4 编码与调制
计算机直接输出的数字信号往往并不适合在信道上传输，需要将其编码或调制成适合在信道上传输的信号。
2.4.1 编码与调制的基本概念
1. 消息、数据和信号
消息、数据和信号：
- 消息 (message)：需要由计算机处理和传输的文字、图片、音频和视频等内容。
- 数据 (data)：消息输入计算机后，就成为了有意义的符号序列。
- 信号 (signal)：网卡将比特 0 和比特 1 变换成相应的电磁表现。
2. 基带信号
由信源发出的原始信号称为基带信号。
3. 调制和编码
- 基带调制（编码）：对数字基带信号的波形进行变换，使其能够与信道特性相适应。
- 带通调制：将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，使其能够在模拟信道中传输。
4. 码元
码元：信号的编码单元。
- 对于模拟信号，载波参数（振幅、频率、初相位）的变化就是一个码元。
- 对于数字信号，一个数字脉冲就是一个码元。
一个码元所能携带的信息量谁（即构成离散数值的比特数量）不是固定的，而是取决于编码方式和调制方式。
2.4.2 常用编码方式
常用的编码方式有：不归零制、归零制、曼彻斯特编码以及差分曼彻斯特编码等。
1. 双极性不归零编码
双极性不归零编码：用正电平和负电平分别表示比特 1 和 0。
这种方式编码效率高，但存在同步问题：
为了解决同步问题，需要给收发双方再添加一条时钟信号线。发送方通过数据信号线给接收方发送数据的同时，还通过时钟信号线给接收方发送时钟信号。接收方按照接收到的时钟信号的节拍，对数据信号线上的信号进行采样。
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。
2. 双极性归零编码
双极性归零编码：在每个码元的中间时刻信号都会回归到零电平。
这种编码方式自同步，但编码效率低：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。
3. 曼彻斯特编码
曼彻斯特编码：码元中间时刻的电平跳变既表示时钟信号，也表示数据。正跳变表示 1 还是 0，负跳变表示 0 还是 1，可以自行定义。
曼彻斯特编码属于自同步，10Mb/s 传统以太网采用的就是曼彻斯特编码。
4. 差分曼彻斯特编码
差分曼彻斯特编码：码元中间时刻的电平跳变仅表示时钟信号，数据的表示在于每一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。
在传输大量连续 1 或连续 0 的情况下，差分曼彻斯特编码信号比曼彻斯特编码信号的变化少。
在噪声干扰环境下，检测有无跳变比检测跳变方向更不容易出错，因此差分曼彻斯特编码信号比曼彻斯特编码信号更易于检测。
在传输介质接线错误导致高低电平翻转的情况下，差分曼彻斯特编码仍然有效。
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 ( ) 。
A. 0011 0110
B. 1010 1101
C. 0101 0010
D. 1100 0101
解析
10BaseT 以太网使用的是曼彻斯特编码。
在曼彻斯特编码中，每个码元的中间时刻电平会发生跳变。通常规定，从高电平跳变到低电平（负跳变）表示 1，从低电平跳变到高电平（正跳变）表示 0（或者反之，具体定义取决于标准或约定，但同一系统内保持一致）。根据图中信号波形和选项 A，可以推断此处的定义为：
- 低电平到高电平的跳变表示 0。
- 高电平到低电平的跳变表示 1。
据此解码波形：
- 第一个码元：低 -> 高，表示 0
- 第二个码元：低 -> 高，表示 0
- 第三个码元：高 -> 低，表示 1
- 第四个码元：高 -> 低，表示 1
- 第五个码元：低 -> 高，表示 0
- 第六个码元：高 -> 低，表示 1
- 第七个码元：高 -> 低，表示 1
- 第八个码元：低 -> 高，表示 0
因此，接收到的比特串为 0011 0110。
2021 年 题 34
若下图为一段差分曼彻斯特编码信号波形，则其编码的二进制位串是 ( )。
A. 1011 1001
B. 1101 0001
C. 0010 1110
D. 1011 0110
解析
- 码元中间时刻的电平跳变仅表示时钟信号，而不表示数据。
- 数据的表示取决于每一个码元开始处是否存在电平跳变：无跳变表示 1，有跳变表示 0。
- 答案选 A 。
2.4.3 基本的带通调制方法和混合调制方法
1. 基本的带通调制方法
基本的带通调制方法有：
- 调幅 (AM)：让载波的振幅随基带数字信号的变化而变化。
- 调频 (FM)：让载波的频率随基带数字信号的变化而变化。
- 调相 (PM)：让载波的初相位随基带数字信号的变化而变化。
2. 混合调制方法
混合调制方法：使用技术上更为复杂的混合调制方法，使 1 个码元可以表示多个比特的信息量。
例如正交振幅调制（QAM）：结合载波的相位和振幅进行调制。例如，QAM-16 可以调制出 16 种码元，每种码元可以对应表示 4 个比特（）。
每个码元与 4 个比特的对应关系采用格雷码，即任意两个相邻码元只有 1 个比特不同。
