曼彻斯特编码和4B/5B编码是将数字数据编码为数字信号的常见方法，后者的编码效率大约是..

免费智能真题库 > 历年试卷 > 网络规划设计师 > 2010年上半年网络规划设计师上午试卷综合知识

第4题

知识点：编码数字信号应用性编码 4B/5B编码曼彻斯特编码数据编码数字数据编码信号

关键词：编码效率曼彻斯特编码数据数字信号编码信号章/节：数据通信基础知识

曼彻斯特编码和4B/5B编码是将数字数据编码为数字信号的常见方法，后者的编码效率大约是前者的(4)倍。

A. 0.5

B. 0.8

C. 1

D. 1.6

相关试题：数字数据使用数字通道传送

更多>

第18题 2019年下半年

45%

IEEE802.3z定义了千兆以太网标准，其物理层采用的编码技术为（18）。在最大段长为20米的室内设备之间，较为合理的方案为（19）。..

第13题 2018年下半年

45%

100BASE-X采用的编码技术为4B/5B编码，这是一种两级编码方案，首先要把4位分为一组的代码变换成5单位的代码，再把数据变成( ..

第12题 2018年下半年

60%

下图中12位差分曼彻斯特编码的信号波形表示的数据是( )。


知识点讲解
· 编码 · 数字信号 · 应用性编码 · 4B/5B编码 · 曼彻斯特编码 · 数据编码 · 数字数据编码 · 信号

编码

编码就是将量化后的样本值变成相应的二进制代码。

每个模拟样本表示为二进制编码时，如果每个相邻编码表示的量化值差相等，就是线性编码，线性编码的主要问题是在原始数据振幅较低时，编码后失真严重。如果采用非线性编码，在原始数据振幅较低时使用更多的量化值，在同样的二进制位数的情况下，信号还原后的整体失真大为降低。

一种比PCM更为简单的方式是使用增量调制（Delta Modulation，DM），这种方式的基本思路是：在每个采样周期，如果当前值比上一次的值增加了，则生成1，否则生成0。这种简单方式主要在信号变化很慢和变化很快时，增量调制无法产生正确的波形，在性噪比上比PCM方式要差些。下图所示为增量调制产生的噪声，可以直观看出在数据变化过快时会产生噪声。

增量调制在数据源变化很快或很慢时产生的噪声

数字信号

在电报通信中，其电报信号是用“点”和“划”组成的电码（叫做莫尔斯电码）来代表文字和数字。如果用有电流代表“1”、无电流代表“0”，那么“点”就是1、0，“划”就是1、1、1、0。莫尔斯电码是用一点一划代表A，用一划三点代表B，所以A就是101110，B就是1110101010……这种离散的、不连续的信号，称为数字信号。

数字信号的优越性主要体现在以下几个方面：

（1）加强了通信的保密性。语音信号经A/D（Analog to Digital，模拟信号转换为数字信号）变换后，可以先进行加密处理，再进行传输，在接收端解密后再经D/A（Digital to Analog，数字信号转换为模拟信号）变换还原成模拟信号。例如，某图像信号X转换成为01110，可以通过某种加密算法，如向右循环移一位变成Y=00111，对方得到Y后很难反推到X。可见，数字化为加密处理提供了十分有利的条件，且密码的位数越多，破译密码就越困难。

（2）提高了抗干扰能力。数字信号在传输过程中会混入杂音，可以利用电子电路构成的门限电压（称为阈值）去衡量输入的信号电压，只有达到某一电压幅度，电路才会有输出值，并自动生成整齐的脉冲（称为整形或再生）。较小杂音电压到达时，由于它低于阈值而被过滤掉，不会引起电路动作。因此再生的信号与原信号完全相同，除非干扰信号大于原信号才会产生误码。为了防止误码，在电路中设置了检验错误和纠正错误的方法，即在出现误码时，可以利用后向信号使对方重发。因而数字传输适用于较远距离的传输，也能适用于性能较差的线路。

（3）可构建综合数字通信网。采用时分交换后，传输和交换统一起来，可以形成一个综合数字通信网。

数字信号的主要缺点如下：

（1）技术要求复杂，尤其是同步技术要求精度很高。接收方要能正确地理解发送方的意思，就必须正确地把每个码元区分开来，并且找到每个信息组的开始，这就需要收发双方严格实现同步，如果组成一个数字网的话，同步问题的解决将更加困难。

（2）占用频带较宽。因为线路传输的是脉冲信号，传送一路数字化语音信息需占20～64kHz的带宽，而一个模拟话路只占用4kHz带宽，即一路PCM（Pulse Code Modulation，脉码调制）信号占了几个模拟话路。

（3）进行A/D转换时会产生量化误差。

应用性编码

应用性编码主要有曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码、4B/5B编码、8B/6T编码和8B/10B编码等。

