计算机软件水平考试《 络工程师》-第2章 物理层-02

第2章　物理层-02

2.2.4 调制和编码

编码就是用数字信 承载数字或模拟数据，调制就是用模拟信 承载数字或模拟数据。

基带信 （即基本频带信 ）——来自信源的信 。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信 都属于基带信 。基带信 就是发出的直接表达了要传输的信息的信 ，比如我们说话的声波就是基带信 。

因此在传输距离较近时，计算机 络都采用基带传输方式，因为在近距离范围内基带信 衰减不大，从而信 内容不会发生变化。因此在传输距离较近时，计算机 络都采用基带传输方式。如从计算机到显示器、打印机等外设的信 就是基带传输的。

带通信 ——把基带信 经过载波调制后，把信 的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。

基带调制。基带调制只对基带信 波形进行变换，并不改变其频率，变换后仍然是基带信 。

带通调制。带通调制使用载波将基带信 的频率迁移到较高频段进行传输，解决了很多传输介质不能传输低频信息的问题，并且使用带通调制信 可以传输得更远。

1. 模拟信 调制为模拟信

基带信 往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信 进行调制(modulation)。

模拟信 调制为模拟信 的方法有：

调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信 而变化。

调频(FM)：载波的频率随基带数字信 而变化。

调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信 而变化。

2. 模拟信 编码为数字信

模拟信 一般通过脉码调制（Pulse Code Modulation，PCM）方法量化为数字信 。模拟信 经过采样、对采样的值进行量化，对量化的采样进行数字化编码，将编码后的数据转化成数字信 发送。图2.19中采用3位编码，将模拟信 量化为23=8个量级。可以看出此时的数字信 只能近似表示模拟信 。

图2.19 模拟信 转换成数字信 的过程

采样，即对模拟信 进行周期性扫描，把时间上连续的信 变成时间上离散的信 。采样必须遵守奈奎斯特采样定理才能保证无失真地恢复原模拟信 。（即采样频率要大于2倍模拟信 频率，才能使得的样本信 不失真）

我们可以用一个旋转轮来形象理解这个采样定理：

这是一个各个轴之间间隔45度的轮子，每个轮子都被标上了标识。

假设这个轮子以每秒45度来转动，那么每个轴返回原位需要8秒（采样周期）。

那么如果我们每8,16,24秒来用相机拍照，是不是每次都可以拍摄到原图像静止不动？

这是因为在采样周期内，车轮旋转的整数周期都会回到原位，不论旋转方向如何。那么就有了一个非常重要的结论：

采样周期的整数倍不能检测到相位（状态）变化。

我们来减少一点拍摄周期，如果以每4秒的速度拍摄呢？每4秒拍照一次，轮子只能转一半，那么我们可以在照片中检测到轮子正在旋转，虽然依然不能区分它的旋转方向，但是轮子的状态（相位）已经可以区分了。

那么再减少一点拍摄周期，以每3秒的速度拍摄呢？无论顺时针还是逆时针，都可以看到轮轴的错位（相位的变化）。

这就是Nyquist-Shannon采样定理，我们希望同时看到轮子的旋转和相位变化，采样周期要小于整数周期的1/2，采样频率应该大于原始频率的2倍。同理，对于模拟信 ，我们希望同时看到信 的各种特性，采样频率应该大于原始模拟信 的最大频率的两倍，否则将发生混叠（相位/频率模糊）。

图2.20 采样频率和采样精度决定音乐的品质

图2.20中采用5位编码将模拟信 量化为2的5次方=32个数量级，采样频率也提高，这样数字信 可以更精确地表示模拟信 ，编码后会产生更多的二进制数字，这就是为什么高品音质的MP3文件更大，播放音质更加接近原声。

通常我们的语音信 采样8位编码，将模拟信 量化为2的8次方=256个量级。

量化：即利用抽样值将其幅度离散，用先规定的一组电平值把抽样值用最接近的电平值来代替。

编码：即用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。

3. 数字信 调制为模拟信

数字数据调制技术在发送端将数字信 转换为模拟信 ，而在接收端将模拟信 还原为数字信 ，分别对应调制解调器的调制和解调过程。

（1）幅移键控（ASK）：载波幅度随着基带信 的变化而变化。（又称“通-断键控”或“开关键控”）

图2.21 ASK的输入和输出波形

图2.22 2ASK的输入和输出波形

0对应没有幅度,1对应有幅度。

（2）频移键控（FSK）：载波频率随着基带信 的变化而变化。

低频波形：0对应着 一个时钟周期内震动两个波形 , 波形比较稀疏 , 频率较低 ;

