实现数字信息高效率传输的非二进制编码与传输方法.pdf

实现数字信息高效率传输的非二进制编码与传输方法，使用四进制、八进制和十六进制编码数字信息，提高编码效率，能分别缩短数字信息编码长度到二进制编码的1/2、1/3和1/4；同时，使用四个、八个和十六个强度差别尽量大的载波脉冲分别表示四进制编码中的四个基数“0”～“3”，八进制编码中的八个基数“0”～“7”和十六进制编码中的十六个基数“0”～“9”、“A”～“F”，分别实现四进制、八进制和十六进制信息编码传输；四进制、八进制和十六进制信息编码和传输的信息传输速度分别是二进制编码的二、三和四倍。本发明在现代数字通讯领域具有极大的应用价值，得以实施后，能提升现代通讯网络的信息传输速度数倍。

权利要求书1.  一种实现数字信息高效率传输的四进制编码与传输方法，使用“4”进制编码数字信息，并用四个强度差别尽量大的载波脉冲，比如I0/4、I0/2、3I0/4和I0或0、I0/3、2I0/3和I0，表示“4”进制编码的四个基数“0”、“1”、“2”和“3”；其特征在于“4”进制编码具有更高的编码效率，编码长度只有“2”进制编码长度的一半，因而“4”进制数字信息编码与传输方法比“2”进制数字信息编码与传输方法能提高数字信息传输速度一倍。2.  一种实现数字信息高效率传输的八进制编码与传输方法，使用“8”进制编码数字信息，并用八个强度差别尽量大的载波脉冲，比如I0/8、I0/4、3I0/8、I0/2、5I0/8、3I0/4、7I0/8和I0或0、I0/7、2I0/7、3I0/7、4I0/7、5I0/7、6I0/7和I0，表示“8”进制编码的八个基数“0”、“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”和“7”；其特征在于“8”进制编码具有更高的编码效率，编码长度只有“2”进制编码长度的三分之一，因而“8”进制数字信息编码与传输方法比“2”进制数字信息编码与传输方法能提高数字信息传输速度两倍。3.  一种实现数字信息高效率传输的十六进制编码与传输方法，使用“16”进制编码数字信息，并用十六个强度差别尽量大的载波脉冲，比如I0/16、I0/8、3I0/16、I0/4、5I0/16、3I0/8、7I0/16、I0/2、9I0/16、5I0/8、11I0/16、3I0/4、13I0/16、7I0/8、15I0/16和I0或0、I0/15、2I0/15、I0/5、4I0/15、I0/3、2I0/5、7I0/15、8I0/15、3I0/5、2I0/3、11I0/15、4I0/5、13I0/15、14I0/15和I0，表示“16”进制编码的八个基数“0”、“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”、“8”、“9”、“A”、“B”、“C”、“D”、“E”和“F”；其特征在于“16”进制编码具有更高的编码效率，编码长度只有“2”进制编码长度的四分之一，因而“16”进制数字信息编码与传输方法的数字信息传输速度是“2”进制数字信息编码与传输方法的四倍。

说明书实现数字信息高效率传输的非二进制编码与传输方法
技术领域
本发明涉及三种新的数字信息编码与传输方法。其特点是使用四进制、八进制和十六进制编码，能显著提升信息的编码效率，缩短编码的位数或长度，进而提高数字信息的传输效率。属数字信息编码与传输领域，在现代通讯领域具有广阔的应用前景。
背景技术
数字通讯具有抗噪声能力强或高保真度的优点，因而已完全取代模拟通讯，成为当今信息通讯领域的主流技术。目前的数字通讯使用二进制编码，即使用“0”和“1”的组合串来表示一个传统的模拟信号。假如数字信号是由8位A/D转换器转换的，那么，模拟信号被量化为256个等级(0～255)，如用二进制编码表示，就需要8位长度的“0”和“1”的组合串才能表示任何一个实际的信号强度，如11111111表示最大值255，而10000000表示128。而目前的数字通讯中使用强脉冲代表“1”，而用弱脉冲代表“0”。那么，要传输一个完整的数字化信号(对应模拟信号的量化值)，就需要传输8个强、弱脉冲的组合才能实现。