2.1 数据通信的基本概念

2.1.1 数据、信息和信号

通信是为了交换信息(Information)。信息的载体可以是数字、文字、语音、图形和图像,常称它们为数据(Data)。数据是对客观事实进行描述与记载的物理符号。信息是数据的集合、含义与解释。如对一个企业当前生产各类经营指标的分析,可以得出企业生产经营状况的若干信息。显然,数据和信息的概念是相对的,甚至有时将两者等同起来,此处不多论述。

数据可分为模拟数据和数字数据。模拟数据取连续值,数字数据取离散值。在数据被传送之前,要变成适合于传输的电磁信号:或是模拟信号,或是数字信号。所以,信号(Signal)是数据的电磁波表示形式。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,这种信号的某种参量,如幅度、频率或相位等可以表示要传送的信息。传统的电话机送话器输出的语音信号,电视摄像机产生的图像信号以及广播电视信号等都是模拟信号。数字信号是离散信号,如计算机通信所用的二进制代码“0”和“1”组成的信号。模拟信号和数字信号的波形图如图2.1所示。

图2.1模拟信号与数字信号

和信号的这种分类相似,信道也可以分成传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类。但是应注意,数字信号在经过数模变换后就可以在模拟信道上传送,而模拟信号在经过模数转换后也可以在数字信道上传送。

2.1.2 通信系统模型

图2.2 通信系统的模型

通信系统的模型如图2.2所示,一般点到点的通信系统均可用此图表示。图中,信源是产生和发送信息的一端,信宿是接受信息的一端。变换器和反变换器均是进行信号变换的设备,在实际的通信系统中有各种具体的设备名称。如信源发出的是数字信号,当要采用模拟信号传输时,则要将数字信号变成模拟信号,则用所谓的调制器来实现,而接收端要将模拟信号反变换为数字信号,则用解调器来实现。在通信中常要进行两个方向的通信,故将调制器与解调器做成一个设备,称为调制解调器,具有将数字信号变换为模拟信号以及将模拟信号恢复为数字信号的两种功能。当信源发出的为模拟信号,而要以数字信号的形式传输时,则要将模拟信号变换为数字信号,通常是通过所谓的编码器来实现,到达接收端后再经过解码器将数字信号恢复为原来的模拟信号。实际上,也是考虑到一般为双向通信,故将编码器与解码器做成一个设备,称为编码解码器。

信道即信号的通道,它是任何通信系统中最基本的组成部分。信道的定义通常有两种,即狭义信道和广义信道。所谓的狭义信道是指传输信号的物理传输介质。对信道的这种定义虽然直观,但从研究消息传输的观点看,对信道的这种定义,其范围显得很狭窄,因而引入了新的、范围扩大了的信道定义,即第二种信道定义——广义信道。所谓的广义信道是指通信信号经过的整个途径,它包括各种类型的传输介质和中间相关的通信设备等。对通信系统进行分析时常用的一种广义信道是调制信道,如图2.3所示。调制信道是从研究调制与解调角度定义的,其范围从调制器的输出端至解调器的输入端,由于在该信道中传输的是已被调制的信号,故称其为调制信道。另一种常用到的广义信道是编码信道,如图2.3所示。编码信道通常指由编码器的输出到解码器的输入之间的部分,实际的通信系统中并非要包括其所有环节,如下节所要讲的基带传输系统中就不包括调制与解调环节。至于采用那些环节,取决于具体的设计条件和要求。

图2.3广义信道的划分

此外,信息在信道中传输时,可能会受到外界的干扰,我们称之为噪声。如信号在无屏蔽双绞线中传输会受到电磁场的干扰。

2.1.3 数据传输方式

1. 模拟传输

模拟传输指信道中传输的为模拟信号。当传输的是模拟信号时,可以直接进行传输。当传输的是数字信号时,进入信道前要经过调制解调器调制,变换为模拟信号。如图2.4所示,(a)为当信源为模拟数据时的模拟传输,(b)为当信源为数字数据时的模拟传输。其主要优点在于信道的利用率较高,但是其在传输过程中信号会衰减,会受到噪声干扰,且信号放大时噪声也会放大。

图2.4 模拟传输

2. 数字传输

数字传输指信道中传输的为数字信号。当传输的信号是数字信号时,可以直接进行传输。当传输的是模拟信号时,进入信道前要经过编码解码器编码,变换为数字信号。如图2.5所示,(a)为当信源为数字数据时的数字传输,(b)为当信源为模拟数据时的数字传输。其主要优点在于数字信号只取有离散值,在传输过程中即使受到噪声的干扰,只要没有畸变u盘装win7系统图解到不可辨识的程度,均可用信号再生的方法进行恢复,也即信号传输不失真,误码率低,能被复用和有效地利用设备,但是传输数字信号比传输模拟信号所要求的频带要宽的多,因此数字传输的信道利用率较低。

