第三章 数据通信技术 第一节 数据通信基础 第二节 数据通信的基本技术 复习思考题三

第一节 数据通信基础 一、 数据通信基本概念 数据通信是计算机等数字设备之间的通信，或者说，是指数字计算机之间或数字终端与数字计算机之间的通信。它是把电气通信的传输能力和计算机的信息处理能力结合起来，来完成信息的传输、交换、存储和处理的通信技术。 1．信道。传输信息的必经之路称为“信道”。在计算机中有所谓物理信道和逻辑信道之分。 2．信号。信号是数据的电子或电磁编码。信号可分为模拟信号和数字信号。模拟信号是随时间连续变化的电流、电压或电磁波；数字信号则是一系列离散的电脉冲。如图3.1所示。

第一节 数据通信基础 图3.1 模拟信号、数字信号的表示

第一节 数据通信基础 一、 数据通信基本概念 3．数据：数据定义为有意义的实体，数据可分为模拟数据与数字数据两种。模拟数据是在某区间内连续变化的值；数字数据是离散的值。 4．码元：码元是对于网络中传送的二进制数字中每一位的通称，也常称作“位”或bit。例如1010101，共有7个位或者说有7个码元。 5．频率：在数据通信中，频率是指单位时间内电流中通过的完整周期的次数。频率的单位是赫兹（Hz），即每秒的周期数频率以数字表示，其范围是0～300GHz。

第一节 数据通信基础 一、 数据通信基本概念 6．频带宽度：频带宽度指的是一个频率范围，用赫兹(Hz)表示。 7．源端：产生待发送数据的终端设备。 8．发送器：对信号进行转换和编码，以产生能在特定传输系统中传输的信号。 9．传输系统：连接源端和目的端的传输介质和复杂网络。 10．接收器：从传输系统接收信号并将其转换为目的端设备能处理的信号。 11．目的端：从接收器输入数据，并能还原成原信号的终端设备或计算机。

第一节 数据通信基础 二、数据通信系统的基本组成 数据通信系统是以电子计算机为中心，用通信线路连接分布在远地的数据终端设备而进行数据通信的系统。其基本构成如图3.2所示。 图3.2 数据通信系统的组成

第一节 数据通信基础 二、数据通信系统的基本组成 数据通信系统分成数据传输和数据处理两大部分： 数据传输的作用相当于数据的“搬运工”。如把企业二级厂矿的生产、销售、库存数据送入上一级公司的计算机，就是数据传输的任务；而公司的计算机将统计处理后的结果以及公司的指令回传给二级厂矿，同样属于数据传输的任务。 数据处理的任务就是加工处理传输过来的数据。 从硬件角度看，数据通信系统有四大构成要素：终端设备、数据传输线路、通信控制设备和计算机。

第一节 数据通信基础 三、数据传输的基本方式 1、串行和并行传输 按照数据代码传输的顺序和一次传输数位的多少可将数字信号传输分为并行传输(Parallel Transmission)和串行传输(Serial Transmission)两种方式，前者是通过一组传输线同时传输多位数字数据，后者是通过一对传输线逐位传输数字代码。通常，计算机内部以及计算机与并行打印机之间采用并行方式，而传输距离较远的数字通信系统多采用串行方式。如图3.3所示。

第一节 数据通信基础 1、串行和并行传输 设备1 设备2 1 a)并行传输 设备1 01001001 b)串行传输 图3.3 并行和串行传输 并行传输方式的优点是一次完成传输不需转换，速度快。缺点是将引起不同的延迟与畸变，要求采用复杂的同步技术，成本显著上升，故在远距离数字通信中一般不使用并行方式。 串行通信的优点是技术简单，成本费用低，缺点是由于只能逐位传输数据，因此速度较慢，且需要二次转换。

