物理層的基本概念

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中?用來連接各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的傳輸媒體，種類眾多，大致可以分為兩類：

• 導(dǎo)引型傳輸媒體
  • 常見的有雙絞線，同軸電纜，?光纖
• 非導(dǎo)引型傳輸媒體
  • 常見的是微波通信，例如使用2.4G赫茲?和5.8g赫茲頻段的WiFi

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的物理層，??就是要解決在各種傳輸媒體上傳輸比特0和1的問題，進(jìn)而給數(shù)據(jù)鏈路層提供透明傳輸比特流的服務(wù)。??所謂透明是指數(shù)據(jù)鏈路層看不見，也無需看見物理層究竟使用的是什么方法??來傳輸比特0和1的，他只管享受物理層提供的比特流傳輸服務(wù)即可。

物理層為了解決在各種傳輸媒體上傳輸比特0和1的問題，主要有以下4個(gè)任務(wù)，?分別是：

• 機(jī)械特性：指明接口所用接線器的形狀和尺寸，引腳數(shù)目和排列順序，?固定和鎖定裝置。
• 電氣特性：指明在接口電纜的各條線上，出現(xiàn)的電壓的范圍。
• 功能特性：指明某條線上出現(xiàn)的某一電瓶的電壓表示何種意義。
• 過程特性：指明對(duì)于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。?

由于傳輸媒體的種類眾多，例如雙腳線、?光纖等，物理連接方式也很多，例如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，廣播連接等。因此?物理層協(xié)議種類就比較多，每種物理層協(xié)議都包含了上述4個(gè)任務(wù)的具體內(nèi)容。

傳輸媒體

請(qǐng)大家注意，傳輸媒體不屬于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的任何一層，如果非要將它添加到體系結(jié)構(gòu)中，?那只能將其放在物理層之下

傳輸媒體可分為兩類：

• 導(dǎo)引型傳輸媒體：電磁波被導(dǎo)引沿著固體媒體傳播
  • 同軸電纜，雙腳線、?光纖、電力線
• 非導(dǎo)引型傳輸媒體：自由空間可使用的電磁波
  • 無線電波、?微博、紅外線、可見光

同軸電纜

我們首先來看導(dǎo)引型傳輸媒體，同軸電纜，?這是一根同軸電纜的示意圖，這是內(nèi)導(dǎo)體銅制芯線，可以是單股實(shí)心線或者是多股絞和線，?這是絕緣層，這是網(wǎng)狀編織的外導(dǎo)體屏蔽層，?這是絕緣保護(hù)套層，這是同軸電纜的橫切面，可以看出各層都是共圓心的，??也就是同軸心的，這就是同軸電纜名稱的由來。

?同軸電纜有兩類，?一類是50歐阻抗的基帶同軸電纜，用于數(shù)字傳輸，在早期局域網(wǎng)中廣泛使用。

另一類?是75歐阻抗的寬帶同軸電纜，用于模擬傳輸，目前主要用于有線電視的入戶線?

銅軸電纜價(jià)格較貴，且布線不夠靈活和方便。?隨著集線器的出現(xiàn)，在局域網(wǎng)領(lǐng)域雙絞線取代了同軸電纜。

雙絞線

我們來看雙絞線，?下面是無屏蔽雙腳線電纜和屏蔽雙腳線電纜的示意圖：

雙絞線是最古老也是最常用的傳輸媒體，把兩根互相絕緣的銅導(dǎo)線并排放在一起，然后按照一定規(guī)則攪合起來，?就構(gòu)成了雙絞線。?例如圖中所示的這根無屏蔽雙絞線電纜，包含8根通道線，?每兩根攪合成一條雙腳線，藍(lán)色線和藍(lán)白雙色線?進(jìn)行攪和，橙色線和橙白雙色線進(jìn)行攪和，綠色線和綠白雙色線進(jìn)行攪合，?棕色線和棕白雙色線進(jìn)行攪和。攪和有兩個(gè)作用，一個(gè)是抵御部分來自外界的電磁干擾，?另一個(gè)是減少相鄰導(dǎo)線的電磁干擾，

屏蔽雙絞線電纜比無屏蔽雙絞線電纜?，增加了金屬絲編織的屏蔽層，提高了抗電磁干擾的能力。當(dāng)然了價(jià)格也要更貴一些

這是常用的絞和線的類別，帶寬和典型應(yīng)用。目前家庭局域網(wǎng)主流帶寬為1G比特每秒，?選用大品牌質(zhì)量好的超5類雙絞線電纜可以滿足?？紤]到未來發(fā)展，在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，?建議選用6a類雙腳線電纜，以滿足萬兆局網(wǎng)的需求。?

