计算机网络物理层通信的核心在于将抽象的数字信息转换为物理信号，编码与调制技术正是实现这一转换的关键桥梁。编码是将数据转换为适合信道传输的信号形式，而调制则是将信号转换为适合特定信道特性的物理信号 ，两者共同确保数据在传输过程中的可靠性、效率和适应性。从早期的基带传输到现代的无线通信，编码与调制技术的发展推动了网络通信速率和质量的飞跃，而5G和6G网络中引入的AI驱动自适应调制与量子通信技术则预示着未来通信的革命性变革。
一、编码与调制的基本概念与区别
编码与调制是物理层通信的两大核心技术，它们在数据传输中扮演着不同但互补的角色。编码是将数据转换为信号的过程，而调制是将信号转换为适合特定信道传输的物理信号形式的过程 。在数字通信系统中，编码通常指将数字数据转换为数字信号，调制则指将数字信号转换为模拟信号 。
编码技术主要解决两个问题：一是如何将数字数据（0和1）表示为物理信号；二是如何确保这些信号在传输过程中能够被正确解码。编码可以分为基带编码和带通编码，前者直接在基带频率上表示数据，后者则将数据转换到更高频率以适应模拟信道。例如，不归零编码(NRZ)是最简单的编码方式，用高电平表示1，低电平表示0，但连续传输相同数据时会导致接收端无法恢复时钟信号 。而曼彻斯特编码则在每个位周期的中间位置发生跳变，向上跳变表示"0"，向下跳变表示"1"，解决了同步问题但带宽需求翻倍 。
调制技术则进一步解决了信号在不同信道中的传输问题。调制是将数字信号或模拟数据转换为适合在信道上传输的模拟信号的过程 。当信号需要在模拟信道（如电话线、无线信道）中传输时，必须通过调制技术将数字信号转换为模拟信号。调制技术通过改变载波信号的振幅、频率或相位来携带信息，形成带通信号，从而提高抗干扰能力并实现更远距离传输 。
编码与调制的区别在于：编码关注信号形式的转换，确保接收端能够正确识别数据；调制关注信号参数的调整，确保信号能够适应特定信道特性。在实际应用中，编码与调制常常结合使用，如先通过4B/5B编码提高信号传输效率，再通过QAM调制将信号转换为适合无线信道传输的模拟信号 。
二、数字数据编码为数字信号的技术方法
数字数据编码为数字信号的技术主要用于基带传输，即在基本不改变数字数据信号频率的情况下，直接传输数字信号。这些编码技术的核心目标是提高传输效率、解决同步问题、减少直流分量以及增强抗干扰能力。
**不归零编码(NRZ)**是最简单的编码方式，用高电平表示1，低电平表示0。信号在整个位周期内保持恒定电平，仅在相邻比特不同时发生跳变 。NRZ编码的优势在于实现简单，无冗余跳变，占用带宽较低。然而，其致命缺点是没有自同步能力，如果连续传输多个相同码元（如"1111"），信号波形无跳变，接收端无法通过波形自身恢复时钟信号，需要额外的时钟线辅助同步。此外，长时间传输相同电平可能导致信号偏移，如直流偏置问题。
**归零编码(RZ)**每个比特周期内，信号在中间时刻归零：正脉冲（高→零）表示1，负脉冲（低→零）表示0，每个位周期内，信号在末尾必须回到零电平 。RZ编码相比NRZ，信号跳变更多，有助于提升同步能力。但缺点也很明显：由于每个位周期包含脉冲和归零过程，信号频率是NRZ的两倍，编码效率降低；且在电路设计上，需设计额外的电路控制归零，增加了实现复杂度。
曼彻斯特编码 原理是每个位周期的中心位置发生跳变，向上跳变表示"0"，向下跳变表示"1"（或相反定义） 。曼彻斯特编码的最大优势是自同步能力，接收端可以通过检测跳变来恢复时钟信号，无需额外的时钟线。但代价是带宽需求翻倍，传输效率降低。
