计算机网络物理层：基本概念、编码与调制详解

计算机网络物理层：基本概念、编码与调制详解

本文详细介绍了计算机网络物理层的基本概念、编码与调制。通过图文结合的方式，深入浅出地解释了各种编码和调制方式的原理和特点，适合对计算机网络感兴趣的读者，特别是对物理层知识有需求的技术人员。

一. 物理层的基本概念

在计算机网络中，硬件设备和传输媒体的种类繁多，通信手段也各不相同。物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异，使数据链路层感觉不到这些差异，从而专注于完成本层的协议和服务。

物理层的主要任务可以概括为确定与传输媒体接口相关的特性：

• 机械特性：定义接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。
• 电气特性：规定在接口电缆的各条线上出现的电压范围。
• 功能特性：说明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
• 过程特性：规定对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

数据在计算机内部多采用并行传输方式，但在通信线路（传输媒体）上的传输方式一般是串行传输。

二. 数据通信系统的模型

以两台计算机通过普通电话机的连线和公用电话网进行通信为例，一个数据通信系统可划分为三大部分：源系统、传输系统和目的系统。

• 源系统包括：

• 原点：产生要传输的数据，也称源站或信源。

• 发送器：将源点生成的数字比特流编码后进行传输，调制器是典型的发送器。

• 目的系统包括：

• 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并将其转换为能够被目的设备处理的信息。

• 终点：从接收器获取传送来的数字比特流，然后输出信息，也称目的站或信宿。

常用术语：

• 消息：通信的目的就是传送消息，包括话音、文字、图像、视频等。
• 数据：运送消息的实体，是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。
• 信号：数据的电气或电磁的表现，根据其参数取值方式可分为模拟信号和数字信号。

三. 编码

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。编码是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，编码后产生的信号仍为数字信号，可以在数字信道中传输。

3.1 基本概念

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。例如，一个正电平表示比特0，一个负电平表示比特1。

3.2 不归零制编码

不归零制编码中，在码元整个时间内，电平不会出现零电平。这种编码方式虽然效率高，但存在同步问题，因此计算机网络中的数据传输不采用这类编码。

3.3 归零制编码

归零制编码中，正脉冲表示比特1，负脉冲表示比特0。每次码元结束之后都会归零，接收方只需在信号归零之后进行采样即可。这种编码方式的优点是自同步，但缺点是低效率，因为大部分的数据宽带都用来传输归零而浪费掉了。

3.4 曼切斯特编码

曼切斯特编码在码元的中间都会发生信号的跳变。位周期中间向下跳变代表1，向上跳变代表0（也可以反过来定义）。码元中间时刻的跳变既代表时钟，又表示数据。传统以太网就是用的曼切斯特编码。

3.5 差分曼切斯特编码

差分曼切斯特编码与曼切斯特编码类似，但在每个码元的中间时刻，信号都会发生跳变。跳变仅表示时钟，而用码元开始处是否发生变化来表示数据。如果位开始边界有跳变代表0，位开始边界没有跳变就表示1。

四. 调制

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，可以在模拟信道中传输。

4.1 调幅

调幅后，载波的振幅随基带数字信号而变化。1代表有载波输出，0代表没有载波输出。

4.2 调频

调频后，载波的频率随基带数字信号而变化。一种频率代表1，另一种频率代表0。

4.3 调相

调相后，载波的初始相位随基带数字信号而变化。根据初识香味的不同，来区分0与1。例如：相位0度代表0，相位180度代表1。

4.4 混合调制

为了达到更高的信息传输效率，可以采用技术上更为复杂的混合调制方法，让一个码元包含更多的比特。通常情况下，相位和振幅可以结合起来一起调制，称为正交振幅调制QAM。

以QIM16为例，这种调制方法可以产生12种相位，每种相位可以有1或2种振幅可选。每个码元可以包含4个比特信息，且相邻两个点之间只有一个比特不同，采用格雷码编码方式，可以减少传输误差。