一張圖看懂二進位制碼元的基本概念、機械特性、介面、電壓、資料分析

二進位制碼元是什麼

一、物理層的基本概念

物理層是網路體系結構的最低層，它是網路體系結構上層各功能實現的基礎。物理層的主要任務就是在連線各種計算機的傳輸媒體上傳輸資料位元流。因此要確定與傳輸媒體的介面的一些特性。

機械特性 ：指明介面所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等。（長什麼樣）

電氣特性：指明在介面電纜的各條線上出現的電壓的範圍。（高有多高，低有多低）

功能特性：指明某條線上出現的某一電平的電壓的意義。（幹什麼用）

過程特性 ：指明對於不同功能的各種可能事件的出現順序。（時序）

二、相關術語：

資料 （data） ——-運送資訊的實體，通常是有意義的符號序列

訊號 （signal）——-資料的電氣的或電磁的表現，是資料在傳輸過程中的

存在形式

模擬訊號

/連續訊號（analogous signal）——-代表訊息的引數的取值是連續的

數字訊號/

離散訊號（digital signal）——-代表訊息的引數的取值是離散的

碼元

（code）——-在使用時間域（或簡稱為時域）的波形表示數字訊號時，代表不同離散數值的基本波形

信源——-產生和傳送資料的源頭

信宿——-接收資料的終點

通道

——-訊號的傳輸媒介，一般用來表示向某

一個

方向傳送資訊的媒體，因此一條通訊鏈路包含一條傳送通道和一條接收通道

單向通訊（單工通訊）——只能有一個方向的通訊而沒有反方向的互動。

雙向交替通訊（半雙工通訊）——通訊的雙方都可以傳送資訊，但不能雙方同時傳送（當然也就不能同時接收）。

雙向同時通訊（全雙工通訊）——通訊的雙方可以同時傳送和接收資訊。

基帶訊號（基本頻帶訊號）——-

來自信源的訊號

，可分為數字基帶訊號和模擬基帶訊號

基帶訊號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，不能在通道上傳輸。因此必須對基帶訊號進行調製（modulation）。調製分為

基帶調製

與

帶通調製

：

基帶調製：僅對基帶訊號的

波形

進行變換，使它能夠與通道特性相適應。變換後的訊號仍然是基帶訊號。把這種過程稱為

編碼

（coding）。

帶通調製：使用載波 （carrier）進行調製，把基帶訊號的頻率範圍搬移到較高的頻段，並轉換為模擬訊號，這樣就能夠更好地在模擬通道中傳輸（即僅在一段頻率範圍內能夠透過通道）。經過載波調製後的訊號叫帶通訊號。

常見編碼方式：

不歸零制（NRZ，not return to zero）：正電平代表 1，負電平代表 0。

歸零制（RZ，return to zero）：正脈衝代表 1，負脈衝代表 0。

曼徹斯特編碼：位週期中心的向上跳變代表 0，位週期中心的向下跳變代表 1。但也可反過來定義。

差分曼徹斯特編碼：在每一位的中心處始終都有跳變。位開始邊界有跳變代表 0，而位開始邊界沒有跳變代表 1。

不歸零制不能從訊號波形本身中提取訊號時鐘頻率（這叫做沒有自同步能力），而曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼具有自同步能力。比如對於不歸零制，如果連續的三個0在一起，由於每個0直接沒有明顯界限，接收端可能無法識別實際收到了幾個0。

①最基本的二元制帶通調製方法：

調幅（AM）：載波的

振幅

隨基帶數字訊號而變化。

調頻（FM）：載波的

頻率

隨基帶數字訊號而變化。

調相（PM） ：載波的初始

相位

隨基帶數字訊號而變化。

②正交振幅調製 QAM （Quadrature Amplitude Modulation）：

在頻率相同的前提下，將AM與PM結合起來，形成疊加訊號。設波特率為B，採用m個相位，每個相位有n中振幅，則該QAM技術的資料傳輸率R為：

碼元是指一個

固定時長

的

訊號波形

，代表不同離散數值的基本波形，當碼元的離散狀態有M種時，此時的碼元為M進位制碼元。一個碼元可以攜帶多個位元的資訊。M進位制碼元攜帶的資訊量為：log2M。

圖中不同的離散狀態有2種，則該碼元為二進位制碼元。

碼元傳輸速率：單位時間內數字通訊系統所傳輸的碼元個數（或者脈衝個數或訊號變化次數），單位是波特（Baud）。若一個碼元攜帶n位元的資訊量，則M波特率的碼元傳輸速率所對應的資訊傳輸速率為Mn bit/s。

注：M進位制碼元攜帶的資訊量為：log2M，證明：

M進位制碼元，有M種不同的離散狀態，需要log2M個二進位制數字來表示這M種離散狀態，故攜帶的資訊量為log2M。比如：對於二進位制碼元，只有兩種離散狀態，用

一個二進位制

數字的0和1即可表示這兩種狀態，也就是1bit；對於四進位制碼元，有四種離散狀態，用

兩個二進位制數字

的00、01、10、11即可表示這四種狀態，也就是log24=2bit。（log2M：2為底數，M為真數）

本文有些內容引用的是《計算機網路計算》謝希仁第七版教材課件。限於個人水平，文中難免有錯誤的地方，歡迎大家批評指正。