第一节 数据通信基础 2、异步传输与同步传输 （1）异步传输(Asynchronous Transmission) 异步传输以字符为单位传输数据，采用位形式的字符同步信号，发送器和接收器具有相互独立的时钟（频率相差不能太多)，并且两者中任一方都不向对方提供时钟同步信号。异步传输的发送器与接收器双方在数据可以传送之前不需要协调：发送器可以在任何时刻发送数据，而接收器必须随时都处于准备接收数据的状态。 因此，每次异步传输都以一个开始位开始，一个停止位终止。如图3.4所示。

第一节 数据通信基础 （1）异步传输(Asynchronous Transmission) 设备1 设备2 y b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 x 停止位 开始位 图3.4 异步传输 优点：实现字符同步比较简单，收发双方的时钟信号不需要精确地同步。 缺点：每个字符增加了2～3bit，降低了传输效率。

第一节 数据通信基础 （2）同步传输 (Synchronous Transmission) 同步传输是以固定时钟节拍来发送信号的，其比特分组要大得多。同步传输以数据帧为单位传输数据，采用字符形式或位组合形式的帧同步信号，由发送器或接收器提供专用于同步的时钟信号。如图3.5所示。 设备1 发送方 设备2 接收方 图3.5 同步传输 end err …data… control synn

第一节 数据通信基础 3、单工、半双工和全双工方式 根据通信双方的分工和信号传输方向可将通信分为三种方式：单工、半双工与全双工。 单工(Simplex)方式：通信双方设备中发送器与接收器分工明确，只能在由发送器向接收器的单一固定方向上传送数据。采用单工通信的典型发送设备如早期计算机的读卡器，典型的接收设备如打印机。 半双工(Half Duplex)方式：通信双方设备既是发送器，也是接收器，两台设备可以相互传送数据，但某一时刻则只能向一个方向传送数据。例如，步话机是半双工设备，因为在一个时刻只能有一方说话。 全双工(Full Duplex)方式：通信双方设备既是发送器，也是接收器，两台设备可以同时在两个方向上传送数据。例如，电话是全双工设备，因为双方可同时说话。

第一节 数据通信基础 4．基带信号、频带传输和数字数据传输 （1）基带传输（BaseBand Transmission） 基带信号(Baseband Signal)直接用两种不同的电压来表示数字信号1和0，因此我们将对应矩形电脉冲信号的固有频率称为"基带"，相应的信号称为基带信号。基带传输(Baseband Transmission)指通过有线信道直接传输基带信号，一般用于传输距离较近的数字通信系统，如基带局域网系统，传输电路为非加感的实回线，如架空明线、双绞线、对称电缆等。 （2）频带传输方式（FrequencyBand Transmission） 频带传输就是将代表二进制数据的“1”和“0”信号，通过调制解调器变成具有一定频带范围的模拟信号进行传输。典型的例子就是电话电路，其特性是带通型，一般频率范围为300～3400Hz，基带信号不能通过，所以要采取措施把基带信号调制解调到电话电路的频带范围内传输，频带传输可实现远距离的数据通信。

第一节 数据通信基础 4．基带信号、频带传输和数字数据传输 （3）数字数据传输方式（Digital Data Transmission） 数字数据传输方式是利用数字话路传输信号的一种方式，如PCM数字电话。利用数字信道进行数据传输，在传输质量上由于数字信道无噪声积累，传输数据可以再生，数据传输无需进行额外的D/A，A/D转换，这些都将导致数据传输质量大大提高；另一方面，一条数字话路可以传输速率为64kbit/s的数据，而且还可以利用数字复接技术，以2Mbit/s，8Mbit/s，……622Mbit/s，2.5Gbit/s，甚至更高的速率进行传输，大大提高了数据传输速率。

第一节 数据通信基础 四、数据通信线路的传输介质 传输介质是信息传播的物理通道。提供可靠的物理介质是信息能够正确、快速传递的前提。 （一）明线 明线是由电杆支撑的，架设在地面上的一种裸露的线路。其导线通常采用铜线、铝线和钢线制做。 明线线路具有设备简单、建设投资费用小、易于维护等优点，适用于通信业务量较少或边远地区的通信线路。但是由于明线线路受天气变化和地形外界磁场的影响比较大，存在着传输速度慢、通信质量不稳定、容量小、影响地面规划等缺陷，在现代化的大城市和经济发达地区已经不再发展。

