数据通信浅析

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计算机网络 是计算机技术与通信技术相结合的产物，而通信技术本身的发展也和计算机技术的应用有着密切的关系。数据通信就是以信息处理技术和计算机技术为基础的通信方式，数据通信技术为计算机网络的应用和发展提供了技术支持和可靠的通信环境。

1、信息、数据与信号

信息的概念。通信的目的是交换信息（Information）。一般认为，信息是人们对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。信息的载体可以是数值、文字、图形、声音、图像以及动画等。任何事物的存在都伴随着相应信息的存在，信息不仅能够反映事物的特征、运动和行为，还能够借助媒体（如空气、光波、电磁波等）传播和扩散。这里把“事物发出的消息、情报、数据、指令、信号等当中包含的意义”定义为信息。

数据的概念。数据是指把事件的某些属性规范化后的表现形式，数据可以被识别，也可以被描述。数据按其连续性可分为模拟数据与数字数据。模拟数据取连续值，数字数据取离散值。

信号的概念。数据在被传送之前，要变成适合于传输的电磁信号——模拟信号或数字信号。可见，信号（signal）是数据的电磁波表示形式，一般以时间为自变量，以表示信息（数据）的某个参量（振幅、频率或相位）为因变量。

模拟数据和数字数据都可用这两种信号来表示。模拟信号是随时间连续变化的信号，如图1（a）所示，这种信号的某种参量，如振幅和频率，可以表示要传送的信息。例如，电视图像信号、语音信号、温度压力传感器的输出信号等。数字信号是指离散的信号，如图1（b）所示，如计算机通信使用的由二进制代码“0”和“1”组成的信号。数字信号在通信线路上传输时要借助电信号的状态来表示二进制代码的值。电信号可以呈现两种状态，分别用“0”和“1”表示。

图1  模拟信号和数字信号波形

值得一提的是，模拟信号与数字信号是有着明显差别的两类信号，它们之间的区别可以这样描述：数字信号只包括“开”和“关”两种离散的状态；模拟信号则包括从“开”到“关”之间的所有状态。但是，模拟信号和数字信号之间并没有存在不可逾越的鸿沟，在一定条件下是可以相互转化的。模拟信号可以通过采样、量化、编码等步骤变成数字信号，而数字信号也可以通过解码、平滑等步骤恢复为模拟信号。

2、基带信号与宽带信号

信号的另一种分类方法是将信号分为基带信号和宽带信号。

（1）基带信号（Baseband Signal）

基带信号是指信源发出的没有经过调制的原始电信号，简单地说就是信源发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如人们说话的声波就是基带信号。基带信号的特点是：频率较低，信号频谱从零频附近开始，具有低通形式。由于在近距离范围内基带信号的衰减不大，信号内容不会发生变化，因此在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输方式。如从计算机到监视器、打印机等外设的信号就是基带传输的。大多数的局域网也是采用基带传输，如以太网、令牌环网等。

（2）宽带信号（Broadband Signal）

宽带信号又称为频带信号，在远距离通信中，由于基带信号具有频率很低的频谱分量，出于抗干扰和提高传输速率的考虑一般不宜直接传输，需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的信号，变换后的信号就是频带信号。频带信号主要用于网络电视和有线电视的信号传输，为了提高传输介质的带宽利用率，频带信号在传输过程中通常要采用多路复用技术。

3、信道及信道的分类

（1）信道的概念

传输信息的必经之路称为信道（Information Channels），包括传输介质和通信设备。传输介质可以是有线传输介质，如电缆、光纤等，也可以是无线传输介质，如电磁波。

（2）信道的分类

信道可以按不同的方法进行分类，常见的分类方法如下。

有线信道和无线信道。使用有线传输介质的信道称为有线信道，主要包括双绞线、同轴电缆和光缆等。以电磁波在空间传播的方式传送信息的信道称为无线信道，主要包括长波信道、短波信道和微波信道等。

