数据通信基础

1.2 数据通信基础 1.2.1 模拟数据通信和数字数据通信1. 信息、数据和信号(1) 通信的目的是交换信息(Information)；信息的载体可以是数字、文字、语音、图形 或图像；计算机产生的信息一般是字母、数字、符号、图形或图像的组合；为了传送这 些信息，首先要将每一个字母、数字、符号或图形、图像用二进制代码表示2) 数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号或图形、图像的二进 制代码 0、 1 比特序列的过程 3) ASCII 码ASCII码是目前应用最广泛的是美国信息交换标准编码ASCII码(American Standard Code for Information Interchange)； ASCII码本来是一个信息交换编码的国家标准，但后 来被国际标准化组织ISO接受，成为国际标准ISO 646,又称为国际5号码因此，它 被用于计算机内码，也是数据通信中的编码标准ASCII码采用7位二进制比特编码，可以表示128个字符字符分为图形字符与控制 字符两类图形字符包括数字、字母、运算符号、商用符号等例如：数字5的ASCII编码为0110101；字母A的ASCII编码为1000001 ；控制字符 用于数据通信收发双方动作的协调与信息格式的表示。

例如，控制字符“发送结束 EOT” 的 ASCII 编码为 00001002多媒体(multimedia)网络应用问题在多媒体技术中，语音与图像首先都要进行数字化处理，并将文本、图形、图像与语 音的数字信息之间建立逻辑连接，集成为一个交互式系统；利用数字通信系统来实现多 媒体信息的动态、实时传输是当前数据通信技术研究的重要内容之一；与文本、图形信 息传输相比较，语音、图像信息传输的特点是：要求数据通信系统具有高带宽与低延时 的特性1) 以传送数字化的语音信号为例：*每秒钟对语音信号进行 22,050 次取样；*每次取样值用 1 byte 表示；那么单声道每秒钟需要传送22,050 byte；要求数据传输速率达到：0.1764Mbps；双声道立体声要求数据传输速率达到： 0.3528Mbps；(2) 多媒体技术在网络中的应用，将对数据通信系统的性能提出更高的要求：* 高速 高带宽*实时、交互 低延时图 1-2-1 多媒体网络对于计算机系统来说，它关心的是信息用什么样的编码体制表示出来例如，如何用 ASCII 码表示字母、数字与符号，如何用双字节去表示汉字，如何表示图形、图像与语 音。

对于数据通信系统来说，它要研究的是如何将表示各类信息的二进制比特序列通过传 输介质，在不同计算机之间进行传送的问题1.2.2 信号的表示形式电话线上传送的按照声音的强弱幅度连续变化的电信号称为模拟信号(analog signal)； 模拟信号的信号电平是连续变化的；计算机所产生的电信号是用两种不同的电平去表示 0、1比特序列的电压脉冲信号，这种电信号称为数字信号(dligital signal)按照在传输介质上传输的信号类型，可以相应地将通信系统分为：*模拟通信系统*数字通信系统 传输就是把信号通过信道从一处传送到另一处不管是模拟数据还是数字数据都可以 用模拟信号或数字信号来表示，因而可以用这二种信号形式的任意一种来传输通常， 模拟数据是时间的函数并占有一定的频率范围，它可直接由占有相同频率范围的电磁信 号表示例如，声音的频谱为 20Hz-20KHz 之间，但声音的绝大部分能量都集中在 300Hz-3400Hz这一窄得多的范围内在300Hz-3400Hz频率范围内传播的声音已足够清 晰所以，电话系统也仅传送在此频率范围的信号如果模拟数据用数字信号表示和传送，就需要有一个把模拟数据转换为数字信号的设 备。