光纖

再來看光纖，?這是一根室外四芯光纜的示意圖，這是它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。由于光纖非常細(xì)，?因此必須將它做成很結(jié)實(shí)的光纜，一根光纜少則只有一根光纖，?多則可包括數(shù)十甚至是數(shù)百根光纖，?再加上加強(qiáng)圈和填充物，就可以大大提高機(jī)械強(qiáng)度，必要時(shí)還可放入遠(yuǎn)供電源線，?最后加上包帶層和外護(hù)套，就可以使抗壓強(qiáng)度達(dá)到幾千克，?完全可以滿足工程施工的強(qiáng)度要求。

光纖的纖芯非常細(xì)，多模光纖的纖芯直徑有50微米和62.5微米，單模光纖的纖芯直徑為9微米，而纖芯外面的包層也非常細(xì)，?直徑不超過125微米。?在光纖通信中常用三個(gè)波段的中心，?分別位于0.85微米、1.3微米和1.55微米。

光纖有很多優(yōu)點(diǎn)，?例如：

• 通信容量非常大，傳輸損耗小，在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)更加經(jīng)濟(jì)?
• 抗雷電和電磁干擾性能好，這在有大電流脈沖干擾的環(huán)境下尤為重要。
• 無串音干擾，保密信號(hào)?不易被竊聽，
• 體積小，重量輕，?例如一公里長的1000段雙腳線電纜，約重8000公斤，而同樣長度?但容量大得多的一段兩星光纜僅撞100公斤

當(dāng)然了光纖也有自身的缺點(diǎn)，例如?割接光纖需要專用設(shè)備，目前光電接口的價(jià)格還比較貴。

接下來我們來看看?光在光纖中傳輸?shù)幕驹?#xff0c;這是纖芯，它是由非常透明的石英玻璃拉成的細(xì)絲，?這是包裹在纖芯外層的包層，它是折射率比光纖低的玻璃封套

在發(fā)送端?可以采用發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器作為光源，在接收端可以采用光電二極管?或激光檢波器檢測(cè)光脈沖。當(dāng)光從高折射率的媒體射向低折射率的媒體時(shí)，其折射角?將大于入射角，如圖所示。?因此如果入射角足夠大，就會(huì)出現(xiàn)全反射，?也就是光碰到包層時(shí)就會(huì)反射回纖芯。該過程反復(fù)進(jìn)行，光也就沿著光纖傳輸下去。

?實(shí)際上只要從纖芯中射到纖芯表面的光線的入射角，大于某一個(gè)臨界角度，?就可產(chǎn)生全反射，因此可以存在許多條不同角度入射的光線，在一條光纖中進(jìn)行傳輸。?這種光纖稱為多模光纖。由于光的色散問題，光在多模光纖中傳輸一定距離后，?必然產(chǎn)生信號(hào)失真，也就是脈沖展寬，?如圖所示，因此多模光纖只適合近距離傳輸。例如在建筑物內(nèi)?，多模光纖對(duì)光源的要求不高，可以使用比較便宜的發(fā)光二極管，相應(yīng)的?可采用光電二極管檢測(cè)光脈沖

若光纖的直徑減小到只有一個(gè)光的波長，?則光纖就像一根波導(dǎo)那樣，它可使光線一直向前傳播，而不會(huì)產(chǎn)生多次反射。?這樣的光纖稱為單模光纖，單模光纖沒有模式色散，在1.3微米波長附近，?材料色散和波導(dǎo)色散大小相等，符號(hào)相反，兩者正好抵消，沒有脈沖展寬問題。?如圖所示。單模光纖適合長距離傳輸，且衰減小，但它的制造成本高，?對(duì)光源要求也高，需要使用昂貴的半導(dǎo)體激光器作為光源，相應(yīng)的?需要采用激光剪播器檢測(cè)光脈沖。

電力線

我們?cè)賮砜纯床捎秒娏€作為傳輸媒體的情況，?這并不是什么新技術(shù)，早在20世紀(jì)20年代初期就出現(xiàn)了。應(yīng)用電力線傳輸信號(hào)的實(shí)例最早是電力線電話。

目前如果要構(gòu)建家庭高性能局域網(wǎng)，采用電力線作為傳輸媒體，?是不能滿足要求的。

對(duì)于裝修時(shí)沒有進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)布線的家庭，可以采用這種方式。?

