数据通信基础

1、1.5 数据通信基础数据通信基础 1.5.1 数据通信的概念数据通信的概念 1. 信息、数据和信号信息、数据和信号 人们利用信息决策以指导自己正确地行事。但是信息必须依靠各种载体才能表示和传递。比如，电话通信以语言作为信息的载体；数据通信则以数据作为信息的载体。从数据通信的从数据通信的角度来看，数据可以被定义为计算机可识别的任何有意义的实角度来看，数据可以被定义为计算机可识别的任何有意义的实体体。 按照取值的方式，数据可以分为模拟数据模拟数据和数字数据数字数据两种形式。前者是指数据取连续变化的值，如话音、视频、温度、速度等。后者是指数据取离散变化的值，如文本数据、整数等。 在数据通信过程中，常

2、常需要通过某一传输介质把数据从某一端传递到另一端。为了使数据能在通信介质上进行传输，必须把数据转换成某种电信号或光信号。因此，信号是数据的信号是数据的一种电磁编码或光编码，是数据传输中的一种表现形式。一种电磁编码或光编码，是数据传输中的一种表现形式。 同样，信号也有模拟信号模拟信号和数字信号数字信号之分。模拟信号是一模拟信号是一种取值连续变化的电信号种取值连续变化的电信号，如话音信号、视频信号等。数字信数字信号是一种取值离散化的电脉冲或光脉冲序列号是一种取值离散化的电脉冲或光脉冲序列。比如，数字计算机的输入输出信号、各种数字仪器或设备的输入输出信号等。这类信号的特点是离散性、可存储性以及传输过

3、程中的间断分时性。 2. 数据传输数据传输 数据传输，是指通过传输信道以电信号数据传输，是指通过传输信道以电信号(或光信号或光信号)的形式的形式把数据从一端传递到另一端的过程把数据从一端传递到另一端的过程。在此传输信道用于提供一条端到端的电(或光)通路。它既可以是有线传输介质(如同轴电缆、双绞线、光纤等)，也可以是无线传输介质(如微波、激光、卫星等)，或者是这两种介质的结合。由于传输介质本身固有的传输特性，使信号在信道传输过程中会发生畸变或带来噪声或干扰，这可能导致数据产生差错或丢失等现象。 3. 通信的定义通信的定义 通信定义通信定义为：利用电子等技术手段，借助电利用电子等技术手段，借助电(

4、或光或光)信号实信号实现从某一端现从某一端(常称为信源端或发送端常称为信源端或发送端)向另一端向另一端(常称为信宿端或常称为信宿端或接收端接收端)进行信息的有效传递和交换。进行信息的有效传递和交换。 4. 通信方式通信方式 通信方式是指数据在信道上传输所采取的方式通信方式是指数据在信道上传输所采取的方式。通常有三种分类方法，按数据代码传输的顺序分为：串行传输和并行传串行传输和并行传输输；按数据传输的同步方式分为：同步传输和异步传输同步传输和异步传输；按数据传输的流向和时间关系分为：单工、半双工和全双工传输单工、半双工和全双工传输。 1.5.2 数据通信系统数据通信系统 1. 数据通信系统的组成

5、数据通信系统的组成 通信的任务是完成信息的传递和交换。以点对点通信为例，要实现信息从一端向另一端的传递，至少由三部分三部分组成，即发送端发送端、接收端接收端、收发两端之间的信道信道，如下图所示。 信息源发送系统信道接收系统信宿发送端噪声源接收端通信系统的模型通信系统的模型 其中，信息源信息源(简称信源)的作用是把待传输的数据转换成原始电信号，如电话系统中的电话机、网络系统中的终端或计算机等都可看成是信源。信源输出的信号称为基带信号。所谓“基带信号基带信号”，是指没有经过调制(频率搬移)的原始信号，其特点是频率较低。基带信号可分为数数字基带信号字基带信号和模拟基带信号模拟基带信号。为了使原始信号

6、(基带信号)更好地在信道中传输，由发送设备对基带信号进行某种变换或处理，使之适应信道的传输特性要求。这里的“发送系统”是个总体概念，它可能包括许多具体设备，而且，不同类别的通信系统对应有不同种类的发送设备。 信道信道是信号传输的通路，信道中自然会叠加上噪声。噪声源噪声源是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其他各处噪声的集合(这种表示并非指通信中一定要有一个噪声源，而是为了在分析和讨论问题时便于理解而人为设置的)。在接收端，接收系统的功能正好与发送系统的功能相反，它从收到的信号中恢复出相应的原始信号。信宿信宿(也称受信者或接收终端)是将复原的原始信号转换成相应的信息，如电话机将对方传来的电信号