差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码的区别在于，它不关心跳变的方向，只关心是否存在跳变。在差分曼彻斯特编码中，"0"表示比特期间有跳变，"1"表示无跳变 。这种编码方式具有更强的抗干扰能力，因为即使信号的绝对电平发生变化，只要跳变存在，就能正确解码。
4B/5B编码是将4位二进制数据映射为5位符号的编码方式，其映射表通过精心设计确保信号中没有超过4个连续的0或1，从而提高传输效率 。4B/5B编码的效率是80%，与曼彻斯特编码相比，传输效率更高，但同步能力稍弱。4B/5B编码广泛应用于IEEE 1394b串行总线和百兆以太网中，通过FPGA实现，能够有效提高数据传输速率和稳定性 。
8B/10B编码 是更高效的编码方式，将8位数据分为高3位和低5位两部分，分别通过3B/4B和5B/6B模块映射为10位符号 。8B/10B编码通过极性偏差(RD)动态调整编码极性，确保直流平衡，减少高频分量 。8B/10B编码在高速串行数据传输中应用广泛，如PCI-Express、SATA、以太网（如QSGMII接口）等 ，其在时钟频率为500MHz下可正确对8 bit数据进行编码，满足高速传输接口的要求 。
HDB3编码（三阶高密度双极性码）是另一种适用于基带传输的编码方式，主要用于欧洲E-carrier系统。HDB3编码将4个连续的"0"位元取代成"000V"，并根据相邻两个"0000"之间"1"的个数决定是否插入"B"符号，确保连续的0不超过3个 。HDB3码的特点是无直流分量且只有很小的低频分量，易于提取定时信号，但编码规则复杂，增加了实现难度 。
下表对比了主要数字数据编码技术的关键特性：
| 编码技术 | 传输效率 | 同步能力 | 直流分量 | 抗干扰能力 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|---|
| NRZ | 高 | 无 | 有 | 低 | 早期局域网 |
| RZ | 中 | 强 | 无 | 中 | 基带通信 |
| 曼彻斯特 | 中 | 强 | 无 | 中 | 标准以太网 |
| 差分曼彻斯特 | 中 | 强 | 无 | 强 | 高速宽带网 |
| 4B/5B | 80% | 中 | 无 | 中 | IEEE 1394b,百兆以太网 |
| 8B/10B | 80% | 强 | 无 | 中 | 高速接口 |
三、数字数据调制为模拟信号的原理与技术
当数字数据需要在模拟信道中传输时，编码后的数字信号需要通过调制技术转换为模拟信号。数字数据调制为模拟信号的原理是将数字信号的参数（如振幅、频率、相位）映射到高频载波上 ，从而形成适合信道传输的模拟信号。调制技术主要包括幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)和正交幅度调制(QAM)等。
**幅移键控(ASK)**是最基本的调制方式，通过改变载波的振幅来表示数字信号。例如，2ASK使用两个不同的振幅（高振幅表示1，零振幅表示0）来传输数据 。ASK实现简单，但抗干扰能力弱，容易受到噪声和干扰的影响。在实际应用中，ASK主要用于早期短距离通信场景，如1200波特的数据流传输。
**频移键控(FSK)**通过改变载波的频率来表示数字信号。例如，2FSK使用两个不同的频率（如1270Hz表示1，1070Hz表示0）来传输数据 。FSK的优势在于抗干扰能力强，因为频率变化比振幅变化更不容易被噪声干扰。但FSK需要更多的带宽资源，因为每个频率代表不同的符号。FSK主要用于需要一定抗干扰能力的场景，如早期无线通信和部分物联网设备。
相移键控(PSK)利用相位差异编码信息，分为绝对调相（固定相位对应数据）和相对调相（相位变化对应数据）两类 。最常用的PSK技术是BPSK（二进制相移键控）和QPSK（四进制相移键控）。BPSK用初始相位0°和180°分别表示二进制"1"和"0"，每个码元只能传输1比特信息 。QPSK则使用四个不同的相位（0°, 90°, 180°, 270°）来表示4种不同的状态，每个码元可以传输2比特信息 。PSK的优势在于频谱效率高，抗干扰能力强，但需要精确的相位同步，实现复杂度较高。
