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  • 信号编码

    千次阅读 2013-08-19 16:47:28
    翻出来一篇自己学习信号编码时做的笔记。简单的介绍下信号、采样、脉冲、时钟,与编码

    信号与编码

    模拟信号与调制方式、波特率

            

     电路中,信号的传输从接收端在时间来看是一个波形。那么发送端就是根据数据生成这个波形,接收端就是拿到波形分析出来数据。这整个过程其实就是数据到电波的编解码,中间的载体是电路、电缆。

             实际的模拟信号是一个随时间连续的曲线。这条曲线类似正弦波,有波幅,有波峰波谷,有频率。我们一般用其变化来表示数据,这就是调制方式。用频率变化来表示就是调频,用波幅来表示就是调幅。

             波特率(Baud rate)即调制速率,指的是信号被调制以后在单位时间内的变化,即单位时间内载波参数变化的次数。它是对符号传输速率的一种度量,1波特即指每秒传输1个符号。

    数字信号与采样定理


    而实际数据是离散的,我们能表达的数据也是离散的。怎么来表达这样的一个连续的模拟信号呢?答案就是离散化,采样。采集足够多的离散的信息点,再把这些点串起来,就能近似的还原出来这个波形。而且直觉上来讲,采集到的点越多,还原出来的波形越接近实际情况。这个离散的数据就是数字信号。

             一般情况下,例如我们在波形中用波峰表示数据1,波谷表示数据0。这样的话,如下图,每个波峰内采集到4个点,或者在加一个点达到5个点,一样不大。都能还原出来这个波形所表示的数据。但只采集一个点不行,比如正好都采集到穿越x轴附近的点,这样的所有采样点连接起来的波形近似于一条直线。

    采样定理告诉我们:在进行模拟/数字信号的转换过程中,当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max>=2fmax),采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息,一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5~10倍;采样定理又称奈奎斯特定理。

    脉冲信号与脉冲编码调制


    脉冲信号是一种离散信号,形状多种多样,与普通模拟信号(如正弦波)相比,波形之间在时间轴不连续(波形与波形之间有明显的间隔)但具有一定的周期性是它的特点。最常见的脉冲波是矩形波(也就是方波)。脉冲信号可以用来表示信息,也可以用来作为载波,比如脉冲调制中的脉冲编码调制(PCM),脉冲宽度调制(PWM)等等,还可以作为各种数字电路、高性能芯片的时钟信号。

    脉冲编码调制 (Pulse CodeModulation)是一种对模拟信号数字化的取样技术,将模拟语音信号变换为数字信号的编码方式,特别是对于音频信号。例如PCM 对信号每秒钟取样 8000 次;每次取样为 8 个位,总共 64 kbps。

    脉冲编码调制主要经过3个过程:抽样、量化和编码。抽样过程将连续时间模拟信号变为离散时间、连续幅度的抽样信号,量化过程将抽样信号变为离散时间、离散幅度的数字信号,编码过程将量化后的信号编码成为一个二进制码组输出。

    所谓量化,就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散,即用一组规定的电平,把瞬时抽样值用最接近的所谓编码,就是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。

    (上面这段主要来自百度百科)

    时钟信号与时钟频率

    时钟信号可以看做脉冲信号的一个基准。以时钟频率作为基准,就可以把脉冲信号里的数据按频率周期分割开来。见下面的曼彻斯特编码。

    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。这样没有一个参照的话,两个连续的低电平和两个连续的高电平,与一个低电平和一个高电平,看起来是一样的、无法区分。而且对于电路中的隔直电容来说,连续多个高电平会导致被看做直流,后面的一部分会直接被截断。

     

    曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码


    曼彻斯特编码是一种混合了时钟信号和数字信号的编码。这样同步时钟就直接被加入到了信号中,使得每一个表示数据位的码元都至少会有一个跳变,即最多出现两个连续的高电平或低电平(这点很重要)。缺点是每个码元变成了两位,数据传输速率也就是比特率只有原来的一半。