對(duì)于一些采用獨(dú)立房間進(jìn)行辦公的企業(yè)來說，每間辦公室的電腦數(shù)量不多，?而又不希望跨辦公室進(jìn)行布線，也可以采取這種方式。

每個(gè)辦公室只需根據(jù)需求，?在電源插座上?插入一個(gè)或多個(gè)電力貓即可。

電磁波

下面我們來看非導(dǎo)引型傳輸媒體，也就是自由空間，?我們可以利用電磁波在自由空間的傳播來傳送數(shù)據(jù)信息，這是電磁波的頻譜?

這段頻率范圍不用于電信領(lǐng)域，而這一段頻率范圍的電磁波很難產(chǎn)生和調(diào)制，?由于頻率非常高，波長就非常短，因此穿透障礙物的能力就非常弱，更為嚴(yán)重的是?該頻段的電磁波對(duì)生物是有害的，因此人們很難利用該頻率范圍的電磁波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，?這段頻率范圍的電磁波可以通過調(diào)制波的振幅、頻率或相位來傳輸信息

這是國際電信聯(lián)盟ITU對(duì)電磁波頻段的劃分：

從極低頻到甚低頻，?也就是從極長波到甚長波，這些頻段并不用于電信領(lǐng)域

從低頻到甚高頻，?也就是從長波到米波，這些頻段的電磁波?又稱為無線電波，用于國際廣播，海事和航空通訊，電臺(tái)廣播、電視廣播等

?從特高頻到極高頻，也就是從分米波到毫米波，這些頻段的電磁波又稱為微波，?用于無線電話，無線網(wǎng)絡(luò)，雷達(dá)，人造衛(wèi)星接收，射電天文、人體掃描等?。

無線電波中的低頻和中頻頻段，主要利用地面波進(jìn)行傳輸，?而高頻和甚高頻頻段主要是靠電離層的反射

微波通信在數(shù)據(jù)通信中占有重要地位，?頻率范圍為300兆赫茲到300g赫茲，也就是波長一米到一毫米，?但主要使用2~40級(jí)赫茲的頻率范圍。?微波在空間主要是直線傳播，?由于微波會(huì)穿透電離層而進(jìn)入宇宙空間，因此?它不能經(jīng)過電離層的反射傳播到地面上很遠(yuǎn)的地方。傳統(tǒng)的微波通信主要有兩種方式，?一種是地面微波接力通信，另一種是衛(wèi)星通信。

由于微波在空間是直線傳播的，?而地球表面是個(gè)曲面，?因此其傳播距離受到限制，一般只有50公里左右，但若采用100米高的天線塔，?則傳播距離可增大到100公里。?為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，必須在一條微波通信信道的兩個(gè)終端之間?建立若干個(gè)中繼站，中繼站把前一站送來的信號(hào)經(jīng)過放大后，再發(fā)送到下一站。故稱為接力，

?常用的衛(wèi)星通信方法是在地球站之間，利用位于約36,000公里高空的人造同步地球衛(wèi)星，?作為中繼器的一種微波接力通信。其最大特點(diǎn)是?通信距離遠(yuǎn)，相應(yīng)的傳播時(shí)延也比較大，一般在250~300毫秒之間。?除同步衛(wèi)星外，?低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)已開始在空間部署，并構(gòu)成了空間高速鏈路

紅外線

利用紅外線來傳輸數(shù)據(jù)，?相信大家并不陌生，很多家用電器，例如電視空調(diào)等都配套有紅外遙控器，?以前的筆記本電腦基本都帶有紅外接口，可以進(jìn)行紅外通信

紅外通信屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線傳輸，?中間不能有障礙物，傳輸距離短，傳輸速率也很低?，F(xiàn)在筆記本電腦已經(jīng)取消了紅外接口，?但很多智能手機(jī)還帶有紅外接口，以方便用戶對(duì)電視空調(diào)等家用電器進(jìn)行紅外遙控。?