如声音，可以通过一个变换器(称作编码译码器)进行数字化后再予以传送，而在 线路另一端的编码译码器将数字化的信号再重新构造成模拟数据1. 模拟传输模拟传输是用模拟信号传输的一种方法，与信号本身所表示的是模拟数据还是数字数 据无关它们可以表示模拟数据如声音；也可以表示数字数据，如通过调制解调器变换 后的二进制数据模拟信号传输一定距离后，信号也会由于幅度衰减而失真所以，模 拟信号经长距离传输时，每隔一段距离需加放大器将信号放大但放大器同时放大了噪 声，因此不会消去误差，并且误差还是沿途积累的对于声音，有点误差尚可辩认，但 对数字数据任何一点微小误差都是不充许的2. 数字传输 数字传输是用数字信号进行传输，它可以直接传输二进制数据或编码后形成的二进制 数据，包括经过数字化后的模拟数据，如数字化了的声音数字传输过程中，信号由于 幅度衰减而引起失真但数字信号只包含有限个电平值，如二进制数字信号就只有二个 电平值，分别为“0”和“1”，所以，长距离传输中，每隔一段距离，在数字信号衰减到 不能辩认之前，加中继器将该信号恢复原电平值，再继续传输，因此能保证传输的正确 性中继器结构简单，并且不会产生积累误差。

这也是当今采用数字传输方法传输模拟 数据的原因 数据通信数据通信是通过计算机或其他数据装置与通信线路，完成数据 编码信号的传输、转接、存储和处理的通信技术，所以数据通信系统也就是以计算机为 中心用通信线路连接分布在远地的终端设备，进行数据通信的系统1.2.3 数据传输速率和信号传输速率数据传输速率n数据传输速率也称为数据率，它的单位为比特/秒，记作bps,即每秒 能传输多少二进制位的数据其中，比特（bit）即指二进制的位下面简称“位”，数据 率高低由每位所占时间决定，如果每一位所占时间脉冲宽度越小，则数据率越高1.码元 在计算机网络中，各种不同的数据和信息都是以离散的代码形式传输的，而代码又由 若干码元组成也就是说在计算机网络中传输的数据是用码元序列表示的这里的码元 指的是信号码元，它是信号的基本单元，码元之间以宽度、位置和方向相区别2. 信号传输速率 信号传输速率又称调制速率或波特率，它是对每秒内信号在一通信信道中变化或状态发生转换的次数的量度，其中状态可以是频率、电平或相位角等，如果信号的状态变化 一次仅表示一个比特的数据，那么，波特率和数据传输速率在数值上是相等的3. 波特 在通信系统中，信号的一次状态变化可能传输一个比特位，也可能传输多个比特位，甚至亦有可能传输的比特位少于一个。

信号传输速率（B）以波特（Baud）为单位，它等于信号调制时间间隔的倒数，即调 制速率为E=1/T（波特）其中T为码元宽度，单位为秒4. 数据传输速率与信号传输速率的关系数据传输速率C和信号传输速率（即调制速率）B不是一回事一般情况下，它们之 间的关系可用下式表示：C：数据传输速率（也可称数据率或位率），单位：bps； B： 信号传输速率（也可称调制速率或波特率），单位：Baud； N：为一个码元所具有的状 态数，它往往取2的幕次数，在二进制不归零编码方法中，脉冲的有或无就表示码元具 有“0”和“1”二个状态因此由上式可求得C=B也就是说该系统的数据传输速率和 信号传输速率（调制速率）在数值上是相等的 如果一个码元具有四个状态，则由上式可求得C = 2B也就是此时数据传输速率是信号传输速率的2倍数据传输速率（位率）与波特率之间的关系也可用下式表示：C = B

