深入理解曼彻斯特编码及其变种-先知社区

曼彻斯特编码 (Manchester Encoding)

曼彻斯特编码是一种在数字通信和数据存储中广泛应用的线路编码技术。其核心特点是在每个数据位的中间时刻引入电平跳变，这个跳变既承载了时钟同步信号，也用于表示数据本身。由于其内置了同步机制，因此也被称为

自同步码 (Self-Synchronizing Code)

或

相位编码 (Phase Encoding, PE)

。

核心原理

曼彻斯特编码的基本思想是，每一个原始数据比特都被扩展为两个电平状态（或称为码元、chip）来表示。在每个原始比特的持续时间的中心点，信号电平必定会发生一次跳变。

这个在比特中点发生的跳变是曼彻斯特编码的关键，它为接收端提供了精确的时钟同步信息。数据的表示则依赖于这个跳变的方向，或者说，依赖于比特周期内前半部分和后半部分的电平高低组合。

编码规则的两种主要约定

对于标准的曼彻斯特编码，通常有两种广为流传的定义（它们在逻辑值与电平跳变方向的对应关系上正好相反）：

IEEE 802.3 标准 (常用于以太网)

○

逻辑

'1'

：表示为在比特周期中间从

低电平跳变到高电平

(LH)。

○

逻辑

'0'

：表示为在比特周期中间从

高电平跳变到低电平

(HL)。

G.E. Thomas 提出的方式 (有时也被视为“经典”约定)

○

逻辑

'0'

：表示为在比特周期中间从

低电平跳变到高电平

(LH)。

○

逻辑

'1'

：表示为在比特周期中间从

高电平跳变到低电平

(HL)。

注意

：G.E. Thomas 方式定义的标准曼彻斯特编码有时容易与“差分曼彻斯特编码”的概念混淆。关键在于，标准曼彻斯特编码（无论是IEEE 802.3还是G.E. Thomas约定）的核心是

比特中间的跳变方向直接定义了数据值

。而差分曼彻斯特编码的数据表示依赖于比特开始处是否有跳变。

关键特性

●

位中间跳变

：无论传输的是逻辑 '0' 还是 '1'，在每个比特周期的精确中间位置，信号电平都会发生一次转换。这是其最显著的物理特征。

●

同步信息

：接收端可以检测这个位中间的跳变来精确地恢复时钟信号，从而与发送端保持同步。这有效解决了像不归零 (NRZ) 编码那样可能因连续的相同数据位而导致同步丢失的问题。

●

无直流分量 (No DC Component)

：由于每个比特周期内，高电平和低电平占据的时间通常是相等的（因为总有一次跳变），所以信号的平均直流分量趋近于零。这使得曼彻斯特编码的信号可以直接通过不允许有直流分量的传输介质，例如变压器耦合的线路。

●

错误检测能力

：由于每个比特都必须有一次中点跳变，如果接收端在预期的中点没有检测到跳变，或者在不应该有跳变的地方（如比特边界处，对于非差分编码而言）检测到跳变，就可以指示可能发生了传输错误。

标准曼彻斯特编码示例

下面我们用表格清晰展示上述两种主要约定的标准曼彻斯特编码规则。我们约定高电平为 '1'，低电平为 '0'。

表1: IEEE 802.3 曼彻斯特编码规则

原始数据	规则说明 (编码定义)	比特周期前半段电平	比特周期后半段电平	形成的编码 (电平序列 1/0)	比特中点电平跳变方向
0	信号在比特中点由高跳变到低	高 (1)	低 (0)	10	高 → 低
1	信号在比特中点由低跳变到高	低 (0)	高 (1)	01	低 → 高

表2: G.E. Thomas 曼彻斯特编码规则

原始数据	规则说明 (编码定义)	比特周期前半段电平	比特周期后半段电平	形成的编码 (电平序列 1/0)	比特中点电平跳变方向
0	信号在比特中点由低跳变到高	低 (0)	高 (1)	01	低 → 高
1	信号在比特中点由高跳变到低	高 (1)	低 (0)	10	高 → 低

