硬件接口协议之“通信线路物理层编码技术介绍”

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本文主要介绍各种通信接口物理层的编码技术，包括数字-数字接口编码方式、数字-模拟接口编码方式、模拟-数字接口编码方式、模拟-模拟接口编码方式。


Digital to Digital Encoding

数字-数字接口的编码方式主要就是对二进制比特流的编码，常见的可以归为三大类：

  • 单极性码（单电平）：非零电平代表一种信号逻辑状态，零电平代表另一种；

  • 极性码（双电平）：正电平代表一种信号逻辑状态，负电平代表另一种；

  • 双极性码（多电平）：无线路信号代表一种信号逻辑状态，正电平和负电平交替代表另一种。



其中每一种又包括很多类，详细可参见下图的分类：


Digital to Analog Encoding

数字-模拟编码就是用模拟信号来表示数字信息。它们可以归为三种机制：

  • 幅移键控编码(ASK，Amplitude shift keying)

  • 频移键控编码(FSK，Frequency shift keying)

  • 相移键控编码(PSK，Phase shift keying)

  • 正交调幅编码(QAM，Quadrature Amplitude Modulation)



其中PSK包括：BPSK（二进制相移键控）、QPSK（四相移键控）、OQPSK（正交相移键控）、MSK（最小位移键控）。

其中QAM编码是调幅(ASK)和调相(PSK)技术的综合(同时改变正弦波三个特性中的振幅和相位)。理论上可以有无数的状态组合。通常有 4QAM，16QAM，64QAM，256QAM，……等。由于振幅变化比相位变化易受噪声影响，因而不同值之间需要更大的距离，同时在QAM中总是采用的相位变化数量比振幅的变化要多。QAM编码的优势在于传输效率更高，对噪声的敏感性更低。

下面几个图就是ASK、FSK、PSK、QAM的时域图。






Analog to Digital Encoding

模拟-数字编码就是用数字信号来表示模拟量，其需要解决的主要问题是：如何在不损失信号质量的前提下，将信息（数据）从无穷多的连续值转换为有限个离散值。常用的方法就是PCM（脉冲编码调制），包括：采样（脉幅调制，PAM）→量化→二进制编码。
采样过程就是将模拟信号在时间上离散化使之成为抽样信号；量化是将抽样信号的幅度离散化使之成为数字信号；编码是将数字信号表示成数字系统所能接受的形式。

PCM又可以演变出DPCM、ADPCM、ΔM/DM等。

Analog to Analog Encoding

模拟-模拟编码可以通过三种方法来实现：

  • 调幅（AM）。在调幅（AM）传输技术中，载波信号的振幅根据调制信号的振幅的改变而被调整。载波信号的频率和相位保持不变，只有振幅随着信息改变。调制信号变成了载波信号的一个包络线。调幅信号的带宽等于调制信号带宽的2倍并且覆盖以载波频率为中心的频率范围。

  • 调频（FM）。在调频（FM）传输技术中，载波信号的频率根据调制信号电压（振幅）的改变而被调整。载波信号的频率相应会改变。调频信号的带宽等于调制信号带宽的10倍并且覆盖以载波频率为中心的频率范围。

  • 调相（PM）。在调相（PM）传输技术中，载波信号的相位随着调制信号的电压变化而调整。最大振幅和频率保持恒定，而当信息信号的振幅变化时，载波信号的相位随之发生相应的改变。



本文就大概介绍A/D、D/A、D/D、A/A等编码的方式，后续会详细介绍相关的一些编码方式。


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