元之间有电平转换的编码方案相比，这种编码方案有更好的噪声抑制特性。因为噪声对电平的干扰比对电平转换的干扰要强，而这种编码方案是以识别电平转换边来判别“0”和“1”信号的。图2-3中表示出的是一种双极性归零码。可以看出，从正电平到零电平的转换边表示码元“0”，而从负电平到零电平的转换边表示码元“1”，同时每一位码元中间都有电平转换，使得这种编码成为自定时的编码。4.不归零码整个码元期间电平保持不变的代码称为不归零码（NotReturntoZero，NRZ）。图2-3中所示的不归零码的规律是当“1”出现时电平翻转，当“0”出现时电平不翻转，也叫做见一就翻不归零码（NRZ-1）。这种代码也叫差分码，用于区别数据“1”和“0”的不是电平高低，而是电平是否转换。NRZ-1用在终端到调制解调器的接口中。这种编码实现简单而且费用低，但不是自定时的，长串的“0”会使得码流失去同步。5.双相码双相码要求每一比特中都要有一个电平转换，因而这种编码的最大优点是自定时，同时双相码也有检测错误的功能，如果某一位中间缺少了电平翻转，则被认为是违例代码。6.双极性码在双极性编码方案中，信号在正、负、零3个电平之间变化。一种典型的双极性码就是所谓的信号交替反转编码（AlternateMarkInversion，AMI）。在AMI信号中，数据流中遇到“1”时使电平在正和负之间交替翻转，而遇到“0”时则保持零电平。双极性是三进制编码方法，脉冲宽度是码元周期的一半，它比二进制编码的抗噪声特性更好，如图2-4a所示。AMI具有内在的检错能力，当正负脉冲交替出现的规律被打乱时容易识别出来，这种情况叫AMI违例。AMI编码用在T1线路中。这种编码方案的缺点是传送长串“0”时会失去位同步信息，对此改进的方案有两种。一种是3阶高密度双极性码HDB3，这种码流中连续“0”的个数不能大于3，当出现4个连续“0”时用B00V或000V代替，这里B表示正常的信号交替，V表示AMI违例，如图2-4b所示；另一种是双极性6零取代编码B6ZS，即把连续6个“0”用0VB0VB来代替，如图2-4c所示。HDB3用在E1～E3通信系统中，B6ZS用在贝尔系统的T2标准中。7.曼彻斯特编码曼彻斯特编码（ManchesterCode）是一种双相码（或称分相码）。在图2-3中，我们用高电平到低电平的转换边表示“0”，而用低电平到高电平的转换边表示“1”，相反的表示也是允许的。比特中间的电平转换边既表示了数据代码，同时也作为定时信号使用。曼彻斯特编码用使在以太网中。8.差分曼彻斯特编码差分码又称相对码，在差分码中利用电平是否跳变来分别表示“1”或“0”，分为传号差分码和空号差分码。传号差分码是输入数据为“1”时，编码波型相对于前一代码电平产生跳变；输入为“0”时，波型不产生跳变。空号差分码是当输入数据为“0”时，编码波型相对于前一代码电平产生跳变；输入为“1”时，波型不产生跳变。差分曼彻斯特编码兼有差分码和曼彻斯特编码的特点，与曼彻斯特编码不同的是，这种码元中间的电平转换边只作为定时信号，而不表示数据。差分曼彻斯特编码用在令牌环网中。9.多电平码这种编码的码元可取多个电平之一，每个码元可代表多个二进制位。例如，令M=2n，设M=4，则n=2。若表示码元的脉冲取4个电平之一，则一个码元可表示两个二进制位。与双相码相反，多电平码的数据速率大于波特率，因而可提高频带的利用率，但是这种代码的抗噪声特性不好，传输过程中信号容易畸变到无法区分。2B1Q编码是一种4电平码，用在ISDN基本速率接口（BRI）中的U接口，它将2比特组合在一起以电平信号来表示。编码规则如下：在曼彻斯特和差分曼彻斯特编码中，每比特中间都有一次电平跳变，因此波特率是数据速率的两倍。对于100Mb/s的高速网络，如果采用这类编码方法，就需要200M的波特率，其硬件成本是100M波特率硬件成本的5～10倍。为了提高编码的效率，降低电路成本，可以采用4B/5B编码。这种编码方法的原理，如图2-5所示。这实际上是一种两级编码方案。系统中使用不归零码（NRZ），在发送到传输介质之前要变成见1就翻不归零码（NRZ-I）。NRZ-I代码序列中“1”的个数越多，越能提供同步定时信息，但如果遇到长串的“0”，则不能提供同步信息。所以在发送到介质上之前还需经过一次4B/5B编码，发送器扫描要发送的比特序列，4位分为一组，然后按照表2-1的对应规则变换成5位的代码。表2-14B/5B编码规则5位二进制代码的状态共有32种，在表2-1选用的5位代码中1的个数都不小于2个。这就保证了在介质上传输的代码能提供足够多的同步信息。另外还有5B6B、8B/10B等编码方法，其原理是类似的。