物理层（2）数据编码与调制

一、概述

　　数字化已成为当今信息传输的趋势，但是使用数字信号就一定是“先进的”，使用模拟信号就一定是“落后的”，这个观点可不一定是正确的，数据究竟应该是数字的还是模拟的，是由产生的数据的性质决定的，如，语音信息的声波就是模拟数据，但数据必须转换成信号才能在网络上传输。一般来说，模拟数据和数字数据都可以转换成为模拟信号或数字信号。

二、基带信号和宽带信号

　　2.1 信道

　　信道：信号的传输媒介，一般用于表示某方向传输信息的介质，因此一条通信线路一般包含一条发送信道和一条接收信道。

　　信道按传输信号可以分为模拟信道（传输模拟信号）、数字信道（传输数字信号）。

　　信道按传输介质可以分为无线信道、有线信道。

　　2.2 基带信号和宽带信号

　　信道上传的信号可以分为基带信号和宽带信号。

　　基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，送到数字信道上传输（基带传输）。来自信源的信号，例如计算机输出的各种文字或图像的数据信号都属于基带信号。

　　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，送到模拟信号上传输（宽带传输）。把基带信号经载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。

　　在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式（近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化）

　　在传输距离较远时，计算机网络采用频带传输方式（远距离衰减大，即使信号变化大也能通过调制还原基带信号）

三、编码与调制

　　数据可以是数字的也可以是模拟的，对于数据来说不管是数字数据还是模拟数据，为了传输数据，首先需要把数据转换成信号的形式在信道上进行传输，把数据转换成信号的过程就是编码或调制。

　　数据转换成数字信号称为编码；数据转换成模拟信号称为调制。

　　数据数据与模拟数据的转换，看下图：

五、数字数据编码为数字信号

　　数字数据编码为数字信号的几种方法

　　（1）非归零编码NRZ

　　（2）曼彻斯特编码

　　（3）差分曼彻斯特编码

　　（4）归零编码RZ　　

　　（5）反向不归零编码NRZI

　　（6）4B/5B编码

　　5.1 非（不）归零编码NRZ

　　码元中间信号不回归到0，遇到1时，电平翻转；遇到0时，电平不翻转。这种翻转的特性称为差分机制，主要用在终端到调制解调器的接口中。（上图的不归零编码图例有误）

　　5.2 归零编码RZ

　　信号电平在一个码元内都要恢复到零这种编码方式。

　　5.3 反向不归零编码NRZI

　　编码后电平只有正负电平之分，没有零电平，属于不归零码。遇到0时，电平翻转，遇到1时，电平不翻转。

　　5.4 MTL-3编码

　　用不变化电位状态，与前一位的电位状态保持一致来表示二进制0；用电位顺序（0、+、0、-）电位变化状态来表示二进制1。

　　编码规则如下：

　　（1）如果下一输入的数值是0，则电平保持不变。

　　（2）如果下一输入的数值是1，则电平跳变，但有两种情况：1. 如果前一个电平是+1或-1，则下一电平输出为0，2. 如果前一电平值是0，下一个电平和最近一个非0平电值相反。

　　5.5 曼彻斯特编码

　　将一个码元分成两个相等的间隔，码元1是前一个间隔为高电平后一个间隔为低电平，码元0则正好相反。也可以采用相反的规定，该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作时钟信号（可用于同步），又作数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍，每个码元都调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的50%，常用于以太网中。

　　5.6 差分曼彻斯特编码

　　常用于令牌环网，其规则是若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同，若码元为0则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反，即为有跳变表示0，无跳变表示1。该编码的特点是，在每个码元的中间，都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码。

　　注：两种曼彻斯特编码优点：将时钟和数据包含在信号数据流中，也称为自同步码。另外，编码效率低，每个码元都要调制为两个不同的电平，因而调制速率是码元速率的两倍，对信道的带宽指出了更高的要求，当数据传输速率为100Mbps时，需要200MHz的脉冲。

　　5.7 4B/5B编码

　　比特流中插入额外的比特来打破一连串的0或1，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，使用不归零码（NRZ-I）编码效率为80%，多一位用于解决同步问题。

