實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息高效率傳輸?shù)姆嵌M(jìn)制編碼與傳輸方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及三種新的數(shù)字信息編碼與傳輸方法。其特點(diǎn)是使用四進(jìn)制、八進(jìn)制和十六進(jìn)制編碼，能顯著提升信息的編碼效率，縮短編碼的位數(shù)或長(zhǎng)度，進(jìn)而提高數(shù)字信息的傳輸效率。屬數(shù)字信息編碼與傳輸領(lǐng)域，在現(xiàn)代通訊領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)字通訊具有抗噪聲能力強(qiáng)或高保真度的優(yōu)點(diǎn)，因而已完全取代模擬通訊，成為當(dāng)今信息通訊領(lǐng)域的主流技術(shù)。目前的數(shù)字通訊使用二進(jìn)制編碼，即使用“O”和“I”的組合串來(lái)表示一個(gè)傳統(tǒng)的模擬信號(hào)。假如數(shù)字信號(hào)是由8位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的，那么，模擬信號(hào)被量化為256個(gè)等級(jí)(O?255)，如用二進(jìn)制編碼表示，就需要8位長(zhǎng)度的“O”和“I”的組合串才能表示任何一個(gè)實(shí)際的信號(hào)強(qiáng)度，如11111111表示最大值255，而10000000表示128。而目前的數(shù)字通訊中使用強(qiáng)脈沖代表“1”，而用弱脈沖代表“O”。那么，要傳輸一個(gè)完整的數(shù)字化信號(hào)(對(duì)應(yīng)模擬信號(hào)的量化值)，就需要傳輸8個(gè)強(qiáng)、弱脈沖的組合才能實(shí)現(xiàn)。顯然，這和同樣帶寬的模擬通訊比較，數(shù)字通訊的信息傳輸速率只有模擬通訊的傳輸速率的1/8。很顯然，數(shù)字通訊的高保真度是以犧牲傳輸速率為代價(jià)的。為了提升數(shù)字信息的傳輸速率，又發(fā)展了數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)、波分復(fù)用(WDM)技術(shù)和時(shí)分復(fù)用(TDM)技術(shù)等。然而，使用了所有這些技術(shù)的現(xiàn)代骨干通訊網(wǎng)絡(luò)的通訊速度目前成熟的也只有40GB/S，仍然不能滿足全球快速增長(zhǎng)的信息量的實(shí)時(shí)傳輸需要。導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻塞或信息傳輸?shù)木徛ＲM(jìn)一步顯著提升數(shù)字信息的傳輸速度，目前尚無(wú)突破性新技術(shù)。在現(xiàn)有二進(jìn)制編碼框架內(nèi)，提升信息傳輸速度的進(jìn)展緩慢，研發(fā)成本高。本發(fā)明專利正是要突破二進(jìn)制編碼的束縛，發(fā)明新的非二進(jìn)制編碼與傳輸方法，提高數(shù)字信息的編碼效率，縮短編碼長(zhǎng)度，從而提升傳輸速率。隨著現(xiàn)代電子制造技術(shù)的提高，通訊載波脈沖(光脈沖或電脈沖)的強(qiáng)度穩(wěn)定性已可以控制在2 %的波動(dòng)范圍內(nèi)，而二進(jìn)制編碼通訊仍預(yù)留了 50 %的波動(dòng)范圍，這造成了資源的極大浪費(fèi)。如何減小此資源浪費(fèi)，并轉(zhuǎn)化為提升信息的傳輸速度，是非常有意義的，并具有重大的實(shí)用價(jià)值。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)正是本發(fā)明的動(dòng)機(jī)。為此發(fā)明了三種新的非二進(jìn)制編碼與傳輸方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息傳輸，首先就是要使用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。假設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為N，則模擬信號(hào)被數(shù)字化成2N個(gè)等級(jí)(O?2n-1)。采用目前的二進(jìn)制編碼與傳輸，這樣的數(shù)字化信息需要占N位長(zhǎng)度，直接通訊傳輸就需要傳輸N次才能完成一個(gè)數(shù)字化信息的傳輸。所以，數(shù)字信息的編碼長(zhǎng)度就直接決定了數(shù)字信息的通訊傳輸效率。這就暗示如果能提高數(shù)字信息的編碼效率，縮短數(shù)字化信息的編碼長(zhǎng)度或減少編碼所占的位數(shù)，就可能提高數(shù)字信息的傳輸效率?；跀?shù)學(xué)公知原理，對(duì)同一個(gè)數(shù)編碼，所使用的編碼的基數(shù)越大，編碼效率越高或所占位數(shù)越少。二進(jìn)制編碼使用的基數(shù)為2，是最小的基數(shù)，所以二進(jìn)制編碼的效率是最低的，編碼所占的位數(shù)最多。相反，使用非二進(jìn)制編碼，必然能夠提高信息的編碼效率，縮短編碼長(zhǎng)度，進(jìn)而提高信息的傳輸速度?；诤?jiǎn)單的數(shù)學(xué)變換，