图2.5 数字传输

2.1.4 物理信道的连接方式

1. 点到点连接方式

终端(或计算机)与计算机之间可以直接地或者通过调制解调器,用线路(拨号线路或专用线路)进行连接。当两者之间的通信量较大时,可采用这种点到点的连接方式。http://www.upzxt.com

2. 多点连接方式

为了提高物理信号的利用率,当终端(或计算机)与计算机之间的通信量不大时,可选用多点方式。即多个终端(或计算机)通过一条公用总线直接或通过调制解调器与计算机相连,如图2.6(a)所示。在该方式中,图中左侧的计算机作为主站,其他各终端(或计算机)均为从站,由主站统一控制公用总线的使用,各终端(或计算机)信息的收和发,都是在总站的控制下进行的,终端(或计算机)不能任意发送信息,否则将在公用总线上发生信号冲突。

3. 集中式连接

当有多个相距不远的终端(或计算机)都要求与远程计算机通信时,为了节省传输信道,可先将多个相距不远的终端连接到多路复用器或集线器上,再用一条传输线路将复用器或集线器与计算机相连,如图2.6(b)所示。图中M代表调制解调器,T代表终端。如果计算机到集线器或终端到集线器均采用双绞线连接,并且小于100米时,则可直接相连,而不要加调制解调器。

图2.6物理信道的连接方式

2.1.5 串行通信与并行通信

串行通信指数据流一位一位地传送,从发送端到接收端只要一根传输线即可,易于实现。并行通信是一次同时传送一个字节(字符),即8个码元。并行传送传输速率高,但传输设备要增加7倍,一般用于近距离范围要求快速传送的地方.如计算机与输出设备打印机 的通信一般是采用并行传送。串行传送虽然速率低,但节省设备,是目前主要采用的一种传 输方式,特别是在远程通信中一般采用串行通信方式。

在串行通信中,收、发双方存在着如何保持比特与字符同步的问题,而在并行传输中,一次传送一个字符,因此收、发双方不存在字符同步问题。串行通信的发送端要将计算机中 的字符进行并/串变换,在接收端再通过串/并变换,还原成计算机的字符结构。

2.1.6 数据通信方式

1. 单工、半双工与全双工通信

(1)单工通信方式。在单工信道上信息只能在一个方向传送。发送方不能接收,接受方不能发送。信道的全部带宽都用于由发送方到接收方的数据传送。无线电广播和电视广播都是单工传送的例子。

(2)半双工通信方式。在半双工信道上,通信双方可以交替发送和接收信息,但不能同时发送和接收。在一段时间内,信道的全部带宽用于一个方向上的信息传递。航空和航海无线电台以及对讲机等都是这种方式通信的。这种方式要求通信双方都有发送和接收能力,又有双向传送信息的能力,因而比单工通信设备昂贵,但比全双工便宜。在要求不很高的场合,多采用这种通信方式。

(3)全双工通信方式。这是一种可同时进行信息的传递的通信方式。现代的电话通信都是采用这种方式。其要求通信双方都有发送和接收设备,而且要求信道能提供双向传输的双倍带宽,所以全双工通信设备较昂贵。

2. 异步传输和同步传输

在通信过程中,发送方和接收方必须在时间上保持步调一致,亦即同步,才能准确的传送信息。解决的方法时,要求接收端根据发送数据的起止时间和时钟频率,来校正自己的时间基准与时钟频率。这个过程叫位同步或码元同步。在传送由多个码元组成的字符以及由许多字符组成的数据块时,通信双方也要就信息的起止时间取得一致,这种同步作用有两种不同的方式,因而也就对应了两种不同的传输方式。计算机网络技术

(1)异步传输

异步传输即把各个字符分开传输,字符与字符之间插入同步信息。这种方式也叫起止式,即在组成一个字符的所有位前后分别插入起止位,如图2.7所示。起始位(0)对接收方的时钟起置位作用。接收方时钟置位后只要在8～11位的传送时间内准确,就能正确的接收该字符。最后的终止位告诉接收者该字符传送结束,然后接收方就能识别后续字符的起始位。当没有字符传送时,连续传送终止位(1)。加入校验位的目的是检查传输中的错误,一般使用奇偶校验。