差分相移键控(DPSK)是PSK的改进版本，它不关心绝对相位，只关心相邻码元之间的相位差 。例如，DPSK可以规定，传送"1"时，后一符号相对于前一符号的信号相位变化180°；而传送"0"时，前后符号之间的信号相位不变 。DPSK的优势是无需本地载波同步，降低了实现复杂度，但误码率略高于PSK。DPSK常用于移动通信等需要降低同步复杂度的场景。
**正交幅度调制(QAM)**结合了振幅和相位调制的优势，通过改变两个正交载波（I和Q）的振幅和相位来传输数据 。QAM调制实际上是将输入比特流投影至星座图中，生成复数的调制符号，然后将符号的水平和垂直分量分别调制到两个正交载波上 。例如，16QAM使用16个不同的星座点，每个点代表4比特信息；64QAM使用64个星座点，每个点代表6比特信息 。QAM的最大优势在于高频谱效率，如64QAM的频谱效率为6bps/Hz，是BPSK的6倍。此外，QAM在噪声环境中具有较强的抵抗能力，能够实现可靠的数据传输。但QAM对信噪比的要求较高，低信噪比环境下性能较差。
QAM调制的数学表达式可以表示为：s(t) = a_i cos(ω_c t) + b_i sin(ω_c t) ，其中a_i和b_i是由信号点的位置确定的振幅值。QAM符号速率(SR)与比特率的关系为：R_b = R_s × log₂M，其中M是调制阶数 。例如，16QAM的比特率为4R_s，256QAM的比特率为8R_s。QAM信号带宽与符号率的关系为：BW = SR(1+α)，其中α是低通滤波器的滚降系数，通常不小于0.15 。
四、编码与调制在实际网络中的应用案例
编码与调制技术在实际网络中有着广泛的应用，不同的技术组合适用于不同的场景和需求。在5G网络中，编码与调制技术的结合实现了超高速率和高可靠性 ，而物联网、卫星通信等领域则根据低功耗、远距离等需求选择了不同的技术方案。
5G通信系统采用了先进的编码调制技术组合，显著提升了网络性能。在编码方面，5G NR采用了LDPC码和极化码（Polar码）的组合，数据信道使用LDPC码，控制信道和广播信道使用Polar码 。相比4G LTE的Turbo码和卷积码，5G的编码方案具有更高的纠错能力和更低的译码复杂度。在调制方面，5G空口在4G的基础上新增了1024QAM调制方式，下行链路最高支持1024QAM，上行链路支持256QAM 。这种组合使得5G网络在理想信道条件下能够实现极高的传输速率，但在实际部署中，由于信道条件限制，5G网络通常根据信道质量动态选择调制方式，如在隧道等恶劣环境中可能仅使用QPSK或16QAM 。
卫星通信系统如Starlink采用了复杂的编码调制技术组合以应对高损耗、卫星运动快等挑战 。Starlink一代系统主要使用Ku/Ka频段，其中馈线链路和测控链路使用Ka频段，用户链路使用Ku频段 。随着技术发展，Starlink二代系统逐步转向Q/V甚至E频段，以获得更大带宽并减少干扰 。在调制方面，Starlink采用了自适应编码和调制策略，信关站上行链路频谱效率最高的调制方式是256APSK，用户站下行链路效率最高的是16APSK 。通过动态选择调制和编码方案，Starlink最大限度地提高了既定天气条件下的频谱效率。此外，Starlink还采用了星间链路技术，通过激光通信降低对地面站的依赖，提高网络可靠性和覆盖范围 。