可見光

互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,宅男宅女們最大的夢(mèng)想就是世界上任何一個(gè)角落都遍布著WiFi，要是再有電源，那這一輩子都值了，人們已經(jīng)習(xí)慣了有WiFi的日子，可是現(xiàn)在告訴你有一種比WiFi?更高大上的LIFI出現(xiàn)了，你知道嗎？LIFI就是傳說中的可見光通信，通俗的來說就是LED燈上LIFI。最新的OLEDCOMMON LIFI技術(shù)，以每秒開關(guān)千萬次LE燈來調(diào)制光信號(hào)，?上網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸完全不在話下，完全不用擔(dān)心眼睛被晃瞎，人的肉眼絕對(duì)是分辨不出來的。

好了，?大家覺得LIFI能夠取代WiFi嗎？短時(shí)期內(nèi)應(yīng)該是無法取代的，想想看?如果兩個(gè)房間內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備要基于LIFI通信，?如何做到可見光的同步，目前LIFI還處于實(shí)驗(yàn)研究階段，但其應(yīng)用前景被很多人看好。?

最后還要提醒大家注意，要使用某一段無線電頻譜進(jìn)行通信，通常必須得到本國政府?有關(guān)無線電頻譜管理機(jī)構(gòu)的許可證。

?我國的無線電頻譜管理機(jī)構(gòu)是工信部無線電管理局，?美國的無線電頻譜管理機(jī)構(gòu)，是聯(lián)邦通訊委員會(huì)FCC，

也有一些無線電頻段是可以自由使用的，?成為ISM頻段，?也就是工業(yè)科學(xué)醫(yī)療頻段，這是美國的ISM頻段，現(xiàn)在的無線局域網(wǎng)?就使用其中的2.4G赫茲和5.8g赫茲頻段，各國的ISM標(biāo)準(zhǔn)可能略有不同。

傳輸方式

我們介紹幾種傳輸方式，?他們是：

• 串行傳輸和并行傳輸
• 同步傳輸和異步傳輸
• 單工，半雙工?以及全雙工通信

串行傳輸和并行傳輸

• 串行傳輸是指?數(shù)據(jù)是一個(gè)個(gè)比特依次發(fā)送的，因此在發(fā)送端和接收端之間?只需要一條數(shù)據(jù)傳輸線路即可。

• 并行傳輸是指?一次發(fā)送n個(gè)比特，而不是一個(gè)比特。為此在發(fā)送端和接收端之間?需要有n條傳輸線路

并行傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是速度為串行傳輸?shù)膎倍，但也存在一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，?即成本高。

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)在傳輸線路上的傳輸?采用的是串行傳輸
計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸常采用并行傳輸方式，?例如CPU與內(nèi)存之間通過總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，常見的數(shù)據(jù)總線寬度有8位、?16位、32位和64位。

同步傳輸和異步傳輸

采用同步傳輸方式，?數(shù)據(jù)塊以穩(wěn)定的比特流的形式傳輸，字節(jié)之間沒有間隔，?接收端在每個(gè)比特信號(hào)的中間時(shí)刻進(jìn)行檢測(cè)，以判別接收到的是比特0還是比特1。?

由于不同設(shè)備的時(shí)鐘頻率存在一定差異，不可能做到完全相同，?在傳輸大量數(shù)據(jù)的過程中，所產(chǎn)生的判別時(shí)刻的累積誤差，會(huì)導(dǎo)致接收端?對(duì)比特信號(hào)的判別錯(cuò)位。

因此需要采取方法使收發(fā)雙方的時(shí)鐘保持同步，?實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙方時(shí)鐘同步的方法主要有兩種:

• 一種是外同步，也就是在收發(fā)雙方之間?添加一條單獨(dú)的時(shí)鐘信號(hào)線，發(fā)送端在發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)的同時(shí)，另外發(fā)送一路時(shí)鐘同步信號(hào)，?接收端按照時(shí)鐘同步信號(hào)的節(jié)奏來接收數(shù)據(jù)。
• 另一種是內(nèi)同步，?也就是發(fā)送端將時(shí)鐘同步信號(hào)編碼到發(fā)送數(shù)據(jù)中一起傳輸。?例如?傳統(tǒng)以太網(wǎng)所采用的就是曼徹斯特編碼.

