【计算机网络】408计算机网络高分指南：物理层编码与调制技术精讲

导读

大家好，很高兴又和大家见面啦！！！

在数据通信中，信号是数据在传输过程中的具体表现形式，而码元是构成数字信号的基本单元。理解信号如何通过不同的码元组合来表示数据，是掌握通信技术的关键。

信号可分为模拟信号和数字信号，码元作为数字信号的计量单位，其不同的编码方式直接影响着通信的效率和可靠性。那么，数据是如何通过编码与调制技术转换为适合传输的信号的呢？

本文将系统解析四种重要的转换方式：数字数据编码为数字信号、数字数据调制为模拟信号、模拟数据编码为数字信号、模拟数据调制为模拟信号，帮助您深入理解数据通信的物理层基础。

让我们开始阅读正文，探索这些重要的通信技术原理。

一、定义

信号时数据的具体表示形式，数据无论是数字的还是模拟的，为了传输的目的，都要转换成信号。

• 将数据转换成数字信号的过程称为编码。

• 将数据转换为模拟信号的过程称为调制。

数字数据可通过数字发送器转换为数字信号传输，也可以通过调制器转换成模拟信号传输；

同样，模拟数据可以通过 PCM 编码器转换成数字信号传输，也可通过放大器调制器转换成模拟信号传输。这样就形成了4种编码与调制方式：

• 数字数据编码为数字信号
• 模拟数据编码为数字信号
• 数字数据调制为模拟信号
• 模拟数据调制为模拟信号

二、数字数据编码为数字信号

数字数据编码用于基带传输中，即在基本不改变数字数据信号频率的情况下，直接传输数字信号。具体用什么样的数字信号表示 $0$ 及用什么样的数字信号表示 $1$ ，就是所谓的编码。

编码的规则由多种，只要能有效区分 $0$ 和 $1$ 即可。常用的数字数据编码由以下几种：

• 归零（$RZ(Return\_to\_Zero)$）编码：用高电平表示 $1$ 、低电平表示 $0$ （或者相反），每个码元的中间均跳变到零电平（归零），接收方根据该跳变调整本方的时钟基准，这就为收发双方提供了自同步机制。

上图展示的就是归零编码，在进行编码时，因为归零需要占用一部分带宽，所以传输效率受到了一定的影响。

• 非归零（$NRZ(None\_Return\_to\_Zero)$）编码：用高电平表示 $1$ 、低电平表示 $0$ （或者相反）。

上图所示的就是非归零编码，相比于 $RZ$ 编码，$NRZ$ 编码不用归零，一个时钟全部用来传输数据，编码效率最高。但是 $NRZ$ 编码的收发双方存在同步问题，为此需要双方都带有时钟线。

• 反向归零（$NRZI(None\_Return\_to\_Zero\_Inverted)$）编码：与 $NRZ$ 编码的区别是用电平的跳变表示 $0$ 、电平保持不变表示 $1$ 。

上图就是反向非归零编码，这里我是以高电平作为初始电平的例子来说明该编码。在反向非归零编码中，起始电平是高电平还是低电平取决于前一个比特结束时的电平状态，我们需要谨记一个核心：跳 $0$ 不跳 $1$。

在 $NRZI$ 的跳 $0$ 不跳 $1$ 这种编码逻辑下，跳变信号本身可作为一种通知机制。这种编码方式集成了前两种编码的优点，既能传输时钟信号，又能尽量不损失系统带宽。$USB2.0$ 的编码方式就是 $NRZI$ 编码。

• 曼彻斯特编码：每个码元的中间都发生电平跳变，电平跳变既作为时钟信号（用于同步），又作为数字信号。可用向下跳变表示 $1$ 、向上跳变表示 $0$ ，或者采用相反的规定。标准以太网使用的就是曼彻斯特编码。

上图所示的就是曼彻斯特编码，我们需要注意该编码的跳变规则：下跳为 $1$ ，上跳为 $0$（或者相反）。

该跳变规则我们应该以电平的变化来加深理解：

• 高电平->低电平为下跳，表示 $1$
• 低电平->高电平为上跳，表示 $0$

这里可能会有朋友奇怪，那上图中的 $11$ 所对应的电平变化为：高电平->低电平->高电平->低电平，那按照电平跳变规则，它所表示的应该是 $101$ ，为什么实际表示的却是 $11$ 呢？