图片加载失败

上图是根据两种规定的曼彻斯特编码方式

差分曼彻斯特编码 (Differential Manchester Encoding)

差分曼彻斯特编码是曼彻斯特编码的一种重要变种。它同样在每个比特周期的中间有一次电平跳变（主要用于时钟同步），但其表示数据的方式与标准曼彻斯特编码不同。

核心原理与编码规则

差分曼彻斯特编码通过

比特周期的起始处是否存在电平跳变

来表示数据：

●

逻辑

'0'

：通过在比特周期的

开始处引入一次电平跳变

来表示（相对于前一个比特周期的结束电平而言）。

●

逻辑

'1'

：通过在比特周期的

开始处不发生电平跳变

来表示（即当前比特的起始电平与前一个比特的结束电平相同）。

无论数据是 '0' 还是 '1'，

比特周期的中间仍然必须有一次电平跳变

以维持时钟同步。这意味着差分曼彻斯特编码的每个比特单元的两个半周期电平也总是相反的。

关键特性

●

自同步性

：与标准曼彻斯特编码一样，通过比特中点的固定跳变实现。

●

对信号极性不敏感（部分情况）

：由于数据是通过“变化”或“无变化”来表示的，而不是绝对的电平高低或跳变方向，因此在某些情况下，如果整个信号流的极性被意外反转，差分编码仍然可以被正确解码（但这取决于接收器的具体实现）。

●

需要初始参考

：解码第一个比特时，需要知道数据流开始之前的线路电平状态，作为判断第一个比特开始处是否有跳变的参考。

●

无直流分量

：与标准曼彻斯特编码类似。

差分曼彻斯特编码示例

下表展示了差分曼彻斯特编码的过程。注意，当前比特的编码依赖于前一个比特的结束电平。

原始数据 (D)	前一比特结束电平 (Prev_End)	当前比特开始处是否有跳变?	当前比特前半段电平 (S1)	当前比特后半段电平 (S2) (S2 必定与S1相反)	形成的编码 (电平序列 S1S2)
(初始状态)	(假设为高 '1')	-	-	-	-
0	高 ('1')	是 (S1≠Prev_End)	低 ('0')	高 ('1')	01
1	高 ('1')	否 (S1=Prev_End)	高 ('1')	低 ('0')	10
0	低 ('0')	是 (S1≠Prev_End)	高 ('1')	低 ('0')	10
1	低 ('0')	否 (S1=Prev_End)	低 ('0')	高 ('1')	01

(上表示例中，S2 的选择是为了确保中点跳变，例如若S1为低，则S2为高，反之亦然。实际波形会自然形成这种中点跳变。)

曼彻斯特编码的解码过程

无论是标准曼彻斯特编码还是差分曼彻斯特编码，其解码过程都依赖于对信号中电平跳变的精确检测。

1. 时钟恢复与同步 (Clock Recovery and Synchronization)

●

寻找跳变

：解码器首先持续检测输入信号中的电平跳变。对于这两种曼彻斯特编码，每个比特周期的中间都保证有一次跳变。

●

同步时钟

：利用这些周期性的中点跳变，接收端可以调整其内部时钟，使其与发送数据的速率和相位同步。硬件实现中常使用锁相环 (PLL)。

●

确定比特边界

：一旦时钟同步，接收端就能准确地划分出每个曼彻斯特编码符号（代表一个原始数据位）的起始和结束时刻，以及关键的比特周期中点。

2. 识别比特内的电平模式/跳变特征

对于每一个已确定边界的编码符号：

●

标准曼彻斯特解码

：

○

方法一 (检测中点跳变方向)

：在比特周期的中间时刻，判断电平是从高跳到低 (H→L)，还是从低跳到高 (L→H)。

○

方法二 (采样前后半段电平)