采用異步傳輸方式時(shí)，以字節(jié)為獨(dú)立的傳輸單位，字節(jié)之間的時(shí)間間隔不是固定的，?接收端僅在每個(gè)字節(jié)的起始處對(duì)字節(jié)內(nèi)的比特實(shí)現(xiàn)同步。

為此通常要在每個(gè)字節(jié)前后??分別加上起始位和結(jié)束位，這里異步是指字節(jié)之間異步，??也就是字節(jié)之間的時(shí)間間隔不固定，但字節(jié)中的每個(gè)比特仍然要同步，??也就是個(gè)比特的持續(xù)時(shí)間是相同的。

單工，半雙工?以及全雙工通信

• 單工通信又稱為單向通信，?通信雙方只有一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸方向，比如無線電廣播采用的就是這種通信方式
• 半雙工?又稱為雙向交替通信，通信雙方可以相互傳輸數(shù)據(jù)，但不能同時(shí)進(jìn)行。?例如?對(duì)講機(jī)采用的就是這種通信方式
• 全雙工通信又稱為雙向同時(shí)通信，雙方?可以同時(shí)發(fā)送和接收信息，例如電話采用的就是這種通信方式，
• 單向通信只需要一條信道，?而雙向交替通信或雙向同時(shí)通信則都需要兩條信道，每個(gè)方向各一條，?

?

編碼與調(diào)制

??在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算機(jī)需要處理和傳輸用戶的文字、圖片、音頻和視頻，??他們可以統(tǒng)稱為消息。

數(shù)據(jù)是運(yùn)送消息的實(shí)體，我們?nèi)祟惐容^熟悉的是十進(jìn)制數(shù)據(jù)，?而計(jì)算機(jī)只能處理二進(jìn)制數(shù)據(jù)，也就是比特0和比特1，計(jì)算機(jī)中的網(wǎng)卡?將比特0和比特1?變換成相應(yīng)的電信號(hào)，發(fā)送到網(wǎng)線，也就是說信號(hào)是數(shù)據(jù)的電磁表現(xiàn)，?由信息源發(fā)出的原始電信號(hào)稱為基帶信號(hào)。此時(shí)的信號(hào)還沒經(jīng)過編碼與調(diào)制。

基帶信號(hào)又可分為兩類：

• 一類是數(shù)字基帶信號(hào)，?例如計(jì)算機(jī)內(nèi)部CPU與內(nèi)存之間傳輸?shù)男盘?hào)
• 另一類是模擬基帶信號(hào)，例如?麥克風(fēng)收到聲音后產(chǎn)生的音頻信號(hào)

信號(hào)需要在信道中進(jìn)行傳輸，信道可分為數(shù)字信道?和模擬信道兩種。對(duì)于數(shù)字基帶信號(hào)在兩種信道上傳輸：

• 在不改變信號(hào)性質(zhì)的前提下，僅對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)的波形進(jìn)行變換，??稱為編碼。編碼后產(chǎn)生的信號(hào)仍為數(shù)字信號(hào)，可以在數(shù)字信道中傳輸，例如?以太網(wǎng)使用曼徹斯特編碼，4B/5B、8B/10B等編碼
• 把數(shù)字基帶信號(hào)的頻率范圍?搬移到較高的頻段，并轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，稱為調(diào)制。調(diào)制后產(chǎn)生的信號(hào)是模擬信號(hào)，?可以在模擬信道中傳輸。?例如WiFi使用補(bǔ)碼鍵控，直接序列擴(kuò)頻，?正交評(píng)分復(fù)用等調(diào)制方法。

對(duì)于模擬基帶信號(hào)在兩種信道上傳輸：對(duì)于模擬基帶信號(hào)的處理，也有編碼和調(diào)制兩種方法

• 對(duì)模擬基帶信號(hào)進(jìn)行編碼的典型應(yīng)用是：對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行編碼的脈碼調(diào)制PCM。?也就是將模擬音頻信號(hào)通過采樣，量化，編碼這三個(gè)步驟進(jìn)行數(shù)字化?
• 對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的典型應(yīng)用是將語音數(shù)據(jù)加載到模擬的載波信號(hào)中傳輸，?例如傳統(tǒng)的電話，另一個(gè)是頻分復(fù)用FDM技術(shù)，?可以充分利用帶寬資源。
• 調(diào)制方法有：例如WIFI，采用補(bǔ)碼鍵控CCK/直接序列擴(kuò)頻DSSS/正交頻分服用OFDM等

