第4章-采样、编码与调制-2

物联网射频识别（RFID）技术与应用第4章编码与调制点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用读写器与电子标签之间消息的传递是通过电信号实现的。原始的电信号通常称为基带信号，有些信道可以直接传输基带信号，但以自由空间作为信道的无线电传输却无法直接传递基带信号。将基带信号编码，然后变换成适合在信道中传输的信号，这个过程称为编码与调制；在接收端进行反变换，然后进行解码，这个过程称为解调与解码。调制以后的信号称为已调信号，它具有两个基本特征，一个是携带有信息，一个是适合在信道中传输。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映信号与信道4.1编码与调制4.2RFID常用的编码方法4.3RFID常用的调制方法4.4物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用RFID常用的编码方法4.3点击此处结束放映引言引言5.1数字/数字转换数字/数字转换时用数字信号来表示数字信息。例如，当数据从计算机传输到到打印机时，原始数据和传输数据都是数字的。在这种情况下，由计算机产生的0和1被转换成一串可以再导线上传输的电压脉冲。图5.1给出了数字信息、数字/数字编码器和产生数字信号之间的关系。数字/数字编码器1010110振幅时间图5.1数字/数字编码5.1数字/数字转换实现数字/数字转换的编码方法有多种，为此只讨论在数据通信中常用的编码方法。这些编码方法可以分为3类：单极性码、极化编码和双极性编码。单极性编码很简单，在实际应用中只有一种技术。极化编码可进一步分为非归零（NRZ）编码、归零（NR）编码和双相位编码。单极性编码和极化编码有多种变体，双极性编码有三种变体，即AMI、B8ZS和HDB3码。5.1数字/数字转换5.1.1单极性编码单极性编码是最简单、最基本的一种数字/数字转换方法。尽管它几乎已经过时了，但其简单性便于理解更为复杂的编码系统，而且便于了解所有数字传输系统中可能遇到的问题。数字传输系统通过在链路上(通常是电缆或导线)发送电压脉冲来工作。在许多编码方法中，通常制定两个电压值分别代表二进制的0和1.。脉冲的极性是指电压的正负。单极性编码是指仅使用一个电压值，并指定为二进制两个状态中的一个，通常是1；另一个状态通常是0，既由电压0来表示。5.1数字/数字转换5.1.1单极性编码图5.2所示为单极性编码的示意图。此例中，正电压代表二进制1，零电压代表二进制0.除了简单直观外，单极性编码还具有实现成本低廉的优点。但是，单极性编码存在直流分量和同步等问题使其在实际应用中效果不理想。振幅时间010111100图5.2单极性编码5.1数字/数字转换5.1.1单极性编码1.直流分量单极性编码信号的平均振幅不是零，因此存在直流分量（频率为0的分量）的问题。当一个信号含有直流分量时，它是无法通过不具备处理直流分量能力的传输介质的。2.同步当一个信号不发生改变时，接收方无法确定每个比特的开始和结束。所以，在单极性编码中，当数据流中包含一长串连续的1或0时，就会出现同步问题。数字编码中往往通过电压的变化来表示比特位的改变。信号发生改变的同时也说明了一个比特位结束而下一个比特位的开始。5.1数字/数字转换5.1.1单极性编码2.同步但是，在单极性编码中，当出现一串相同的比特时，例如7个1，不会引起电压的变化，只是一个不间断的、7倍于单个比特持续时间的正电压。当无法通过信号变化来指明下一个比特的开始时，接收方只能依赖于定时器。例如，一个信号的比特率为1000b/s，如果接收方检测到一个长度为0.005的正电压，则每0.001s读入一个1，即是5个1.。5.1数字/数字转换5.1.1单极性编码2.同步但是，若发送方与接收方的时钟不能同步则会使信号时序发生扭曲。例如，数据流中的5个1可能被拉长为0.006s，从而对导致接收方多读入了一个1.这个多余的1将扰乱后继所有的数据。解决单极性编码传输中的同步控制问题的一种方法是利用一条独立的并行线路来传输时钟脉冲，并使接收方设备对该信号的定时器进行重新同步。