若传输总位数为N,传 错的位数为Ne，则误码率Pe为:Pe=Ne/N1.2.5 基带、宽带和频带传输1. 基带传输 信号占有一定的频率范围，由计算机或终端产生的，频谱从零开始，而未经调制的数字信号所占用的频率范围叫基本频带，简称基带（Base Band,缩写为BAB）而这种数 字信号就称基带信号2. 频带传输频带传输，就是把二进制电信号（数字信号）进行调制变换，变换成能在公共电话线 上传输的音频信号（模拟信号），音频信号在传输介质中传送到接收端后，再由调制解 调器将该音频信号解调变换成原来的二进制电信号，这种把数字信号经过调制后再传 送，传送到接收端后又经过解调还原成原来信号的传输，称为频带传输这种频带传输 不仅克服了目前许多长途电话线路不能直接传输基带信号的缺点，而且能实现多路复用 的目的，从而提高了通信线路的利用率但是频带传输在接收端和发送端都要设置调制 解调器3. 宽带传输宽带（Broad Band，缩写为BRB）,是指比音频带宽更宽的频带，它包括大部分电磁波 的频谱使用这种宽频带进行传输的系统，称为宽带传输系统，宽带传输系统一般被分 为多个信道，每个信道6MHz，可以用作模拟电视信道、高质音频信道或数字信道。

基带通常用于传输数字信息而宽带通常用于传输模拟信号而且一个宽带信道能划 为多个逻辑信道这样就能把声音、图象和数据信息的传输集中在一个物理信道上进行 传输以满足办公自动化系统中电话会议、图象传真、电子邮件、事务处理等服务的需 要宽带传输一定是采用频带传输技术的，而频带传输不一定就是宽带传输1.2.6 PCM 技术PCM技术就是在发送端通过对发送信号进行取样，量化和编码三个步骤，将模拟信号 转换为数字信号的技术这样所得到的数字信号也称为编码脉冲，它们被发送到信道上 传送到对方，在接收端，以发送端发送编码脉冲的数据速率，对数据进行采样，译码， 恢复其原有幅值，重构原模拟信号下面具体讨论PCM技术的取样，量化和编码三个 步骤1.取样按取样定理：如果对信号F（t）每隔一定的时间间隔取样，如果取样频率大于信号最高有 效频率的两倍，则此取样信息就能包含原信号F（t）的全部信息所以，取样频率为：n F = 1/T〉=2Fmax式中:F—取样频率T —取样周期Fmax—原始模拟信号的最高频 率一般，声音数据的带宽为4000Hz,则每秒8000次取样，完全可以代表声音信号的 特征2.量化量化是决定取样样本属于哪个量级，并按量化级将样本幅度值取整，这时取整后的样 本值就不是连续值了。

量化过程应先将信号分成若干量化级（如可分为8级或16级、... 规定好每一级对应的幅值范围，再将取样所得样本的幅值与上述量化级幅值范围相比较 后取整定级3.编码编码是用相应位数的二进制码来表示已经量化的取样样本的量级如取N个量化级， 则二进制的位数应为Log2N如量化级为8个等级，则需要有3位长度编码经过编 码后，每个取样样本就由相应的编码脉冲来表示再将该编码脉冲发送到信道上进行传 输当前，声音数字化系统中，分为128个等级，所以，需要有7位长度编码声音信 号的带宽为4000Hz，取样速率为每秒8000个样本，所以，该系统的传输速率应该为7x8 K,即56KbpsPCM技术还可用于彩色电视信号彩色电视信号带宽为6MHz,取样 速率为每秒 12M 个样本，一个样本用 10 位二进制表示，那么其数据传输速率要求高达 120Mbps1.2.7 数字数据的模拟传输将数字数据调制为模拟信号的基本方式有三种 *振幅键控（ASK）*移频键控（ FSK）*移相键控（PSK）1. 振幅键控在ASK调制方式中，载波信号的两个不同振幅代表二进制的两个数值例如，用振幅 恒定的载波的“有”、“无”代表二进制数值，即有载波表示二进制“1”、无载波表示二进 制“0”。