：分别采样比特周期前半段和后半段的电平，比较两者以确定是 “高-低”(HL) 模式还是 “低-高”(LH) 模式。

●

差分曼彻斯特解码

：

○

获取当前比特周期的第一个半周期电平 (S1)。

○

获取前一个比特周期的第二个半周期电平 (即前一比特的结束电平)。

○

比较 S1 与前一比特的结束电平，判断当前比特开始时是否发生了跳变。

○

同时，必须验证当前比特的 S1 和 S2 是否相反

，以确认比特内中点跳变的存在。如果 S1 和 S2 相同，则这是一个无效的差分曼彻斯特编码符号。

3. 应用编码规则进行解码

根据已知的编码标准（IEEE 802.3, G.E. Thomas, 或差分曼彻斯特）和上一步识别出的特征，将每个编码符号转换回原始的 '0' 或 '1'。

●

IEEE 802.3

：

○

高→低 (HL /

) 解码为

'0'

。

○

低→高 (LH /

) 解码为

'1'

。

●

G.E. Thomas

：

○

低→高 (LH /

) 解码为

'0'

。

○

高→低 (HL /

) 解码为

'1'

。

●

差分曼彻斯特

：

○

比特开始处

有

电平跳变，解码为

'0'

。

○

比特开始处

无

电平跳变，解码为

'1'

。

○

(解码第一个比特时，需要知道数据流开始前的信号电平作为初始参考。)

4. 处理数据流

对接收到的整个曼彻斯特编码信号流，逐个编码符号重复上述同步、识别和解码步骤，最终将解码出的所有原始数据位按顺序排列，恢复出原始信息。

Summary

tips: 这里给没有理解清楚的小白开个小灶,如果理解深刻的话，可以直接翻阅我下面写的python脚本以及小福利哈

相信上面的内容还是对小白不够友好，我这里做个总结，把过程再剖析下，希望大家能理解清楚

电脑是不直接认识字母’a’的，它只认识’0’,’1’,所以我们需要先把’a’变成标准的二进制暗号

在ASCII表中，字母a的十进制为97，转换成8位二进制数后，就是

01100001

这里的三种编码方式，我会选择一个很通俗易懂的例子：手电筒规则

IEEE 802.3编码

想象一下，我们现在要用手电筒发送一串01100001给朋友，然后我们的手电筒只有两种状态：

●

亮（高电平，用1代表）

●

低（低电平，用0代表）

然后IEEE 802.3曼彻斯特编码的规则是：

●

要发送原始数据0时，我们需要让手电筒先

亮

一段时间，然后在发送这个0的时间段的正中间，立刻把手电筒变成

灭

，所以，0的信号模式是“亮-灭”（即10）

●

要发送原始数据1时，我们需要让手电筒先

灭

一段时间，然后在发送这个1的时间段的正中间，立刻把手电筒变成

亮

，所以，1的信号模式是“灭-亮”（即01）

接下来看那个字母a，它的二进制编码是

01100001

过程如下：

●

发送第一个比特

：

○

规则：

→ “亮-灭” (

)

○

手电筒动作：先亮，后灭。

○

编码后的电平：

●

发送第二个比特

：

○

规则：

→ “灭-亮” (

)

○

手电筒动作：先灭，后亮。

○

编码后的电平：

●

发送第三个比特

：

○

规则：

→ “灭-亮” (

)

○

手电筒动作：先灭，后亮。

○

编码后的电平：

●

发送第四个比特

：

○

规则：

→ “亮-灭” (

)

○

手电筒动作：先亮，后灭。

○

编码后的电平：

●

发送第五个比特

：

○

规则：

→ “亮-灭” (

)

○

手电筒动作：先亮，后灭。

○

编码后的电平：

●

发送第六个比特

：

○

规则：

→ “亮-灭” (

)