显然，这和同样带宽的模拟通讯比较，数字通讯的信息传输速率只有模拟通讯的传输速率的1/8。很显然，数字通讯的高保真度是以牺牲传输速率为代价的。为了提升数字信息的传输速率，又发展了数据压缩技术、波分复用(WDM)技术和时分复用(TDM)技术等。然而，使用了所有这些技术的现代骨干通讯网络的通讯速度目前成熟的也只有40GB/s，仍然不能满足全球快速增长的信息量的实时传输需要。导致网络阻塞或信息传输的缓慢。要进一步显著提升数字信息的传输速度，目前尚无突破性新技术。在现有二进制编码框架内，提升信息传输速度的进展缓慢，研发成本高。本发明专利正是要突破二进制编码的束缚，发明新的非二进制编码与传输方法，提高数字信息的编码效率，缩短编码长度，从而提升传输速率。随着现代电子制造技术的提高，通讯载波脉冲(光脉冲或电脉冲)的强度稳定性已可以控制在2％的波动范围内，而二进制编码通讯仍预留了50％的波动范围，这造成了资源的极大浪费。如何减小此资源浪费，并转化为提升信息的传输速度，是非常有意义的，并具有重大的实用价值。实现这一目标正是本发明的动机。为此发明了三种新的非二进制编码与传输方法。
发明内容
实现数字信息传输，首先就是要使用A/D转换器将模拟信号转换成数字信号。假设A/D转换器的位数为N，则模拟信号被数字化成2N个等级(0～2N-1)。采用目前的二进制编码与传输，这样的数字化信息需要占N位长度，直接通讯传输就需要传输N次才能完成一个数字化信息的传输。所以，数字信息的编码长度就直接决定了数字信息的通讯传输效率。这就暗示如果能提高数字信息的编码效率，缩短数字化信息的编码长度或减少编码所占的位数，就可能提高数字信息的传输效率。基于数学公知原理，对同一个数编码，所使用的编码的基数越大，编码效率越高或所占位数越少。二进制编码使用的基数为2，是最小的基数，所以二进制编码的效率是最低的，编码所占的位数最多。相反，使用非二进制编码，必然能够提高信 息的编码效率，缩短编码长度，进而提高信息的传输速度。基于简单的数学变换，
2N＝(2q)N/q                  (1)
很清楚地看到，将编码的基数扩大q次幂，即从2变为2q，所获得的编码的长度就缩短为N/q。具体地讲，比如假设q＝2，即使用“4”进制编码，那么编码长度就比“2”进制编码的长度缩短一半。相应地，如果信息传输也使用“4”进制，那么，数字信息的传输效率就可以提高一倍，目前的骨干网络的传输速度就可以从40GB/s提升到80GB/s。这是一个相当大的进展，并且所花费的费用也是很少的，只需要将收发器的编码方式从二进制变为四进制即可。
进一步增大编码基数，取q＝N，即使用“2N”进制编码，则数字信息的编码长度N/q＝1，这种情况下的编码效率最高。如果数字信息传输也使用“2N”进制编码，那么，数字信息的传输效率就是“2”进制传输的N倍。这种情况类似于模拟通讯，具有低的抗噪声能力，因为量化等级为2-N，它通常小于通讯载波脉冲的幅度的波动量。例如，N＝8，则量化等级2-N＝1/256＝0.39％。而目前的通讯载波脉冲幅度的波动通常只能控制在2％，它覆盖的量化等级数为：2％/0.39％≈5。所以，“2N”进制编码与通讯传输中，传输的数字信息具有5个量化等级的不确定性，即传输信息的保真度降低。例如，实际发送的数字信息为“135”，但在接收端接收到的数字信息可能为“135±5”。
综上所述，数字信息的编码效率与数字信息传输的保真度必须综合考虑。提升编码效率必须以传输的保真度为前提。本发明正是基于编码效率和传输保真度的综合考虑，具体实施了三种非二进制编码与传输方式。
具体实施方式
实例一、4进制编码与传输
根据方程(1)，取q＝2，实现“4”进制编码，则编码长度缩短为N/2，即“4”进制编码比“2”进制编码提高编码效率一倍，编码长度缩短一半，例如十进制数251的二进制编码为11111011，而四进制编码为3323，编码长度从八位缩短为4位。所以，使用“4”进制编码传输，就可以提高信息的传输速度一倍。
