编码与调制的边界

计算机内部处理的是数字数据，但链路上传输的是信号。发送端必须把数据变成适合信道传播的信号；接收端再从信号中恢复数据。

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编码通常指把数据变换为数字信号。典型场景是数字数据经过线路编码后，在数字信道上传输。

调制通常指把数据加载到模拟载波上，形成带通信号。典型场景是基带信号不能直接通过某段信道，必须用载波的振幅、频率或相位变化来承载数据。

常用编码方式

线路编码决定 0 和 1 怎样表现为电平变化。常见编码方式如下：

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不归零制 NRZ 在一个码元期间保持某个电平，不回到零电平。它实现简单、带宽利用率较高，编码效率最高。但长时间连续 0 或连续 1 会导致接收端难以从信号中提取时钟。

反向不归零制 NRZI 不直接用高电平/低电平表示 0 和 1，而是用码元边界处是否跳变表示数据。常见约定是：

NRZI 关注“变不变”，不是关注绝对电平，因此比普通 NRZ 更不怕线路极性反接。但如果数据中长时间连续出现不触发跳变的比特，仍然会缺少同步信息，所以实际系统常配合额外编码使用。

归零制 RZ 在每个码元期间都会回到零电平。它比不归零制更容易帮助接收端同步，但每个码元内部多了一次电平变化，需要更宽的频带。

曼彻斯特编码在每个码元中间发生一次跳变，这个跳变既表示数据，也提供时钟同步。

低到高的跳变，和高到低的跳变所表示的是0还是1需要具体问题具体分析。

曼彻斯特编码的优点是自同步能力强，缺点是每个比特至少需要一次中间跳变，所需频带较宽。

差分曼彻斯特编码也在每个码元中间跳变，用中间跳变提供同步；数据由码元开始处是否发生跳变表示。常见约定是：

它关注是否变化，而不是绝对电平，因此对极性反转不敏感。

这些编码方式不是某一种线缆的固定属性，而是链路层/物理层标准对信号的约定。典型例子是：早期 10Mb/s 以太网使用曼彻斯特编码；令牌环曾使用差分曼彻斯特编码；USB 等系统中常见 NRZI 与位填充配合使用。线缆只提供传输介质，真正决定波形含义的是通信标准。

若信道不能直接传输低频分量或直流分量，发送端可以把基带信号调制到较高频率的载波上。带通调制通过改变载波参数承载信息。

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基本调制只改变一个参数。为了提高数据率，实际通信常组合多个参数，例如同时改变振幅和相位。

QAM 是正交振幅调制。它把两个相互正交的载波分量组合起来，同时利用振幅和相位承载信息。

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星座图上的每个点表示一种码元状态。若星座图有 $M$ 个点，则每个码元最多表示：

$$
\log_2 M \text{ bit}
$$

例如 QAM-16 有 $16$ 个点，每个码元可表示：

$$
\log_2 16=4\text{ bit}
$$

格雷码常用于星座点标号。它让相邻星座点的比特编号只差 1 位。这样做不能保证所有差错都只错 1 bit；它降低的是最常见的相邻点误判的代价。噪声较小时，接收点更容易落到相邻星座点，而不是跨越很远落到非相邻点，所以相邻点只差 1 位可以减少平均比特错误数。

$$
R=B\log_2 (m\times n)
$$

其中：

提高数据传输速率有两条路：

第二条路指的是在同样的码元速率下，把星座点做得更多。例如从 QPSK 的 4 个状态增加到 QAM-16 的 16 个状态，每个码元携带的 bit 数从 $2$ 增加到 $4$。代价是星座点之间更近，接收端更难区分相邻状态，因此对信噪比和调制解调技术要求更高。