数字比特流的编码与调制

原始的二进制序列（基带比特流）通常需要经过编码和调制才能在实际物理介质中传输，这一过程是连接数字域与物理域的关键桥梁。

1. 线路编码：适应物理传输

线路编码将基带比特流转换为适合物理介质传输的电信号或光信号模式，核心目标是：

确保直流平衡，避免信号长期偏向正或负电平

提供足够的跳变，便于接收端提取时钟同步信号

便于错误检测

常见的线路编码方式包括：

• 曼彻斯特编码：以太网（10Mbps）采用，每个比特中间有跳变，跳变方向表示比特值
• 差分曼彻斯特编码：令牌环网采用，通过相邻比特的跳变与否表示比特值，抗干扰性更强
• NRZ-I 编码：USB 2.0 采用，通过电平跳变表示 "1"，不变表示 "0"
• 8B/10B 编码：高速以太网（1Gbps 及以上）采用，将 8 比特数据转换为 10 比特传输，确保足够跳变

以曼彻斯特编码为例，其编码规则使比特流中不存在连续的 "0" 或 "1"，接收端可通过信号跳变精确恢复时钟，这种自同步特性是可靠传输的关键。

2. 调制技术：提升传输效率

在无线通信和高速有线通信中，调制技术将比特流映射到载波的幅度、频率或相位上，实现高频段传输和频谱效率提升：

• 幅度键控（ASK）：通过载波幅度变化表示比特，如 2ASK 用两种幅度表示 "0" 和 "1"
• 频率键控（FSK）：通过载波频率变化表示比特，如蓝牙的 GFSK 调制
• 相位键控（PSK）：通过载波相位变化表示比特，如 4PSK 用 4 种相位表示 2 比特组合
• 正交幅度调制（QAM）：结合幅度和相位调制，如 256QAM 每个符号携带 8 比特信息

调制阶数越高，每个符号携带的比特数越多，频谱效率越高。5G 通信采用的 256QAM 和 1024QAM 技术，使其在有限的频谱资源下实现了高速比特流传输。

3. 纠错编码：保障传输可靠性

由于信道噪声和干扰不可避免，比特流在传输过程中可能发生错误（"0" 变成 "1" 或反之）。纠错编码通过在比特流中加入冗余信息，实现错误的检测和纠正：

• 奇偶校验：最简单的纠错编码，通过增加 1 比特校验位检测奇数个错误
• 循环冗余校验（CRC）：广泛用于数据链路层，能检测出大部分常见错误
• 汉明码：可同时检测和纠正单个比特错误，用于内存等对可靠性要求高的场景
• 卷积码：适用于连续比特流，在移动通信中广泛应用
• 低密度奇偶校验码（LDPC）：接近香农极限的高性能纠错码，用于 5G、卫星通信

纠错编码的开销通常用编码率表示（有效比特数与总比特数之比），如 1/2 编码率表示每传输 1 比特有效信息需要发送 2 比特（含 1 比特冗余）。在噪声较大的信道中，需要更高的冗余度（更低的编码率）来保证可靠性。