物理信道和逻辑信道。物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路，网络中两个节点之间的物理通路称为通信链路，物理信道由传输介质及有关设备组成。逻辑信道也是一种通路，但一般是指人为定义的信息传输通路，在信号收、发点之间并不存在一条物理传输介质，通常把逻辑信道称为“连接”。

数字信道和模拟信道。传输离散数字信号的信道称为数字信道，利用数字信道传输数字信号时不需要进行变换，通常需要进行数字编码；传输模拟信号的信道称为模拟信道，利用模拟信道传送数字信号时需要经过数字信号与模拟信号之间的变换。

4、数据通信的技术指标

传输速率。传输速率是指信道上传输信息的速度，是描述数据传输系统的重要技术指标之一。传输速率一般有两种表示方法，即信号速率和调制速率。

信号速率是指单位时间内所传送的二进制位代码的有效位数，以每秒多少比特数计，单位为比特/秒（bit/s）。数字信号的速率通常用“比特/秒”来表示。

调制速率是指每秒传送的脉冲数，即波特率，单位为波特/秒（Baud/s），是指信号在调制过程中调制状态每秒转换的次数。一“波特”即模拟信号的一个状态，不仅表示一位数据，而且代表了多位数据。所以，“波特”与“比特”的意义是不同的，模拟信号的速率通常用“波特/秒”来表示。

信道带宽。信道带宽是指信道中传输的信号在不失真的情况下占用的频率范围，单位用赫兹（Hz）表示。为了更好地理解带宽的概念，不妨用人的听觉系统打个比方：人耳所能感受的声波范围是20～20000 Hz，低于这个范围的声波称为次声波，高于这个范围的声波称为超声波，人的听觉系统无法将次声波和超声波传递到大脑，所以用20000 Hz减去20 Hz所得的值就好比是人类听觉系统的带宽。数据通信系统的信道传输的不是声波，而是电磁波（包括无线电波、微波、光波等），其带宽就是所能传输电磁波的最大有效频率减去最小有效频率得到的值。

信道容量。信道容量是衡量一个信道传输数字信号的重要参数。信道的传输能力是有一定限制的，某个信道传输数据的速率有一个上限，即单位时间内信道上所能传输的最大比特数，单位为比特/秒（bit/s），将其称为信道容量。无论采用何种编码技术，传输数据的速率都不可能超过信道容量上限，否则信号就会失真。

信道带宽和信道容量的关系。理论分析证明，信道的容量与信道带宽成正比关系，即信道带宽越宽，信道容量就越大，所以人们有时愿意将“带宽”作为信道所能传送的“最高速率”的同义语，尽管这种叫法不太严格。

5、通信方式

通信方式是指通信双方的信息交互的方式，在设计一个通信系统时，还要回答以下 3 个问题。

是采用单工通信方式，还是采用半双工或全双工通信方式？

是采用串行通信方式，还是采用并行通信方式？

是采用同步通信方式，还是采用异步通信方式？

（1）单工、半双工与全双工通信

按照信号传送方向与时间的关系，可以将数据通信分为以下3种方式。

单工通信。单工通信是指通信双方只能由一方将数据传输给另一方，数据信号只能沿一个方向传输，发送方只能发送不能接收，接收方只能接收而不能发送，任何时候都不能改变信号的传送方向，如图2所示。例如，有线电视广播就是一种单工通信方式，电视台只能发送信息，用户的电视机只能接收信息。

图2  单工通信方式

半双工通信。 半双工通信是指通信的双方都可以发送和接收信息，但不能同时发送（当然也不能同时接收），只能交替进行。这种通信方式是一方发送信息，另一方接收信息，一段时间后再反过来（通过开关装置进行切换），如图3所示。例如，对讲机和步话机的工作方式就是典型的半双工通信。

图3  半双工通信方式

全双工通信。全双工通信是指通信的双方可以同时发送和接收信息。全双工通信需要两条信道，一条用来接收信息，另一条用来发送信息，其通信效率很高，但结构复杂、成本高，如图4所示。例如，在电话系统中，用户既可以打电话，又可以接电话。在正常的电话通信过程中，通话的一方在说话，另一方在听电话，当然在不同的时刻，说话和听电话的双方是可以相互转换的，这时的电话通信就属于半双工的通信方式。如果通话的双方发生争吵，同时发表意见，采用的就是全双工通信方式。