（1）曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码如下图所示。

曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码

曼彻斯特编码是一种双相码，用低到高的电平转换表示0，用高到低的电平转换表示1，因此它也可以实现自同步，常用于以太网（802.3 10M以太网）。

某些教程中关于此描述是正好相反的，也就是0和1互换了，结果也是正确的。

差分曼彻斯特编码是在曼彻斯特编码的基础上加上了翻转特性，遇1翻转，遇0不变，常用于令牌环网。要注意的一个知识点是：使用曼码和差分曼码时，每传输1位的信息，就要求线路上有两次电平状态变化（2 Baud），因此要实现100Mb/s的传输速率，就需要有200MHz的带宽，即编码效率只有50%。

（2）4B/5B编码、8B/6T编码和8B/10B编码。正是因为曼码的编码效率不高，因此在带宽资源宝贵的广域网，以及速度要求更高的局域网中，就面临了困难。因此就出现了mBnB编码，也就是将m位编码成n波特（代码位）。4B/5B编码、8B/6T编码和8B/10B编码的比较如下表所示。

应用编码标准

4B/5B编码

4B/5B编码是将欲发送的数据流每4位作为一个组，然后按照编码规则将其转换成相应的5位码。该编码属于自同步编码方式，为了保证接收端能提取同步时钟，编码规则保证：无论4位数据为何种组合（包括全部为0），所转换成5位码中，至少有两个"1"，即保证在传输过程中码元至少发生两跳变，从而保证接收端同步时钟的提取。4B/5B编码能较好地解决同步问题，同时具有检错功能，编码效率比较高，它用5位信号表示4位有效信息，因此编码效率为80%。若要达到100Mb/s的速率，只需在线路上有125Mbaud的波特率。快速以太网（100Base-T）和光纤分布式接口（FDDI）都采用4B/5B编码方式。

曼彻斯特编码

曼彻斯特编码是一种双相码。上图中，用高电平到低电平的转换边表示0；用低电平到高电平的转换边表示1；位中间的电平转换边既表示数据代码，也作为定时信号使用。这种编码用在以太网中。

数据编码

通信信道有两种类型，即模拟信道和数字信道。计算机数据在不同的信道中传输，要采用不同的编码方式。

数字数据的模拟信号编码

将计算机中的数字数据变换成网络中的模拟信号，必须要进行调制，即进行频谱变换。模拟信号传输的基础是载波，载波具有三大要素，即幅度、频率和相位。数字数据可以针对载波的不同要素或它们的组合进行调制。

将数字数据调制为模拟信号的基本方式有3种：即调幅、调频和调相，如下图所示。

1）调幅

调幅（Amplitude Modulation, AM）即载波的振幅随着基带数字信号而变化，又称幅移键控（ASK）。在调幅（幅移键控）方式中，用载波的两个不同振幅来表示两个二进制值。例如，用振幅恒定的载波的存在表示一个二进制数字1，载波不存在表示一个二进制数字0，如下图所示。其特点是实现容易，抗干扰能力差。

2）调频

调频（Frequency Modulation, FM）即载波的频率随着基带数字信号而变化，又称频移键控（FSK）。例如，用频率f₁表示一个二进制数字1，频率f₂表示一个二进制数字0，如下图所示。其特点是实现容易，抗干扰能力强。

3）调相

调相（Phase Modulation, PM）即载波的初始相位随着基带数字信号而变化，又称相移键控（PSK）。在调相方式（相移键控）中，数字0和1的载波起始相位不同。例如，可以用θ= 0°代表0,θ=180°代表1，如下图所示，这种方法称为两相调制；如果以θ为0°、90°、180°、270°，分别表示二进制数00、01、10、11，这种方法称为四相调制。每个调制时间间隔包含两个比特的信息，因此，使信息传输速率增加一倍。其特点是实现复杂、抗干扰能力强。

数字数据调制方式

由PSK和ASK结合的相位幅度调制（PAM），是解决相移数已达到上限但还要提高传输速率的有效方法。相位幅度调制，即采用相位调制和幅度调制结合的方法来提高传输速率（不提高调制速率）。它采用16个不同的相位和幅度电平，可以使1200b/s的Modem传送19 200b/s的数据信号。

数字数据编码

在数字信道中传输计算机数据时，要对计算机中的数字信号重新编码并进行基带传输。

对于数字信号来说，最常用的方法是用不同的电压电平来表示两个二进制数字，即数字信号由矩形脉冲组成。

在基带传输中，数字信号的编码方式有不归零编码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码，如下图所示。

