《计算机网络技术》数据通信

第2讲数据通信一、数据通信技术1．数据、信息、信号、信道信息：是指数据的含义或向人们提供关于现实世界事实的知识，它不随载荷符号形式的不同而改变。

数据：是定义为有意义的实体，是表征事物的形式，例如文字、声音和图像等。

数据可分为模拟数据和数字数据两类。

模拟数据是指在某个区间连续变化的物理量，例如声音的大小和温度的变化等。

数字数据是指离散的不连续的量，例如文本信息和整数。

信号：是数据的电磁或电子编码。

信号在通信系统中可分为模拟信号和数字信号。

其中模拟信号是指一种连续变化的电信号，例如：电话线上传送的按照话音强弱幅度连续变化的电波信号。

数字信号是指一种离散变化的电信号，例如计算机产生的电信号就是“0”和“1”的电压脉冲序列串。

信道：是信号传输的通道，包括通信设备和传输媒体。

信道按传输媒体分为有线信道和无线信道；按传输信号类型分为模拟信道和数字信道；按使用权分为专用信道和公用信道。

2．数据通信模型3．数据传输数据的成功传输主要依赖于两个主要的因素：要传输的信号的质量和传输媒体的性能。

模拟或数字数据都既可以用模拟又可以用数字信号来传输。

这些信号在传输过程中都会发生衰减、变形，尤其是在长距离传输后会发生严重的畸变。

数据传输的好坏，还取决于发送和接收设备的性能。

在模拟传输中，为了实现长距离传输，模拟传输系统都包括放大器，用放大器来使信号中的能量得到增加。

但放大器也会使噪音分量增加。

如果通过串联放大器来实现长距离传输，那么信号会越来越畸形。

对于模拟数据来说，可以允许多位的变形，而且仍易于理解。

但是，对于数字数据来说，串联的放大器将会产生错误。

数字信号只能在一个有限的距离内传输。

为了获得更远的传输距离，可以使用中继器。

中继器接收数字信号，把数字信号恢复为1的模式和0的模式，然后重新传输这种信号，这样就克服了衰减造成的影响。

对于远程通信，数字信号发送不像模拟信号发送那样用途广泛和实用。

卫星和微波就不可能用数字信号。

然而，无论在价格和质量方面，数字传输都比模拟传输优越。

（1）模拟数据在模拟信道上传输典型的例子是话音信号在普通的电话系统中传输。

一般人的语音频率范围是300—3400Hz，为了进行传输，在线路上给它分配一定的带宽，国际标准取4KHz为一个标准话路所占用的频带宽度。

在这个传输过程中：语音信号以300—3400Hz频率输入，发送方的电话机把这个语音信号转变成模拟信号，这个模拟信号经过一个频分多路复用器进行变化，使得线路上可以同时传输多路模拟信号，当到达接收端以后再经过一个解频的过程把它恢复到原来的频率范围的模拟信号，再由接收方电话机把模拟信号转换成声音信号。

（2）数字数据在模拟信道上传输计算机和终端设备都是数字设备，它们只能接收和发送数字数据，而电话系统只能传输模拟信号，所以这个数字数据要进入到模拟信道以前要有一个变换器进行数字信号到模拟信号的转换，以便它能在模拟信道上传输，这样的一个变换过程叫调制（注意：这个调制过程并不改变数据的内容，仅是把数据的表示形式进行了改变）。

这个变换器又叫做调制器。

而当调制后的模拟信号传到接收端以后，在接收端也有一个变换器再对这个信号进行反变换，即又把它变回数字信号，这样的一个变换过程叫解调。

这个变换器又叫解调器。

由于计算机和终端设备之间的数据通信一般是双向的，因此在数据通信的双方既有用于发送信号的调制器又有用于接收信号的解调器，所以把这两个设备合在一起形成我们通常所说的调制解调器（Modem）。

调制解调器就是使用一条标准话路（3.1kHz的标准话路带宽）提供全双工的数字信道。

调制解调器最基本的调制方法有以下几种（在图2-1中给出了这几种波形传输数据的波形的示意图）：（a）幅移键控方式（ASK）即载波的振幅随基带数字信号而变化。

例如，0对应于无载波输出，而1对应于有载波输出。

（b）频移键控方式（FSK）即载波的频率随基带数字信号而变化。

例如，0对应于频率f1，而1对应于频率f2。

（c）相移键控方式（PSK）即载波的初始相位随基带数字信号而变化。

例如，0对应于相位0度，而1对应于180度。

（3）模拟数据在数字信道上传输模拟数据转换为数字编码主要有两个技术：脉冲编码调制（PCM）和增量调制（DM）脉冲编码调制（PCM，Pulse Code Modulation）是波形编码中最重要的一种方式，在光纤通信、数字微波通信、卫星通信等均获得了极为广泛的应用，现在的数字传输系统大多采用PCM体制。

PCM最初并不是用来传送计算机数据的，采用它是为了解决电话局之间中继线不够，使一条中继线不只传送一路而是可以传送几十路电话。

PCM过程主要由采样、量化与编码三个步骤组成。

PCM技术基于取样理论：“如果信号f(t)在均匀时间间隔，以高于最高的明显信号频率的两倍速率取样，那么，样本包含了原信号的所有信息。

用一个低通滤波器可从样本重现函数f(t)。

”比如声音数据频率一般在4KHZ以下，只要采样每秒钟8000次即可完全描述声音信号的特征。

（4）数字数据在数字信道上传输这种方式最典型的例子是在两个装有Windows 98操作系统的计算机上，利用Windows 98中自带的“直接电缆连接”功能把两个计算机通过串行口或并行口直接相连。

