Применяются два основных типа физического кодирования – на основе синусоидального несущего сигнала и на основе последовательности прямоугольных импульсов. Первый способ часто называется также модуляцией или аналоговой модуляцией, подчеркивая тот факт, что кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналогового сигнала. Второй способ обычно называют цифровым кодированием. Эти способы отличаются шириной спектра результирующего сигнала и сложностью аппаратуры, необходимой для их реализации.

При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды. В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, частью импульса – перепадом потенциала определенного направления.

При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной информации необходимо выбрать такой способ кодирования, который одновременно бы достигал нескольких целей:

• имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;
• обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;
• обладал способностью распознавать ошибки;
• обладал низкой стоимостью реализации.

Более узкий спектр сигналов позволяет на одной и той же линии (с одной и той же полосой пропускания) добиваться более высокой скорости передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей, то есть наличия постоянного тока между передатчиком и приемником. Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи. В сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых несут для передатчика информации о том, в какой момент времени необходимо осуществить распознавание очередного бита.

Требования, предъявляемые к методам кодирования, являются взаимно противоречивыми, поэтому каждый из рассмотренных ниже методов цифрового кодирования обладает своими преимуществами и своими недостатками по сравнению с другими

На рис.  приведены наиболее популярные способы физического кодирования.

Потенциальный код без возвращения к нулю (Non Return to Zero, NRZ)

Метод NRZ прост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок (из-за двух резко отличающихся потенциалов), но не обладает свойством самосинхронизации. При передаче длинной последовательности единиц или нулей сигнал на линии не изменяется, поэтому приемник лишен возможности определять по входному сигналу моменты времени, когда в очередной раз нужно считывать данные. Для синхронизации начала приема пакета используется стартовый служебный бит, например, единица. Самый распространенный протокол RS232, применяемый для соединений через последовательный порт ПК, также использует код NRZ. Передача информации ведется байтами по 8 бит, сопровождаемыми стартовыми и стоповыми битами.

Потенциальный код NRZI (Non Return to Zero Inverted)

Этот код удобен в тех случаях, когда использование третьего уровня сигнала весьма нежелательно, например в оптических кабелях, где устойчиво распознаются два состояния сигнала – свет и темнота. Код NRZI не имеет синхронизации. Это является самым большим его недостатком. Если тактовая частота приемника отличается от частоты передатчика, теряется синхронизация, биты преобразуются, данные теряются. Для синхронизации начала приема пакета используется стартовый служебный бит, например, единица. Наиболее известное применение кода NRZI – стандарт ATM155.

Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI)

В этом методе (рис 1, в) используются  три уровня потенциала – отрицательный, нулевой и положительный. Для кодирования логической единицы используется нулевой потенциал, а логическая единица кодируется либо положительным, либо отрицательным потенциалом, при этом потенциал каждой новой единице противоположен потенциалу предыдущей.

Код AMI частично ликвидирует проблемы постоянной составляющей и отсутствия самосинхронизации, присущие коду NRZ. Это происходит при передаче длинных последовательностей единиц. В этих случаях сигнал на линиях представляет собой последовательность разнополярных импульсов с тем же спектром, что и кода NRZ, предающие чередующиеся нули и единицы, то есть без постоянной составляющей.

В целом, для различных комбинаций бит на линии использование кода AMI приводит к более узкому спектру сигнала, чем для кода NRZ, а значит, и к более высокой пропускной способности линии.

Биполярный импульсный код

Кроме потенциальных кодов в сетях используются и импульсные коды, когда данные представлены полным импульсом или же его частью – фронтом. Наиболее простым случаем такого подхода является биполярный импульсный код, в котором единица представлена импульсом одной полярности, а ноль – другой  (рис. 1, г). Каждый импульс длится половину такта. Такой подход обладает отличным самосинхронизирующими свойствами, но постоянная составляющая может присутствовать, например, при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Кроме того, спектр у него шире, чем у потенциальных кодов.

Манчестерский код (Манчестер II)

Он применяется в технологиях Ethernet и Token Ring. В манчестерском коде для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, то есть фронт импульса. При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль – обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд. Так как сигнал изменяется, по крайней мере, один раз за такт передачи одного бита данных, то манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами. Полоса пропускания манчестерского кода уже, чем у биполярного импульсного. У него так же нет постоянной составляющей. Для передачи используется два уровня сигнала. Манчестерский код нашел применение в оптоволоконных и электропроводных сетях.

Код MLT-3

Код (е) трехуровневой передачи MLT-3 (Multi Level Transmission – 3) имеет много общего с кодом NRZ. Важнейшее отличие – три уровня сигнала. Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на другой. Изменение уровня сигнала происходит последовательно с учетом предыдущего перехода. Максимальной частоте сигнала соответствует передача последовательности единиц. При передаче нулей сигнал не меняется. Информационные переходы фиксируются на границе битов. Один цикл сигнала вмещает четыре бита. Недостаток кода MLT-3, как и кода NRZ – отсутствие синхронизации. Эту проблему решают с помощью преобразования данных, которое исключает длинные последовательности нулей и возможность рассинхронизации.

Потенциальный код 2B1Q (PAM 5)

На рис 1, ж показан пятиуровневый код, в котором используется 5 уровней амплитуды и двухбитовое кодирование. Это код 2B1Q (или PAM 5), название которого отражает его суть – каждые два бита (2B) передаются за один такт сигналом, имеющем четыре состояния (1Q). Паре бит 00 соответствует потенциал –2,5 В, паре бит 01 соответствует потенциал –0,833 В, паре 11 – потенциал +0,833 В, а паре 10 – потенциал +2,5 В. при этом методе кодирования требуются дополнительные меры по борьбе с длинными последовательностями одинаковых пар бит, так как при этом сигнал превращается в постоянную составляющую. При случайном чередовании бит спектр сигнала в два раза уже, чем у кода NRZ, так как при той же битовой скорости длительность импульса длительность такта увеличивается в два раза. Таким образом, с помощью кода 2B1Q можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью кода AMI или NRZI. Однако при его реализации мощность передатчика должна быть выше, чтобы четыре уровня четко различались приемником на фоне помех. Пятый уровень добавлен для создания избыточности кода, используемого для исправления ошибок. Это дает дополнительный резерв соотношения сигнал / шум 6 дБ.