第一节　数据通信的基本概念

现代通信技术日新月异，出现的数字通信、卫星通信、光纤通信是现代通信中具有代表性的新领域，在这些新领域中，数字通信尤为重要，它是现代通信系统的基础。特别是数字通信技术和计算机技术的紧密结合可以说是通信发展史上的一次飞跃。

一、数据、信息和信号

下面首先介绍数据、信息和信号的基本概念。

1．数据

数据是把事件的某些属性规范化后的表现形式，它能够被识别，也可以被描述。数据又分为数字数据和非数字数据两类，数字数据由阿拉伯数字和小数点组成，可以进行算术运算；非数字数据是由包括阿拉伯数字在内的各种符号组成，不能够进行算术运算。

表达数据的方式和承载数据的媒体是紧密相关的，当数据采用离散的电信号表示时，就称为数字数据，如图2.1.1所示；当数据采用电源表示时，称为模拟数据，如图2.1.2所示。

图2.1.1　数字数据

图2.1.2　模拟数据

2．信息

信息是对数据的解释，它的表示形式可以是数值、文字、图形、声音图像以及动画等，这些表示方式归根到底都是数据。

数据和信息是两个不同的概念。数据是独立的，是尚未组织起来的事实的集合，信息则是经过加工处理后的数据，数据和信息的关系如图2.1.3所示。

图2.1.3　数据和信息的关系

3．信号

信号是数据的具体物理表现形式，如电压、磁场强度等。信号的单位为波特，即每秒钟传送的脉冲数，用来度量信号波形的传输速度。

在通信系统中，把电信号表示的模拟数据叫做模拟信号，把电信号表示的数字数据叫做数字信号。

二、数据通信

通信就是把信息从一个地方传送到另一个地方的过程，如果一个通信系统传输的信息是数据，则把这种通信称为数据通信，实现这种通信的整个系统就是数据通信系统，其基本结构可以用一个简单的通信模型来表示，如图2.1.4所示。产生信息的一端叫信源，接收信息的一端叫信宿，信源和信宿间的通信线路叫做信道。

在实际的数据通信系统中，由于信道中存在干扰噪声，因此传送到信道上的信号在到达信宿之前可能会受到干扰而出错，如图2.1.5所示。

图2.1.4　理想状态下的数据通信系统的模型

图2.1.5　实际环境下数据通信系统的模型

数据通信系统可以分为模拟通信系统和数字通信系统。模拟通信系统是指数据通信系统中处于DCE设备之间的信号为模拟信号的通信系统，如普通电话、广播、电视等都属于模拟通信系统，模拟通信系统一般由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及噪声源组成，如图2.1.6所示为电话通信系统模型。

图2.1.6　电话通信系统模型

数字通信系统是数据通信系统中处于DCE之间的信号为数字信号的通信系统，如计算机通信、数字电话、数字电视等都属于数字通信系统。数字通信系统由信源、信源编码器、信道编码器、调制器、信道、解调器、信道译码器、信源译码器、信宿等组成。数字通信系统的模型如图2.1.7所示。

图2.1.7　数字通信系统模型

三、数据传输

在局域网中，数据传输的方式可分为基带传输和宽带传输两种，基带就是指调制前原始信号所占用的频带，在信道中直接传送基带信号时，称为基带传输。基带传输的信号主要是数字信号，其传输速率在0～10Mb/s之间；宽带是比基带更宽的频带，利用宽带进行的传输称为宽带传输，宽带传输的是模拟信号，如宽带传输系统可以容纳全部广播信号，宽带传输的数据传输速率范围在0～400Mb/s之间。一个宽带可以被划分为多个逻辑基带信道。基带和宽带传输特点的对比如表2.1所示。

1．数据传输方式

数据传输方式有两种，分别为并行数据传输和串行数据传输。

表2.1　基带和宽带传输特点的对比

（1）并行数据传输。并行数据传输是指数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输，如图2.1.8所示是以并行传输的方式将1个字符代码的几位二进制比特分别通过几个并行的信道同时传输，一次传送8个比特。

并行数据传输的优点是速度快，但发送端和接收端之间需要有若干条线路，费用高，因此较适合于近距离和高速率的通信。通常计算机与计算机、计算机与各种外部设备之间的通信方式可以选择并行传输，计算机内部的通信通常都是并行传输。

图2.1.8　并行数据传输

（2）串行数据传输。串行数据以串行方式在一条信道上传输。对于一个由若干位二进制数表示的字符，串行传输都是用一个传输信道，按位有序地对字符进行传输。由于计算机内部都是采用并行数据传输，因此数据在发送前，必须要进行并/串转换，在接收端再进行相反的变换，由此来实现串行通信，如图2.1.9所示。

图2.1.9　串行数据传输

串行数据传输只需要一条传输信道，成本低，但其速度也低，串行数据传输常用于计算机的串口上，在远程通信中通常也采用串行数据传输方式。

2．数据传输同步

所谓数据传输同步就是指数据的发送端和接收端必须保持步调一致，其方法一般有两种，即同步传输和异步传输。

（1）同步传输：同步传输采用的是按位传输的同步技术，即当数据在进行同步传输时，字符间会有一个固定的时间间隔，这个时间间隔由数字时钟来确定。在发送数据前，首先向接收端发送一串同步的时钟脉冲，接收端按照时钟脉冲信号进行频率锁定，然后接收数据信息，如图2.1.10所示。