○

手电筒动作：先亮，后灭。

○

编码后的电平：

●

发送第七个比特

：

○

规则：

→ “亮-灭” (

)

○

手电筒动作：先亮，后灭。

○

编码后的电平：

●

发送第八个比特

：

○

规则：

→ “灭-亮” (

)

○

手电筒动作：先灭，后亮。

○

编码后的电平：

接下来将上面编码后的电平记录出来10 01 01 10 10 10 10 01

感觉还算简单吧

G.E.Thomas曼彻斯特编码

同样，我们使用字母a进行研究

G.E.Thomas曼彻斯特编码的手电筒规则如下

●

要发送原始数据

时

：我们需要让手电筒先

灭

一小段时间，然后在发送这个

的时间段的

正中间

，立刻把手电筒变成

亮

。所以，

的信号模式是 “灭-亮”（即

）。

●

要发送原始数据

时

：我们需要让手电筒先

亮

一小段时间，然后在发送这个

的时间段的

正中间

，立刻把手电筒变成

灭

。所以，

的信号模式是 “亮-灭”（即

）。

这样的话，我们发送完整的数据的过程是

●

发送第一个比特

：

○

规则 (G.E. Thomas)：

→ “灭-亮” (

)

○

手电筒动作：先灭，后亮。

○

编码后的电平：

●

发送第二个比特

：

○

规则 (G.E. Thomas)：

→ “亮-灭” (

)

○

手电筒动作：先亮，后灭。

○

编码后的电平：

●

发送第三个比特

：

○

规则 (G.E. Thomas)：

→ “亮-灭” (

)

○

手电筒动作：先亮，后灭。

○

编码后的电平：

●

发送第四个比特

：

○

规则 (G.E. Thomas)：

→ “灭-亮” (

)

○

手电筒动作：先灭，后亮。

○

编码后的电平：

●

发送第五个比特

：

○

规则 (G.E. Thomas)：

→ “灭-亮” (

)

○

手电筒动作：先灭，后亮。

○

编码后的电平：

●

发送第六个比特

：

○

规则 (G.E. Thomas)：

→ “灭-亮” (

)

○

手电筒动作：先灭，后亮。

○

编码后的电平：

●

发送第七个比特

：

○

规则 (G.E. Thomas)：

→ “灭-亮” (

)

○

手电筒动作：先灭，后亮。

○

编码后的电平：

●

发送第八个比特

：

○

规则 (G.E. Thomas)：

→ “亮-灭” (

)

○

手电筒动作：先亮，后灭。

○

编码后的电平：

总结上面的所有电平信号：0110100101010110

小Summary

这里给出我的理解，IEEE 802.3编码结构是时钟+数据，也就是说，每两个数字中，一直是状态量+数据值，然后G.E.Thomas就不一样了，或者说恰恰相反，它的结构就是先数据值再状态量

差分曼彻斯特编码

这个类型就和前两个差距稍微明显了一点点

差分曼彻斯特编码的规则更加关注“变化”本身：

比特中间的跳变依然存在

：和标准曼彻斯特编码一样，在每个原始比特的持续时间的

正中间

，手电筒的状态（亮/灭）

必须反转一次

。这是为了保持时钟同步。

数据的表示看比特开始时：

○

要发送原始数据

时

：在

开始

发送这个 '0' 的那一刻，手电筒的状态必须与

上一个比特结束时的状态相反

（即发生一次电平跳变）。

○

要发送原始数据

时

：在

开始

发送这个 '1' 的那一刻，手电筒的状态必须与

上一个比特结束时的状态相同

（即不发生电平跳变）。

关键点

：差分编码需要知道“上一个比特结束时的状态”是什么。那么对于第一个要发送的比特，它“上一个比特”是什么呢？我们需要一个

初始状态

的约定。

这种编码关注的点其实是跳变，如果数据是0的话，我们就必须在最开始跳变一次，如果是1的话，我们就不能在最开始跳变

先看看发送数据的过程（假设初始手电筒是亮的，也就是说状态量为1）

●

发送第一个比特

：

○

规则：发送 '0' 时，比特开始处要有跳变。

○

当前手电筒是

亮 ('1')