1）不归零编码

不归零编码（Non-Return-Zero, NRZ）用低电平表示二进制0，用高电平表示二进制1。不归零编码有单极型不归零编码和双极型不归零编码两种。

单极型不归零编码，无电压表示0，恒定正电压表示1，每个码元时间的中间点是采样时间，判决门限为半幅电平，如下图所示。

双极型不归零编码，1码和0码都有电压，1为正电压，0为负电压，正负电压的幅度相等，判决门限为零电平，如下图所示。

2）曼彻斯特编码

曼彻斯特编码（Manchester Encoding），用电平的跳变表示二进制，电平由从高到低的跳变表示二进制1，从低到高的跳变表示二进制0，如下图所示。

3）差分曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Encoding），每比特的开始无跳变表示二进制1，有跳变表示二进制0，如下图所示。

常用编码方案

两种曼彻斯特编码的最大优点是将时钟和数据包含在信号数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传送给对方，所以这种编码也称为自同步码。但缺点也很明显，那就是编码效率低。例如，要传送10Mb/s的数据，需要20MHz的脉冲。曼彻斯特编码常用在以太网中，而差分曼彻斯特编码常用在令牌环网中。

模拟数据的数字信号编码

将模拟数据编码为数字信号的最常见方法是脉冲编码调制，简称脉码调制（Pulse Code Modulation, PCM）。脉码调制是以采样定理为基础的。从数学上可以这样说明采样定理：若对连续变化的模拟信号进行周期性采样，只要采样频率等于或大于有效信号最高频率的两倍，则采样信息包含原信号的全部信息。再利用低通滤波器可以从这些采样中重新构造出原始信号。

采样定理表达公式为

F_s≥2F_max或F_s≥2B_s

式中：F_s（即1/T_s）为采样频率；F_max为原始信号的最高频率；B_s（=F_max-F_min）为原始信号的带宽。

PCM编码过程包括采样、量化和编码3个步骤，如下图所示。

1）采样

每隔一定的时间对连续模拟信号进行采样，得到的信号就成为一组"离散"的脉冲信号序列，这种方式称为脉冲幅值调制（Pulse Amplitude Modulation, PAM）。

PCM原理

2）量化

量化是一个分级过程，把采样所得到的PAM脉冲按量级比较，并且"取整"，这样脉冲序列就成为数字信号了。

3）编码

表示采样序列量化后的量化幅度，它用一定位数的二进制码表示。如果有N个量化级，那么就应当有log₂N位二进制数码。

例如，声音数据频率一般在4000Hz以下，那么只要8000次/s的采样就可以完整地表示声音信号的特征。目前，在语音数字化脉冲调制系统中，通常分为128个量级，即用7位二进制数码表示。PCM编码的数据率为8000×7=56kb/s。

数字数据编码

在数字信道中传输计算机数据时，要对计算机中的数字信号重新编码并进行基带传输。

对于数字信号来说，最常用的方法是用不同的电压电平来表示两个二进制数字，即数字信号由矩形脉冲组成。

在基带传输中，数字信号的编码方式有不归零编码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码，如下图所示。

1）不归零编码

不归零编码（Non-Return-Zero, NRZ）用低电平表示二进制0，用高电平表示二进制1。不归零编码有单极型不归零编码和双极型不归零编码两种。

单极型不归零编码，无电压表示0，恒定正电压表示1，每个码元时间的中间点是采样时间，判决门限为半幅电平，如下图所示。

双极型不归零编码，1码和0码都有电压，1为正电压，0为负电压，正负电压的幅度相等，判决门限为零电平，如下图所示。

2）曼彻斯特编码

曼彻斯特编码（Manchester Encoding），用电平的跳变表示二进制，电平由从高到低的跳变表示二进制1，从低到高的跳变表示二进制0，如下图所示。

3）差分曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Encoding），每比特的开始无跳变表示二进制1，有跳变表示二进制0，如下图所示。

常用编码方案

信号

任务间同步的另一种方式是异步信号。在两个任务之间，可以通过相互发送信号的方式，来协调它们之间的运行步调。

所谓的信号，指的是系统给任务的一个指示，表明某个异步事件已经发生了。该事件可能来自于外部（如其他的任务、硬件或定时器），也可能来自于内部（如执行指令出错）。异步信号管理允许任务定义一个异步信号服务例程ASR（Asynchronous Signal Routine），与中断服务程序不同的是，ASR是与特定的任务相对应的。当一个任务正在运行的时候，如果它收到了一个信号，将暂停执行当前的指令，转而切换到相应的信号服务例程去运行。不过这种切换不是任务之间的切换，因为信号服务例程通常还是在当前任务的上下文环境中运行的。