ASK方式易受突发干扰的影响，是一种不十分理想的调制方式在传输声音的 线路中，传输速率一般只能达到1200bps2. 移频键控在FSK调制方式中，载频附近的两个不同的频率分量分别代表二进制的两个数值，其 抗干扰能力优于ASK在音频线路中，传输速率也只有1200bpso FSK方式还常用于高 频（3 —30MHz）无线传输，在使用同轴电缆作为传输介质的局部网络中，尚可使用更 高的频率3. 移相键控在 PSK 调制方式中,用载波信号的相位移动来表示数据以相邻两位的载波信号相差 0 度或 180 度来区别两位是相同状态或不同状态，这种调制方式称为差分相位调制，也可 以根据0或1状态，分别给予已调信号0度或180度，这种调制方式称为绝对相位调制 对于只有0或180度变化的方式，称为两相调制；如果有四种状态的变化，例如输出相 位为：＋45、－45、＋135、－135 度，就称为四相调制在四相调制的情况下，每一次 信号调制可表示2个比特的信息，使数据传输速率增加一倍PSK较FSK有更强的抗 干扰能力和更高的效率在音频线路中，传输速率可达9600bps图 1-2-2 模拟传输方式1.2.8 信道容量计算1. 奈奎斯特公式奈奎斯特在1924年推导出了一个有限带宽无噪声信道的最大数据传输速率的公 式。

该公式为：Vmax=2Elog2N其中：Vmax:最大数据传输速率；E：信道带宽；N：信号幅度所取离散值的个数, 亦即对信号幅度所分的级数，N表示在信道上传送的信号幅度有N个可能取值如对二 进制数字信号，N = 2,即信号幅度只有“0”和“1”两个可能取值若传送的是八进制 数，则有八个可能取值，此时N=82. 香农公式 香农在对有噪声信道的数据传送进一步研究后，于1948年推出了香农公式热噪声以信号功率与噪声功率之比来度量，这个比值叫做信噪比如果用S表示信号功率，N表 示噪声功率，则信噪比为S/N通常人们习惯使用101gS/N，来度量信噪比，其单位称 为分贝(db)如果S/N为10，则101g10=10，信噪比是10分贝如果S/N为100，则 信噪比是20分贝依此类推香农公式可如下描述：任何带宽为HHz，信噪比为S/N的信道，其最大数据传输Vmax为：Vmax (bps) = Hlog2 (1+S/N)例如，一条带宽为3000Hz,信噪比为30db的信道，那么101gS/N=30,则S/N=1000 Vmax=Hlog2 (1+S/N)=30001og2 (1+1000) v30000bps1.2.9 传输模式传输模式(Transmission Mode )定义了比特组合从一个设备传到另一个设备的方式。

它还定义了比特是可以同时在两个方向上传输，还是设备必须轮流地发送和接收信息1.串行和并行传输首先，我们来区分串行和并行传输并行传输(Parallel Trans mission)指可以同时传输一组比特，每个比特使用单独的一条 线路(导线)这些线路通常被捆扎在一条电缆里并行传输非常普遍，特别是用于两 个短距离的设备之间最常见的例子是计算机和外围设备之间的通信其他的例子还包括CPU、存储器模块 和设备控制器之间的通信图 1-2-3 计算机和外围设备通信并行传输应用到长距离的连接上就无优点可言了首先，在长距离上使用多条线路要 比使用一条单独线路昂贵其次，长距离的传输要求较粗的导线，从而降低信号的衰减 这时要把它们捆到一条单独电缆里相当困难第三个问题涉及比特传输所需要的时间 短距离时，同时发送的比特几乎总是能够同时收到但长距离时，导线上的电阻会或多 或少地阻碍比特的传输，从而使它们的到达稍快或稍慢，这将给接收端带来麻烦串行传输(Serial Transmission)提供了并行传输以外的另一种选择它只使用一条线路， 逐个地传送所有的比特它比较便宜，用在长距离连接中也比并行传输更加可靠因为 它每次只能发送一个比特位，所以其速度也比较慢。