高频波形：1对应着一个时钟周期内震动四个波形 , 波形比较稠密 , 频率较高 ;

图2.23 FSK的输入和输出波形

图2.24 2FSK的输入和输出波形

（3）相移键控（PSK）：载波相位随着基带信 的变化而变化。

PSK最简单的形式是BPSK,载波相位有2种，分别表示逻辑0和1。

图2.25 BPSK的输入和输出波形

图2.26 2PSK的输入和输出波形

对于相位的调制,0对应余弦波,1对应正弦波。

较为复杂的是高阶PSK，即用多个输入相位来表示多个信息位。4PSK又称为QPSK，使用4个输出相位表示2个输入位；8PSK使用8个输出相位表示3个输入位；16PSK使用16个输出相位表示4个输入位。

DPSK称为相对相移键控调制，又记作2DPSK。信息是通过连续信 之间的载波信 的初始相位是否有变化来传输的。

图2.27 DPSK的输入和输出波形

对于输入位0，初始相位有变化；对于输入位1，初始相位无变化。

（4）正交幅度调制（QAM）：载波相位随着基带信 的变化而变化。

调幅 + 调相 结合在一起使用的调制方法 是 QAM 调制。

若利用正交载波调制结束传输ASK信 ，可使频带利用率提高一倍。如果再把其他技术结合起来，还可以进一步提高频带利用率。能够完成这种任务的技术称为正交幅度调制。通常有4QAM、8QAM、16QAM、64QAM，如16QAM是指包含16种符 的QAM调制方式。

QAM 调制示例：信道波特率：1200 Baud ，相位个数：4个，振幅个数：4种，计算信息传输速率?

先计算每个码元携带的信息量：调相 + 调幅 结合使用，有以下两种理解方式。

每个码元有4个相位,每个相位可以有4种振幅, 那么每个码元有4×4=16种不同的取值;

每个码元有4个振幅，每个振幅可以有4种相位, 那么每个码元有4×4 =16种不同的取值;

使用奈氏准则计算信息传输速率 :

理想低通信道信息极限传输速率= 2 W log 2 N= Blog 2 N 比特/秒

=1200 log 2 16=1200×4

=4800b/s

信息传输速率为4800b/s

4. 数字信 调制为数字信

极性码

极包括正极和负极。极性码就是使用了两极（正极表示0，负极表示1）。

单极性码，就是只使用一个极性，再加零电平（正极表示0，零电平表示1）；

双极性码（AMI）则使用了正负两极和零电平（其中有一种典型的双极性码是信 交替反转编码AMI，它使用零电平表示0，1则使电平在正、负极间交替翻转）。

但是极性编码的缺点是因为始终使用某一特定的电平来表示特定的数，当发送连续多个“1”或“0”，将无法直接从信 判断个数，要解决这个问题，就需要引入时钟信 。

不归零码（Not Return to Zero，NRZ）

码元中间信 不回归到0，遇到1时，电平翻转；遇到0时，电平不翻转。

不归零反向编码（NRZ-I）

编码后电平只有正负电平之分，没有零电平。遇到0时，电平翻转；遇到1时，电平不翻转。

归零码（Return to Zero，RZ）

码元中间信 回归到0电平，从正电平到0电平表示为0，从负电平到0电平表示为1。这种中间信 都有电平变化的方式，使得编码可以自同步。

双相码

双相码的每一位中间有电平转换，如果中间缺少电平翻转，则认为是违例代码，既可以同步也可以用于检错。负电平到正电平代表0，正电平到负电平表示1。

曼彻斯特编码

曼彻斯特编码属于一种双相码，每一位的中间有一个跳变，位中间的跳变既作时钟信 ，又作数据信 ；曼彻斯特编码，一个时钟周期只可表示一个bit，并且必须通过两次采样才能得到一个bit。负电平到正电平代表0，正电平到负电平表示1（也可以是负电平到正电平代表1，正电平到负电平表示0），常用于10M以太 传输。编码效率为50%。

曼彻斯特编码方案存在的问题是使链路上信 跳变的速率加倍，这意味着接收方有一半的时间在检测信 的每一个脉冲。信 变化的速率称为链路的波特率（baud rate）。在曼彻斯特编码中，比特率是波特率的一半，所以认为编码的效率仅为50%。