    编码方式为每个周期中间位置的跳变从高到低为1,从低到高为0。上图的第四行表示反相的曼彻斯特编码。


             差分曼彻斯特编码跟曼彻斯特编码一样,每个周期的中间部分都有跳变。只做了一个很小的变动,如果每个周期开始处有跳动,表示0,否则表示1。这样就跟上升或下降没有直接关系。

     

    4B/5B编码

    针对曼彻斯特编码只有一半的传输速度的问题,在放宽约束条件下,出现了4B\5B编码(类似base64)。

    原理大概如下,4个bit可以表示16个不同组合,而5个bit可以表示32个组合,从32个不同组合里,取出16个相对均匀的组合来,跟原来的4bit表示的16个情况一一对应。这样所有的数据byte(8bit),都分成高位4bit和低位4bit,每个4bit再按对照表表示成5bit。产生的信号电平就相对均衡,最多有7个连续的1(0x7F),3个连续的0(0x21)。

    虽然其均匀性不如曼彻斯特编码,其传输效率,从4位变成5位,效率为原来的80%,比曼彻斯特编码高出了30%。

     

    简单交叉编码:1001编码

    有时候我们发现针对多个连续出现的高电平,会导致信号衰弱的厉害,这时候曼彻斯特瞒报很有效。其实我们可以简单的简化一下此编码。

    方法如下:

    1. 所有的数据二进制化比如 11000110 …
    2. 在每个1后添加一个0,每个0后添加一个1
    3. 前面的数据就成了1010010101101001…  黑色为原数据,蓝色为补充的数据。
    4. 解码数据时,直接按位,去掉偶数位上的数据,得到的数据即为原数据的二进制表示。
    5. 可以分别对原数据、奇偶数位做奇偶校验。如果数据错误一位,可从另一部分还原数据。

     

     

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  • 视频编码技术详解

    万次阅读 多人点赞 2020-04-18 14:06:53
     而这一切,离不开视频拍摄技术的不断升级,还有视频制作产业的日益强大。    此外,也离不开通信技术的飞速进步。试想一下,如果还是当年的56K Modem拨号,或者是2G手机,你还能享受到现在动辄10...

    1、引言

      如今我们所处的时代,是移动互联网时代,也可以说是视频时代。从快播到抖音,从“三生三世”到“延禧攻略”,我们的生活,被越来越多的视频元素所影响。

      

     

      而这一切,离不开视频拍摄技术的不断升级,还有视频制作产业的日益强大。

      

     

      此外,也离不开通信技术的飞速进步。试想一下,如果还是当年的56K Modem拨号,或者是2G手机,你还能享受到现在动辄1080P甚至4K的视频体验吗?

      除了视频拍摄工具和网络通信技术升级之外,我们能享受到视频带来的便利和乐趣,还有一个重要因素,就是视频编码技术的突飞猛进。

      视频编码技术涉及的内容太过专业和庞杂,市面上的书籍或博客多数都只是枯燥的技术概念罗列,对于新手来说读完依旧蒙逼是常态,本文将借此机会,专门给大家做一个关于视频编码的零基础科普。

      2、图像基础知识

      2.1 什么是像素?

      说视频之前,先要说说图像。图像,大家都知道,是由很多“带有颜色的点”组成的。这个点,就是“像素点”。

      

     

      像素点的英文叫Pixel(缩写为PX)。这个单词是由 Picture(图像) 和 Element(元素)这两个单词的字母所组成的。

      

     

      ▲ 电影《像素大战(Pixels)》,2015年

      像素是图像显示的基本单位。我们通常说一幅图片的大小,例如是1920×1080,就是长度为1920个像素点,宽度为1080个像素点。乘积是2,073,600,也就是说,这个图片是两百万像素的。

      1920×1080,这个也被称为这幅图片的分辨率。

      

     

      ▲ 分辨率也是显示器的重要指标

      2.2 什么是PPI?

      那么,我们经常所说的PPI又是什么东西呢?