图 1-2-4 串行传输这种传输方式给发送设备和接收设备增加了额外的复杂性发送方必须明确比特发送 的顺序比如说，发送一个字节的8 个比特位时，发送方必须确定是先发送高位比特还 是先发送低位比特同样，接收方必须知道一个目标字节中收到的第一个比特位应该放 在什么位置上这个问题虽然看起来比较琐碎，但不同的体系结构对字节内比特的编号 各不相同，而且如果各协议在比特的顺序上无法取得一致的话，信息的传输将出现错误2. 异步和同步传输有两种提供串行通信的方法： 异步传输和同步传输异步传输(Asynchronous Transmission)指比特被划分成小组独立传送发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方从不知道它们会在什么时候到达异步传输存在一个潜在的问题注意接收方并不知道数据会在什么时候到达在它检 测到数据并作出响应之前，第一个比特已经过去了这就象有人出乎意料地从后面走上 来跟你说话，而你没来得及反应过来，漏掉了最前面的几个词因此，每次异步传输都 以一个开始位开头它通知接收方数据已经到达了这就给了接收方响应、接收和缓存 数据比特的时间在传输结束时，一个停止位表示一次传输的终止按照惯例，空闲(没 有传送数据)的线路实际携带着一个代表二进制1的信号。

开始位使信号变成0其他 的比特位使信号随比特值而变化最后，停止位使信号重新变回1，该信号一直保持到 下一个开始位到达图 1-2-5 异步传输数据帧同步传输(Synchronous Transmission)的比特分组要大得多它不是独立地发送每个 字符，每个字符都有自己的开始位和停止位，而是把它们组合起来一起发送我们称这 些组合为数据帧，或简称为帧图 1-2-6 同步传输数据帧数据帧的具体组织形式随协议而定，数据帧有许多公共的特征数据帧的第一部分包 含同步字符(SYN Character)，它是一个独特的比特组合，用于通知接收方一个帧已经 到达SYN字符类似于前面提到的开始位，但它还能确保接收方的采样速度和比特的到 达速度保持一致接下来是控制位，可能包含下列这些元素：* 源地址，指出数据帧从哪里来 目标地址，指出数据帧到哪里去这在数据帧必须经过几个节点才能到达目的地的网 络 中非常重要每个中间节点依据目标地址进行路由选择第 7 章将进一步讨论路由问题 数据的实际字节数 序列号它用于有很多帧被传送出去，但由于某种原因无法按顺序到达目的地的情况 帧类型，随协议而定 数据位定义了要发送的信息字符间不需要开始位和停止位。

错误检查位被用来检测 或校正传输错误但接收方如何得知错误的发生呢？发送方通常要传送由数据决定的附加比特位如果数据发生改变，附加位将不再与之 保持一致帧的最后一部分是一个帧结束标记和SYN字符一样，它是一个独特的比 特串，用于表示没有别的即将到达的比特了(至少在下一帧开始之前)同步传输通常要比异步传输快速得多接收方不必对每个字符进行开始和停止的操作 一旦检测到SYN字符，它就在接下来的数据到达时接收它们另外，它的开销也比较 少比如说，一个典型的帧可能有500字节(即4000比特)的数据，其中包含1 00比 特的开销(实际数值各异)这时，增加的比特位使传输的比特总数增加2.5%不妨 把它和异步传输中25%的增值作一个比较3. 单工、双工和全双工通信 讨论了从一台设备传输信息到另一台设备的各种方法，它们在发送方和接收方之 间有明确的方向性这是一种典型的单工通信(Simplex Communication)其他的应用要 求更高的灵活性，使得设备既可以发送，也可以接收实现的方法多种多样有些使用 半双工通信(Half-Duplex Communication)这样的设备可以发送和接收，但必须轮流 进行。