图2.7异步传输

(2)同步传输

异步传输不适合于传送大的数据块,例如磁盘文件。同步传输在传送连续的数据块时比异步传输更有效。按这种方式,发送方在发送数据之前先发送一串同步字符SYN(编码为0010110),接收方只要检测到两个以上SYN字符确认已进入同步状态,准备接收数据,随后双方以同一频率工作(数字数据信号编码的定u盘装xp时作用也表现在这里),直到传送完指示数据结束的控制字符,如图2.8所示。这种方式仅在数据块前加入控制字符SYN,所以效率更高,但实现起来较复杂。在短距离高速数据传输中,多采用同步传输方式。

2.1.7 数字化是信息社会发展的必然趋势

数字化是数据通信发展的大趋势,主要原因如下。

1. 数字通信比模拟通信更具优势

模拟通信系统在传输模拟的信号过程中,噪声将叠加在有用的模拟信号上,接收端很难将信号和噪声分开,因而模拟通信系统的抗干扰能力比较差。相反,数字通信系统传输的是二进制信号,数据是介于数字脉冲波形的两种状态之中。在数字通信的接收端对每一个接收信号进行采样并与某个门槛电平进行比较,只要采样时刻的信号电平不超过门槛电平,接收端就不会形成错判,可以正确接收数据,而不受噪声的影响。因此,数字通信系统比模拟通信系统的抗干扰能力更强。

同样,模拟通信时,噪声是叠加在有用的模拟信号上,而通信系统中的模拟放大器无法将有用的信号与噪声分开,因此只好将有用信号和噪声同时放大。随着传输距离的增加以及模拟放大器的增多,噪声也会越来越大。因此模拟通信系统中噪声的积累,对远距离通信的质量造成很大的影响。而数字通信系统则是采用再生中继器的方法,在传输过程中信号所受到的噪声干扰经过中继器时就已经被消除,然后再生器恢复出与原始信号相同的数字信号,因而克服了模拟通信系统噪声叠加的问题。因此数字通信系统比模拟通信系统可以更好地实现高质量的远距离通信,这也即数字电视比模拟电视的图像、声音更清晰的原因。

同时由于数字通信系统中传输的是数字信号,因而在传输过程中,可以对信号进行各种数字处理:如存储、转发、复制、压缩、计算、加密、检错、纠错等。但这些处理在模拟通信系统中是很难实现的。正因为在数字通信系统中可以对信号进行各种处理,因而也就可以在数字通信系统中采用复杂的、非线性的长周期的密码序列对数字信号进行加密,从而使数字通信具有高度的保密性。而且通过对数字信号使用合适的压缩算法,使其在传输过程中获得更高的传输效率,在接收端再使用相应的解压缩算法,以恢复到压缩前同样的形式,这对解决网络通信中的拥塞控制也大有帮助。

2. 数字机比模拟机使用更广泛

电子计算机从原理上可分为模拟电子计算机和数字电子计算机。模拟电子计算机问世较早,内部所使用的是模拟信号,处理问题的精度差,所有的处理过程均需模拟电路来实现,电路结构复杂,抗外界干扰能力差,因此实际使用已越来越少。数字电子计算机是当今世界电子计算机行业中的主流,其内部处理的是数字信号,它的主要特点是“离散”,在相邻的两个符号之间不可能有第三种符号存在。由于这种处理信号的差异,使得它的组成结构和性能大大优于模拟式电子计算机。

目前的计算机绝大部分以上的都是数字机,而数字机只能对数字数据进行存储和处理,因此,文字、声音、视频、图像等数据,必须变换为数字数据后才能存入计算机,才能进行计算处理,而且数字传输的质量远高于模拟传输,可见数字化是信息社会发展的必然趋势。

3. 数字设备越来越便宜

计算机等数字设备的主要器件是集成电路(芯片),它的集成度大约每18个月翻一番。这就是在计算机领域人所共知的“摩尔定律”,它是英特尔公司创始人之一戈登•摩尔(Gordon Moore)于1965年在总结存储器芯片的增长规律时发现的。伴随着集成电路集成度越来越高,其造价也越来越低,集成电路在生活中到处可见,人们已越来越多的使用数字设备,如数字手机、数字照相机、数字彩电、数字摄像机等等,几乎所有的设备都在数字化。

当然,数字通信也有缺点,最大的缺点就是占用的频带宽,可以说数字通信的许多优点是以牺牲信道带宽为代价的。以电话为例,一路模拟电话占用4kHz信道带宽,而一路数字电话所需的带宽是64kbps,所占用的带宽远远大于模拟传输。数字通信的这一缺点限制了它在某些信道带宽不够大的场合下使用。但随着微波、卫星、光缆等高宽带信道的广泛使用,带宽的问题就不突出了。