图4  全双工通信方式

目前大多数网络中的通信都实现了全双工通信。

（2）串行通信和并行通信

计算机 通常是用8位二进制代码（1字节）来表示一个字符。按照字节使用的信道数，可以将数据通信分为以下两种方式。

串行通信。在数据通信中，可以采用图5所示的方式，将待传送的每个字符的二进制代码按由低到高的顺序，依次发送，这种工作方式称为串行通信。由于计算机内部都采用并行通信，因此，数据在发送之前，要先将计算机中的字符进行并/串转换，在接收端再通过串/并转换，还原成计算机的字符结构，这样才能实现串行通信。串行通信的优点是收、发双方只需要一条传输信道，易于实现，成本低；缺点是速度比较慢。在远程数据通信中，一般都采用串行通信方式。

图5  串行通信方式

并行通信。并行通信是指数据以成组的方式在多个并行信道上同时传输。常用的方式是将构成1个字符代码的几位二进制比特分别通过几条并行的信道同时传输，例如，并行传输中一次传送8比特，如图6所示。并行传输的优点是速度快，但发送与接收端之间有若干条线路，费用高，仅适合于近距离和高速数据通信的环境下使用。

图6  并行通信方式

（3）同步技术

同步是数字通信中必须解决的一个重要问题。所谓同步，就是要求通信的收发双方在时间基准上保持一致。在串行通信中，通信双方交换数据，需要有高度的协同动作，彼此间传输数据的速率、每比特持续的时间和间隔都必须相同。下面举例来说明同步的重要性。

甲打电话给乙，当甲拨通电话并确定对方就是他要找的人时，双方就可以进入通话状态。在通话过程中，甲要讲清楚每个字，在每讲完一句话时需要停顿一下。乙也要适应甲的说话速度，听清楚对方讲的每一个字，并根据讲话人的语气和停顿来判断一句话的开始与结束，这样才可能听懂对方所说的每句话，这就是人们在电话通信过程中需要解决的“同步”问题。

与人们通过电话进行通信的过程相似，在数据通信过程中，收发双方同样也要解决同步问题，只是问题更复杂一些。常用的同步技术有以下两种。

异步通信方式。在异步方式中，每传送1个字符都要在每个字符码前加1个起始位，以表示字符代码的开始；在字符代码和校验位后面加1或2个停止位，表示字符结束。接收方根据起始位和停止位来判断一个新字符的开始和结束，从而起到通信双方的同步作用，如图7所示。异步方式的实现比较简单，但因为每传输一个字符都需要多使用2～3位，所以适合于低速通信。

图7  异步通信方式

同步通信方式。在同步方式中，传输的信息格式是由一组字符或一个二进制位组成的数据块（帧）。对这些数据，不需要附加起始位和停止位，而是在发送一组字符或数据块之前先发送一个同步字符SYN（以01101000表示）或一个同步字节（01111110），用于接收方进行同步检测，从而使收发双方进入同步状态。在同步字符或字节之后，可以连续发送任意多个字符或数据块，发送数据完毕后，再使用同步字符或字节来标识整个发送过程的结束，如图8所示。

图8  同步通信方式

在同步传送时，由于发送方和接收方将整个字符组作为一个单位传送，且附加位又非常少，从而提高了数据传输的效率。 这种方法一般用在高速传输数据的系统中，如计算机之间的数据通信。

另外，在同步通信中，收发双方的时钟要严格同步，而使用同步字符或同步字节，只是用于同步接收数据帧，只有保证接收端接收的每一比特都与发送端保持一致，接收方才能正确地接收数据，这就要使用位同步的方法。 对于位同步，收发双方可以使用一个额外的专用信道发送同步时钟来保持双方同步，也可以使用编码技术将时钟编码到数据中，在接收数据的同时，获取到同步时钟，两种方法相比，后者的效率更高，使用最为广泛。

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