计算机信号码元与编码

计算机需要处理和传输用户的文字、图片、音频和视频，他们可以统称为消息，数据是运送消息的实体，计算机只能处理二进制数据，也就是比特0和比特1。

计算机中的网卡将比特0和比特1变换成相应的电信号发送到传输介质中，如同轴电缆，双绞线（网线）等。信号是数据的电磁表现。由信源发出的原始电信号称为基带信号。
基带信号又可分为两类：一类是数字基带信号，例如计算机内部CPU与内存之间传输的信号；另一类是模拟基带信号，例如麦克风收到声音后产生的音频信号。

信号需要在信道中进行传输，信道可分为数字信道和模拟信道两种。在不改变信号性质的前提下，仅对数字基带信号的波形进行变换，称为编码。
编码后产生的信号仍为数字信号，可以在数字信道中传输。如以太网使用曼彻斯特等编码。

把数字基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，称为调制。

对于模拟基带信号的处理，也有编码和调制两种方法。
对模拟基带信号进行编码的典型应用是对音频信号进行编码的脉码调制PCM。
也就是将模拟音频信号通过采样、量化、编码这三个步骤进行数字化。

对模拟基带信号进行调制的典型应用是对将语音数据加载到模拟的载波信号中传输，例如传统的电话。

码元的概念
在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。
简单来说，码元就是构成信号的一段波形。

例如：
以下是一段调频信号：

绿色波形是构成该信号的一个基本波形，可以称其为码元，可以表示为比特0。
蓝色波形是构成该信号的另一个基本波形，也称为码元，可以表示比特1。
可见该信号由两种码元构成。

在计算机网络中，常见的是将数字基带信号通过编码或调制的方法在相应信道进行传输。

以下为几种常用编码：

不归零编码（NRZ）：
产生的比特流的响应信号，正电平表示比特1，负电平表示比特0。
不归零，就是指在整个码元时间内，电平不会出现零电平。

例如，该码元在其时间内全部是正电平，而该码元在其时间内全部都是低电平。

其中不归零编码和归零编码每一种都有单极脉冲和双极脉冲2种形式，
单极和双极类似于上下平移，对于码元的形态影响不大，但是对传输性能影响大。

接收端如何判断出这是2个码元，而不是1个或3个码元？
这需要发送方的发送与接收方的接收做到严格的同步，需要额外一根传输线来传输时钟信号，使发送方和接收方同步。
接收方按时钟信号的节拍来逐个接收码元，发送方也会按时钟信号的节拍来逐个发送码元。

然而，对于计算机网络，宁愿利用这跟传输线传输数据信号，而不是传输时钟信号。
因此，由于不归零编码存在同步问题，计算机网络中的数据传输不采用这类编码。

归零编码（RZ）：
显然，每个码元传输结束后信号都要“归零”。所以接收方只要在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号。
实际上，归零编码相当于把时钟信号用“归零”方式体现在了数据之内，这称为“自同步”信号。
但是，归零编码中大部分的数据贷款，都用来传输“归零”而浪费了。
也就是说，归零编码的优点是自同步，但缺点是编码效率低。

曼彻斯特编码：
在每个码元时间的中间时刻，信号都会发生跳变。如图，码元向上的正跳变表示比特0，向下的负跳变表示比特1。
码元中间时刻的跳变既表示时钟，又表示数据。传统以太网使用的就是曼彻斯特编码。
需要注意的是正跳变和负跳变表示的是比特0还是比特1，没有具体规定，可自行假设。

差分曼彻斯特编码：
在每个码元时间的中间时刻，信号都会发生跳变。与曼彻斯特编码不同，跳变仅表示时钟，而用码元开始到结束处的电平是否发生变化来表示数据。
如图所示，依据码元开始处到码元结束的电平是否发生变化来表示比特0或比特1。
如图，码元开始到结束处的跳变，电平变化表示比特0，电平不变表示比特1。
需要注意的是正跳变和负跳变表示的是比特0还是比特1，没有具体规定，可自行假设。

参考文献

【1】高军、陈君、唐秀明、张剑编著.深入浅出计算机网络.清华出版社,2022年