图2.1.10　同步传输

注意：在同步数据传输中，要求发送端和接收端之间的时钟严格地同步。

（2）异步传输：异步传输采用的是群同步技术，传输的信息可以被分成若干个“群”，群中的比特数不是固定的，在发送端和接收端之间只需要保持一个“群”内的同步。具体来说，异步传输方式传输一个字符时，每个字符前面有一个起始位，后面有一个停止位，当没有数据要发送时，发送器就发出连续的停止位，这样，接收器就可以根据从1到0的跳变来识别一个新字符的开始。此外，异步传输要求每个字符增加2～3位校验码，如图2.1.11所示。

异步传输的主要特点是可以以不同速率发送，且实现比较容易，比较适合于低速通信。

3．单工、半双工和全双工

按照数据在通信线路上传输的方向，可以将数据的传输方式分为单工通信、半双工通信和全双工通信3种。

图2.1.11　异步传输

（1）单工通信：单工通信是传送的信息始终是一个方向的通信，如图2.1.12所示，在单工通信中，由于数据仅沿一个方向传输，因此任何时候都不能改变信号的传送方向，如无线电广播和电视都属于单工通信。(www.daowen.com)

图2.1.12　单工通信

为了保证传送信息的正确性，在单工通信中需要进行差错控制。单工通信的线路一般都是二线制，存在两个信道，分别为用来传输信息的主信道和监测信息的监测信道。

（2）半双工通信：半双工通信是指信号可以沿两个方向传送，但同一时刻一个信道只允许单方向传送，即两个方向的传输只能交替进行。

在半双工通信中，信息流轮流地使用发送和接收装置，传输监测信号通过两种方式进行。一种是在应答时转换传输信道；另一种是把主信道和监测信道分开设立，供监测信号使用，如图2.1.13所示。

图2.1.13　半双工通信

（3）全双工通信：全双工通信是指数据可以同时沿相反的两个方向进行双向传输，如图2.1.14所示。全双工通信系统的线路结构包括两个进行信息传输的信道和两个进行监测的信道，这就保证了通信信路两端的发送、接收装置可以同时发送和接收信息。

图2.1.14　全双工通信

四、多路复用技术

在点到点的通信方式中，两点之间的通信线路是专用的，利用率低，而一种提高线路利用率的方法就是使多个数据源合用一条传输线，即多路复用技术。多路复用技术就是把许多单个信号通过单一的传输线路用单一的传输设备进行传输的技术，如图2.1.15所示。

图2.1.15　多路复用器作用示意图

多路复用技术主要包括频分多路复用FDM和时分多路复用TDM。

1．频分多路复用

频分多路复用就是将可用的传输频率范围分为多个较细的频带，每个频带都可以分配给用户形成数据传输子路径，如图2.1.16所示。频分多路复用技术已被应用于无线电广播系统中，也被应用于有线电视系统中。

图2.1.16　频分多路复用

2．时分多路复用

时分多路复用方式将信号占用的时间分为小的时隙，每一时隙由复用的一个信号占用，每一瞬时只有一个信号占用信道。

时分多路复用技术又包括同步时分多路复用和异步时分多路复用两种。

（1）同步时分多路复用：同步时分多路复用就是对信道进行固定的时隙分配，不管终端是否有数据要发送，都会占用一个时隙。但事实上，并非所有终端在每个时隙都有数据需要输出，因此，这种方式的时隙利用率较低。

（2）异步时分多路复用：异步时分多路复用也称为智能时分复用，它可以动态地按照需要来分配时隙，从而避免了同步时分多路复用中出现的浪费时隙的现象，从而提高了时隙的利用率。

提示：频分多路复用比较适合于模拟信号的传输，而时分多路复用则较适合于数字信号的传输。

3．波分多路复用

波分多路复用是频分多路复用的一个变种，主要用在光纤中。一根光纤的带宽大约是25000GHz，因此可以将很多信道复用到长距离光纤上，前提是所有的输入信道都应使用不同的波长，如图2.1.17所示。

图2.1.17　波分多路复用

五、通信线路的连接方式

通信线路的连接方式可以分点对点线路连接与多点线路连接方式两种。

1．点对点线路连接

点对点线路连接是指采用专用线路形成DTE即数据终端设备之间的连接，如图2.1.18所示。在连接过程中也可以借助于DCE即数据通信控制设备来实现点对点的连接，如图2.1.19所示。

图2.1.18　主机与终端直接连接

图2.1.19　利用DCE来连接主机和终端

2．多点线路连接

多点线路连接就是指在一条线路上连接两个或两个以上的终端的通信方式，如图2.1.20所示。

图2.1.20　多点线路连接

六、数据通信的技术指标

常见数据通信的技术指标有以下4种：

1．数据传输速率

数据传输速率就是指数据在信道中传输的速度，即每秒钟能传输多少构成代码的位数，单位为b/s。因此，增加单位脉冲所能表示的有效值可以提高数据传输速率。

2．调制速率

数据是以代码形式传输的，而代码又可以用波形来表示。调制速率就是指线路上单位时间内传送的波形速率，其单位是波特。

数据传输速率与调制速率的关系是S=BlbN，其中S表示数据传输速率，B表示调制速率，N表示一个脉冲所能表示的有效值状态总数。

3．误码率

误码率是指二进制码元在传输系统中出错的概率，它是考查系统传输可靠性的重要指标，其计算公式为Pe=Ne/N，其中Pe代表误码率，N代表二进制码元总数，Ne表示出错的码元数。

一般在计算机网络通信系统中，误码率应该低于10-6。

4．带宽

带宽就是指通信信道的宽度，即传输信道的最高频率与最低频率的差，其单位为Hz。信道带宽是由信道的物理特性来决定的，如电话线路的带宽范围在300～3400Hz之间。

通常情况下，信道带宽和信道容量具有正比关系，带宽越宽，容量就越大。但在实际情况下，由于信道中存在噪声或干扰现象，因此，信道带宽的无限增加并不能使信道容量无限增加。