2.4、编码与调制

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。它们可以统称为消息。

• 数据是运送消息的实体。

计算机中的网卡将比特 $0$ 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
  • 数字基带信号。
    • 例如：计算机内部 CPU 和 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

信号需要在信道之中进行传输。

• 信道分为数字信道和模拟信道。

2.4.1、数字基带信号(常见)

• 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
  • 例如：以太网使用曼彻斯特编码、$4B/5B$、$7B/10B$ 等编码

• 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
  • 例如：WiFi 使用补码键控、直接序列扩频、正交频分复用等调制分法。

2.4.2、模拟基带信号

• 同样，模拟基带信号也有编码与调制

• 对模拟基带信号进行编码的典型应用

  • 对音频信号进行编码的脉码调制 PCM
  • 也就是将模拟基带信号通过采样，量化，编码这三个步骤进行数字化

• 对模拟基带信号进行调制的典型应用

  • 将语音数据加载到模拟的载波信号中传输。
    • 例如：传统的电话
  • 频分复用 FDM 技术，充分利用带宽资源

2.4.3、码元

在使用时间域的波形表示数字信号时，$代表不同离散数值的基本波形$。

例如：一段调频信号

• 一段波形是构成该信号的一个基本波形（可称其为码元），可以表示比特 $0$ ，也可以表示比特 $1$

  

2.4.4、传输媒体与信道的关系

严格来说，传输媒体和信道不能直接划等号

对于单工传输

• 传输媒体只包含一个信道。要么是发送信道，要么是接受信道

对于半双工和全双工

• 传输媒体要包含两个信道。一个是发送信道，一个是接受信道

• 若使用信道复用技术。一条传输媒体还可以包含多个信道

2.4.5、常用编码

待传输的比特流。

2.4.5.1、不归零编码

• 采用不归零编码产生的该比特流的响应信号

  • 正电平表示比特 $1$

  • 负电平表示比特 $0$

  • 所谓不归零，就是在整个码元时间（比特时间）内，电平不会出现零电平

• 接收端如何判断出这是 $2$ 个码元，而这是 $3$ 个码元

  

  • 需要$额外一根传输线来传输时钟信号$，使发送方和接收方同步。

    接收方按时钟信号的节拍来逐个接受码元。

  • 对于计算机网络，$宁愿利用这根传输线传输数据信号$，而不是传输时钟信号!

• 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

2.4.5.2、归零编码

• 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用“归零”方式编码在了数据之内，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。

  • 因为，$0$ 不包含任何信息，每次归零都没有传输实际有用的信息，只是为了区分码元。

    那对于传输来说，就会大幅度减小信息传输速率

• 优点：自同步

• 缺点：编码效率低

2.4.5.3、曼彻斯特编码

在每个码元时间的中间时刻，信号都会发生跳变。

• 例如：负跳变表示比特 $1$，正跳变表示比特 $0$

$码元中间时刻的跳变即表示时钟，又表示数据$

传统的以太网使用的就是曼彻斯特编码

2.4.5.4、差分曼彻斯特编码

在每个码元时间的中间时刻，信号都会发生跳变。

与曼彻斯特编码不同的是

• 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
  • 而用码元开始处电平是否发生变化来表示比特 $0$ 和 $1$

• 比曼彻斯特编码变化少，更适合较高的传输速率

2.4.5.5、习题

解析：

• 10BaseT 中的 $10$ 表示带宽位 $10Mb/s$
• Base 表示基带传输，T 表示双绞线
• 这种以太网使用曼彻斯特编码
• 根据曼彻斯特编码的特点
  • 每个码元在中间时刻跳变，按此特点找出每个码元;
• 正跳变表示 $1$ 还是 $0$，负跳变表示 $0$ 还是 $1$，没有具体规定，可以自行假设

答案 A

2.4.6、基本调制方法

带传输的数字基带信号（来自信源的原始数字信号）

我们需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。

以下 $3 $ 种调制方法是二元制，即只能产生两种不同的码元（也就是两种不同的基本波形）

2.4.6.2、调幅（AM）

调幅产生的模拟信号

• 无载波输出表示比特 $0$，有载波输出表示比特 $1$

2.4.6.3、调频（FM）

调频产生的模拟信号

• 频率 f1 的波形表示比特 $0$，频率 f2 的波形表示比特 $1$

2.4.6.4、调相（PM）

调相产生的模拟信号

• 初相位 0 度的波形表示比特 $0$，初相位 180 度的波形表示比特 $1$

2.4.6.5、混合调制

使用基本调制方法，$1$个码元只能包含 $1$ 个比特信息。

如何能使 $1$ 个码元包含更多的比特呢?

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$y=Asin(wx+C)$

• 其中 A 就是振幅。振幅示意图

  

• 最小正周期 $ T=\frac{2\pi}{w}$，频率 $f=\frac{1}{T}$。所以频率根 w 有关。频率示意图

  

• C 就是相位。相位示意图

  

2.5.6.5.1、正交振幅调制QAM

QAM-16

• $12$ 种相位（每一个象限都有 $3$ 种角度，就是相位）
• 每种相位有 $1$ 或 $2$ 种振幅可选（在每一个角度上，要么有 1 个码元，要么有 2 个码元。）
• 这是 QAM-16 可调制出的 $16$ 种码元

• 可以调制出 $16$ 种码元（波形), 每种码元可以对应表示 $4$ 个比特
  • $4$ 个二进制数可以表示 16 种情况，刚好对应这 $16$ 个码元
  • $00001111$ 每一个都可以一一对应

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• 每个码元与4个比特的对应关系不能随便定义。

• 若我们随便定义的每个码元所对应的 $4$ 个比特

• 假设 A，B，C，D，E 是接收端接收到的 $5$ 个码元

  • 这 5 个码元原本都是表示比特 $0$ 的

  • 由于传输过程中产生失真，导致在星座图种并未落在理想的位置

  • 接收端会将码元 A，B，C 解调为 $0000$，这是正确的

  • 将码元 D 解调为 $0001$，有 $1$ 个错位

  • 将码元 E 解调为 $1111$，$4$ 位全错

    

• 这就说明，每个码元与 $4$ 个比特的对应关系不能随便定义。

• 码元与 $4$ 个比特的对应关系采用格雷码

• 格雷码

  • 也就是任意两个相邻码元只有 $1$ 个比特不同