第二章 数据通信理论基础

2 数据通信理论基础

2.1 数据通信

2.1.1 数据的定义与表示形式

在数据通信中，数据是指以任何形式格式表示的信息，该格式需要由创建和使用数据的双方达成共识，即通信协议。

现在的数据信息形式有文本、数字、图像、音频和视频等多种形式。

文本、数字及图像一般采用位模式表示。以图像为例，图像的每一个像素可用一个位模式表示，模式的大小和值取决于图像，就一幅仅由黑白点构成的图像而言，1位模式就足可以表示一个像素。可以通过增加位模式的大小来包含更多的灰度范围，如可以用2位模式表示4个级别的灰度。

音频与上面几种有着本质的不同，它是连续的、非离散的。

视频既可以由一个连续实体产生，也可以由一组图像合成，当由图像合成时，这些图像的每一幅都是一个离散的实体，但组合起来就可以表示运动的意思。

2.1.2 数据通信方式

串行通信和并行通信。

单工、半双工和全双工通信。

2.1.3 通信系统的组成

通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总合。它一般由信息源和信息接收者，发送、接收设备，传输媒介几部分组成。单向数字通信系统的结构如图2-1所示。

噪声干扰

图2-1 数字通信系统的组成

信息源和信息接收者信息源和信息接收者是信息的产生者和使用者。在数字通信系统中传输的信息是数据，是数字化了的信息。这些信息可能是原始数据，也可能是经计算机处理后的结果，还可能是某些指令或标志。由于信息源产生信息的种类和速率不同，因而对传输系统的要求也各不相同。

发送设备发送设备的基本功能是将信息源和传输媒介匹配起来，即将信息源产生的消息信号经过编码，并变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。

对于数字通信系统来说，发送设备的编码常常又可分为信道编码与信源编码两部分。信源编码是把连续消息变换为数字信号；而信道编码则是使数字信号与传输介质匹配，提高传输的可靠性或有效性。变换方式是多种多样的，调制是最常见的变换方式之一。

发送设备还要包括为达到某些特殊要求所进行的各种处理，如多路复用、保密处理、纠错编码处理等。

传输介质传输介质是指发送设备到接收设备之间信号传递所经媒介。它可以是无线

的，也可以是有线的。有线和无线均有多种传输媒介，如电磁波、红外线为无线传输介质，各种电缆、光缆、双绞线等为有线传输介质。

介质在传输过程中必然会引入某些干扰，如热噪声、脉冲干扰、衰减等。媒介的固有特性和干扰特性直接关系到变换方式的选取。

接收设备接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解密等。它的任务是从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。

以上所述是单向通信系统，但在大多数场合下，信源兼为收信者，通信的双方需要随时交流信息，因此要求双向通信。这时，通信双方都要有发送设备和接收设备。如果两个方向有各自的传输媒介，则双方都可独立进行发送和接收；但若共用一个传输媒介，则必须用频率或时间分割的办法来共享。通信系统除了完成信息传递外，还必须进行信息的交换。传输系统和交换系统共同组成一个完整的通信系统，直至构成复杂的通信网络。

2.2 数据的同步与异步传输

要求长距离传输数字数据的场合，都采用串行传输方式，串行传输包含两种传输方式：同步传输与异步传输。这两种方式都必须解决同步问题。

2.2.1 同步传输

同步传输是一种以报文和分组为单位进行传输的方式。由于报文可包含许多字符，因此可大大减少用于同步的信息量，提高传输速率。目前在计算机网络中大多采用此种传输方式。

它要求通信双方以相同的速率进行，而且要准确协调。它通过共享单个时钟或定时脉冲源以保证发送方和接收方准确同步。

同步传输的特点是允许连续发送一个字符序列，每个字符数据位数相同，没有起始位和停止位，效率高。

传输数字信号时，在接收端必须有与数据位脉冲具有相同频率的时钟脉冲来逐位读入数据。为了正确读入数据，时钟脉冲的上跳沿必须作用在数据位脉冲稳定之后，通常是数据位脉冲的中间时刻。即对时钟脉冲的相位还有要求。这种在接收端使数据位与时钟脉冲在频率和相位上保持一致的特性被称为同步，实现这种同步的技术被称为同步方式。

位同步方式在发送端对每位数据位都需附加同步信息，是同步传输中采用的重要的同步方式之一。在数据同步传输发送端可以附加与发送数据位同步的时钟脉冲，如图2-2所示，在数据同步传输接收端使用这个时钟脉冲来读取数据。这样就不必再附加冗余的同步信息，从而提高了数据的传输效率。但是，要附加一条专用的传输时钟脉冲的通信线路。采用曼彻斯特编码技术可以省去这条通信线路，且能达到同步传输目的，留着后面介绍。

时钟

信号

输出数

据信号

输入数

据信号

1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 1 0 0 1 1 0 1 0

图2-2 位同步传输方式

2.2.2 异步传输

异步方式又称起止同步方式（字符同步方式），这是在计算机通信中常用的同步方式。异步方式中，并不要求收发双方在传送代码的每一比特时都同步。通信收发方可采用各自的时钟源，通信双方都遵循异步通信协议。异步通信以一个字符作为数据传输单位，发送方传送字符的时间间隔不确定。每个字符传输都以起始位开始，以停止位结束。通信双方所约定的通信字符的数据位数、奇偶校验方法、停止位数必须相同，异步通信字符间的发送时间是异步的，即后一个字符与前一个字符的发送时间无关，字符之间的时间间隔是任意的，因此成为异步传输方式。

异步通信传输效率比同步通信方式低，但成本也低。由于异步通信传输的数据以字符为单位，为了进行字符同步，每个字符的第一位前加1位起始位（逻辑0），字符的最后一位后加上1、1.5或2位的终止位（逻辑1）。异步通信传输简单，但每个字符有2-3位的额外开销。如图2-3所示。

在收发两端都有各自的时钟源，但它们的频率必须是一致的。在接收端，起始位的下降沿触发接收端的内部时钟。经过半个周期后再检测输入电平，如仍为低电平即是一个有效的起始位，否则是干扰信号。发送端空闲时输出一直保持高电平。起始位的下跳沿就是同步参考信号（计时器）。虽然在收发端不是同一时钟源，会有频率误差，但对每个字符都要重新同步一次，字符之间的时钟频率误差不会积累，接收一个字符期间不会发生数据位与时钟失步。在字符同步方式中，通信双方必须约定一致的时钟频率、传输字节的长度（位数），校验方式、停止位长度等，即双方要对通信接口进行相同的参数初始化，才能保证异步通信的正确进行。