接下來我們介紹碼元的概念：在使用時(shí)間域的波形表示數(shù)字信號(hào)時(shí)，?代表不同離散數(shù)值的基本波形成為碼元。簡單來說碼元就是構(gòu)成信號(hào)的一段波形，例如?上圖左下角有一個(gè)調(diào)頻信號(hào)，有綠色段波形是構(gòu)成該信號(hào)的一個(gè)基本波形，我們可稱其為碼元，?它可以表示比特0，當(dāng)然也可以表示比特1，藍(lán)色段波形是構(gòu)成該信號(hào)的另一個(gè)基本模型，?也稱為碼元。它可以表示比特1，可見該信號(hào)由兩種碼元構(gòu)成。?

順便提一下傳輸媒體與信道的關(guān)系：嚴(yán)格來說，傳輸媒體和信道不能直接劃等號(hào)

• 對(duì)于單工傳輸，傳輸媒體中只包含一個(gè)信道，要么是發(fā)送信道，要么是接收信道。

• ?而對(duì)于半雙工和全雙工傳輸，傳輸媒體中要包含兩個(gè)信道，一個(gè)是發(fā)送信道，?另一個(gè)是接收信道。?
  

• 如果使用信道復(fù)用技術(shù)，?一條傳輸媒體還可以包含多個(gè)信道，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中常見的是將數(shù)字基帶信號(hào)通過編碼?或調(diào)制的方法在相應(yīng)信道進(jìn)行傳輸。

常用編碼

接下來我們對(duì)這些常用編碼一一進(jìn)行說明。

不歸零編碼

以下待傳輸?shù)谋忍亓?#xff0c;和采用不歸零編碼產(chǎn)生的該比特流的相應(yīng)信號(hào)。?正電平表示比特1，負(fù)電平表示比特0，這是0電平，所謂不歸零?就是指在整個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)電瓶不會(huì)出現(xiàn)零電平，例如?該碼元在其時(shí)間內(nèi)全部是正電平，而該碼元在其時(shí)間內(nèi)全部是負(fù)點(diǎn)平。?

請(qǐng)大家思考一下?接收端如何判斷出這是兩個(gè)碼元，而這是三個(gè)碼元？?

相同碼元之間因?yàn)闆]有電位變化，所以無法將相鄰碼元區(qū)分開來，故生此疑問

這需要發(fā)送方的發(fā)送與接收方的接收做到嚴(yán)格的同步，所以需要額外一根傳輸線?來傳輸時(shí)鐘信號(hào)，接收方按時(shí)鐘信號(hào)的節(jié)拍來逐個(gè)接收碼元。然而對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)??寧愿利用傳輸線來傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，而不是要傳輸時(shí)鐘信號(hào)！

歸零編碼

由于不歸零編碼存在同步問題，?計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸不采用這類編碼，下圖為歸零編碼：

很明顯，每個(gè)碼元傳輸結(jié)束后信號(hào)都要?dú)w零，?所以接收方只要在信號(hào)歸0后進(jìn)行采樣即可，不需要單獨(dú)的時(shí)鐘信號(hào)。?實(shí)際上?歸零編碼相當(dāng)于把時(shí)鐘信號(hào)用歸零方式編碼在了數(shù)據(jù)之內(nèi)，這稱為自同步信號(hào)，但是?歸零編碼中大部分的數(shù)據(jù)帶寬?都用來傳輸歸零而浪費(fèi)掉了。

也就是說歸零編碼的優(yōu)點(diǎn)是自同步，但缺點(diǎn)是編碼效率低

曼徹斯特編碼

曼徹斯特編碼如下圖所示，在每個(gè)碼元時(shí)間的中間時(shí)刻，信號(hào)都會(huì)發(fā)生跳變，比如?負(fù)跳變表示比特1，正跳變表示比特0(也可以負(fù)跳變表示比特0，正跳變表示比特1)，碼元中間時(shí)刻的跳變，既表示時(shí)鐘，?要表示數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)以太網(wǎng)使用的就是曼徹斯特編碼

差分曼徹斯特編碼

下圖為差分曼徹斯特編碼，?如圖所示在每個(gè)碼元時(shí)間的中間時(shí)刻，信號(hào)都會(huì)發(fā)生跳變，與曼徹斯特編碼不同，?跳變僅表示時(shí)鐘，而用碼元開始處電平是否發(fā)生變化來表示數(shù)據(jù)。?