      PPI,就是“Pixels Per Inch”,每英寸像素数。也就是,手机(或显示器)屏幕上每英寸面积,到底能放下多少个“像素点”。这个值当然是越高越好啦!PPI越高,图像就越清晰细腻。

      

     

      以前的功能机,例如诺基亚,屏幕PPI都很低,有很强烈的颗粒感。

      

     

      后来,苹果开创了史无前例的“视网膜”(Retina)屏幕,PPI值高达326(每英寸屏幕有326像素),画质清晰,再也没有了颗粒感。

      

     

      2.3 颜色在计算机里是如何表示的?

      像素点必须要有颜色,才能组成缤纷绚丽的图片。那么,这个颜色,又该如何表示呢?

      大家都知道,我们生活中的颜色,可以拥有无数种类别。

      

     

      ▲ 光是妹纸们的口红色号,就足以让我们这些屌丝瞠目结舌。。。

      在计算机系统里,我们不可能用文字来表述颜色。不然,就算我们不疯,计算机也会疯掉的。在数字时代,当然是用数字来表述颜色。这就牵出了“彩色分量数字化”的概念。

      以前我们美术课学过,任何颜色,都可以通过红色(Red)、绿色(Green)、蓝色(Blue)按照一定比例调制出来。这三种颜色,被称为“三原色”。

      

     

      在计算机里,R、G、B也被称为“基色分量”。它们的取值,分别从0到255,一共256个等级(256是2的8次方)。所以,任何颜色,都可以用R、G、B三个值的组合表示。

      

     

      ▲ RGB=(183,67,21)

      通过这种方式,一共能表达多少种颜色呢?256×256×256=16,777,216种,因此也简称为1600万色。RGB三色,每色有8bit,这种方式表达出来的颜色,也被称为24位色(占用24bit)。这个颜色范围已经超过了人眼可见的全部色彩,所以又叫真彩色。再高的话,对于我们人眼来说,已经没有意义了,完全识别不出来。

      

     

      3、视频编码基础知识

      3.1 视频和图像和关系

      好了,刚才说了图像,现在,我们开始说视频。所谓视频,大家从小就看动画,都知道视频是怎么来的吧?没错,大量的图片连续起来,就是视频。

      

     

      衡量视频,又是用的什么指标参数呢?最主要的一个,就是帧率(Frame Rate)。在视频中,一个帧(Frame)就是指一幅静止的画面。帧率,就是指视频每秒钟包括的画面数量(FPS,Frame per second)。

      

     

      帧率越高,视频就越逼真、越流畅。

      3.2 未经编码的视频数据量会有多大?

      有了视频之后,就涉及到两个问题:

      一个是存储;

      二个是传输。

      

     

      而之所以会有视频编码,关键就在于此:一个视频,如果未经编码,它的体积是非常庞大的。

      以一个分辨率1920×1280,帧率30的视频为例:

      共:1920×1280=2,073,600(Pixels 像素),每个像素点是24bit(前面算过的哦);

      也就是:每幅图片2073600×24=49766400 bit,8 bit(位)=1 byte(字节);

      所以:49766400bit=6220800byte≈6.22MB。

      这是一幅1920×1280图片的原始大小,再乘以帧率30。

      也就是说:每秒视频的大小是186.6MB,每分钟大约是11GB,一部90分钟的电影,约是1000GB。。。

      吓尿了吧?就算你现在电脑硬盘是4TB的(实际也就3600GB),也放不下几部大姐姐啊!不仅要存储,还要传输,不然视频从哪来呢?如果按照100M的网速(12.5MB/s),下刚才那部电影,需要22个小时。。。再次崩溃。。。

      正因为如此,屌丝工程师们就提出了,必须对视频进行编码。

      3.3 什么是编码?