但这样会使传输线路加倍而增加开销，因此成本较高。5.1数字/数字转换5.1.2极化编码极化编码利用一个正电压和一个负电压来编码信号。通过使用正负两种电压，可降低大多数极化编码线路上的平均电压值，且解决了单极性编码中的直流分量问题。例如，在曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码中，每比特均含有正电压和负电压，从而彻底解决了直流分量问题。极性编码有多种变体，在此只讨论3种最普遍的，即NRZ、RZ和双相位编码。其中NRZ编码包括非归零电平（NRZ-L）编码和非归零反相（NRZ-I）2种双相位编码则包括曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码两种，前者用于以太局域网，后者用于令牌环局域网。5.1数字/数字转换5.1.2极化编码1.NRZ编码在NRZ编码中，信号的电压值或正或负。下面讨论两种最常用的非归零编码方法。1）NRZ-L在NRZ-L编码中，信号的电平是根据它所对应的比特位的取值决定的。其中，高电平代表比特0，而低电平代表比特1，或者反之。当接收数据中存在一长串连续的0或者1时，即接收方连续接收到相同的电压，此时应该由时钟来确定发送了多少比特，但接收方的时钟可能无法与发送方的时钟同步。5.1数字/数字转换1011010用NRZ编码5.1.2极化编码1.NRZ编码1）NRZ-L5.1数字/数字转换5.1.2极化编码1.NRZ编码2）NRZ-I编码在NRZ-I编码中，信号的电压的一次反转代表比特1，即高电平与低电平之间的一次跳变（而不是电压值本身）代表比特1，没有电平变化的信号代表比特0。NRZ-I便有编码优于NRZ-L编码，因为每次遇到比特1都发生电压跳变，这相当于提供了一种同步机制。数据流中的1能使接收方根据信号的实际到达对自身时钟进行了重新同步，但是一串连续的0仍会造成麻烦，好在连续的0串出现的并不频繁，问题就少了很多。5.1数字/数字转换图5.3所示为同一串比特的NRZ-L和NRZ-I编码。在NRZ-L编码序列中，高低电平分别具有特定的含义：高电平代表比特0；低电平代表比特1.在NRZ-I编码序列中，每一间隙的电压值是没有意义的，接收方以检测到电平的跳变来作为识别比特1的标志。振幅时间010011001振幅时间001011001(a)NRZ-L编码(b)NRZ-I编码图5.3NRZ-L编码和NRZ-I编码5.1数字/数字转换2.RZ编码如上所述，在出现连续的1或0的时候，接收方会失去同步。在单极性编码中曾提及，有一种保证同步的方法是在一条独立的信道上发送单独的定时信号。但是，这一方法并不经济，且易于出错。一个更好的方案是让编码信号本身携带同步信息，与NRZ-I编码中使用的方案一样，但同时还需要提供对连续0的同步。为了保证同步，在每个比特中都必须有信号变化。接收方可以利用这些跳变来建立、更新和同步其时钟。在NRZ-I编码中对于连续1序列实现了同步，但是为了使每比特都有信号变化，则需要利用两个以上的电压值。5.1数字/数字转换1011010用RZ编码2.RZ编码5.1数字/数字转换一种可实现同步的编码方案是RZ编码，它使用了3个电平：高电平、低电平和零。在RZ编码中，信号变化不是发生在比特质检而是发生在比特内。与NRZ-L编码一样，高电平代表比特0，低电平代表比特1.不同于NRZ-L编码的是，在每比特间隔的中段，信号将归零。比特1实际是用高电平到零的跳变表示，而比特0则是用低电平到零的跳变表示的，而不仅仅是通过电平的高低来表示。如图5.4所示。RZ编码的主要缺点是需要两次信号变化来编码1比特，从而增加了带宽。但是，相对于前面讨论过的3种编码方法，它是最有效的。5.1数字/数字转换振幅时间001011001图5.4RZ编码5.1数字/数字转换3.双相位编码目前对于同步问题最好的解决方案是双相位编码。在这种编码中，信号在每比特时间间隔的中间发生改变但并不归零，而是转为反相的一极。与RZ类似，这种中间跳变可实现同步。曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码就是在网络中经常使用的两种双相位编码。5.1数字/数字转换3.双相位编码1）曼彻斯特编码曼彻斯特编码（ManchesterCode）是利用信号的变化来保持发送方和接收方之间的同步，有时也称为自同步码（Self-SynchronizingCode）。它通过电压的变化来分辨比特0和1，并且明确规定从高电平到低电平的跳变代表1，从低电平到高电平的跳变代表0，如图5.5所示，信号的保持不会超过一个比特的时间间隔。即使是0或1的序列，信号也将在每个时间间隔的中间发生跳变。这种跳变将使接收方的时钟与发送方的时钟保持一致。曼彻斯特编码的缺点是需要双倍的带宽，也就是说，信号跳变的频率是NRZ编码的两倍。5.1数字/数字转换3.双相位编码1）曼彻斯特编码1011010用Manchester编码5.1数字/数字转换3.双相位编码2）差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码（DifferentialManchesterCode）是曼彻斯特编码的一种变形。与曼彻斯特编码一样，它在每个比特时间间隔的中间，信号都会发生跳变，并且是根据每个时间间隔的开始位置是否有跳变来区分0和1.。前后位置有跳变表示比特1，即高电平跳变到低电平或低电平跳变到高电平表示比特1，前后位置没有跳变表示比特0。5.1数字/数字转换3.双相位编码2）差分曼彻斯特编码1011010用差分Manchester编码5.1数字/数字转换3.双相位编码2）差分曼彻斯特编码特别是线路上存在噪声干扰的情况下，差分曼彻斯特编码检测跳变通常更加可靠。如果有人把连接的导线弄颠倒了，即把高低电平颠倒了，则采用这种编码将仍然有效。换言之，采用差分曼彻斯特编码规则不必给导线做记号以标明哪根携带高电平，这将可以降低导线的成本。图5.5给出了比特串的曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。5.1数字/数字转换3.双相位编码1）曼彻斯特编码00101010(a)曼彻斯特编码（双相码）“0”--01“1”--1000101010(a)差分曼彻斯特编码（差分双相码）“0”--前后波形不变“1”--前后波形变化图5.5曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码5.1数字/数字转换5.1数字/数字转换5.1.3双极性编码与RZ编码一样，双极性编码也使用3个电平值：高电平、低电平和零。但与RZ编码不同的是，零电平在双极性编码中代表比特0，高低电平交替代表比特1。如果第一个比特1由高电平表示，则在第二个比特1由低电平表示，第三个比特1仍由高电平表示，以此类推。这种交替有时在比特1并不连续的情况下也会出现。在数据通信中，常用的双极性编码包括传号交替反转（AMI）、双极性8连0替换（B8ZS）和3阶高密度双极性（HDB3）编码3种。5.1数字/数字转换5.1.3双极性编码1）AMIAMI编码是双极性编码中最简单的一种。其中传号这一术语是从电报中沿用的，用来代表比特1，即AMI编码意味着交替的比特1的反转，零电平代表比特0，交替的高低电平代表比特1，如图5.6所示。伪三元（Pselldoternary）编码是双极性AMI编码的一个变体，其比特0在正电压与负电压之间交替变换。5.1数字/数字转换5.1.3双极性编码1）AMI010110010振幅时间图5.6AMI编码1011010用AMI编码5.1数字/数字转换5.1.3双极性编码1）AMI通过对每次出现的比特1进行电平交替反转，双极性AMI编码实现了两个目的：其一是直流分量为零；其二是当出现一长串比特1时也可以实现同步。对于一长串比特0并没有同步进制。为了解决连续0比特的同步问题，特别是长距离的传输，人们研究了两种双极性AMI编码的变体。一种是在北美使用的成为B8ZS编码；另一种是在日本和欧洲使用的称为HDB3编码。这两种编码都是在出现连续0比特时，对AMI编码进行一定的改进。5.1数字/数字转换5.1.3双极性编码2）B8ZS编码B8ZS编码主要用于北美，可提供