“4”进制编码中的每个位可能对应的数字为“0”，“1”，“2”和“3”。若以强度调制传输信息，则“4”进制编码传输就要使用四种强度的载波脉冲。为了保证传输的高保真度，四种载波脉冲的强度差别应尽量大。假如使用I0/4，I0/2，3I0/4和I0(I0为最强脉冲幅度)四种载波脉冲强度，则在100％传输保真度下，容许的载波脉冲强度波动范围为±I0/8＝±12.5％I0。换句话讲，只要载波脉冲强度I0的波动范围小于12.5％，传输的四个编码“0”，“1”，“2”和“3”就具有保真度100％。而目前的电子技术可以控制载波脉冲的强度的波动范围小于2％。所以，数字信息的“4”进制编码与传输可以具有100％的传输保真度，与目前的“2”进制编码与传输的保真度相同，但传输速度却能提高一倍。这正是本发明实例的优势。本发明实例若得以实施，目前的骨干通讯网的传输速度能够较容易地提升一倍，从目前的40GB/s提升为80GB/s。
实例二、8进制编码与传输
根据方程(1)，取q＝3，实现“8”进制编码，则编码长度缩短为N/3，即“8”进制编码比“2”进制编码提高编码效率两倍，编码长度缩短为“2”进制编码长度的1/3。例如，十进制数503的二进制编码为111110111，而八进制编码为767。显然编码长度从二进制的9位 缩短为8进制的3位；若使用“8”进制编码传输，就可以提高信息的传输速度两倍，或者说是二进制编码传输速度的三倍。
“8”进制编码中的每个位可能对应的数字为“0”，“1”，“2”，“3”，“4”，“5”，“6”和“7”。若以强度调制传输信息，则“8”进制编码传输就要使用八种强度的载波脉冲。为了保证传输的高保真度，八种载波脉冲的强度差别应尽量大。假设使用的八种载波脉冲强度分别为I0/8，I0/4，3I0/8，I0/2，5I0/8，3I0/4，7I0/8和I0(I0为最强脉冲幅度)，则在100％传输保真度下，容许的载波脉冲强度波动范围为±I0/16＝±6.25％I0。换句话讲，只要载波脉冲强度I0的波动范围小于6.25％，传输的八个编码“0”，“1”，“2”，“3”，“4”，“5”，“6”和“7”就具有保真度100％。而目前的电子技术可以控制载波脉冲的强度的波动范围小于2％。所以，数字信息的“8”进制编码与传输可以具有100％的传输保真度，与目前的“2”进制编码与传输的保真度相同，但传输效率却能提高两倍。这正是本发明实例的优势。本发明实例若得以实施，目前的骨干通讯网的传输速度能够较容易地提升两倍，从目前的40GB/s提升为120GB/s。
实例三、16进制编码与传输
根据方程(1)，取q＝4，实现“16”进制编码，则编码长度缩短为N/4，即“16”进制编码比“2”进制编码提高编码效率三倍，编码长度缩短为“2”进制编码长度的1/4。例如十进制数223的二进制编码为11011111，而“16”进制编码为DF。显然，编码长度从二进制的八位缩短为十六进制的两位。所以，使用“16”进制编码传输，就可以提高信息的传输速度三倍，或者说是二进制编码传输速度的四倍。
“16”进制编码中的每个位可能对应的数字为“0”，“1”，“2”，“3”，“4”，“5”，“6”，“7”，“8”，“9”，“A”，“B”，“C”，“D”，“E”和“F”。若以强度调制传输信息，则“16”进制编码传输就要使用十六种强度的载波脉冲。为了保证传输的高保真度，十六种载波脉冲的强度差别应尽量大。假设使用的十六种载波脉冲强度分别为I0/16，I0/8，3I0/16，I0/4，5I0/16，3I0/8，7I0/16，I0/2，9I0/16，5I0/8，11I0/16，3I0/4，13I0/16，7I0/8，15I0/16和I0(I0为最强脉冲幅度)，则在100％传输保真度下，容许的载波脉冲强度波动范围为±I0/32＝±3.125％I0。换句话讲，只要载波脉冲强度I0的波动范围小于3.13％，传输的十六个编码“0”，“1”，“2”，“3”，“4”，“5”，“6”，“7”，“8”，“9”，“A”，“B”，“C”，“D”，“E”和“F”就具有保真度100％。而目前的电子技术可以控制载波脉冲的强度的波动范围小于2％。所以，数字信息的“16”进制编码与传输可以具有100％的传输保真度，与目前的“2”进制编码与传输的保真度相同，但传输效率却能提高3倍。这正是本发明实例的优势。本发明实例若得以实施，目前的骨干通讯网的传输速度能够较容易地提升三倍，从目前的40GB/s提升为160GB/s。