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  第19题      
  知识点:   模拟数据的数字信号编码   数字信号   信号
  关键词:   数据转换   数字信号   数据   信号        章/节:   数据通信基础知识       

 
用于将模拟数据转换为数字信号的技术是( )。
 
 
  A.  PCM
 
  B.  PSK
 
  C.  Manchester
 
  D.   PM
 
 
 

 
  第23题    2014年上半年  
   52%
曼切斯特编码的特点是(22),它的编码效率是(23)。
  第20题    2017年上半年  
   44%
以太网10Base-T中物理层采用的编码方式为( ) 。
  第22题    2014年上半年  
   59%
曼切斯特编码的特点是(22),它的编码效率是(23)。
   知识点讲解    
   · 模拟数据的数字信号编码    · 数字信号    · 信号
 
       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
        Fs≥2FmaxFs2Bs
        式中:Fs(即1/Ts)为采样频率;Fmax为原始信号的最高频率;Bs(=Fmax-Fmin)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。
 
       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。
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