如圖所示，?這是每個(gè)碼元的開始處和結(jié)束處。?

依據(jù)碼元開始處電平是否發(fā)生變化?來表示比特0或比特1。

差分曼徹斯特編碼比曼徹斯特編碼變化少，更適合較高的傳輸速率

練習(xí)題目；

10BaseT中的10表示帶寬為10兆比特每秒，base表示基帶傳輸，?T表示雙腳線，這種以太網(wǎng)使用曼徹斯特編碼，根據(jù)曼徹斯特編碼的特點(diǎn)，?也就是每個(gè)碼元在其中間時(shí)刻發(fā)生跳變，可以劃分出所給信號(hào)中的各碼元。?至于正跳變表示1還是0，負(fù)跳變表示0還是1，沒有具體規(guī)定，可以自行假設(shè)。
我們假設(shè)正跳變表示1，負(fù)跳變表示0，那么該碼元表示1，該碼元表示一，?該碼元表示0，該碼元表示0，該碼元表示1，至此可以發(fā)現(xiàn)沒有一個(gè)答案是符合的，?那說明我們的假設(shè)有錯(cuò)誤

那么應(yīng)該是正跳變表示0，負(fù)跳變表示1，?寫出各碼元所表示的比特，現(xiàn)在可以看出正確答案是a

基本調(diào)制

下面?我們介紹基本調(diào)制方法，下圖是待傳輸?shù)臄?shù)字基帶信號(hào)，也就是來自信源的原始數(shù)字信號(hào)，?我們要使用模擬信道來傳輸，因此需要將數(shù)字基帶信號(hào)通過調(diào)制方法?，調(diào)制成可以在模擬信道中傳輸?shù)哪M信號(hào)：

• 調(diào)幅所產(chǎn)生的模擬信號(hào)，?無載波輸出表示比特0，有載波輸出表示比特1
• 調(diào)頻所產(chǎn)生的模擬信號(hào)。?頻率f1的波形表示比特0，頻率f2的波形表示比特1，
• 調(diào)相所產(chǎn)生的模擬信號(hào)。?初向位0度的波形表示比特0，初向位180度(Π)的波形表示比特1。
  

混合調(diào)制

很明顯?使用基本調(diào)制方法，一個(gè)碼元只能表示或者說包含一個(gè)比特信息，?那么如何能使一個(gè)碼元包含更多的比特？

可以采用混合調(diào)制的方法，因?yàn)轭l率和相位是相關(guān)的，也就是說頻率是相位隨時(shí)間的變化率，所以?一次只能調(diào)制頻率和相位兩個(gè)中的一個(gè)

通常情況下，?相位和振幅可以結(jié)合起來一起調(diào)制，稱為正交振幅調(diào)制QAM?。

我們來看屬于正交振幅調(diào)制的qm16，這種調(diào)制方法所調(diào)制出的波形可以有12種相位，?每種相位有一或兩種振幅可選。?我們可在星座圖中?畫出該調(diào)制方法所產(chǎn)生的碼元，該點(diǎn)就要表示其中的一個(gè)碼元，它與圓心連線的距離?可看作是振幅，連線與橫坐標(biāo)的夾角，可看作是相位

這是QAM16?可調(diào)制出的16種碼元。請(qǐng)大家思考一下，每個(gè)碼元可以包含幾個(gè)比特？由于qm16?可以調(diào)制出16種碼元，也就是16種波形，則每種碼元可以對(duì)應(yīng)表示4個(gè)比特

那么?每個(gè)碼元與4個(gè)比特的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以隨便定義嗎？如圖所示，?這是我們隨便定義的，每個(gè)碼元所對(duì)應(yīng)的4個(gè)比特

假設(shè)ABCD?E是接收端接收到的5個(gè)碼元，這5個(gè)碼元原本都是表示4個(gè)比特0的，由于傳輸過程中產(chǎn)生失真，?導(dǎo)致他們?cè)谛亲鶊D中并未落在理想的位置，接收端會(huì)將碼元ABC解調(diào)為0000，?這是正確的。?

