计算机网络——物理层-编码与调制(数字基带信号、模拟基带信号、码元、常用编码、基本调制方法、混合调制)一

简介: 计算机网络——物理层-编码与调制(数字基带信号、模拟基带信号、码元、常用编码、基本调制方法、混合调制)一

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 。

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。

数字基带信号

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。


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,可以在模拟信号中传输,例如Wifi使用补码键控,直接序列扩频,正交频分复用等调制方法。

模拟基带信号

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。

码元

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,称为码元。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:

图示这两段波形,是构成该信号的基本波形,我们可称其为码元。它们可以表示比特0,也可以表示比特1。

可见该信号由两种码元构成 。

注意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

下面介绍几种常用编码,这是待传输的比特流:

不归零编码

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。

这是零电平:

所谓不归零,就是指在整个码元时间内电平不会出现零电平。

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电平

那么就有一个问题了:接收端如何判断出是两个码元还是三个码元。

这需要发送方的发送与接收方的接收做到严格的同步,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,宁愿利用这根传输线来传输数据信号,而不是要传输时钟信号。

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。

归零编码

这是归零编码,分别有正电平、零电平、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零后,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

在每个码元时间的中间时刻,信号都会发生跳变;例如负跳变表示比特1,正跳变表示比特0。

码元中间时刻的跳变既表示时钟,又表示数据。

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

在每个码元时间的中间时刻,信号都会发生跳变。

与曼彻斯的编码不同,跳变仅表示时钟。

而用码元开始处电平是否发生变化,来表示数据,如图所示:


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。


接下来我们做一个有关编码的练习题


编码习题

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


10BaseT中的10表示带宽为10Mb/s,Base表示基带传输,T表示双绞线。

10BaseT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,最终会发现没有一个答案是符合的,那说明我们的假设有错误。


那么应该是正跳变表示0,负跳变表示1,写出个码元所表示的比特,就很容易可以看出正确答案应为A。


下面介绍基本调制方法


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