      编码:就是按指定的方法,将信息从一种形式(格式),转换成另一种形式(格式)。视频编码:就是将一种视频格式,转换成另一种视频格式。

      

     

      编码的终极目的,说白了,就是为了压缩。各种五花八门的视频编码方式,都是为了让视频变得体积更小,有利于存储和传输。

      我们先来看看,视频从录制到播放的整个过程,如下:

      

     

      首先是视频采集。通常我们会使用摄像机、摄像头进行视频采集。限于篇幅,我就不打算和大家解释CCD成像原理了。

      

     

      采集了视频数据之后,就要进行模数转换,将模拟信号变成数字信号。其实现在很多都是摄像机(摄像头)直接输出数字信号。信号输出之后,还要进行预处理,将RGB信号变成YUV信号。

      前面我们介绍了RGB信号,那什么是YUV信号呢?

      简单来说,YUV就是另外一种颜色数字化表示方式。视频通信系统之所以要采用YUV,而不是RGB,主要是因为RGB信号不利于压缩。在YUV这种方式里面,加入了亮度这一概念。在最近十年中,视频工程师发现,眼睛对于亮和暗的分辨要比对颜色的分辨更精细一些,也就是说,人眼对色度的敏感程度要低于对亮度的敏感程度。

      所以,工程师认为,在我们的视频存储中,没有必要存储全部颜色信号。我们可以把更多带宽留给黑—白信号(被称作“亮度”),将稍少的带宽留给彩色信号(被称作“色度”)。于是,就有了YUV。

      YUV里面的“Y”,就是亮度(Luma),“U”和“V”则是色度(Chroma)。

      大家偶尔会见到的Y'CbCr,也称为YUV,是YUV的压缩版本,不同之处在于Y'CbCr用于数字图像领域,YUV用于模拟信号领域,MPEG、DVD、摄像机中常说的YUV其实就是Y'CbCr。

      

     

      ▲ YUV(Y'CbCr)是如何形成图像的

      YUV码流的存储格式其实与其采样的方式密切相关。(采样,就是捕捉数据)

      主流的采样方式有三种:

      1)YUV4:4:4;

      2)YUV4:2:2;

      3)YUV4:2:0。

      

     

      具体解释起来有点繁琐,大家只需记住,通常用的是YUV4:2:0的采样方式,能获得1/2的压缩率。

      这些预处理做完之后,就是正式的编码了。

      有关视频编码的更多专业知识,可以详细阅读以下文章:

      《即时通讯音视频开发(一):视频编解码之理论概述》

      《即时通讯音视频开发(二):视频编解码之数字视频介绍》

      《即时通讯音视频开发(三):视频编解码之编码基础》

      《即时通讯音视频开发(四):视频编解码之预测技术介绍》

      《即时通讯音视频开发(五):认识主流视频编码技术H.264》

      4、视频编码的实现原理

      4.1 视频编码技术的基本原理

      前面我们说了,编码就是为了压缩。要实现压缩,就要设计各种算法,将视频数据中的冗余信息去除。当你面对一张图片,或者一段视频的时候,你想一想,如果是你,你会如何进行压缩呢?

      

     

      ▲ 对于新垣女神,我一bit也不舍得压缩…

      我觉得,首先你想到的,应该是找规律。是的,寻找像素之间的相关性,还有不同时间的图像帧之间,它们的相关性。

      举个例子:如果一幅图(1920×1080分辨率),全是红色的,我有没有必要说2073600次[255,0,0]?我只要说一次[255,0,0],然后再说2073599次“同上”。

      

     

      如果一段1分钟的视频,有十几秒画面是不动的,或者,有80%的图像面积,整个过程都是不变(不动)的。那么,是不是这块存储开销,就可以节约掉了?

      

     

      ▲ 以上图为例,只有部分元素在动,大部分是不动的

      是的,所谓编码算法,就是寻找规律,构建模型。谁能找到更精准的规律,建立更高效的模型,谁就是厉害的算法。

      通常来说,视频里面的冗余信息包括:

      

     

      

     

      视频编码技术优先消除的目标,就是空间冗余和时间冗余。

      接下来,就和大家介绍一下,究竟是采用什么样的办法,才能干掉它们。以下内容稍微有点高能,不过我相信大家耐心一些还是可以看懂的。

      4.2 视频编码技术的实现方法

      视频是由不同的帧画面连续播放形成的。

      这些帧,主要分为三类,分别是:

      1)I帧;

      2)B帧;

      3)P帧。

      I帧:是自带全部信息的独立帧,是最完整的画面(占用的空间最大),无需参考其它图像便可独立进行解码。视频序列中的第一个帧,始终都是I帧。

      P帧:“帧间预测编码帧”,需要参考前面的I帧和/或P帧的不同部分,才能进行编码。P帧对前面的P和I参考帧有依赖性。但是,P帧压缩率比较高,占用的空间较小。

      

     

      ▲ P帧

      B帧:“双向预测编码帧”,以前帧后帧作为参考帧。不仅参考前面,还参考后面的帧,所以,它的压缩率最高,可以达到200:1。不过,因为依赖后面的帧,所以不适合实时传输(例如视频会议)。

      

     

      ▲ B帧

      通过对帧的分类处理,可以大幅压缩视频的大小。毕竟,要处理的对象,大幅减少了(从整个图像,变成图像中的一个区域)。

      

     

      如果从视频码流中抓一个包,也可以看到I帧的信息,如下:

      

     

      我们来通过一个例子看一下。

      这有两个帧:

      

     

      好像是一样的?

      不对,我做个GIF动图,就能看出来,是不一样的:

      

     

      人在动,背景是没有在动的。

      第一帧是I帧,第二帧是P帧。两个帧之间的差值,就是如下:

      

     

      也就是说,图中的部分像素,进行了移动。移动轨迹如下:

      

     

      这个,就是运动估计和补偿。

      

     

      当然了,如果总是按照像素来算,数据量会比较大,所以,一般都是把图像切割为不同的“块(Block)”或“宏块(MacroBlock)”,对它们进行计算。一个宏块一般为16像素×16像素。

      

     

      ▲ 将图片切割为宏块

      好了,我来梳理一下。

      对I帧的处理,是采用帧内编码方式,只利用本帧图像内的空间相关性。对P帧的处理,采用帧间编码(前向运动估计),同时利用空间和时间上的相关性。简单来说,采用运动补偿(motion compensation)算法来去掉冗余信息。

      

     

      需要特别注意,I帧(帧内编码),虽然只有空间相关性,但整个编码过程也不简单。

      

     

      如上图所示,整个帧内编码,还要经过DCT(离散余弦变换)、量化、编码等多个过程。限于篇幅,加之较为复杂,今天就放弃解释了。

      那么,视频经过编码解码之后,如何衡量和评价编解码的效果呢?

      一般来说,分为客观评价和主观评价。客观评价,就是拿数字来说话。例如计算“信噪比/峰值信噪比”。

      

     

      信噪比的计算,我就不介绍了,丢个公式,有空可以自己慢慢研究...

      

     

      除了客观评价,就是主观评价了。主观评价,就是用人的主观感知直接测量,额,说人话就是——“好不好看我说了算”。

      

     

      5、视频编码的国际标准

      5.1 视频编码格式的标准化

      接下来,我们再说说标准(Standard)。任何技术,都有标准。自从有视频编码以来,就诞生过很多的视频编码标准。

      提到视频编码标准,先介绍几个制定标准的组织。

      首先,就是大名鼎鼎的ITU(国际电信联盟)。

      

     

      ITU是联合国下属的一个专门机构,其总部在瑞士的日内瓦。

      ITU下属有三个部门:

      1)分别是ITU-R(前身是国际无线电咨询委员会CCIR);

      2)ITU-T(前身是国际电报电话咨询委员会CCITT);

      3)ITU-D。

      

     

      除了ITU之外,另外两个和视频编码关系密切的组织,是ISO/IEC。

      

     

      ISO大家都知道,就是推出ISO9001质量认证的那个“国际标准化组织”。IEC,是“国际电工委员会”。1988年,ISO和IEC联合成立了一个专家组,负责开发电视图像数据和声音数据的编码、解码和它们的同步等标准。这个专家组,就是大名鼎鼎的MPEG,Moving Picture Expert Group(动态图像专家组)。

      

     

