计算机网络：物理层 --- 基本概念、编码与调制

目录

一.   物理层的基本概念

二.   数据通信系统的模型

三.   编码

3.1   基本概念

3.2   不归零制编码

3.3   归零制编码

3.4   曼切斯特编码

3.5   差分曼切斯特编码

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四.   调制

4.1   调幅

4.2   调频

4.3   调相

4.4   混合调制

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今天我们讲的是物理层的基本概念，以及如何编码调制。一起来看看吧！！！

一.   物理层的基本概念

大家知道，现有的计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段也有不同的方式。物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异，使物理层上的数据链路层感觉不到这些差异，这样就可以让数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务。

可以将物理层的主要任务描述成确定与传输媒体的接口有关的一些特性，即：

机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。

电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。

过程特性：指明对于不同的功能的各种可能事件的出现顺序。

数据在计算机内部多采用并行传输方式，但数据在通信线路（传输媒体）上的传输方式一般都是串行传输。

二.   数据通信系统的模型

下面我们通过一个最简单的例子来说明数据通信系统的模型。这个例子就是两台计算机经过普通电话机的连线，再经过公用电话网来进行通信。

如图所示，一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统、传输系统和目的系统。

源系统一般包括以下两部分：

• 原点：原点设备产生要传输的数据，源点又称源站或信源。
• 发送器：通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输。调制器就是典型的发送器。

目的系统一般包括以下两部分：

• 接收器：接收器用于接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。
• 终点：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出。终点又称为目的站或信宿

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常用术语：

• 消息：通信的目的就是传送消息。话音，文字，图像，视频等都是消息。
• 数据：数据是运送消息的实体，是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。这种信息的表示可用于计算机或其他机器（或人）处理或产生。
• 信号： 数据的电气或电磁的表现。

 根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为以下两大类：

1. 模拟信号（或连续信号）：代表消息的参数的取值是连续的
2. 数字信号（或离散信号）：代表消息的参数的取值是离散的

三.   编码

3.1   基本概念

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。

我们先介绍一下码元的概念：

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。例如下面这个信号：

绿色段是构成这个信号的一个基本波形，我们就称之为码元，表示比特0；蓝色段是构成这个信号的另一个波形，也是码元，表示码元1。

3.2   不归零制编码

上图就是采用不归零制编码参数的信号，正电平表示比特1，负电平表示比特0。

不归零的意思就是说，在码元真个时间内，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都是正电平，表示比特0的码元在其时间内全部都是负电平。

不归零制编码编码以其高效率闻名，但是它存在着诸多问题，最为重要的是同步问题：

同步问题：不归零编码的信号电平在码元之间不归零，导致接收端在信号开始和结束时难以捕捉到同步信号，从而影响通信质量。

由于存在的同步问题，所以计算机网络中的数据传输不采用这类编码。

3.3   归零制编码

归零制编码中，正脉冲表示比特1，负脉冲表示比特0。由图可以看出，每次码元结束之后，都会归零，所以接收方只需在信号归零之后进行采样即可。

归零制编码的优点就是自同步，即把时钟信号编码在了数据内部。但是他的缺点就变成了低效率，因为在归零制编码中大部分的数据宽带都用来传输归零而浪费掉了。

3.4   曼切斯特编码

上图是曼切斯特编码，如图所示，曼切斯特编码在码元的中间都会发生信号的跳变。位周期中间向下跳变代表1，向上跳变代表0（也可以反过来定义）。码元中间时刻的跳变既代表时钟，又表示数据。传统以太网就是用的曼切斯特编码。

3.5   差分曼切斯特编码

上图是差分曼切斯特编码。跟曼切斯特编码一样的是，在每个码元的中间时刻，信号都会发生跳变。但是与曼切斯特编码不同的是，跳变仅表示时钟，而用码元开始处是否发生变化来表示数据。如果为开始边界有跳变代表0，位开始边界没有跳变就表示1。 

四.   调制

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。

以下是基带信号，也就是来自信源的信号：

4.1   调幅

对比上面的基带信号，可以发现调幅后，载波的振幅随基带数字信号而变化。1代表有载波输出，0代表没有载波输出。

4.2   调频

对比上面的基带信号，可以发现调频后， 载波的频率随基带数字信号而变化。一种频率代表1，另一种频率代表0。

4.3   调相

对比上面的基带信号，可以发现调相后， 载波的初始相位随基带数字信号而变化。根据初识香味的不同，来区分0与1。例如：相位0度代表0，相位180度代表1。

4.4   混合调制

很明显，基本调制方法，一个码元只能表示一个比特信息。为了达到更高的信息传输效率，必须采用技术上更为复杂的混合调制方法，来让一个码元包含更多的比特。

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来的波形可以有12种相位、每种相位可以有1或2种振幅可选。

（图借用计算机网络：物理层 - 编码与调制-CSDN博客）。

我们可以在坐标图中画出该调制方法所产生的码元。一个点代表其中一个码元，点与圆心连线的距离可以看做振幅连线，与横坐标的夹角可以看做相位。

那么大家可以思考一下，一个码元可以包含多少个比特呢？由于QM16可以调制出16种码元，所以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码，即相邻两个点之间，只有一个比特不同，这样可以减少传输误差。

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总结：

好了，到这里今天的知识就讲完了，大家有错误一点要在评论指出，我怕我一人搁这瞎bb，没人告诉我错误就寄了。

祝大家越来越好，不用关注我（疯狂暗示）