计算机网络-物理层（三）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

数据是运输信息的实体，计算机只能处理二进制数据，也就是比特0和比特1。计算机中的网卡将比特0和比特1变换成相应的电信号发送到网线，也就是说信号时数据的电磁表现

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

信号需要在信道中传输，信道可分为两类

• 数字信道
• 模拟信道

数字基带信号的处理

编码

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，成为编码，编码后产生的信号仍为数字信号，可以在数字信道中传输，例如以太网使用的曼彻斯特编码、4B/5B、8B/10B等编码

调制

把数字基带信号的频率范围，搬移到较高的频段，并转化为模拟信号，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方法

模拟基带信号的处理

编码

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

调制

例如:将数字语音加载到模拟的载波信号中传输，如传统的电话，另一个是频分复用FDM技术，可以充分利用带宽资源

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，简单来说码元就是构成信号的一段波形

传输媒体与信道的关系

传输媒体与信道不能直接画等号

单工传输中传输媒体中只包含一个信道，要么是发送信道，要么是接收信道

半双工与全双工中传输媒体中包含两个信道，一个是发送信道，另一个是接收信道，如果使用信道复用技术，一条传输媒体可以包含多个信道

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的信道进行传输

常用编码

不归零编码

在整个码元时间内，电平不会出现零电平

• 不归零编码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

• 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，所以计算机网络中的数据传输不采用这类编码

归零编码

• 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

• 归零编码相当于把时钟信号用归零的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

曼彻斯特编码

• 曼彻斯特编码会在码元的中间时刻进行电平跳变
• 例如正跳变表示比特0，负跳变表示比特1 (也可能相反)
• 码元中间时刻的跳变即表示时钟，又表示数据。传统以太网使用的就是曼彻斯特编码

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
• 跳变仅表示时钟
• 用码元开始处电平是否发生变化表示数据

优点:比曼彻斯特编码变化少，更适合较高的传输速率

考研真题

【2013年 题34】若下图为10BaseT网卡接收到的信号波形，则该网卡收到的比特串是

• 00110110
• 10101101
• 01010010
• 11000101

解析

• 10BaseT表示以太网使用的是曼彻斯特编码
• 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，否跳变表示0还是1，可自行假设

基本调制方法

数字基带信号

调幅

• 无载波输出表示比特0
• 有载波输出表示比特1

调频

• 频率f1表示比特0
• 频率f2表示比特1

调相

• 初相位0度表示比特0
• 初相位180度表示比特1

使用基本调制方法，1个码元只能包含1个比特信息

因为频率和相位是相关的，即频率是相位随时间的变化率。所以一次只能调制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，成为正交振幅调制QAM

混合调制

QAM-16

• 12种相位
• 每种相位有1或2种振幅可选
• 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
• 码元与4个比特的对应关系采用格雷码:任意两个相邻码元只有1个比特不同
  

码元到[0,0]点的长度看做振幅，码元与x轴的的角度看做是相位