最复杂的方法是全双工通信(Full-Duplex Communication)这样的设备可以同 时进行发送和接收当设备在一条线路上发送数据时，它可能会收到其他的数据双向 通信比较复杂，特别是在网络上协议必须确保信息能被正确而有序地接收，并允许设 备有效地进行通信图 1-2-7 单工、双工和全双工通信1.2.10 多路复用多路复用技术就是将多个信道的信号以一定方式组合在一根物理线路上传送的技术 一般可分为两类，即频分和时分多路复用1. 频分多路复用频分多路复用(Frequency-Division Multiplexing, FDM )技术用于模拟信号它最普遍 的应用可能是在电视和无线电传输中多路复用器接受来自多个源的模拟信号，每个信 号有自己独立的带宽接着这些信号被组合成另一个具有更大带宽更加复杂的信号，产 生的信号通过某种媒体被传送到目的地，在那里另一个多路复用器完成分解工作，把各 个信号单元分离出来这种多路复用的方法包含几个步骤首先，传输媒体的可用带宽被划分成多个分离的范 围或信道接着，为每个信道定义一个载波信号Carrier Signal)与信道对应的输入信 号使载波信号发生改变(调制)，从而产生另一个信号(调制信号)。

在频分多路复用的 最后一步，所有输入的调制信号被结合成一个更加复杂的单一模拟信号2. 时分多路复用和频分多路复用一样，时分多路复用(Time-DivisionMultiplexing, TDM)把许多输入 信号结合起来，并一起传送出去但时分多路复用技术用于数字信号因此，和频分多 路复用把信号结合成一个单一的复杂信号的做法不同，时分多路复用保持了信号物理上 的独立性，而逻辑上把它们结合在一起1.2.11 差错处理1. 差错类型一般，引起错误的噪声分两类，一类是白噪声，一类是冲击噪声，相应地出现的错误 也分两类，一类是随机错误，一类是突发错误2. 差错控制方法在数据通信中采用的差错控制方法有三种：第一种方法称为检错反馈重发或称自动请 求重发(Automatic Repeat Request)，简写为ARQ在这种方法中，通信双方中的接收 方检测有无误码，如果发现有误码则利用反向信道要求发送方重发有错的信息直到接 收方检测认为无误码为止第二种方法称为自动纠错或称前向纠错( Forward Error Control)0简写为FEC使用FEC方法，发送方在每一个要发送的数据块上附加足够的 冗余信息，接收方检测到接收帧有错后，根据冗余信息，通过一定的运算，能够推导出 已发出的数据是什么，从而将它纠正过来。

FEC方法不使用反向信道，故称为前向纠错 第三种方法是介于前二种方法之间，称为混合方式在这种方式中，由于数据块中包含 有限的冗余信息，因此仅能纠正有限范围内的错误，如果错误太多，就请求发送方重传 出错数据3. 纠(检)错编码 所谓检错码是指能自动发现差错的码，所谓纠错码是指不仅能发现差错而且能自动纠正差错的码下面讨论常见的几种检错码和纠错码1)奇偶校验 奇偶校验一般分为三种:垂直奇偶校验、水平奇偶校验、水平垂直奇偶校验垂直奇偶 校验(VRC),又叫字符校验这是一种最简单的校验方法，其编码规则是以字符为单 位，在每个字符后面附加一位冗余校验位，构成一个码字，使得整个码字代码中V”的 个数成为偶数或奇数如果“1”的个数为偶数的称为偶校验，而“1”的个数为奇数的称 为奇校验2)循环冗余校验码( CRC) 计算校验码的算法如下：a. 设G(X)的阶为r,在待发送的m位二进制位串后面添加［个0,使其长度达到m + 『位其相应的多项式是XrM(X)b. 按模2除法用对应于G(X)的位串去除对应于XrM(X)位串得到的余数就是校验码 按模2减法从对应于XrM(X)位串减去余数(等于或小于r位)结果就是要传送的带校 验码的多项式T(X)0循环冗余校验码的基本原理是：将计算得到的对应于T(X)的位串，发送出去。

当接收 方收到该位串时，用与发送方相同的G(X)的位串去除它，如果能除尽，说明收到的编 码信息正确否则就是错误的把收到的正确的编码信息，去掉r位尾部，就是应得到 的数据信息。