物联网（IoT）通信 根据低功耗、远距离、低速率等特点，选择了不同的编码调制技术。NB-IoT（窄带物联网）采用了QPSK调制和截尾卷积码（TBCC）编码，下行链路使用QPSK调制，上行链路根据模式不同使用BPSK或π/4QPSK调制 。NB-IoT的射频带宽仅为200kHz，远低于4G的1.4MHz，但通过优化的编码调制技术，仍能实现160kbps的传输速率。NB-IoT适用于静态传感器等低功耗设备，如高速公路护栏碰撞监控系统 。
LoRa技术 （远距离无线电）采用了线性调频扩频（CSS）调制技术，结合独特的编码方式实现低功耗远距离通信 。LoRa调制技术通过Chirp信号的循环移位编码信息，参数包括扩频因子（SF=612）、带宽（Bw=7.81500kHz）、编码速率（CR=1~4） 。LoRa的核心优势在于超强的抗干扰能力和长距离传输能力 ，即使在低于噪声20dB的环境中仍能正常通信。LoRa广泛应用于物联网领域，如列车制动信号无线传输系统 、环境监测等场景。
量子通信系统是编码调制技术的前沿应用，如量子直接通信（QDC）采用相位/时间戳混合编码，通过量子态调制直接传输信息 。2025年，我国科研团队已实现300公里级四节点量子直接通信网络，传输速率提升至2.38kbps，信道容量提升至传统系统的3倍 。量子通信技术主要应用于政务、金融安全通信等高安全需求场景，通过量子态的不可克隆性确保通信安全 。
五、编码与调制技术的性能对比与选择
在实际应用中，编码与调制技术的选择需要综合考虑传输速率、抗干扰能力、实现复杂度和功耗等多方面因素。不同的编码调制技术组合在频谱效率、误码率和实现难度上存在显著差异，需要根据具体应用场景和需求进行权衡。
在频谱效率方面，QAM调制技术表现最佳。例如，16QAM的频谱效率为2bps/Hz，而BPSK仅为1bps/Hz；64QAM的频谱效率为6bps/Hz，256QAM为8bps/Hz，1024QAM高达10bps/Hz 。这种高效率使得QAM成为5G和未来6G网络的理想选择，尤其是在需要高数据速率的应用场景，如4K/8K视频传输、云VR/AR等 。
在抗干扰能力方面，PSK调制技术优于ASK和FSK，而QAM在高信噪比条件下表现最佳 。研究表明，在相同误码率条件下，2PSK比2FSK要求低3dB的信噪比，2FSK比2ASK低3dB 。这意味着在相同信噪比环境下，PSK的误码率最低，FSK次之，ASK最差。在实际应用中，这种差异意味着在移动通信边缘区域，可能需要采用BPSK或QPSK等低阶调制方式，而在信道条件良好的核心区域，可以采用高阶QAM实现更高速率 。
在实现复杂度方面，不同调制技术也有明显差异。BPSK和QPSK实现相对简单，无需复杂的振幅控制电路；而高阶QAM需要精确的振幅和相位控制，实现复杂度较高。此外，DPSK相比PSK不需要本地载波同步，降低了实现复杂度，但误码率略高 。在编码方面，曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码实现简单，但传输效率较低；而4B/5B和8B/10B编码虽然传输效率较高，但需要更复杂的编码逻辑 。
在功耗方面，低阶调制技术如BPSK和QPSK通常比高阶QAM更节能，因为高阶调制需要更高的信号功率来克服噪声影响。例如，NB-IoT采用QPSK调制，虽然频谱效率较低，但能够实现超低功耗，电池寿命可达10年以上 。而LoRa通过CSS调制技术，在低功耗条件下仍能实现远距离传输，飞行时间可达57.6ms 。
