计算机网络之物理层通信基础（编码与调制）

一、编码

编码是将数据转换为信号的过程，在物理层通信中，编码主要关注如何将数字数据或模拟数据转换为数字信号或模拟信号。

数字数据编码为数字信号：

非归零编码（NRZ）：高电平表示1，低电平表示0。但这种方式在发送一连串0或1时，接收方可能无法判断数据的起始和结束，导致不同步。

归零编码：信号电平在一个码元之内都要恢复到零。这种方式会让大部分的信号处于低电平状态，信道的利用率不高，同时也存在不同步的问题。

反向不归零编码：信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1。但当传输的数据全为1时，仍会出现不同步问题。

曼彻斯特编码：将一个码元分为两个相同的部分，高电平在一个码元为先1后0，低电平在一个码元为先0后1（或相反）。这种编码方式的特点是每个码元之间都有跳变，可以实现发送方和接收方的同步。但传输速率只有调制速率的1/2。

差分曼彻斯特编码：比特在变化时，相同为1，不同为0。每个码元之间都有跳转，抗干扰能力强。

4B/5B编码：用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方。编码效率为80%。

模拟数据编码为数字信号：

最典型的例子是对音频信号进行编码的脉冲调制（PCM）。它主要包括三个步骤：采样、量化和编码。采样是将模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。量化是把采样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值并取整数。编码是把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。

二、调制

调制是将数字信号或模拟信号转换为适合在信道上传输的模拟信号的过程。

数字数据调制为模拟信号：

调幅（AM）：0没有幅度，1有幅度。

调频（FM）：0低频，1高频。

调相（PM）：0对应一种波形（如正弦波），1对应另一种波形（如余弦波）。

调幅+调相（QAM）：将调幅和调相结合起来，可以进一步提高数据传输速率。

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。这种调制方式还可以使用频分复用（FDM）技术，充分利用带宽资源。例如，电话机和本地交换机所传输的信号就是采用模拟信号传输模拟数据的方式。模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的，低频模拟信号加载到高频信号上进行传输，以防止在传输过程中大量损耗。接收端再通过解调将原来的基带信号恢复出来。

三、基带信号与宽带信号

基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，然后送到数字信道上传输，称为基带传输。基带传输通常用于传输距离比较近的情况。
宽带信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，然后传输到模拟信道上去传输，称为宽带传输。宽带传输通常用于传输距离比较远的情况。