计算机网络（10）物理层：编码和调制
1、调制和编码数据无论是数字的还是模拟的，为了传输的目的都必须转变成信号。把数据变换为模拟信号的过程称为调制，把数据变换为数字信号的过程称为编码。2、编码方式（两种数据转两种信号）信号是数据的具体表现形式，它和数据有一定的关系，但又和数据不同。数字数据->数字信号（数字发送器）数字数据->模拟信号（调制器）模拟数据->数字信号（PCM编码器）模拟数据-...
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1、调制和编码
数据无论是数字的还是模拟的，为了传输的目的都必须转变成信号。把数据变换为模拟信号的过程称为调制，把数据变换为数字信号的过程称为编码。
2、调制和编码方式（两种数据转两种信号）
信号是数据的具体表现形式，它和数据有一定的关系，但又和数据不同。
数字数据->数字信号（数字发送器）
数字数据->模拟信号（调制器）
模拟数据->数字信号（PCM编码器）
模拟数据->模拟信号（放大调制器）
2.1、数字数据编码为数字信号
数字数据编码用于基带传输，即在基本不改变数字数据信号频率的情况下，直接传输数字信号。对于这种编码方式，具体用什么样的数字信号表示0以及用什么样的数字信号表示1就是所谓的编码。编码的规则有多种，只要能有效地把1和0区分开即可，常见的编码方式有以下几种：
2.1.1、非归零编码
非归零编码用两个电压来代表两个二进制数字，比如低电平代表0，高电平代表1，当然也可以相反。
优点：编码简单，容易实现
缺点：无检错功能、无法判断一个码元的开始和结束，导致收发双方难以保持同步
2.1.2、曼彻斯特编码（听跳变前的）
曼彻斯特编码（Manchester Encoding）将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平表示码元1；码元0相反（1->0:1 0->1:0）
优点：在每个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作为时钟信号（可用于同步），又作为数据信号。
缺点：所占的频带宽度是原始频带宽度的两倍
2.1.3、差分曼彻斯特编码
差分曼彻斯特编码常用于局域网传输，其规则是：若码元为1，则前半个码元与上一个码元与后半个码元的电平相同；若码元为0，则跳变。
优点：每个码元的中间都有一次跳变，可以实现自动同步，且抗干扰性较好。
2.1.4、4B/5B编码
将欲发送数据的每4位作为一组，然后按照4B/5B编码规则将其转换成相应的5位码。5位码共32种组合，但只采用其中的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。
32种组合中选取16种的规则：
①. 每个5比特码组中不含多于3个“0”；
②. 或者5比特码组中包含不少于2个“1”；
2.1.5、曼彻斯特编码与非归零编码对比
曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码可以在任何数据传输过程中，通过判断上升/下降沿和下一个上升/下降沿之间的间隔，来得到两个码元之间的时间，从而得到通信使用的频率，也就实现了自同步。
比如上图如果是使用非归零编码：你可以说是 10011010 或 1100001111001100 甚至 111000000111111000111000等等，所以无法的到相邻码元之间的时间间隔，也就无法知道通信频率。而曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码通过一个周期内的跳变可以得到时钟周期，然后实现同步。
2.1.6、4B/5B编码和曼彻斯特编码对比
差分曼彻斯特在每一个周期内都会存在一次跳变，相当于是用两个电平去表示一个码元（50%），而4B/5B编码是用五位码去表示四个对应的数据码，所以效率为80%。
2.2、数字数据调制为模拟信号
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，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。
基本的调制方法有如下几种：
2.2.1、幅移键控
幅移键控（amplitude-shift keying,ASK）。通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0，而载波的频率和相位都不会改变。比较容易实现，但抗干扰能力差。
2.2.2、频移键控
频移键控（Frequency-shift keying,FSK）。通过改变载波信号的频率来表示数字信号1和0，而载波的振幅和相位都不变。容易实现，抗干扰能力强，目前应用较为广泛。
2.2.3、相移键控
相移键控（phase-shift keying，PSK）。通过改变载波信号的相位来表示信号1和0，而载波的振幅和频率都不改变。它又分为绝对调相和相对调相。
2.2.4、正交振幅调制
正交振幅调制（QAM）。在频率相同的前提下，将ASK与PSK结合起来，形成叠加信号。
设波特率为B，采用m个相位，每个相位有N种振幅，则该QAM技术的数据传输率: 
下图所示是二进制幅移键控、频移键控和相移键控的例子
2ASK中用载波有幅度和无幅度分别标书数字数据的“1”和“0”；
2FSK用两种不同的频率分别表示数字数据“1”和“0”；
2PSK中用相位0和相位π分别表示数字数据的“1”和“0”，是一种绝对调相方式。
2.3、模拟数据编码为数字信号
这种编码最典型的例子是常用于对音频信号进行编码的脉码调制（PCM）。它主要包括三个步骤，即采样、量化和编码
先来介绍采样定理：在通信领域，带宽是指信号最高频率与最低频率之差，单位是Hz。因此，将模拟信号转换为数字信号时，假设原始信号中的最大频率为f，那么采样频率f(采样)必须大于最大频率f的两倍（不懂的戳采样定理）。才能保证采样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息。
2.3.1、采样
采样是指对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。根据采样定理，当采样的频率大于模拟数据的频带宽度（最高变化频率）的两倍时，所得的离散信号可以无失真地还原被采样的模拟数据。
2.3.2、量化
量化是指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(直白点说就是把采样后的数据里按需标记为特定数码的概念)，这样就把连续的电平幅值转化为了离散的数字量。采样和量化的实质就是分隔和转换。
2.3.3、编码
编码是把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。
2.4、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。
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