通信系統中的編碼與調制：從信道基礎到信號傳輸技術

一、信道與通信電路🍂

要理解通信系統，首先得明確信道和通信電路的概念。

• 信道：是通信系統中單向傳輸信息的物理通道，如同城市中的單行道，強調信息傳輸的方向性。比如一條電話線就包含兩條信道：一條用于發送語音，另一條用于接收語音。
• 通信電路：由發送信道和接收信道組成的雙向通道，通常指物理連接的線路（如網線、光纖），可能包含多個信道。如果把電路比作"道路"，那么信道就是"道路"上的"車道"，一條道路可以有多個車道供不同方向的"車輛"（信息）通行。

二、三種基本通信方式📖

根據通信雙方的信息交互方向，通信方式可分為以下三類：

1. 單向通信（單工通信）

?信息僅能單方向傳輸，無反向交互。例如電視臺向觀眾發送節目信號，觀眾無法反饋；紅綠燈向車輛傳遞指令，車輛也無法回傳信息。這種通信方式只需一條信道，適合單向信息流場景。

2. 雙向交替通信（半雙工通信）

?通信雙方可輪流發送和接收，但不能同時進行。就像使用對講機時，A按下按鈕說話，B只能等待；B按下按鈕回應時，A也需等待。早期的以太網也采用這種方式，同一時間只能有一個設備發送數據，其他設備需等待。它需要2條獨立信道（發送+接收），但設備需共享同一頻段，同一時間只使用一條。

3. 雙向同時通信（全雙工通信）

?通信雙方可同時發送和接收信息。現在的網卡普遍支持全雙工模式，允許數據雙向同時傳輸。它需要兩條獨立信道（發送+接收），且需隔離技術防止干擾，傳輸效率最高。現代通信系統（如5G、光纖網絡）大多采用全雙工，不過在資源受限的場景（如低功耗物聯網設備）仍可能使用半雙工，我們日常使用的手機就采用這種通信方式。

三、編碼與調制：讓信號適配信道的關鍵技術🥝

?在通信系統中，來自信源的原始信號（如計算機發送的數據）通常被稱為基帶信號。這類信號頻率范圍低，主要集中在0Hz附近的低頻段（甚至包含直流分量），直接表示信息，如二進制數據（0/1）、文字文件或圖像像素值。

?但基帶信號在實際傳輸中存在一個關鍵問題：許多信道無法直接傳輸低頻或直流分量。例如，電話線對低頻信號的衰減極大，無線信道則需要高頻電磁波才能有效傳播。為解決這一矛盾，就需要對基帶信號進行調制——將信號"改造"以適應信道特性。

根據調制目的和方法的不同，調制可分為兩類：基帶調制和帶通調制

1. 基帶調制（編碼）

?僅對數字基帶信號的波形進行變換，使其更適配信道特性，但不改變信號的頻率范圍。調制后的信號仍然是數字信號。本質上是將數字信號轉換為另一種形式的數字信號，比如將二進制比特流轉換為不同電平或脈沖序列，因此也被稱為編碼。通過編碼可以消除低頻干擾或者避免直流分量。

基帶調制就如同"翻譯"——將一種語言（信號形式）轉換為另一種語言（適配信道的信號形式），但內容不變。

2. 帶通調制

?使用載波信號（高頻正弦波）對基帶信號進行調制，將低頻的數字基帶信號的頻譜"搬移"到高頻段，并轉換為模擬信號，形成帶通信號。其核心作用是讓信號能在無線電波、光纖等模擬信道中傳輸，而且高頻信號可通過濾波器隔離噪聲，提高抗干擾能力。

消息發送全程示意圖：

四、常用編碼方式：將二進制數據轉化為電信號🥝

?在數字通信中，二進制數據（0和1）需要通過特定的編碼方式轉化為電信號，以便在物理信道中傳輸。常見的編碼方式包括不歸零制（NRZ）、歸零制（RZ）、曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼，它們在信號形式、同步能力和帶寬需求上各有特點，適用于不同的通信場景。

