每天一个网络知识：数字传输

AI科技 2025年10月27日 16:53 0 admin

数字传输（Digital Transmission）是指将二进制数字信号（0和1的序列）通过传输介质发送到接收端的通信过程。它是现代网络的核心，与模拟传输（连续波形，如老式电话线）相对。为什么数字传输这么重要？因为它抗噪性强、易于处理和存储。在计算机时代，一切数据都数字化：文本、图像、视频，全都转化为比特流（bit stream）。根据OSI模型，数字传输主要发生在物理层和数据链路层，确保信号从发送端编码、传输，到接收端解码。

简单说，数字传输的过程像寄快递：发送端打包数据（编码），快递员（介质）运送，接收端拆包（解码）。如果快递途中雨淋湿了包裹，模拟信号可能面目全非；但数字信号有“纠错”机制，能恢复原貌。这就是为什么互联网、5G和物联网都依赖数字传输——全球每天传输的泽字节数据，全靠它支撑！

数字传输的基础是数字信号：离散的电平变化，通常是高电平（1）和低电平（0）。它不像模拟信号那样连续波动，而是方波形式，易于用逻辑门处理。但信号在长距离传输中会衰减、失真，所以需要编码来增强同步和抗干扰。

常见编码技术

编码是将数据比特转化为适合传输的电信号。最基本的如非归零码（NRZ）：1用高电平，0用低电平。简单高效，但长串0或1会导致时钟不同步——接收端分不清比特边界。记得吗？就像连续的“嘟嘟”声，你数不清是几声。

为了解决这，工程师发明了曼彻斯特编码（Manchester Encoding）：每个比特中途翻转，1是低到高，0是高到低。这内置了时钟信号，同步性强，常用于以太网。另一种是差分曼彻斯特（Differential Manchester），更抗干扰，适合工业网络。

还有归零码（RZ）：比特结束时归零，确保同步，但带宽消耗大。实际中，选择编码取决于介质：光纤用NRZ以太网，USB用曼彻斯特。课堂实验：用Arduino板生成NRZ信号，用示波器观察波形，再切换曼彻斯特，看同步如何改善。这能让学生直观感受到编码的魔力。

编码不只为同步，还为错误检测。比如，4B/5B编码：4比特数据用5比特表示，确保至少一个跳变，避免长零序列。现代高速网络如10G Ethernet，就用64B/66B编码，平衡效率和可靠性。

数字传输的模式

传输模式决定了数据流动方向，影响网络效率。

分为三种：

单工传输

单工（Simplex）像收音机：数据只从发送端到接收端，无法反向。传输简单，带宽全用在一方。典型应用：键盘到电脑的输入，或电视信号广播。优势是成本低，但交互差——你没法“回音”给广播站。

半双工传输

半双工（Half-Duplex）允许双向，但不能同时。像对讲机，按键说话时对方听。经典例子：老式Walkie-Talkie或早期以太网的CSMA/CD协议（载波监听多路访问/碰撞检测）。它节省线路，但延迟高：A说时B等，易碰撞。现代无线对讲仍用它。

全双工传输

全双工（Full-Duplex）是王者：发送和接收同时进行，像手机通话。需要两条通道（或频分复用）。优势：吞吐量翻倍，无碰撞。以太网的现代标准（如Gigabit Ethernet）全用它，支持双绞线的两对线一进一出。缺点？成本高，需防回波（echo）干扰。

选择模式看场景：监控系统用单工，聊天App用全双工。学生讨论：如果Zoom会议用半双工，会多乱？答案：发言抢麦大战！

数字传输中的调制与解调

纯数字信号在铜线上易衰减，长距离需调制：将数字比特叠加到模拟载波上。调制（Modulation）像给信号“穿外套”——ASK（幅度键控）：改变幅度；FSK（频移键控）：变频率；PSK（相移键控）：变相位。QAM（正交幅度调制）结合多参数，支持高密度数据，如WiFi的802.11ac。

接收端用解调（Demodulation）剥离外套，恢复比特。调制让数字传输“借道”模拟介质：电话线用V.34调制上网，光纤用直接光调制。5G时代，OFDM（正交频分复用）调制让信号抗多径衰落，速度飙到Gbps。

但调制引入噪声挑战：信噪比（SNR）低时，误码率（BER）升。工程师用前向纠错（FEC）如Reed-Solomon码，自动修复比特错误。实际案例：卫星通信用PSK调制，穿越太空仍可靠。

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