在这种情况下通信的双方发出的数据和接收的数据以及在信道上所传输的全部都是数字信号。

对于数字数据在数字信道上传输来说，最普遍而且最容易的办法是用两个不同的电压电平来表示两个二进制数字。

例如，无电压（也就是无电流）常用来表示0，而恒定的正电压用来表示1。

另外，使用负电压（低）表示0，使用正电压（高）表示1也是很普遍的。

后一种技术称为不归零制NRZ（Non—Return to Zero）。

使用这种不归零制NRZ信号的最大问题就是难以确定一位的结束和另一位的开始，并且当出现一长串连续的1或连续的0时，在接收端无法从收到的比特流中提取位同步信号。

曼彻斯特编码则可解决这一问题。

它的编码方法是将每个码元再分成两个相等的间隔，码元1是由高至低电平转换，即其前半个码元的电平为高电平，后半个码元的电平为低电平。

码元0则正好相反，从低电平到高电平的变换，即其前半个码元的电平为低电平，后半个码元的电平为高电平。

这种编码的好处是可以保证在每一个码元的正中间出现一次电平的转换，即这个位中间跳变提供了时钟定时，这对接收端提取同步信号是非常有利的。

但是从曼彻斯特编码的波形图不难看出其缺点，就是它所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。

曼彻斯特编码还有一个变种叫做差分曼彻斯特编码，这种差分曼彻斯特编码与上面讲的曼彻斯特编码有着共同的特点，即在每一个码元的正中间有一次电平的变换，这种编码在表示码元1时，其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平一样（见图中的实心箭头）；但若码元为0，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反（见图）中的空心箭头），即用每位开始时有无电平的跳变来表示0（1）的编码。

不论码元是1或0，在每个码元的正中间的时刻，一定要有一次电平的转换。

差分曼彻斯特编码需要较复杂的技术，但可以获得较好的抗干扰性能。

4．多路复用技术1）FDM：当介质的有效带宽超过被传输的信号带宽时，可以把多个信号调制在不同的载波频率上，从而在同一介质上实现同时传送多路信号，即将信道的可用频带（带宽）按频率分割多路信号的方法划分为若干互不交叠的频段，每路信号占据其中一个频段，从而形成许多个子信道（图）；在接收端用适当的滤波器将多路信号分开，分别进行解调和终端处理，这种技术称为频分多路复用（FDM ，Frequency Division Multiplexing ）。

FDM 系统的原理示意图如图所示，它假设有6个输入源，分别输入6路信号到频分多路器FDM-MUX ，多路器将每路信号调制在不同的载波频率上（例如f1，f2，…，f6）。

每路信号以其载波频率为中心，占用一定的带宽，此带宽范围称作一个通道，各通道之间通常用保护频带隔离，以保证各路信号的频带间不发生重叠。

2）TDM ：TDM 是将传输时间划分为许多个短的互不重叠的时隙，而将若干个时隙组成时分复用帧，用每个时分复用帧中某一固定序号的时隙组成一个子信道，每个子信道所占用的带宽相同，每个时分复用帧所占的时间也是相同的（如图所示），即在同步TDM 中，各路时隙的分配是预先确定的时间且各信号源的传输定时是同步的。

对于TDM ，时隙长度越短，则每个时分复用帧中所包含的时隙数就越多，所容纳的用户数也就越多，其原理如图所示。

3）WDM ：是FDM 应用于光纤信道的一个变例。

将不同波长的光信号注入同一根光纤中传输。

4）CDMA ：这种技术多用于移动通信，不同的移动台（或手机）可以使用同一个频率，但是每个移动台（或手机）都被分配带有一个独特的“码序列”，该序列码与所有别的“码序列”都不相同，所以各个用户相互之间也没有干扰。

因为是靠不同的“码序列”来区分不同的移动台（或手机），所以叫做“码分多址”（CDMA ）技术。

5）SDMA （Space Division Multiplexing ）这种技术是利用空间分割构成不同的信道。

举例来说，在一颗卫星上使用多个天线，各个天线的波束射向地球表面的不同区域。

地面上不同地区的地球站，它们在同一时间、即使使用相同的频率进行工作，它们之间也不会形成干扰。

空分多址（SDMA）是一种信道增容的方式，可以实现频率的重复使用，充分利用频率资间图2.24 FDM子信道示意图源1 源2 源3 源4 源5 源6目标1目标2 目标3 目标4 目标5 目标6 时间图2.28 TDM子信道示意图图2.29 TDM原理23456123456源。

空分多址还可以和其它多址方式相互兼容，从而实现组合的多址技术，例如空分·码分多址（SD-CDMA）。

5．异步传输和同步传输同步就是接收端按发送端发送的每个码元的起止时间及重复频率来接收数据，并且要校准自己的时钟以便与发送端的发送取得一致，实现同步接收。

数据传输的同步方式一般分为位同步、字符同步，字符同步通常是识别每一个字符或一帧数据的开始和结束；位同步则识别每一位的开始和结束。

在异步通信中，发送端可以在任意时刻发送字符，字符之间的间隔时间可以任意变化。

该方法是将字符看作一个独立的传送单元，在每个字符的前后各加入1～3位信息作为字符的开始和结束标志位，以便在每一个字符开始时接收端和发送端同步一次，从而在一串比特流中可以把每个字符识别出来。

二、数据交换技术1．线路交换使用线路（电路）交换（Circuit Switching）方式，就是通过网络中的节点在两个站之间建立一条专用的通信线路。

最普通的线路交换例子是电话系统。

在通话之前，通过用户的呼叫（即拨号），如果呼叫成功，则从主叫端到被叫端就建立了一条物理通路，这样双方就能进行通话了，当通话结束后双方挂机，这时为进行通话所建立起来的物理通路就自动拆除了。