將碼元D調(diào)為0001有一個(gè)錯(cuò)位，將碼元E寫條為1111，?4位全錯(cuò)，?這就說明每個(gè)碼元與4個(gè)比特的對(duì)應(yīng)關(guān)系不能隨便定義。

每個(gè)碼元與4個(gè)比特的對(duì)應(yīng)關(guān)系?應(yīng)該采用格雷瑪，也就是任意兩個(gè)相鄰碼源，只有一個(gè)比特不同，如圖所示：

信道的極限容量

我們都知道信號(hào)在傳輸過程中會(huì)受到各種因素的影響，如圖所示這是一個(gè)數(shù)字信號(hào)，??當(dāng)它通過實(shí)際的信道后，波形會(huì)產(chǎn)生失真，當(dāng)失真不嚴(yán)重時(shí)，在輸出端??還可根據(jù)以失真的波形還原出發(fā)送的碼元，但當(dāng)失真嚴(yán)重時(shí)，在輸出端??就很難判斷這個(gè)信號(hào)??在什么時(shí)候是1和在什么時(shí)候是0。信號(hào)波形失去了碼元之間的清晰界限，??這種現(xiàn)象叫做碼間串?dāng)_。??

產(chǎn)生失真的原因主要有碼元傳輸速率、信號(hào)傳輸距離、??噪聲干擾，傳輸媒體質(zhì)量等。

奈氏準(zhǔn)則

早在1924年，奈奎斯特就推導(dǎo)出了著名的奈氏準(zhǔn)則，??他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串?dāng)_，碼元傳輸速率的上限。

如果帶寬遠(yuǎn)小于可通過的最低頻率，就是帶通信道，否則就是低通信道

需要說明的是??實(shí)際的信道所能傳輸?shù)淖罡叽a元速率要明顯低于奈式準(zhǔn)則給出的上限值，??這是因?yàn)?strong>奈式準(zhǔn)則是在假定的理想條件下推導(dǎo)出來的，他不考慮其他因素，例如傳輸距離、??噪聲干擾，傳輸媒體質(zhì)量等。

僅從公式來看，只要采用更好的調(diào)制方法，??讓碼元可以攜帶更多的比特，豈不是可以無限制的提高信息的傳輸速率嗎？答案是否定的，??信道的極限信息傳輸速率還要受限于實(shí)際的信號(hào)，在信道中傳輸時(shí)的信噪比，??因?yàn)樾诺乐械脑肼曇矔?huì)影響接收端對(duì)碼元的識(shí)別，并且噪聲功率相對(duì)信號(hào)功率越大，??影響就越大。??

但是奈氏準(zhǔn)則給了我們一種提高信息的傳輸速率的思路，那就是碼元可以攜帶更多的比特，也就是采用更好的調(diào)制方法

香農(nóng)公式

1948年香農(nóng)用信息論的理論推導(dǎo)出了帶寬受限，??且有高斯白噪聲干擾的信道的極限信息傳輸速率，具體公式如下所示。

?
從香農(nóng)公式可以看出，信道帶寬或信道中信噪比越大，信息的極限傳輸速率就越大。

需要說明的是在實(shí)際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率，要比該公式的極限傳輸速率低不少，??這是因?yàn)?strong>在實(shí)際信道中信號(hào)還要受到其他一些損傷，例如各種脈沖干擾，??信號(hào)在傳輸中的衰減和失真等，這些因素在香農(nóng)公式中并未考慮。??

綜合來看奈式準(zhǔn)則和香農(nóng)公式。在信道帶寬一定的情況下，要想提高信息的傳輸速率，??就必須采用多元制，??并努力提高信道中的信噪比。

自從香農(nóng)公式發(fā)表以后，各種新的信號(hào)處理和調(diào)制方法??就要不斷出現(xiàn)，其目的都是為了盡可能的接近香農(nóng)公式所給出的傳輸速率極限。??