【计算机网络 | 第8篇】编码与调制

通信系统中的编码与调制：从信道基础到信号传输技术

一、信道与通信电路🍂

要理解通信系统，首先得明确信道和通信电路的概念。

• 信道：是通信系统中单向传输信息的物理通道，如同城市中的单行道，强调信息传输的方向性。比如一条电话线就包含两条信道：一条用于发送语音，另一条用于接收语音。
• 通信电路：由发送信道和接收信道组成的双向通道，通常指物理连接的线路（如网线、光纤），可能包含多个信道。如果把电路比作"道路"，那么信道就是"道路"上的"车道"，一条道路可以有多个车道供不同方向的"车辆"（信息）通行。

二、三种基本通信方式📖

根据通信双方的信息交互方向，通信方式可分为以下三类：

1. 单向通信（单工通信）

 信息仅能单方向传输，无反向交互。例如电视台向观众发送节目信号，观众无法反馈；红绿灯向车辆传递指令，车辆也无法回传信息。这种通信方式只需一条信道，适合单向信息流场景。

2. 双向交替通信（半双工通信）

 通信双方可轮流发送和接收，但不能同时进行。就像使用对讲机时，A按下按钮说话，B只能等待；B按下按钮回应时，A也需等待。早期的以太网也采用这种方式，同一时间只能有一个设备发送数据，其他设备需等待。它需要2条独立信道（发送+接收），但设备需共享同一频段，同一时间只使用一条。

3. 双向同时通信（全双工通信）

 通信双方可同时发送和接收信息。现在的网卡普遍支持全双工模式，允许数据双向同时传输。它需要两条独立信道（发送+接收），且需隔离技术防止干扰，传输效率最高。现代通信系统（如5G、光纤网络）大多采用全双工，不过在资源受限的场景（如低功耗物联网设备）仍可能使用半双工，我们日常使用的手机就采用这种通信方式。

三、编码与调制：让信号适配信道的关键技术🥝

 在通信系统中，来自信源的原始信号（如计算机发送的数据）通常被称为基带信号。这类信号频率范围低，主要集中在0Hz附近的低频段（甚至包含直流分量），直接表示信息，如二进制数据（0/1）、文字文件或图像像素值。

 但基带信号在实际传输中存在一个关键问题：许多信道无法直接传输低频或直流分量。例如，电话线对低频信号的衰减极大，无线信道则需要高频电磁波才能有效传播。为解决这一矛盾，就需要对基带信号进行调制——将信号"改造"以适应信道特性。

根据调制目的和方法的不同，调制可分为两类：基带调制和带通调制

1. 基带调制（编码）

 仅对数字基带信号的波形进行变换，使其更适配信道特性，但不改变信号的频率范围。调制后的信号仍然是数字信号。本质上是将数字信号转换为另一种形式的数字信号，比如将二进制比特流转换为不同电平或脉冲序列，因此也被称为编码。通过编码可以消除低频干扰或者避免直流分量。

基带调制就如同"翻译"——将一种语言（信号形式）转换为另一种语言（适配信道的信号形式），但内容不变。

2. 带通调制

 使用载波信号（高频正弦波）对基带信号进行调制，将低频的数字基带信号的频谱"搬移"到高频段，并转换为模拟信号，形成带通信号。其核心作用是让信号能在无线电波、光纤等模拟信道中传输，而且高频信号可通过滤波器隔离噪声，提高抗干扰能力。

消息发送全程示意图：

四、常用编码方式：将二进制数据转化为电信号🥝

 在数字通信中，二进制数据（0和1）需要通过特定的编码方式转化为电信号，以便在物理信道中传输。常见的编码方式包括不归零制（NRZ）、归零制（RZ）、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码，它们在信号形式、同步能力和带宽需求上各有特点，适用于不同的通信场景。

1. 不归零制（NRZ）

这是最简单的编码方式，电平直接表示比特值：高电平为1，低电平为0。信号在整个位周期内保持恒定电平，仅在相邻比特不同时发生跳变（如1后接0）

• 优点：实现简单，无冗余跳变，占用带宽较低
• 缺点：没有自同步能力，如果连续传输多个相同码元（如"1111"），信号波形无跳变，接收端无法通过波形自身恢复时钟信号，需额外的时钟线辅助同步；长时间传输相同电平可能导致信号偏移（如直流偏置）

2. 归零制（RZ）

每个比特周期内，信号在中间时刻归零：正脉冲（高→零）表示1，负脉冲（低→零）表示0，每个位周期内，信号在末尾必须回到零电平

• 优点：相比NRZ，信号跳变更多，有助于提升同步能力
• 缺点：由于每个位周期包含脉冲和归零过程，信号频率是NRZ的两倍；且在电路设计上，需设计额外的电路控制归零，编码效率低

3. 曼彻斯特编码

其原理是每个位周期的中心位置发生跳变，向上跳变表示"0"，向下跳变表示"1"（或相反定义）

• 优点：自同步能力很强，每个位周期必然包含一次跳变，接收端可通过检测跳变位置恢复时钟信号，无需额外同步线；跳变平衡了正负电平，避免信号偏移
• 缺点：信号频率是NRZ的两倍，通过牺牲带宽换取了自同步能力。10Mb/s传统以太网就采用这种编码方式

4. 差分曼彻斯特编码

每位周期中心始终跳变（无论数据是0还是1），数据由位边界决定，位开始处有跳变表示"0"，无跳变表示"1"

• 优点：自同步能力更强，中心跳变确保时钟恢复，边界跳变携带数据信息；相比曼彻斯特编码，对电压波动不敏感（仅关注跳变方向而非绝对电平）

 需要注意的是，如果只给一段波形，不提供编码方式，也不提供对应的比特流，则无法识别是曼彻斯特编码还是差分曼彻斯特编码。所以相关题目一般是：给波形+比特流问编码方式 或 给编码方式+波形问比特流

举例：像下面这幅图，就给一段波形，你是无法区分它到底是曼彻斯特编码还是差分曼彻斯特编码👏

五、基本的带通调制方法📖

调制方式主要有以下三种：

1. 幅度调制（调幅AM）

 用基带信号控制载波的幅度（如传统广播），让载波的振幅随基带数字信号的变化而变化。例如，有载波输出表示1，无载波输出表示0。这种方式也叫幅移键控（ASK）。

2. 频率调制（调频FM）

 用基带信号控制载波的频率（如FM收音机），让载波的频率随基带数字信号的变化而变化。例如，用频率f1表示1，用另一个频率f2表示0。也叫频移键控（FSK）。

3. 相位调制（调相PM）

 用基带信号控制载波的相位（如Wi-Fi中的QPSK调制），让载波的初相位随基带数字信号的变化而变化。例如，0相位表示0，180度相位表示1。也叫相移键控（PSK）。

在这些调制方式中，若设计k个幅值、k个频率或k个相位值，则1码元=log₂k bit。

六、混合调制方法：QAM正交振幅调制🍂

频率和相位是相关的，频率是相位随时间的变化率，频率变化会导致相位变化。正交振幅调制是将相位和振幅一起调制，形成叠加信号。

比如设计m种振幅，n种相位，将幅度调制（AM）和相位调制（PM）两两复合，可得到z=mn种信号，则1码元=log₂(mn) bit，这种调制方式称为QAM-z。

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