第五节 数据编码技术

一、数据通信编码作用

　　在数据通信中，编码的作用是用信号来表示数字信息。例如，单极性编码、极化编码、双极性编码等。

　　数据通信中还有另一类编码，称为差错控制编码。它的作用是通过对信息序列作某种变换，使原来彼
此独立、相关性极小的信息码元产生某种相关性，从而在接收端就利用这种特性，来检查或进而纠正信息
码元在信道传输中所造成的差错。

二、常见数据通信编码

1.单极性矩形码

　　单极性编码是最简单最基本的。单极性编码的名称就是指它的电压只有一极。因此，二进制的两个状
态只有一个进行了编码，通常是1。另一个状态，通常是0，由零电压或是线路空闲态来代表。

下图揭示了单极性编码的思想。在这个例子中，1由一个正电压编码而0是空闲态。除简单直接外，单极性
编码还具有实现廉价的优点。

但是，至少有两个问题使单极性编码失效：直流分量和同步问题。

极化编码采用两个电压值：一个正电压，一个负电压。通过使用两个电压，在大多数极化编码技术中线
路上的平均电压值下降了，减轻了单极性编码中的直流分量问题。在曼彻斯持编码和差分曼彻斯持编码
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。

在所有极化编码的变形中，我们只讨论三种最普遍的：非归零法（NRZ），归零法（RZ）以及双相位编码。
非归零编码有两种：非归零电平编码和非归零反相编码。双相位编码同样有两种方法。第一种，曼彻斯特
编码，用在以太局域网中：第二种，差分曼彻斯特编码，用在令牌环局域网中。

(1) 非归零编码

　　在非归零编码方式中，信号的电压位或正或负。与采用线路空闲态代表0比特的单极性编码法不同，
在非归零编码系统中，如果线路空闲意味着没有任何信号正在传输中。以下讨论了两种最常见的非归零
传输方法。

　·非归零电平编码（NRZ-L）
　　任NRZ-L编码方式中，信号的电平是根据它所代表的比特位决定的。一个正电压值代表比特1，而一
个负电压值代表比特0；从而信号的电平依赖于所代表的比特。

　·非归零反相编码（NRZ-I）

(2) 归零编码

　　如图所见，出现连续的1或是0的任何时候，接收端都会失同步。象我们在单极性编码中所提到的，
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，这个方案并不经济，又易于
出错。一个更好的方案是让编码信号本身携带同步信息，就如同非归零反相编码(NRZ-I)技术中使用的
方案，但是同时还需要提供对连续比特0的同步。
　

(3) 双相位编码

　　很可能现在对同步问题最好的解次方案就是双相位编码。在这种方式下，信号在每比特间隙中发生
改变但并不归零。相反，它转为相反的一极。像在归零编码（RZ）中一样。这种中间跳变使同步变得可能。

　　当今正在网络中使用的两种双相位编码方式是：曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。

·曼彻斯特编码
　　曼彻斯特编码在每个比特间隙中间引入跃迁来同时代表不同比特和同步信息。一个负电平到正电平的
跳变代表比特1而一个正电平到负电平的跳变则代表比特0。通过这种跃迁的双重作用，曼彻斯特编码获得
了与归零编码相同的同步效果但仅需要两种电平振幅。

　　在曼彻斯特编码中，比特中的跃迁同时是同步信息和比特编码。

·差分曼彻斯特编码
　　在差分曼彻斯特编码中，比特间隙中间的跃迁用于携带同步信息，但是在比特间隙开始位置又一个附
加的跃迁用来表示不同比特。开始位置有跃迁代表比特0，没有则代表比特1。差分曼彻斯特编码需要两个
信号变化来表示二进制0，但对于二进制1只需要一个。

　　在差分曼彻斯特编码中，比特间隙中的电平跃迁只用来表示同步信息。不同比特通过在比特开始位置
有无电平反转表示。

　　图3.7显示了对于同一个比特模式的曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。

2.双极性矩形码

　　双极性编码，像归零编码(RZ)一样，也是用三个电平值：正电平、负电平和零。但是与归零RZ编码
不同的是，电平值0在双极性编码中是代表二进制0的。正负电平交替代表比特1。如果第一个比特1由正
电平表示，则第二个由负电平表示，第三个仍用正电平表示，等等。这种交替甚至在比特1并不连续时
仍出现。

　　三种双极性编码在数据通信行业得到广泛应用：信号交替反转码(AMI)，8零替换编码(B8ZS)以及高
密度双极性3零编码(HDB3)。

例3.1　比较曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码所需的带宽。假设两者都处于最坏状况下。

　解答：
　　对于曼彻斯特编码来说的最坏状况是出现连续1或是连续0。对于每比特（每个比特周期）此时需要
两次交换。差分曼彻斯特编码的最坏状况是出现每比特（每个比特周期）需要两次变换的连续0。所以，
由于带宽与比特率成正比，两者所需的带宽是一样的。