2-4 编码与调制

# 240.2-4：编码与调制

本节课我们介绍编码与调制，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，‍‍他们可以统称为消息。

数据是运送消息的实体，我们人类比较熟悉的是十进制数据，‍‍而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。此时的信号还没经过编码与调制。

基带信号又可分为两类：

一类是数字基带信号，‍‍例如计算机内部 CPU 与内存之间传输的信号
另一类是模拟基带信号，例如‍‍麦克风收到声音后产生的音频信号

‍

信号需要在信道中进行传输，信道可分为数字信道‍‍和模拟信道两种。对于数字基带信号在两种信道上传输：

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、8B/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，‍‍正交评分复用等调制方法

‍

对于模拟基带信号在两种信道上传输：对于模拟基带信号的处理，也有编码和调制两种方法：

‍‍对模拟基带信号进行编码的典型应用是：对音频信号进行编码的脉码调制 PCM。‍‍也就是将模拟音频信号通过采样，量化，编码这三个步骤进行数字化‍‍
对模拟信号进行调制的典型应用是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，另一个是频分复用 FDM 技术，‍‍可以充分利用带宽资源
调制方法有：例如 WIFI，采用补码键控 CCK/直接序列扩频 DSSS/正交频分服用 OFDM 等

‍

接下来我们介绍码元的概念：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成为码元。简单来说码元就是构成信号的一段波形，例如‍‍这是一个调频信号，这一段波形是构成该信号的一个基本波形，我们可称其为码元，‍‍它可以表示比特 0，当然也可以表示比特 1，这一段波形是构成该信号的另一个基本模型，‍‍也称为码元，它可以表示比特 1，可见该信号由两种码元构成。‍‍

‍

顺便提一下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，传输媒体中只包含一个信道，要么是发送信道，要么是接收信道。‍‍而对于半双工和全双工传输，传输媒体中要包含两个信道，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，‍‍一条传输媒体还可以包含多个信道，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信道进行传输。

‍

# 常用编码

‍

# 不归零编码

下面我们介绍几种常用编码，‍‍这是待传输的比特流，这是采用不归零编码产生的该比特流的相应信号。

‍‍正电平表示比特 1，负电平表示比特 0，这是 0 电平，所谓不归零‍‍就是指在整个码元时间内电瓶不会出现零电平，例如‍‍该码元在其时间内全部是正电平，而该码元在其时间内全部是负点平。‍‍

请大家思考一下‍‍接收端如何判断出这是两个码元，而这是三个码元？‍‍

这需要发送方的发送与接收方的接收做到严格的同步，这就需要额外一根传输线‍‍来传输时钟信号，接收方按时钟信号的节拍来逐个接收码元。然而对于计算机网络‍‍宁愿利用传输线来传输数据信号，而不是要传输时钟信号！

‍

# 归零编码

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，这是归零编码，这是正电平，这是零电平，‍‍这是负电平。

‍

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 0 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。

也就是说归零编码的优点是自同步，但缺点是编码效率低。

‍

# 曼彻斯特编码

这是曼彻斯特编码。如图所示，在每个马原时间的中间时刻，信号都会发生跳变，比如‍‍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，既表示时钟，‍‍要表示数据，传统以太网使用的就是曼彻斯特编码：

‍

# 差分曼彻斯特编码

这是差分曼彻斯特编码，‍‍如图所示在每个马原时间的中间时刻，信号都会发生跳变，与曼彻斯特编码不同，‍‍跳变仅表示时钟，而用马原开始处电瓶是否发生变化来表示数据。‍‍

‍

如图所示，‍‍这是每个码元的开始处，这是每个码元的结束处：

‍

依据码元开始处电平是否发生变化‍‍来表示比特 0 或比特 1。

差分曼彻斯特编码比曼彻斯特编码变化少，更适合较高的传输速率。

‍

接下来我们做一个有关编码的练习题，‍‍这是计算机专业考研全国统考计算机网络部分，2013 年的题 34，‍‍我们一起来解题：‍

10BaseT 中的 10 表示带宽为 10 兆比特每秒，base 表示基带传输，‍‍T 表示双脚线，这种以太网使用曼彻斯特编码，根据曼彻斯特编码的特点，‍‍也就是每个码元在其中间时刻发生跳变，可以划分出所给信号中的各码元。‍‍至于正跳变表示 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。

‍

我们假设正跳变表示 1，负跳变表示 0，那么该码元表示 1，该码元表示一，‍‍该码元表示 0，该码元表示 0，该码元表示 1，至此可以发现没有一个答案是符合的，‍‍那说明我们的假设有错误：