。为了有跳变，这个比特开始时手电筒要变成

灭 ('0')

(这是比特的第一半状态)。

○

比特中间必须再次跳变：所以后半段手电筒从灭('0') 变成

亮 ('1')

。

○

编码后的电平：

。

○

更新状态

：这个比特结束时，手电筒是

亮 ('1')

。

●

发送第二个比特

：

○

规则：发送 '1' 时，比特开始处无跳变。

○

上一个比特结束时手电筒是

亮 ('1')

。为了无跳变，这个比特开始时手电筒保持

亮 ('1')

(这是比特的第一半状态)。

○

比特中间必须再次跳变：所以后半段手电筒从亮('1') 变成

灭 ('0')

。

○

编码后的电平：

。

○

更新状态

：这个比特结束时，手电筒是

灭 ('0')

。

●

发送第三个比特

：

○

规则：发送 '1' 时，比特开始处无跳变。

○

上一个比特结束时手电筒是

灭 ('0')

。为了无跳变，这个比特开始时手电筒保持

灭 ('0')

。

○

比特中间跳变：后半段变成

亮 ('1')

。

○

编码后的电平：

。

○

更新状态

：这个比特结束时，手电筒是

亮 ('1')

。

●

发送第四个比特

：

○

规则：发送 '0' 时，比特开始处要有跳变。

○

上一个比特结束时手电筒是

亮 ('1')

。为了有跳变，这个比特开始时变成

灭 ('0')

。

○

比特中间跳变：后半段变成

亮 ('1')

。

○

编码后的电平：

。

○

更新状态

：这个比特结束时，手电筒是

亮 ('1')

。

●

发送第五个比特

： (同上，前一个结束为亮'1')

○

编码后的电平：

。

○

更新状态

：结束时为

亮 ('1')

。

●

发送第六个比特

： (同上，前一个结束为亮'1')

○

编码后的电平：

。

○

更新状态

：结束时为

亮 ('1')

。

●

发送第七个比特

： (同上，前一个结束为亮'1')

○

编码后的电平：

。

○

更新状态

：结束时为

亮 ('1')

。

●

发送第八个比特

：

○

规则：发送 '1' 时，比特开始处无跳变。

○

上一个比特结束时手电筒是

亮 ('1')

。为了无跳变，这个比特开始时保持

亮 ('1')

。

○

比特中间跳变：后半段变成

灭 ('0')

。

○

编码后的电平：

。

○

更新状态

：这个比特结束时，手电筒是

灭 ('0')

。

总结下所有的电平信号，得到了0110010101010110

希望上面的Summary能帮助到大家

Python 脚本 (用于编码)

以下是一个python脚本，它可以读取任意路径的文件，任意格式，然后可以自定义三种曼彻斯特编码模式，以及选择是否进行逆序处理

还有ASCII预览呢

Python 脚本 (用于解码)

以下是一个 Python 脚本，它可以读取包含 '0' 和 '1' 字符（代表编码后的电平状态）的文件，并根据用户选择的曼彻斯特编码标准（包括差分曼彻斯特）进行解码，同时提供ASCII预览和逆序选项。

小福利（网鼎杯-朱雀组-Misc1)