第一节 数据通信基础 四、数据通信线路的传输介质 （二）电缆 电缆分为对称电缆和同轴电缆。 对称电缆是由许多二线（也可以用四线）线对构成的，每一个相互绝缘二线线对按一定规格相互缠绕而成，也称为双绞线。由于对称电缆存在着对称线对之间的串音随着频率的升高而愈加严重的问题，限制了对称电缆的发展。 同轴电缆(Coaxial Cable) 同轴电缆的结构是两个同芯的导体组成，可以分为粗缆和细缆两种。同轴电缆多用于设备到设备的连接，它总是成一线配置，有时称为主干电缆（Backbone）。一条主干电缆连接网上所有设备，包括工作站、服务器等，而且为了能正常工作需要加上终端电阻和正确接地。

第一节 数据通信基础 四、数据通信线路的传输介质 （三）光纤 光缆由能传导光波的石英玻璃纤维(纤芯)，外加涂覆层（硅橡胶）和保护层构成。在光缆一头的发射器使用LED光发射二极管(Light Emitting Diode)或激光(Laser)来发射光脉冲，在光缆另一头的接收器使用光敏半导体管探测光脉冲。光纤的核心在于其中间的玻璃纤维，它是光波的通道。 光纤的最大优点是光纤的衰减性非常小，抗干扰能力强，传输速度快；主要缺点就是价格太昂贵。 （四）无线电频率传输 无线电频率指从1KHz至1GHz的电磁波。在这一频率范围内包括这样几个波段： 短波波段（SF） 超高频波段（VHF） 甚高频波段（UHF）

第一节 数据通信基础 四、数据通信线路的传输介质 （五）红外传输 红外传输是以红外线（Infrared Light）作为传输载体的一种通信方式。它以红外二极管（LED）或红外激光管（ILD）作为发射源，以光电二极管（Photodiode）作为接收设备。这类似于在光纤中传输红外线的方式，不过其介质不再是玻璃纤维而是空气。 红外传输是目前另一种广泛采用的无线电通信方式。它的成本低廉，不会象无线电那样受到频率范围的限制，适用于距离较近的传输。

第一节 数据通信基础 四、数据通信线路的传输介质 (六) 微波卫星传输 微波系统作为通信手段已经有几十年的历史。在通信卫星使用前，我国的电视网就是靠大约50公里一个微波站来一站一站传送的。这样的微波站属于微波系统中的一类：地面微波系统。在通信卫星使用之后，电视信号先传送给同步卫星，再由卫星向地面上转发，覆盖极大的区域，这种系统属于微波系统中的另一类：星载微波系统。 微波系统存在着覆盖面积大、速度快、失真小等优点，也存在着费用高、技术要求高等缺点。

第二节 数据通信的基本技术 一、数据通信的调制与解调 数据通信信号既有模拟信号又有数字信号。绝大多数的计算机通信，终端与计算机、计算机与磁盘间的数据传输都是使用数字信号。而很多人在家中用PC机上网则用模拟信号，这就需要一种能够将PC机器的数字信号转换成模拟信号的技术：调制解调器。如图3.6所示。 工作站A Modem 工作站B 数字信号 模拟信号 公用电话线 图3.6 远程系统中的调制解调器 模拟信号传输的基础是载波，载波具有三大要素：幅度、频率和相位，数字数据可以有三种调制方式：频率，振幅和相移。

第二节 数据通信的基本技术 二　多路复用技术 多路复用技术就是把许多个单个信号在一个信道上同时传输的技术。其作用相当于把 通信线路划分成多个通信线路。实现多路复用技术一般有两种办法：频分多路复用（FDM）和时分多路复用（TDM）。 CH1 CH2 CH3 CH4 △f △t f t （a）频分法 （b）时分法 图3.7 频分多路复用和时分多路复用的区别