　　只采用16种对应16种不同的4位码，其他的16种作为控制码（帧的开始和结束，线路的状态信息等）或保留。

　　5.8 常见的编码方式的传输效率

六、数字数据调制为模拟信号

　　模拟信号送发的基础就是载波信号，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，分别对应调制解调器的调制和解调过程。

　　数字数据的调制可以分为调移键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK，正交振幅调控QAM图为三种调制方式：

　　　　1）调移键控ASK：利用载波的振幅变化去携带数字数据，而载波的频率、相位都保持不变。

　　　　2）频移键控FSK：利用已调波的频率变化去携带数字数据，而载波的频率、相位不变。

　　　　3）相移键控PSK：利用已调波的相位变化去携带数字数据，而载波的频率、振幅不变。

　　　　4）正交振幅调制QAM：将幅移键控和相移键控结合在一起，把两个振幅相同但相位差90^o 的摸拟信号合成一个模拟信号。

七、模拟数据编码为数字信号

　　计算机内部处理的是二进制数据，处理的音频也是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成数字离散序列，即音频数字化。

　　对音频信号进行编码的脉码调制PCM。它主要过程分为三步：抽样、量化、编码。

　　7.1 抽样

　　对模拟信号进行调期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。为了使得离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，要遵循采样定理：

　　　　f采样频率 ≥ 2f信号最高频率

　　7.2 量化

　　把抽样取得的电平值按照一定的分级标准转化为对应的数字值，并取整数，这就把连接的电平值转换为离散的数字量。

　　7.3 编码

　　把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。

八、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技术，充分利用带宽资源，在电话机和本地交换机所传输的信号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。

九、扩频通信

　　为了提高通信系统抗干扰性能，往往需要从调制和编码多方面入手，改进通信质量，扩频通信就是方法之一。由于扩频通信利用了扩展频谱技术，在接收端对干扰频谱能量加以扩散，对信号频谱能量压缩集中，因此在输出端就得到了信噪比的增益。

　　扩频通信是指系统占用的频带宽度远大于要传输的原始信号的带度（或信息比特率），且与原始信号带宽无关。通常规定：如果信息带宽为B，扩频信号带宽为f_ss ，则扩频信号带宽与信息带宽之比 f_{ss/B 称为扩频因子。}

　　当   f_{ss/B = 1 - 2，射频信号带宽略大于信息带宽时，称为窄带通信；}

　　当   f_{ss/B ≥ 50，射频信号带宽大于信息带宽时，称为宽带通信；}

　　当   f_{ss/B ≥ 100，射频信号带宽远大于信息带宽时，称为扩频通信。}

　　扩频通信系统可以分为以下几种基本形式：

　　（1）直接序列扩频（Direct Sequencing，DS）

　　将要传送的信息经伪随机序列编码后对载波进行调制，在发送端直接用扩频码序列去扩展信号的频谱，在接收端，用相同的扩频码序列进行解扩，将展宽的频谱扩展信号还原成原始信号。因为伪随机序列的速率远大于要传送信息的速率，所以受调信号的频谱宽度将远大于要传送信息的频谱宽度。

　　（2）跳频（Frequency Hopping，FH）

　　载波信息的信号频率受伪随机序列的控制，快速地在一个频段中跳变，此跳变的频段范围远大于要传送信息所占的频谱宽度。只要收、发信双方保证时-频域上的调频顺序一互致，就能确保双方的可靠通信。在每一个跳频时间的瞬时，用户占用的信道带宽是窄带频谱，随着时间的变换，一系列的瞬时窄带频谱在一个很宽的频带内跳变，形成一个很宽的调频带宽。

　　（3）跳时（Time Hopping，TH）

　　在跳时方式中，把每个信息码元划分成若干个时隙，此信息受伪随机序列的控制，以突发的方式随机地占用其中一个时隙进行传输。因为信号在时域中压缩其传输时间，相应地在频域中要扩展其频变宽度。

　　（4） 线性调频扩频

　　指在给定脉冲持续间隔内，系统的载频线性地扫过一个很宽的频带。因为频率在较宽的频带内变化，所以信号的带宽被展宽。

　　注：WLAN使用的技术是直接序列扩频和跳频扩频技术。