编码调制技术的选择需要根据具体应用场景和需求进行优化。例如，在需要高可靠性的URLLC（高可靠低时延通信）场景中，5G采用了鲁棒性较强的编码和调制阶数，结合重复传输等技术确保可靠性 ；而在追求高吞吐量的eMBB（增强移动宽带）场景中，则采用高阶QAM和高效编码实现高速率 。这种自适应调制编码（AMC）技术使得5G网络能够根据信道状态动态调整调制和编码参数，最大化网络性能。
六、编码与调制技术的未来发展趋势
随着通信技术的不断进步，编码与调制技术也在向着更高效率、更强可靠性和更智能化的方向发展。AI驱动的自适应调制、量子通信与传统调制的融合以及网络编码技术是未来编码调制领域的主要发展方向。
AI驱动的自适应调制将彻底改变编码调制技术的选择和优化方式。通过机器学习和深度学习，AI可以实时分析信道状态（如信噪比、多普勒频移）并动态调整调制阶数和编码率，实现最优的传输性能 。例如，2025年上海世界移动通信大会展示的AI网络优化系统能够提前预测流量高峰，动态调整基站资源，确保100万用户同时在线的流畅体验，网络延迟保持在1毫秒以下 。在星链（Starlink）项目中，AI信号处理技术使卫星通信的可靠性提升了40%，特别是在恶劣天气条件下，如暴雨、大雪等，信号质量依然保持稳定 。AI还能实现自适应调制，根据实时信道条件动态调整信号调制方式，如检测到信号干扰较大时自动切换到更稳健的调制方式，信号质量良好时则使用高效率的调制方式，最大化数据传输速率 。
量子通信与传统调制的融合是另一个重要发展方向。量子直接通信（QDC）采用相位/时间戳混合编码，通过量子态调制直接传输信息，2025年已实现300公里级四节点网络，传输速率提升至2.38kbps，信道容量提升至传统系统的3倍 。在电力系统中，时间相位编码方案被证明最适合长距离电力架空环境下的量子保密通信分发，能够有效降低线路衰减，提高密钥分发系统的成码率和分发距离 。此外，经典通道-量子通道共纤波分复用技术也在快速发展，通过合理选择光学器件和波分算法，实现光量子信号和经典强光信号的共纤传输，大幅降低光纤资源消耗和建设和运维成本 。
网络编码技术 是编码领域的革命性创新。传统通信网络采用"存储-转发"机制，中间节点只负责路由，不对数据内容做任何处理 。而网络编码则在节点上对数据进行处理，通过线性或非线性的方法将不同信息转化成更小的"痕迹"，然后在目标节点进行演绎还原 。网络编码能够显著提高多播网络的信息传输速率，达到传统路由方法无法实现的最大流界 。例如，在P2P传输中，网络编码能够有效检测恶意"污染"攻击并纠正错误，同时无需额外的容量和路由，只需将信息的痕迹转换成位流即可。麻省理工学院的研究表明，网络编码在执行过程中伪装了数据，具有数据隐藏性能，能够增强信息安全性 。
太赫兹通信是6G网络的关键技术方向，其高频特性使得信号传输距离较短（通常只有几十米），但带宽资源丰富 。太赫兹通信系统主要采用两种架构：全电子技术方式和光电混合技术方式 。在调制技术方面，太赫兹通信系统结合了多种技术，如多载波调制（OFDM）、MIMO、天线极化复用和OAM等 。例如，浙江大学在350GHz的载频上采用PS-16QAM-OFDM调制，实现了119.1Gbit/s、26.8m的无线传输；复旦大学在400GHz频段采用4×4MIMO-PDM-PS-64QAM调制，实现了3.1m的无线传输，总传输速率达到1.056Tbit/s 。这些实验数据表明，太赫兹通信结合先进的调制编码技术，有望在未来6G网络中实现超高速率传输。
新型调制技术如正交时频空间（OTFS）调制也在快速发展。OTFS能够同时抑制多径效应与多普勒效应，在高速移动场景下的误码率和峰均比性能均优于传统OFDM 。这种调制方式特别适合6G太赫兹移动通信，能够有效应对高速移动带来的信号衰减和多普勒频移问题。
七、编码与调制技术的协同优化