第二节 数据通信的基本技术 二 多路复用技术 1、频分多路复用（FDM） 二　多路复用技术 1、频分多路复用（FDM） 在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同(或略宽)的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是频步分多路复用（Frequency Division Multiplexing）。 为了防止互相干扰，使用保护带来隔离每一个通道。 2、时分多路复用（TDM） 若媒体能达到的位传输速率超过传输数据所需的数据传输速率，可采用时分多路复用 TDM(Time Division Multiplexing)技术，即将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用。每一时间片由复用的一个信号占用，这样，利用每个信号在时间上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。

第二节 数据通信的基本技术 三 数据传输的速度与质量 三　数据传输的速度与质量 数据通信系统主要是从数据的数量和质量来衡量。数量主要是指传输的速度，相应的指标是数据传输速率；质量指数据传输的可靠性，一般用数据传输的差错率来衡量。 （一）数据传输速率 数据传输速率是通信系统的主要技术指标，它包括比特率和波特率。

第二节 数据通信的基本技术 三 数据传输的速度与质量 （一）数据传输速率 三　数据传输的速度与质量 （一）数据传输速率 1. 比特率。它是指每秒传输二进制信息的位数，单位为位/秒，记作bps或b/s。它可以由下式决定： S=（1/T）× （1） T——一个数字脉冲信号的宽度或重复周期，单位：秒； N——一个码元所取的离散值个数，即电脉冲信号所有可能的有效状态。 通常 N= ，K为二进制信息的位数，K= 。 N=2时，S=1/T，表示数据传输速率等于码元脉冲的重复频率。

第二节 数据通信的基本技术 三 数据传输的速度与质量 （一）数据传输速率 三　数据传输的速度与质量 （一）数据传输速率 2、波特率。单位时间内通过信道传输的码元数，单位为波特，记作Baud。计算公式: B=1/T 　 （2） T为信号码元的宽度，单位为秒。 由⑴、（2）得： 　 S=B×　 (bps) （3） 或 B=S/ 　(Baud) （4） 由上面两式可知比特率和波特率是两个完全不同的概念。只有当二进制调制时，二者才在数值上相等。但在多值调制和联合调制时，则不等。

[例1]采用四相调制方式，即N=4，且T=833 秒，则 第二节 数据通信的基本技术 三　数据传输的速度与质量 （一）数据传输速率 [例1]采用四相调制方式，即N=4，且T=833 秒，则 　　　　S=1/T × =1/(833 ) × =2400 (bps) 　　　　B=1/T=1/(833 )=1200 (Baud)

第二节 数据通信的基本技术 三 数据传输的速度与质量 （二）差错率 三　数据传输的速度与质量 （二）差错率 差错率是衡量数据通信系统可靠性的主要指标，表示差错率的方法常用以下三种：误码率（比特或码元差错率）、误字率和误组率。 误码率 码元传输时出错的概率。它是衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标。在计算机网络中，一般要求误码率低于 ，误码率公式： Pe=Ne/N　　　　　 （5） 式中 Ne为接收端错误码元数； N 为发送端发送码元总数总数。

第二节 数据通信的基本技术 三 数据传输的速度与质量 （二）差错率 误字率 三　数据传输的速度与质量 （二）差错率 误字率 它的定义是指在传输字符的总数中发生差错字数所占的比例，即码字错误的比率。 误组率 它的定义是指在传输的码组总数中发生差错的码组数所占的比例，即码组错误的概率。 除了上述三种指标外，还有可靠度、适应性、使用维修性、经济性、标准性及通信建立时间等。

复习思考题三 什么是数据通信？其特点是什么？ 数据通信由哪些部分组成？ 数据传输有哪几种方式？特点如何？ 通信线路的传输媒体有哪些？ 什么是调制与解调？ 多路复用有哪几种方式？各有什么特点？ 衡量数据传输的速度和质量分别有哪些指标？ 若一个数据传输线路为4相调制方式（N＝4），当信号周期（宽度）T＝400ms时，试计算此线路传输速率S＝？