计算机网络：物理层 - 编码与调制

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基本概念

在计算机网络中，计算机需要处理和传输用户的文字、图片、音频和视频，他们可以统称为消息数据，是运送消息的实体。我们人类比较熟悉的是十进制数据，而计算机只能处理二进制数据，也就是比特 0 和 1。

计算机中的网卡将 0 和 1 变换成相应的电信号发送到网线，也就是说信号是数据的电磁表现，由信源发出的原始电信号称为基带信号。

基带信号又可分为两类：

• 数字基带信号：例如计算机内部 CPU 与内存之间传输的信号
• 模拟基带信号：例如麦克风收到声音后产生的音频信号

信号需要在信道中进行传输。信道可分为数字信道和模拟信道两种，在不改变信号性质的前提下，仅对数字基带信号的波形进行变换，称为编码。编码后产生的信号仍为数字信号，可以在数字信道中传输。

把数字基带信号的频率范围搬移到较高的频段并转换为模拟信号，称为调制。调制后产生的信号是模拟信号可以在模拟信道中传输。

简单来说：

编码是将数字信号转换成另外一种数字信号，使其更适应信道的传输特性
调制是把数字信号转化为模拟信号，做频谱的搬移，增加信号抗干扰性

接下来我们介绍码元的概念：

在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形，称为码元。简单来说，码元就是构成信号的一段波形。例如这是一个调频信号：

红色这一段波形是构成该信号的一个基本波形，我们可称其为码元，它表示比特0。蓝色这一段波形是构成该信号的另一个基本波形，也称为码元，它表示比特1。可见该信号由两种码元构成，该信号中的所有波形，都由这两种波形排列而成。

在计算机网络中常见的是将数字基带信号通过编码或调制的方法在相应信道进行传输。

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编码

不归零制编码

这是采用不归零编码产生的该比特流的相应信号，正电平表示比特 1，负电平表示比特 0。

所谓不归零，就是指在整个码元时间内，电平不会出现零电平，例如表示比特 1 的码元在其时间内全部是正电平，而表示比特 1 的码元在其时间内全部是负电平。

请大家思考一下这个问题：

接收端如何判断出红色区域是两个码元，而橙色区域是三个码元？这需要发送方的发送与接收方的接收做到严格的同步。这就需要额外一根传输线来传输时钟信号，接收方按时钟信号的节拍来逐个接收码源。然而对于计算机网络，宁愿利用这个传输线来传输数据信号，而不是要传输时钟信号。因此，由于不归零编码存在同步问题，计算机网络中的数据传输不采用这类编码。

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归零制编码

归零制编码，正电平表示比特 1，负电平表示比特 0。很明显，每个码元传输结束后，信号都要归零，所以接收方只要在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号。

实际上，归零编码相当于把时钟信号编码在了数据之内，这称为自同步信号。但是归零编码中大部分的数据带宽都用来传输归零而浪费掉了。也就是说，归零编码的优点是自同步，但缺点是编码效率低。

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曼彻斯特编码

这是曼彻斯特编码。如图所示，在每个码元时间的中间时刻，信号都会发生跳变。负跳变表示比特1，正跳变表示比特0。码元中间时刻的跳变既表示时钟，又表示数据。接收端根据每个码元中间都有跳变这一规则，来判断多长是一个码元。传统以太网使用的就是曼彻斯特编码。

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差分曼彻斯特编码

这是差分曼彻斯特编码。如图所示，在每个码元时间的中间时刻，信号都会发生跳变，与曼彻斯的编码不同，跳变仅表示时钟，而用码元开始处电平是否发生变化来表示数据。如图所示，每个码元的开始处，如果发生了跳变就是比特0，没发生跳变就是比特1。

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调制

下面我们介绍基本调制方法。

这是数字基带信号，也就是来自信源的原始数字信号。

我们要使用模拟信道来传输，因此需要将数字基带信号通过调制方法调制成可以在模拟信道中传输的模拟信号。

调幅

这是调幅所产生的模拟信号，无载波输出表示比特0，有载波输出表示比特 1。

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调频

这是调频所产生的模拟信号，一种频率的波形表示比特0，另外一种频率的波形表示比特1。

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调相

这是调相所产生的模拟信号，根据每个码元的初始相位不同，来区分比特0和比特1。

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混合调制

很明显使用基本调制方法，一个码元只能表示一个比特信息，那么如何能使一个码元包含更多的比特呢？可以采用混合调制的方法。

因为频率和相位是相关的，也就是说频率是相位随时间的变化率，所以一次只能调至频率和相位两个中的一个。

通常情况下，相位和振幅可以结合起来一起调制，称为正交振幅调制QAM。我们来看属于正交振幅调制的 QIM16：

这种调制方法所调制出的波形可以有 12 种相位，每种相位有一或两种振幅可选。我们可坐标中画出该调制方法所产生的码元。一个点就表示其中的一个码元，它与圆心连线的距离可看作是振幅连线，与横坐标的夹角可看作是相位。

请大家思考一下，每个码元可以包含几个比特呢？由于 QM 16 可以调制出 16 种码元，也就是 16 种波形，则每种码元可以对应表示 4 个比特。

每个码元与四个比特的对应关系采用了格雷马：

格雷码中，任意两个坐标之间，只有一位比特不同，可以减小传输过程中导致的误差。最后接收方就可以根据波形的相位和振幅，来判断一个码元表示哪四个比特了。

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