      三十多年以来,世界上主流的视频编码标准,基本上都是它们提出来的:

      1)ITU提出了H.261、H.262、H.263、H.263+、H.263++,这些统称为H.26X系列,主要应用于实时视频通信领域,如会议电视、可视电话等;

      2)ISO/IEC提出了MPEG1、MPEG2、MPEG4、MPEG7、MPEG21,统称为MPEG系列。

      ITU和ISO/IEC一开始是各自捣鼓,后来,两边成立了一个联合小组,名叫JVT(Joint Video Team,视频联合工作组)。

      

     

      JVT致力于新一代视频编码标准的制定,后来推出了包括H.264在内的一系列标准。

      

     

      ▲ 压缩率对比

      

     

      ▲ 视频编码标准的发展关系

      大家特别注意一下上图里面的HEVC,也就是现在风头正盛的H.265。

      

     

      作为一种新编码标准,相比H.264有极大的性能提升,目前已经成为最新视频编码系统的标配。

      

     

      最后,我再说说封装。

      5.2 视频数据的封装

      对于任何一部视频来说,只有图像,没有声音,肯定是不行的。所以,视频编码后,加上音频编码,要一起进行封装。

      封装:就是封装格式,简单来说,就是将已经编码压缩好的视频轨和音频轨按照一定的格式放到一个文件中。再通俗点,视频轨相当于饭,而音频轨相当于菜,封装格式就是一个饭盒,用来盛放饭菜的容器。

      目前主要的视频容器有如下:MPG、VOB、MP4、3GP、ASF、RMVB、WMV、MOV、Divx、MKV、FLV、TS/PS等。

      封装之后的视频,就可以传输了,你也可以通过视频播放器进行解码观看。

     

    转载自:

    http://www.easemob.com/news/3614

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  • 对数字数据的数字信号编码、数字数据的模拟信号编码:、模拟数据的数字信号编码、模拟数据在模拟信道上传输进行了相关的介绍!

    前提知识:

    数据分为两大类:

    • 模拟数据:也称为模拟量,取值范围是连续的变量或数值。
    • 数字数据:也称为数据量,取值范围是离散的变量或数值。

     

    相应的就对应着两大类信号!

     

    模拟信号:在时间上和幅值上均是连续的信号叫做模拟信号。此类信号的特点是,在一定动态范围内幅值可取任意值。许多物理量,例如声音、压力、温度等均可通过相应的传感器转换为时间连续、数值连续的电压或电流。

    数字信号:与模拟信号相对应,时间和幅值均离散( 不连续 ) 的信号。数字信号的特点是幅值只可以取有限个值。


    为了使信源产生的数据能够在相应信道上传输,在源系统端需要有信号变换设备,将信源产生的原始数据转换为适合在信道上传输的信号。同样,为了使信宿能够接收并处理信道上传输过来的信号,在目的系统端也需要信号变换设备,将信道上传输的信号转换为适合被信宿处理的数据。在上述过程中需要用到数据编码技术。

    ​所以数据编码技术一共分为四种!

     

    一、数字数据的数字信号编码:

    基本信号编码:

    ——不归零

    • 单级不归零码:有电压(电流):1;无电压(电流):0
    • 双级不归零码:正电压(电流):1;负电压(电流):0

     

    ——归零

    • 单级归零码:发送1码时,有电流,码元周期内回调为0电流;发送0码无电流
    • 双级归零码:发送1码时,有电流,码元周期内回调为0电流;发送0码负电流

    • (a)(b)不归零码两种编码占用全部码元宽度,又称全宽码。
    • 归零码可以解决不归零码边界不易识别的问题,但是占用频带较宽。
    • 单极性编码会造成直流分量积累,无法使用变压器在通信设备和所处环境之间提供良好绝缘的交流耦合,而且直流分量还会损坏连接点的表面电镀层。
    • 双极性编码的直流分量会大大减少,有利于数据传输。

    曼彻斯特与差分曼彻斯特编码:

    • 两种编码中,每个二进制位均用一个“高-低”或“低-高”电平对表示
    • 在每个二进制位持续时间的中间有一次电平的跳变
    • 接收方可以通过检测该跳变来保持与发送方的比特同步(自同步)
    • 每一个码元都被调制成为两个电平,数据传输速率只有调制速率的一半,因此编码效率只有50%
    • 在低速局域网中被广泛使用

    4B/5B编码:

    将要发送的数据流每 4bit 为一组,然后按照 4B/5B 编码规则将其转换为相应的 5bit 码(相当于用5位存4位数据),每个 5 位码组中不会多于 3 个 0 或者不会少于两个 1 。

    4B/5B 编码效率为80%。

     

    二、数字数据的模拟信号编码:

    首先介绍一下通带传输:

    一般情况下,我们在一个信道上发送信息所使用的频率范围并不是从零开始的。

    对于无线信道来说,发送非常低频率的信号很不切实际:

    • 因为天线的大小与信号的波长成正比
    • 低频信号需要相当大的天线
    • 在任何情况下,监管约束和避免干扰的需要往往决定了频率的选择

    即使是电线,把信号防止在一个给定的频带上非常有用,因为这样在信道上可以允许不同信号共存

    这类任意的一个频率波段都用来传递信号的传输,称为通带传输

     

    数字调制借助通带传输完成。

    即针对通带内的载波信号进行调节或调制

    可以调节载波信号的振幅频率相位

    针对这些信号特征的调制方法都有一个对应的名称:

    •  移幅键控(调幅)(Amplitude Shift Keying, ASK):用两个不同载波信号的幅值分别代表两个二进制数字0和1。

    • 移频键控(调频)(Frequency Shift Keying, FSK):用两种不同频率的载波分别表示二进制数字0和1。

    • 移相键控(调相)(Phase Shift Keying, PSK):利用相位不同的载波信号来表示数据。 

     

    为了提高数据传输速率,还可以把各种调制方式组合如将ASK和PSK组合产生的正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)。

     

    正交振幅调制(QAM):

     

    三、模拟数据的数字信号编码:

    这个编码方式面临的最主要的问题是——如何在不损失信号质量的前提下,将信息从无穷多的连续值转换为有限个离散值

    • 最常用的调制方法为——脉冲编码调制(Pulse Code Modulation, PCM)

     

    脉冲编码调制(Pulse Code Modulation, PCM):

    脉冲编码调制的工作过程为:采样、量化编码三个步骤。

    采样:

    采样就是按照一定的时间间隔(或采样频率)测量模拟信号幅值。采样频率由采样定理给出。

    采样定理:若对连续变化的模拟信号进行周期性采样,只要采样频率大于等于有效信号带宽的两倍,则采样值便可包含原始信号的全部信息。

    使用举例:某路语音信号的带宽为4kHz,则采样频率可取为8kHz,即每秒采样8k次,或者说每隔125微秒采样一次。

    量化:

    量化就是将采样点处测得的信号幅值分级取整的过程。量化级数一般取为 2^{n} 。

    • 因为要对采样点的幅值取整,所以量化误差是一直存在的,可以通过提高量化级数来减少量化误差。

    编码:

    编码就是将量化后的整数值用二进制数来表示

    将每个采样点对应的离散值编成一定位数的二进制数码,称作一个码字,码字长度是量化级数 N 的对数log_{2}N

    计算举例:对于带宽为4kHz的语音信号,采用量化级别为128的PCM方法编码,请问:所产生的二进制位最少需要多大传输速率的信道才能传输?

    带宽为:log_{2}128 x 2 x 4000 = 56000bit/s = 56kbit/s

     

    脉冲编码调制(PCM)存在着一个瑕疵——每个样本取整量化的绝对误差相同,与信号幅值无关,因此低幅值的采样值相对误差较大。为了解决这个问题,所以又提出了差分脉冲编码调制(DPCM,Differential Pulse Code Modulation)

     

    差分脉冲编码调制(DPCM,Differential Pulse Code Modulation):

    方法:利用信号的相关性找出可以反映信号变化特征的一个差量值进行编码,即对当前值和前一个值之差进行编码。

    优势:依据相关性原理,这一差值的幅度范围一定小于原信号的幅度范围,这样就:减少了编码位数。因此,在保持相同量化误差的条件下量化电平数减少,即提高了编码效率。

     

    下面介绍一个差分脉冲编码调制中的一种!

