编码方式

基本概念 ▾

将数字数据转换为数字信号（基带传输）或模拟信号（宽带传输）的过程。

分类

数字数据→数字信号：基带传输编码
数字数据→模拟信号：调制（带通传输）
模拟数据→数字信号：PCM 编码
模拟数据→模拟信号：频分复用调制

数字数据→数字信号编码 ▾

1. NRZ（不归零编码）

NRZ-L（电平编码）

数据:  1   0   1   1   0   0   1
信号: ┌────┐    ┌──────┐    ┌─┐
      │    │    │      │    │ │
──────┘    └──┘      └────┘ └──
  高=1  低=0

1 对应高电平，0 对应低电平
问题：连续相同数据时无信号变化，难以同步

NRZ-I（反相编码）

数据:  1   0   1   1   0   0   1
信号:    ┌────────┐     ┌───
         │        │     │
─────────┘        └─────┘
  1=翻转  0=不变

遇到 1 时电平翻转，遇到 0 时不变
优于 NRZ-L，但连续 0 时仍有同步问题

2. 归零编码（RZ）

数据:  1     0     1     1
信号: ┌─┐    ┌─────┐ ┌─┐ ┌─┐
      │ │    │     │ │ │ │ │
──────┘ └───┘     └─┘ └─┘ └──
  1: 高→零  0: 低→零（或直接零）

每个码元中间归零
优点：自同步；缺点：带宽需求大

3. 曼彻斯特编码（Manchester）⭐

数据:  1       0       1       0
信号: ┌──┐     ┌──┐     ┌──┐     ┌──┐
      │  │     │  │     │  │     │  │
──────┘  └─────┘  └─────┘  └─────┘  └──
  1: 高→低 (下降沿)   0: 低→高 (上升沿)

每个码元中间都有跳变
下降沿=1，上升沿=0（IEEE 802.3 标准）
优点：自同步能力强，无直流分量
缺点：带宽需求是 NRZ 的两倍
应用：以太网（10BASE-T, 10BASE2）

4. 差分曼彻斯特编码（Differential Manchester）

数据:  1       0       1       0
信号: ┌──┐  ┌──┐  ┌──┐  ┌──┐  ┌──┐
      │  │  │  │  │  │  │  │  │  │  │  │
──────┘  └──┘  └──┘  └──┘  └──┘  └──
  1: 位开始无跳变   0: 位开始有跳变

码元中间总有跳变（同步）
位开始处：有跳变=0，无跳变=1
应用：令牌环网

编码方式对比

编码	自同步	带宽	直流分量	应用
NRZ-L	差	低	有	少
NRZ-I	差	低	有	USB
RZ	好	高	有	少
曼彻斯特	好	高	无	以太网
差分曼彻斯特	好	高	无	令牌环

4B/5B 编码 ▾

原理

将 4 位数据映射为 5 位编码，确保不会出现连续 3 个以上的 0。

4 位数据 → 5 位编码
0000    → 11110
0001    → 01001
0010    → 10100
...

应用

100BASE-FX（快速以太网光纤）
FDDI
配合 NRZ-I 使用

数字数据→模拟信号（调制） ▾

ASK(幅移键控):
    ┌──┐           ┌──┐
    │  │           │  │
────┘  └───────────┘  └──────
  有载波=1  无载波=0

FSK(频移键控):
~~┌──┐~~  ┌──────────┐~~┌──┐
  │  │    │          │  │  │
~~┘  └~~~~┘          └~~┘  └~~
  高频=1       低频=0

PSK(相移键控):
────────┐  ┌────────┐  ┌────
        │  │        │  │
        └──┘        └──┘
  相位0=1    相位π=0

调制	抗干扰	带宽效率	实现
ASK	差	低	简单
FSK	好	低	中等
PSK	好	高	复杂
QAM	好	最高	最复杂

QAM（正交幅度调制）

同时改变幅度和相位
QAM-16：每个符号 4 bit；QAM-64：每个符号 6 bit
应用：Wi-Fi、有线电视

模拟数据→数字信号（PCM） ▾

脉冲编码调制（PCM）三步骤

模拟信号 → 采样 → 量化 → 编码 → 数字信号

采样：按奈奎斯特定理，采样频率 ≥ 2 倍最高频率
量化：将采样值离散化
编码：将量化值编码为二进制

应用

电话系统（8 kHz 采样，8 bit 量化 → 64 kbps）
音频 CD（44.1 kHz 采样，16 bit 量化）

记忆卡片 ▾

曼彻斯特编码规则？为什么以太网用它？

每个码元中间有跳变，下降沿=1，上升沿=0。自同步能力强、无直流分量。

NRZ 编码的主要问题？

连续相同数据时无信号变化，接收端难以同步时钟，会位漂移。

PCM 的三个步骤与采样要求？

采样→量化→编码。采样频率 ≥ 2 倍信号最高频率（奈奎斯特定理）。

ASK/FSK/PSK 改变什么？

ASK 改幅度，FSK 改频率，PSK 改相位；QAM 同时改幅度和相位。

图示 · 曼彻斯特编码波形 ▾

图：曼彻斯特编码每码元中间强制跳变，自带时钟；NRZ 连续相同位则无跳变、易失步。