实际上我们需要观察的电平变化应该是一个比特内的电平变化，如果用高电平表示 $1$ ，低电平表示 $0$ ，那么在曼彻斯特编码中，不同比特的电平变化为：

• 比特 $1$ ：高电平->低电平
• 比特 $0$ ：低电平->高电平

因此 $11$ 所对应的电平变化应该是：高电平->低电平，高电平->低电平。也就是说明两个比特之间是不存在电平变化，也就不存在低电平->高电平的电平变化。

• 差分曼彻斯特编码：每个码元的中间都发生电平跳变，与曼彻斯特编码不同的是，电平跳变仅表示时钟信号，而不表示数据。数据的表示在于每个码元开始处是否有电平跳变：无跳变表示 $1$ ，有跳变表示 $0$ 。

上图所示的就是差分曼彻斯特编码，在该编码中，我们需要关注的是码元开始处的电平状态：

• 码元开始处为高电平，且保持高电平，则表示 $1$
• 码元开始处为低电平，且保持低电平，则表示 $1$
• 码元开始处为高电平，且从高电平跳变到低电平，则表示 $0$
• 码元开始处为低电平，且从低电平跳变到高电平，则表示 $0$

在码元中间的跳变表示的仅仅是时钟信号，这种编码逻辑使得差分曼彻斯特编码拥有更强的抗干扰能力，其被广泛用于宽带高速网中。

三、模拟数据编码为数字信号

该编码方式主要包括三个步骤，即采样、量化和编码，常用于对音频信号进行编码的 $PCM$ 编码。

1. 采样是指对模拟信号进行周期性扫描，将时间上连续的信号变成时间上离散的信号。根据奈奎斯特定理，采样频率必须大于或等于模拟信号最大频率的两倍。

2. 量化是指将采样得到的电平幅值按照一定的分级标度转换为对应的数值并取整，这样就将连续的电平幅值转换为了离散的数字量。采样和量化的实质就是分割和转换。

3. 编码是指将量化得到的离散整数转换为与之对应的二进制编码。

四、数字数据调制为模拟信号

数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。下面我们介绍四种数字调制方式：

• 调幅（$AM(Amplitude\_Modulation)$）或幅移键控（$ASK(Amplitude\_Shift\_Keying)$）。通过改变载波的振幅来表示数字信号 $1$ 和 $0$ 。

• 调频（$FM$）或频移键控（$FSK$）。通过改变载波的频率来表示数字信号 $1$ 和 $0$ 。

• 调相（$PM$）或相移键控（$PSK$）。通过改变载波的相位来表示数字信号 $1$ 和 $0$ 。

• 正交幅度调制（$QAM$）。在频率相同的前提下，将 $AM$ 与 $PM$ 结合起来，形成叠加信号。设波特率为 $B$ ，采用 $m$ 个相位，每个相位有 $n$ 种振幅（单位为 $b/s$），则该 $QAM$ 的数据传输速率 $R$ 为：

$$R=B{\log }_2(mn)$$

五、模拟数据调制为模拟信号

为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可使用频分复用（$FDM$）技术，充分利用带宽资源。电话机和本地局交换机采用模拟信号传输模拟数据的编码方式。

结语

今天的内容到这里就全部结束了，通过本文的探讨，我们一起系统学习了​​编码与调制​​这一数据通信领域的核心基础。现在让我们简要回顾本文的重点内容，并为您提供一些实用的学习建议。

📡 核心知识总结

• ​​编码与调制的基本概念​​

  • ​​编码​​：将数据转换为数字信号的过程
  • ​​调制​​：将数据转换为模拟信号的过程

• ​​四种重要的转换方式​​

  • ​​数字数据 → 数字信号​​
    • 归零编码（RZ）：自带同步时钟信号
    • 非归零编码（NRZ）：传输效率最高
    • 反向非归零编码（NRZI）：USB 2.0采用，跳"0"不跳"1"
    • 曼彻斯特编码：标准以太网使用，强同步能力
    • 差分曼彻斯特编码：抗干扰性强，用于高速宽带网
  • 模拟数据 → 数字信号​​
    • PCM编码三步骤：采样→量化→编码
    • 遵循奈奎斯特定理
  • 数字数据 → 模拟信号​​
    • 基本调制方式：ASK、FSK、PSK
    • 高效调制：QAM（结合幅度与相位）
    • 传输速率公式：$R=Blog2(mn)$
  • 模拟数据 → 模拟信号​​
    • 使用频分复用（FDM）技术
    • 传统电话系统应用

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