     

    增量调制:

    特征:增量调制是一种简单的差值脉冲编码调制方式。

    • 将相邻采样点的量化值之差进行量化,并且只对这个差值的符号进行编码。

    • 量化值限于正和负,只用一个比特传输样值。

    目的:简化模拟信号的数字化方法

    应用:在军事通信和卫星通信中广泛应用

     

    四、模拟数据在模拟信道上传输:

     模拟调制将一个输入信号m(t)与频率为fc的载波结合以便产生一个带宽以fc为中心的信号s(t)的过程。

    模拟数据进行调制解调:为了有效传输需要高频;调制可允许频分多路复用。

    调幅:

    • 调幅在调幅技术中,载波信号的振幅根据调制信号的振幅的改变调整。

    • 载波信号的频率相位不变。

    • 调制信号变成了载波信号的一个包络线。

     

    Ending... ...

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    数据传输方式、编码技术 模拟传输的主要优点是信道的利用率较高,但是传输过程中信号会衰减,会受到噪声干扰,且信号...数字数据的模拟信号编码、数字数据的数字信号编码和模拟数据的数字信号编码。数字数据的模拟信

    数据传输方式、编码技术 


    模拟传输的主要优点是信道的利用率较高,但是传输过程中信号会衰减,会受到噪声干扰,且信号放大时噪声也会同时被放大。


    数字传输的主要优点是数字信号只取离散值,信号传输不失真,误码率低等。但是传输数字信号比传输模拟信号所要求的频带要宽的多,因此数字传输的信道利用率较低?  了解不同的编码技术;数字数据的模拟信号编码、数字数据的数字信号编码和模拟数据的数字信号编码。


    数字数据的模拟信号编码;这种编码方式是将数字数据调制成模拟信号进行传输通常采用三种模拟信号的载波特性(即振幅、频率和相位)之一来表示被调制的数字数据,并由此产生三种基本调制方式:1幅移键控法(ASK) 2 频移键控法(FSK) 3 相移键控法(PSK)


    数字数据的数字信号编码;常用的数字信号编码有不归零NRZ (Non Return to Zero)码、差分不归零DNRZ码、曼彻斯特(Manchester)码及差分曼彻斯特(DifferentialManchester)码等。


    模拟数据的数字信号编码;这里常用的编码技术是脉冲编码调制PCM(Pulse Code Modulation)技术。


       掌握信道复用技术的种类(3种:频分,时分,光分);


    多路复用技术主要有三种:1.频分多路复用;2.时分多路复用;3.光波分多路复用。


    频分多路复用技术是按频率分割,在同一时刻能同时存在并传输多路信号,每路信号的频带不同;时分多路复用技术按时间分割,每一时隙内只有一路信号存在,多路信号分时轮换地在信道内传输;光波分多路复用技术按波长分割,在同一时刻能同时存在并传送多路信号,每路信号的波长不同,其实质也是频分多路复用。


    掌握常用的差错控制方法(2种)。


     常用的差错控制方法采用自动重发请求(ARQ)技术和前向纠错技术(FEC);


    1.自动重发请求(ARQ)技术


    自动重传请求(ARQ)是OSI模型中数据链路层的错误纠正协议之一。


    它包括停止等待ARQ协议和连续ARQ协议,错误侦测、正面确认、逾时重传与负面确认继以重传等机制。


    2.前向纠错技术(FEC


    FECForward ErrorCorrection )是一种数据编码技术,传输中检错由接收方进行验证,在FEC方式中,接收端不但能发现差错,而且能确定二进制码元发生错误的位置,从而加以纠正。FEC方式必须使用纠错码。发现错误无须通知发送方重发。


     


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信号编码技术