1. 不歸零制（NRZ）

這是最簡單的編碼方式，電平直接表示比特值：高電平為1，低電平為0。信號在整個位周期內保持恒定電平，僅在相鄰比特不同時發生跳變（如1后接0）

• 優點：實現簡單，無冗余跳變，占用帶寬較低
• 缺點：沒有自同步能力，如果連續傳輸多個相同碼元（如"1111"），信號波形無跳變，接收端無法通過波形自身恢復時鐘信號，需額外的時鐘線輔助同步；長時間傳輸相同電平可能導致信號偏移（如直流偏置）

2. 歸零制（RZ）

每個比特周期內，信號在中間時刻歸零：正脈沖（高→零）表示1，負脈沖（低→零）表示0，每個位周期內，信號在末尾必須回到零電平

• 優點：相比NRZ，信號跳變更多，有助于提升同步能力
• 缺點：由于每個位周期包含脈沖和歸零過程，信號頻率是NRZ的兩倍；且在電路設計上，需設計額外的電路控制歸零，編碼效率低

3. 曼徹斯特編碼

其原理是每個位周期的中心位置發生跳變，向上跳變表示"0"，向下跳變表示"1"（或相反定義）

• 優點：自同步能力很強，每個位周期必然包含一次跳變，接收端可通過檢測跳變位置恢復時鐘信號，無需額外同步線；跳變平衡了正負電平，避免信號偏移
• 缺點：信號頻率是NRZ的兩倍，通過犧牲帶寬換取了自同步能力。10Mb/s傳統以太網就采用這種編碼方式

4. 差分曼徹斯特編碼

每位周期中心始終跳變（無論數據是0還是1），數據由位邊界決定，位開始處有跳變表示"0"，無跳變表示"1"

• 優點：自同步能力更強，中心跳變確保時鐘恢復，邊界跳變攜帶數據信息；相比曼徹斯特編碼，對電壓波動不敏感（僅關注跳變方向而非絕對電平）

?需要注意的是，如果只給一段波形，不提供編碼方式，也不提供對應的比特流，則無法識別是曼徹斯特編碼還是差分曼徹斯特編碼。所以相關題目一般是：給波形+比特流問編碼方式 或 給編碼方式+波形問比特流

舉例：像下面這幅圖，就給一段波形，你是無法區分它到底是曼徹斯特編碼還是差分曼徹斯特編碼👏

五、基本的帶通調制方法📖

調制方式主要有以下三種：

1. 幅度調制（調幅AM）

?用基帶信號控制載波的幅度（如傳統廣播），讓載波的振幅隨基帶數字信號的變化而變化。例如，有載波輸出表示1，無載波輸出表示0。這種方式也叫幅移鍵控（ASK）。

2. 頻率調制（調頻FM）

?用基帶信號控制載波的頻率（如FM收音機），讓載波的頻率隨基帶數字信號的變化而變化。例如，用頻率f1表示1，用另一個頻率f2表示0。也叫頻移鍵控（FSK）。

3. 相位調制（調相PM）

?用基帶信號控制載波的相位（如Wi-Fi中的QPSK調制），讓載波的初相位隨基帶數字信號的變化而變化。例如，0相位表示0，180度相位表示1。也叫相移鍵控（PSK）。

在這些調制方式中，若設計k個幅值、k個頻率或k個相位值，則1碼元=log?k bit。

六、混合調制方法：QAM正交振幅調制🍂

頻率和相位是相關的，頻率是相位隨時間的變化率，頻率變化會導致相位變化。正交振幅調制是將相位和振幅一起調制，形成疊加信號。

比如設計m種振幅，n種相位，將幅度調制（AM）和相位調制（PM）兩兩復合，可得到z=mn種信號，則1碼元=log?(mn) bit，這種調制方式稱為QAM-z。

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