计算机网络之---信号与编码

信号

在物理层,信号是用来传输比特流的物理量,它可以是电压、电流、光强度等形式,通常通过电缆、光纤或者无线信道等媒介传播。

信号主要分为以下两种类型:

  • 模拟信号(Analog Signal):信号在时间和幅度上是连续变化的,例如声音、光波、无线电波等。模拟信号具有无限的可能性,可以表达更丰富的信息,但在传输过程中容易受到噪声干扰,且随着距离增大容易衰减。
  • 数字信号(Digital Signal):信号在时间和幅度上是离散的,通常用两个电平(高电平和低电平)来表示0和1。数字信号比模拟信号更容易处理、抗干扰能力强,但通常需要经过一定的编码和调制过程。

信号传输的特性

物理层信号的传输受到以下几个因素的影响:

  • 带宽(Bandwidth):指信号所占用的频率范围。带宽越大,传输的数据速率越高。
  • 噪声(Noise):噪声会导致信号失真或丢失,因此需要采取措施(如调制、编码等)减少噪声的影响。
  • 衰减(Attenuation):信号随着传播距离的增加,会发生衰减,导致信号强度下降。为了补偿衰减,通常会使用放大器或重复器等设备。
  • 延迟(Latency):信号从源端到目的端所需的时间,延迟较高会影响实时通信的效果。

编码

编码是物理层中的一个重要过程,它将数字数据转换成可以在物理媒介上传输的信号。编码不仅涉及比特流的转换,还需要考虑如何保证信号在传输过程中有效传递并抵抗噪声。

编码的目标包括:
  • 数据传输的有效性:通过编码提高数据传输的效率。
  • 抗噪声能力:选择合适的编码方式可以提高信号的抗干扰能力,减少错误率。
  • 同步问题:确保发送方和接收方能够正确同步信号的开始和结束。
基带编码(Baseband Encoding)

基带编码是指将原始数字信号直接映射到传输信号上,不进行频率变换。这种方式常用于短距离通信,如局域网(LAN)中。常见的基带编码技术包括:

  • 非归零编码(NRZ, Non-Return-to-Zero):信号在高电平表示1,低电平表示0,且信号持续一段时间不归零。优点是简单,缺点是长时间连续的相同值会导致同步问题。

  • 曼彻斯特编码(Manchester Encoding):在每个比特时间内,信号由高电平到低电平或由低电平到高电平变化,确保每个比特都有一个电平转换,用于同步。虽然提高了同步性,但效率较低,因为每比特需要两个电平变化。

  • 差分曼彻斯特编码(Differential Manchester Encoding):比曼彻斯特编码更稳定,在每个比特的中间进行电平切换,以减少误码率。

  • 极性反转编码(Polar RZ):0用负电平表示,1用正电平表示,并且在每个比特周期的中间返回零电平。

宽带编码(Broadband Encoding)

宽带编码将信号的频谱分配到不同的频段,这种方法通常用于长距离传输或无线通信。常见的宽带编码技术包括:

  • 调制(Modulation):通过将数字信号转换为模拟信号的方式,在特定的频率范围内进行传输。常见的调制技术包括:

    • 幅度调制(AM, Amplitude Modulation)
    • 频率调制(FM, Frequency Modulation)
    • 相位调制(PM, Phase Modulation)
  • 正交频分复用(OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing):在多个正交频率信道上同时传输数据,可以提高带宽利用率,减少信号间的干扰。它广泛应用于无线通信、Wi-Fi、LTE等技术。

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