图片加载失败

特别安利平台CTF+

这是题目链接

https://www.ctfplus.cn/problem-detail/1863418368669782016/description

下载附件，发现只有01的字符串，最开始我以为是二进制转ASCII呢，可惜不是

图片加载失败

后来研究了下，发现是曼彻斯特编码

鉴于曼彻斯特就那么几种编码而已，我就索性一个一个尝试了呗，就三个，尝试过前两个，都没看出什么东西

图片加载失败

但是在差分这里出现了特别特殊的东西，PK

图片加载失败

就先提取下来好了，我现在检查下这个压缩包

图片加载失败

有些地方有点点小问题，我看着改改

如果没有记住zip的详细结构的话，这里有个小技巧，就是随便压缩个文件，一一比对

来看看文件结尾

图片加载失败

但是呢，我越改越感觉不对，一个是工作量太大了吧，另一个是不太好盯这里的差异，不过我发现了一点，结合最开头的未知6字节，加上这里插入的6字节，出题人这里插入的数据还挺规律的，那就先查看下整个压缩包的16进制的特殊地方吧，这里我选择一行按照44个字节输出，理由是6+16+6+16，这里的16是因为我发现最前面的zip压缩包的魔数是16字节没有问题的，maybe这样可以将规律找出来

运行完脚本后，就得到了很显然的规律

图片加载失败

但是这里并不允许我使用查找功能替换掉那些多余数据，那就继续6+16+6+16咯

这样处理后，我的压缩包就能打开了

图片加载失败

这里发现是个加密压缩包，检查完并不是伪加密，明文攻击png魔数这些攻击类型，那就只能是密码爆破了，希望密码能设置简单一点点

图片加载失败

得到密码：12345678

用010 editor查看secret.png

图片加载失败

发现末尾插入了串base64编码，解码后得到

图片加载失败

既然是png的某一种带key加密，这里可以尝试

PixelJihad

图片加载失败

得到flag：

wdflag{f3b32f2151a877cad089c25994e5da4a}

曼彻斯特在音频中的应用

如果看得不够舒服的话，请看我的博客文章

https://www.yo1o.top/2025/05/11/Manchester-encoding/

在平常ctf比赛中，会遇到wav这类音频隐写中出现这种隐写

图片加载失败

题目分析

先说明怎么看这种波形图，其实很简单，主要看最上面的时间轴

先放足够大

图片加载失败

先关注这个波形图的起点，以时间轴为标准，看样子是0.1s开始的，然后看第二个箭头，它可以帮助我们找到电平持续长度，这个知识点我上面对原理说明中提到过，通过观察，可以判断最小bit位的一半是0.105-0.100=0.005，所以最小电平持续时间应该是0.005*2=0.01s

注意

这里的最小bit位不一定是最前面看到的那个，我们要综合看完整的波形图，找出里面最短的波形就是了，还有啊，这里的电平是要满足一个周期长度的，所以0.005仅仅是半个周期，要记得×2

提取脚本及其用法

这里直接给出我搓的提取脚本，对了，原理部分我就不重复了，我主要是按照我上面的原理写的

先说说怎么使用我的代码

图片加载失败

在终端面板使用

会不会太过自由，不太好用？

这里拿样本举个例子，在上面的题目分析中，我们知道开始时间为0.1，最小bit电平长度为0.01，然后根据文件名，可以判断这个音频是IEEE8023编码模式，那么脚本就应该这样用

图片加载失败

如果题目没有说明解码模式，这里我们可以直接用all，将多种模式都尝试一遍

然后可以观察到，我这次甚至没有指定-s和-b，这是因为这个音频很普通，甚至没有插入其他杂乱的音频信息，我就按照默认的处理了（当然，掌握波形读图能力是必须的，就按照题目分析部分的那样，拿到一些参数）

这个脚本的亮点是：自由度足够高，可在终端任意输入参数；模式丰富，除了IEEE 802.3、G.E.Thomas和差分曼彻斯特编码，还有一种非标准曼彻斯特编码（点名ISCC，它有一道misc题目，我分析过后，发现不属于任何一种标准曼彻斯特编码）；然后脚本足够人性化，它会把提取出来的数据，先进行预览，将前50个字符转换成ASCII，让我们观察有没有重要信息，如果数据太多，就会保存在文件中去，如果太少，就直接输出终端

编码脚本及其用法

一样是个很nice的脚本呢

这里详细说说使用方法