编码与调制技术并非孤立存在，而是需要协同优化以实现最佳的通信性能。在实际系统中，编码与调制的参数需要根据信道条件、传输速率需求和可靠性要求进行整体设计，以确保系统的最优性能。
编码与调制的协同优化主要体现在以下几个方面：首先，编码技术需要为调制技术提供适合的输入信号。例如，4B/5B编码将4位数据映射为5位符号，确保没有超过4个连续的0或1，为后续的QAM调制提供良好的输入信号 。其次，调制技术的选择也需要考虑编码技术的特性。例如，QAM调制需要编码后的信号具有足够的跳变率，以便接收端能够准确提取时钟信号。最后，编码与调制的组合需要根据信道条件进行动态调整，以适应不同的通信环境和用户需求 。
在5G网络中，编码与调制的协同优化表现得尤为明显。5G采用了灵活的调制编码方案，根据信道质量动态调整调制阶数和编码率 。例如，在高信噪比条件下，可以采用256QAM甚至1024QAM调制，结合LDPC编码实现高速率传输；而在低信噪比条件下，则自动降级为QPSK或16QAM调制，结合更强大的纠错编码确保可靠性 。这种动态调整机制使得5G网络能够根据不同的通信环境和用户需求，提供最佳的传输性能。
在卫星通信系统中，编码与调制的协同优化同样重要。例如，Starlink采用了自适应编码和调制策略，根据信道状态动态调整调制方式和编码率，最大限度地提高频谱效率 。在信关站上行链路，频谱效率最高的调制方式是256APSK；而在用户站下行链路，16APSK则表现出色 。这种协同优化使得Starlink能够在不同的信道条件下提供稳定的通信服务。
在物联网领域，编码与调制的协同优化主要体现在低功耗和远距离的平衡上。例如，NB-IoT采用了QPSK调制和TBCC编码的组合，在保证低功耗的同时实现一定的传输距离和速率 ；而LoRa则采用CSS调制技术，结合特定的编码方式，在极低功耗条件下实现远距离传输 。这些协同优化方案使得物联网设备能够在有限的电池资源下提供长期稳定的通信服务。
八、总结与展望
编码与调制技术是计算机网络物理层通信的基础核心技术，它们决定了网络的传输速率、可靠性、覆盖范围和能耗等关键性能指标。从早期的简单编码到现代的复杂调制编码组合，这些技术的发展不断推动着网络通信的革新 。
在传统通信领域，NRZ、曼彻斯特、4B/5B和8B/10B等编码技术以及BPSK、QPSK、FSK和QAM等调制技术已经形成了成熟的技术体系，为各种通信场景提供了可靠的解决方案 。在5G网络中，LDPC码、Polar码和高阶QAM调制的结合实现了超高速率传输；在物联网领域，QPSK和CSS调制技术则满足了低功耗远距离的需求 ；在卫星通信中，APSK调制和自适应编码策略则应对了高损耗和快速运动的挑战 。
面向未来，编码与调制技术将向着更高效、更可靠和更智能化的方向发展。AI驱动的自适应调制、量子通信与传统调制的融合以及网络编码技术将为6G及更未来的网络通信提供新的可能性 。例如，AI能够实时分析信道状态并动态调整调制编码参数，实现最优的传输性能；量子通信利用量子态的不可克隆性提供绝对安全的通信保障；网络编码则通过节点对数据的处理提高多播网络的信息传输速率 。
在太赫兹通信等新兴领域，编码与调制技术的创新将突破传统通信的频谱效率极限，为用户提供前所未有的高速率通信体验 。同时，这些技术的标准化和实际应用也将面临诸多挑战，如量子通信设备的小型化、现有光纤网络的兼容性改造以及网络编码的安全性验证等 。
总之，编码与调制技术作为物理层通信的核心，其发展与创新将持续推动计算机网络向更高速率、更广覆盖、更低功耗和更高安全性方向演进。随着AI、量子计算等新技术的融合，编码调制技术将迎来更加智能化和个性化的未来，为人类社会提供更加无缝、高效和安全的通信服务。