[0004]2n= (2q)N/q(I)
[0005]很清楚地看到，將編碼的基數(shù)擴(kuò)大q次冪，即從2變?yōu)?%所獲得的編碼的長(zhǎng)度就縮短為N/q。具體地講，比如假設(shè)q = 2，即使用“4”進(jìn)制編碼，那么編碼長(zhǎng)度就比“2”進(jìn)制編碼的長(zhǎng)度縮短一半。相應(yīng)地，如果信息傳輸也使用“4”進(jìn)制，那么，數(shù)字信息的傳輸效率就可以提高一倍，目前的骨干網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度就可以從40GB/S提升到SOGB/s。這是一個(gè)相當(dāng)大的進(jìn)展，并且所花費(fèi)的費(fèi)用也是很少的，只需要將收發(fā)器的編碼方式從二進(jìn)制變?yōu)樗倪M(jìn)制即可。
[0006]進(jìn)一步增大編碼基數(shù)，取q = N，即使用“2n”進(jìn)制編碼，則數(shù)字信息的編碼長(zhǎng)度N/q= 1，這種情況下的編碼效率最高。如果數(shù)字信息傳輸也使用“2N”進(jìn)制編碼，那么，數(shù)字信息的傳輸效率就是“2”進(jìn)制傳輸?shù)腘倍。這種情況類似于模擬通訊，具有低的抗噪聲能力，因?yàn)榱炕燃?jí)為2Λ它通常小于通訊載波脈沖的幅度的波動(dòng)量。例如，N = 8，則量化等級(jí)2_n= 1/256 = 0.39%。而目前的通訊載波脈沖幅度的波動(dòng)通常只能控制在2%，它覆蓋的量化等級(jí)數(shù)為:2% /0.39%^ 5。所以，“2N”進(jìn)制編碼與通訊傳輸中，傳輸?shù)臄?shù)字信息具有5個(gè)量化等級(jí)的不確定性，即傳輸信息的保真度降低。例如，實(shí)際發(fā)送的數(shù)字信息為“135”，但在接收端接收到的數(shù)字信息可能為“ 135 ± 5 ”。
[0007]綜上所述，數(shù)字信息的編碼效率與數(shù)字信息傳輸?shù)谋Ｕ娑缺仨毦C合考慮。提升編碼效率必須以傳輸?shù)谋Ｕ娑葹榍疤?。本發(fā)明正是基于編碼效率和傳輸保真度的綜合考慮，具體實(shí)施了三種非二進(jìn)制編碼與傳輸方式。
【具體實(shí)施方式】
[0008]實(shí)例一、4進(jìn)制編碼與傳輸
[0009]根據(jù)方程(I)，取q = 2，實(shí)現(xiàn)“4”進(jìn)制編碼，則編碼長(zhǎng)度縮短為N/2，S卩“4”進(jìn)制編碼比“2”進(jìn)制編碼提高編碼效率一倍，編碼長(zhǎng)度縮短一半，例如十進(jìn)制數(shù)251的二進(jìn)制編碼為11111011，而四進(jìn)制編碼為3323，編碼長(zhǎng)度從八位縮短為4位。所以，使用“4”進(jìn)制編碼傳輸，就可以提高信息的傳輸速度一倍。
[0010]“4”進(jìn)制編碼中的每個(gè)位可能對(duì)應(yīng)的數(shù)字為“O”，“ I”，“2”和“3”。若以強(qiáng)度調(diào)制傳輸信息，則“4”進(jìn)制編碼傳輸就要使用四種強(qiáng)度的載波脈沖。為了保證傳輸?shù)母弑Ｕ娑龋姆N載波脈沖的強(qiáng)度差別應(yīng)盡量大。假如使用Ic/4，、/^。、/^和工“^為最強(qiáng)脈沖幅度)四種載波脈沖強(qiáng)度，則在100%傳輸保真度下，容許的載波脈沖強(qiáng)度波動(dòng)范圍為±1/8=±12.5% Ip換句話講，只要載波脈沖強(qiáng)度^的波動(dòng)范圍小于12.5%，傳輸?shù)乃膫€(gè)編碼“ O ”，“ 1”，“ 2 ”和“ 3 ”就具有保真度100 %。而目前的電子技術(shù)可以控制載波脈沖的強(qiáng)度的波動(dòng)范圍小于2%。所以，數(shù)字信息的“4”進(jìn)制編碼與傳輸可以具有100%的傳輸保真度，與目前的“2”進(jìn)制編碼與傳輸?shù)谋Ｕ娑认嗤珎鬏斔俣葏s能提高一倍。這正是本發(fā)明實(shí)例的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明實(shí)例若得以實(shí)施，目前的骨干通訊網(wǎng)的傳輸速度能夠較容易地提升一倍，從目前的40GB/S提升為80GB/S。
[0011]實(shí)例二、8進(jìn)制編碼與傳輸
[0012]根據(jù)方程(I)，取q = 3，實(shí)現(xiàn)“8”進(jìn)制編碼，則編碼長(zhǎng)度縮短為N/3，S卩“8”進(jìn)制編碼比“2”進(jìn)制編碼提高編碼效率兩倍，編碼長(zhǎng)度縮短為“2”進(jìn)制編碼長(zhǎng)度的1/3。例如，十進(jìn)制數(shù)503的二進(jìn)制編碼為111110111，而八進(jìn)制編碼為767。顯然編碼長(zhǎng)度從二進(jìn)制的9位縮短為8進(jìn)制的3位；若使用“