信号机制与中断处理机制非常相似，但又各有不同。它们的相同点是：

.都具有中断性：在处理中断和异步信号时，都要暂时地中断当前任务的运行；

.都有相应的服务程序；

.都可以屏蔽响应：外部硬件中断可以通过相应的寄存器操作来屏蔽，任务也能够选择不对异步信号进行响应。

信号机制与中断机制的不同点是：

.中断是由硬件或特定的指令产生，而信号是由系统调用产生；

.中断触发后，硬件会根据中断向量找到相应的处理程序去执行；而信号则通过发送信号的系统调用来触发，但系统不一定马上对它进行处理；

.中断处理程序是在系统内核的上下文中运行，是全局的；而信号处理程序是在相关任务的上下文中运行，是任务的一个组成部分。

实时系统中不同的任务经常需要互斥地访问共享资源。当任务试图访问资源时被正使用该资源的其他任务阻塞，可能出现优先级反转的现象，即当高优先级任务企图访问已被某低优先级任务占有的共享资源时，高优先级任务必须等待直到低优先级任务释放它占有的资源。如果该低优先级任务又被一个或多个中等优先级任务阻塞，问题就更加严重。由于低优先级任务得不到执行就不能访问资源、释放资源。于是低优先级任务就以一个不确定的时间阻塞高优先级的任务，导致系统的实时性没有保障。下图为是一个优先级反转的示例。

一个优先级反转的示例

如上图所示，系统存在任务1、任务2、任务3（优先级从高到低排列）和资源R。某时，任务1和任务2都被阻塞，任务3运行且占用资源R。一段时间后，任务1和任务2相继就绪，任务1抢占任务3运行，由于申请资源R失败任务1被挂起。由于任务2的优先级高于任务3，任务2运行。由于任务3不能运行和释放资源R，因此任务1一直被阻塞。极端情况下，任务1永远无法运行，处于饿死状态。

解决优先级反转问题的常用算法有优先级继承和优先级天花板。

优先级继承协议

L. Sha、R. Rajkumar和J. P. Lehoczky针对资源访问控制提出了优先级继承协议（Priority Inheritance Protocol，PIP）。

PIP协议能与任何优先级驱动的抢占式调度算法配合使用，而且不需要有关任务访问资源情况的先验知识。优先级继承协议的执行方式是：当低优先级任务正在使用资源，高优先级任务抢占执行后也要访问该资源时，低优先级任务将提升自身的优先级到高优先级任务的级别，保证低优先级任务继续使用当前资源，以尽快完成访问，尽快释放占用的资源。这样就使高优先级任务得以执行，从而减少高优先级任务被多个低优先级任务阻塞的时间。低优先级任务在运行中，继承了高优先级任务的优先级，所以该协议被称作优先级继承协议。

由于只有高优先级任务访问正被低优先级任务使用的资源时，优先级继承才会发生，在此之前，高优先级任务能够抢占低优先级任务并执行，所以优先级继承协议不能防止死锁，而且阻塞是可以传递的，会形成链式阻塞。另外，优先级继承协议不能将任务所经历的阻塞时间减少到尽可能小的某个范围内。最坏情况下，一个需要μ个资源，并且与v个低优先级任务冲突的任务可能被阻塞min（μ，v）次。

优先级冲顶协议

J. B. Goodenough和L. Sha针对资源访问控制提出了优先级冲顶协议（Priority Ceiling Protocol，PCP）。

PCP协议扩展了PIP协议，能防止死锁和减少高优先级任务经历的阻塞时间。该协议假设所有任务分配的优先级都是固定的，每个任务需要的资源在执行前就已确定。每个资源都具有优先级冲顶值，等于所有访问该资源的任务中具有的最高优先级。任一时刻，当前系统冲顶值（current priority ceiling）等于所有正被使用资源具有的最高冲顶值。如果当前没有资源被访问，则当前系统冲顶值等于一个不存在的最小优先级。当任务试图访问一个资源时，只有其优先级高于当前系统冲顶值，或其未释放资源的冲顶值等于当前系统冲顶值才能获得资源，否则会被阻塞。而造成阻塞的低优先级任务将继承该高优先级任务的优先级。

已经证明，PCP协议的执行规则能防止死锁，但其代价是高优先级任务可能会经历优先级冲顶阻塞（Priority ceiling blocking）。即高优先级任务可能被一个正使用某资源的低优先级任务阻塞，而该资源并不是高优先级任务请求的。这种阻塞又被称作回避阻塞（avoidance blocking），意思是因为回避死锁而引起的阻塞。即使如此，在PCP协议下，每个高优先级任务至多被低优先级任务阻塞一次。使用PCP协议后，能静态分析和确定任务之间的资源竞争，计算出任务可能经历的最大阻塞时间，从而能分析任务集合的可调度性。在PCP协议下，高优先级任务被阻塞时会放弃处理器，因此，访问共享资源的任务可能会产生4次现场切换。

题号导航 2010年上半年网络规划设计师上午试卷综合知识

本试卷我的完整做题情况



	第4题在手机中做本题