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 90 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。

2.3 数据的编码与传输方式2.3.1 数据的编码计算机网络系统的通信任务是传送数据或数据化的信息。

这些数据通常以离散的二进制0，1序列的方式表示。

数据编码是指通信系统中以何种物理信号的形式来表达数据。

分别用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0，1状态，称为模拟数据编码。

用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0，1状态的，称为数字数据编码。

模拟数据和数字数据都可以用模拟信号和数字信号的形式在通信信道上传输。

除了模拟数据以模拟信号传输外，其他通信方式都需要对数据进行编码。

一、不归零码（NRZ）通常数字信号用两种不同的电压电平的脉冲序列来表示，如图2-4所示。

如是正逻辑表达的话，高电平为1，低电平为0。

这种编码方式成为不归零码（NRZ）。

NRZ数字信号传输的最大问题是没有同步信号，在接收方不能区分每个数据位，也就不能正确接收数据，如增加同步时钟脉冲，就要增加额外的传输线。

另外，脉冲序列含有直流分量，特别是有连续多个1或0信号时，直流分量会累积。

这样就不可能采用变压器耦合方式来隔离通信设备和通信线路，以保护通信设备的安全。

因此，在同步数据传输时，通常不采用NRZ码。

图2-4 数字数据的数字信号编码二、曼彻斯特编码目前，在传输数字信号时常采用曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码，它具有内在的时钟信息，因而能使网络上的每一个系统保持同步，如图2-5所示。

这两种编码的每位数据位的中心都有一个跳变，可以起到传递位同步信号的作用。

在曼彻斯特编码中，还以这个跳变的方向来判断这位数据是1还是0。

通常，从高电平跳到低电平为0，从低电平跳到高电平为1。

（即每位的后半部分传递的是比特值本身。

有的书则相反。

）在差分曼彻斯特编码中，以每位数据位的开始是否有跳变来表示这位数据是1还是0。

无跳变表示1，有跳变表示0。

也可用当前数据位的前半周期的电平与前一数据位的后半周期的电平进行比较，如一致为1，反相为0。

这两种编码都带有数据位的同步信息，又称为自同步编码。

同时，这两种编码的每位数据位都有跳变，整个脉冲序列的直流分量比较均衡，可以采用变压器耦合方式进行电路隔离。

采用曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码在数据波形上携带了时钟信息，即在每个数据位中间都有一个电平跳变。

在接收端利用这个跳变来产生接收同步时钟脉冲。

其信息传输过程如图所示。

由于数据和时钟同时在一条线路上传输，不会出现失步情况，可以用较高的传输速率来传输数据，适用于同步传输方式。

图2-5 曼彻斯特编码传输示意图2.3.2 数据的传输局域网中使用的传输方式有基带传输和频带传输两种方式。

基带传输用于数字信号传输，频带传输用于模拟信号的传输。

一、基带传输使用数字信号传输的局域网定义为基带局域网。

数字信号通常采用曼彻斯特编码，媒体的整个带宽用于单信道的信号传输，不采用频分多路复用技术。

基带系统只能延伸数公里的距离，这是由于信号的衰减会引起脉冲减弱和模糊，以致无法实现更远距离的通信。

基带传输是双向的，媒体上任意一点加入的信号沿两个方向传输到两端的端接器（即终端接收阻抗器，终端电阻），并在那里被吸收，如图2-6所示。

图2-6 双向基带传输系统总线局域网常采用50Ω的基带同轴电缆或120Ω的非屏蔽双绞线。

对于数字信号来说，50Ω电缆受到来自接头插入容抗的反射不强，且对低频电磁噪声有较好的抗干扰性。

最简单的基带同轴电缆局域网由一段无分支的同轴电缆构成，两端接有防反射的端接器，推荐的最大长度为500m。

站点通过接头接入主电缆，任何两接头间的距离为2.5m的整倍数，这是为了保证来自相邻接头的反射在相位上不叠加。

推荐最多接头数目为100个。

每个接头包括一个收发器，其中包含发送和接收用的电子线路。

为了延伸网络的长度，可以采用中继器。

中继器由两个收发器组合而成，连到不同的两段同轴电缆上。

中继器在两段电缆间向两个方向传送数字信号，在信号通过时将信号放大和复原。

由于中继器不做缓冲存储操作，所以并没有将两段电缆隔开，因此如果不同段上的两个站同时发送，它们的分组将互相干扰（冲突）。

IEEE802标准中，在任何两个站之间的路径中最多只允许有4个中继器，这就将有效的电缆长度延伸到2.5km。

双绞线基带局域网是一种新兴的广泛使用的网络形式。

双绞线安装容易，但往往限制在1km 以内，数据速率为1～100Mb/s 。

二、频带传输频带传输是利用模拟通信信道进行数据通信的方式。