差分曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码属于一种双相码，中间电平只起到定时的作用，不用于表示数据。信 开始时有电平变化表示0，无电平变化表示1。适合于传输高速的信息，广泛应用于宽带高速 中。编码效率为50%。

4B/5B、8B/10B、8B/6T编码

由于曼彻斯特编码的效率不高，只有50%，因此在高速 络中，这种编码方式显然不适用了。在高速率的局域 和广域 中采用m位比特编码成n位比特编码方式，即mB/nB编码。

4B/5B的思想是在比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1。准确地讲，就是用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方，因此称为4B/5B。此编码的效率是80%。

5比特代码是由以下方式选定的：每个代码最多有1个前导0，并且末端最多有两个0。因此，当连续传送时，在传输过程中任何一对5比特代码连续的0最多有3个。然后，再将得到的5比特代码使用NRZI编码传输，这种方式说明了为什么仅需关心多个连续0的处理，因为NRZI已解决了多个连续1的问题。

2.2.5 数据传输方式

1. 按信 类型分类

（1）模拟通信：利用正弦波的幅度、频率或相位的变化，或利用脉冲的幅度、宽度或位置变化来模拟原始信 ，以达到通信的目的。

（2）数字通信：用数字信 作为载体来传输消息，或用数字信 对载波进行数字调制后再传输的通信方式。

2. 按照一次传输的数据位数分类

（1）串行通信：串行通信是指使用一条数据线将数据一位一位的依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信，并可以利用电话线。降低成本，适用于远距离通信，但传送速度慢。

串行接口，简称串口，也就是COM接口，是采用串行通信协议的扩展接口，数据传输率是115kbps～230kbps。

（2）并行通信：一组数据的个数据位在多条线上同时被传输。常见的由磁盘并口线和打印机并口线。其特点是传输速度快（1Mbps），但当传输距离远、位数又多时，导致通信线路复杂且成本提高。

并行接口，简称并口，也就是LPT接口，是采用并行通信协议的扩展接口。并口的数据传输率比串口快8倍，标准并口的数据传输率为1Mbps。

通俗点讲，串口就像只有一条车道，而并口就是有8个车道，同一时刻能传送8位（一个字节数据）。但是并不是并口快，由于8位通道之间的互相干扰，传输速度就受到了限制，而且传输出错时，要同时重新传送8个位的数据。串口没有干扰，传输出错后重发就可以了。所以串口比并口快，串口硬盘就是这样被重视的。

3. 按照信 传送的方向与时间的关系分类

（1）单向通信（单工通信）—只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。例如广播和有线电视。

（2）双向交替通信（半双工通信）—通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。例如对讲机

（3）双向同时通信（全双工通信）—通信的双方可以同时发送和接收信息。例如电话

4. 按照数据的同步方式分类

（1）同步通信（适合传输近距离的大量数据）

通信双方必须先建立同步，即双方时钟要调整到同一频率。

同步通信把许多字符组成一个信息组，或称为信息帧，每帧的开始用同步字符来指示。由于发送和接收的双方采用同一时钟，所以在传送数据的同时还要传送时钟信 ，以便接收方可以用时钟信 来确定每个信息位。

同步通信要求在传输线路上始终保持连续的字符位流（也就是不能停止），若计算机没有数据传输，则线路上要用专用的“空闲”字符或同步字符填充。

同步通信传送信息的位数几乎不受限制，通常一次通信传的数据有几十到几千个字节，通信效率较高。但它要求在通信中保持精确的同步时钟，所以其发送器和接收器比较复杂，成本也较高，一般用于传送速率要求较高的场合。

同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传送一帧信息，由同步字符、数据字符和校验字符（CRC）组成。

（2）异步通信

发送端和接收端可以由各自的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟源彼此独立、互不同步。发送端可以在任意时刻开始发送字符，因此必须在每一个字符的开始和结束的地方加上标志，即加上起始位和终止位，用于正确接收每一个字符。异步通信中，数据通常以字符或字节为单位组成字符帧传送。

异步通信数据速率=每秒钟传输字符数 ×（起始位+终止位+校验校正+数据位）

异步通信有效数据速率=每秒钟传输字符数 × 数据位

同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致，发送端发送连续的比特流；异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步，发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。

同步通信效率高；异步通信效率较低。

同步通信较复杂，双方时钟的允许误差较小；异步通信简单，双方时钟可允许一定误差。

同步通信可用于点对多点；异步通信只适用于点对点。

（未完待续）