7、还原成了声音，终端或计算机将对方传来的电信号还原成文本数据或图像数据等。 2. 数据通信系统的分类数据通信系统的分类 根据信道中所传的信号类别不同，我们可将数据通信系统分为模拟通信系统模拟通信系统和数字通信系统数字通信系统两种。 模拟通信系统模拟通信系统 我们把信道中传输模拟信号模拟信号的系统称为模拟通信系统模拟通信系统。模拟通信系统的基本特征是，传输的信号具有随时间“连续”变化的特性。由于模拟通信系统的信源端和信宿端的信号都是基带信号基带信号，而信道传输的信号为模拟信号模拟信号(即频带信号)，因此，在该系统中包含着两种重要变换。 一种是将基带信号基带信号转换成适应模拟信道传输的频带信号频带信

8、号，即调制变换调制变换，它由调制器调制器完成。经调制后的信号为已调信号，它具有三个基本特性，即携带有信息、适合在指定的信道上传输、拥有较高的频率成分。另一种是在接收端将频带信号频带信号还原成对应的基带信号基带信号，即解调变换解调变换，它由解调器解调器完成。其基本组成(通常也称为模型)如下图所示。除上述两种变换处理外，在收、发两端之间还可能有滤波、放大、收发控制滤波、放大、收发控制等过程。它们的作用仅仅是为改善信号特性而做的一系列相关处理，信号本身并没有产生质的变化，为此，在模型中并未专门标出。信息源调制解调器信道调制解调器信宿噪声源模拟通信系统模型模拟通信系统模型 数字通信系统数字通信系统 我

9、们把信道中传输数字信号数字信号的系统称为数字通信系统数字通信系统。比如，计算机通信、数字电视或数字电话等都属于数字通信。由于数字通信的基本特征基本特征是，传输的信号具有随时间“离散离散”或“数字数字”变化的特性，从而使数字通信系统模型与模拟通信系统模型存在着差异。下图给出了数字通信系统的基本模型。 信息源信源编码器信道编码器调制器信道解调器信道译码器信源编码器信宿噪声源数字通信系统模型 在数字通信系统中，如果信源信源发出的是模拟信号模拟信号，就要经过信源编码器信源编码器对模拟信号进行采样、量化及编码采样、量化及编码，将其变换为数字信号数字信号。信源编码器信源编码器的主要作用是实现数模转换。而信

10、源译信源译码器码器的作用则是编码的逆过程，即实现模/数转换。信道编码器信道编码器的功能是为了实施差错控制而根据某种运算和控制规则对传输的数字信号进行编码；信道译码器信道译码器的功能是对接收到的编码信号依据同样的规则进行出错检测或纠正，以恢复原始传输的数据信号。由于信道通常会遭受到各种噪声的干扰(包括自然的、人为的)，从而导致接收端接收的信号产生误差或错误，即称为误码误码。因此，信道编码器和译码器的主要作用就是能够自动地检测出信号错误或纠正错误。另外，数字信号在传输过程中是依据一定的节拍按位或帧一个一个地传递，因而接收端也必须按位或帧以与发送端相同的节拍一个一个地接收，否则，就会因收发步调不一致

11、而造成数据混乱或丢失。 数字通信的主要优点是：数字通信的主要优点是： (1) 抗干扰、抗噪声性能好。 (2) 差错可控。数字信号在传输过程中出现的错误(差错)，可通过纠错编码技术来控制。 (3) 易加密。数字信号与模拟信号相比，它容易加密和解密。因此，数字通信保密性好。 (4) 易于与现代技术相结合。由于计算机技术，数字存储技术、数字交换技术以及数字处理技术等现代技术飞速发展，许多设备、终端接口均是数字信号，因此极易与数字通信系统相连接。 数字通信的主要不足是：数字通信的主要不足是： (1) 频带利用率不高。 (2) 数字通信系统需要严格的同步。 1.5.3 主要性能指标主要性能指标 衡量和评

12、价一个通信系统的好坏时，必然要涉及到系统的主要性能指标(也称质量指标)问题。对数据通信系统中的信号传输，主要是从数量和质量两个方面提出要求的。在数量上，以传输速率衡量传输的有效性，在质量上，以出错率衡量传输的可靠性。 1. 传输速率传输速率 (1) 数据传输速率。 (2) 调制速率。 (3) 数据信号速率。 2. 出错率 误字符率误字符率Pw意指错误接收的信息的字符数在传输信息的总字符数中所占的比例。 误码率误码率Pe意指错误接收的信息的码元数在传输信息的总码元数中所占的比例。 误比特率误比特率Pb是指错误接收的信息的比特数在传输信息的总比特数中所占的比例。在数据通信中，为了控制差错，一般要求

13、系统的误比特率Pb108。 除上述主要性能指标外，还有系统的可靠性、频带利可靠性、频带利用率、通信建立时间及标准化用率、通信建立时间及标准化等指标。其中，可靠性可靠性通常用来表示系统在给定时间间隔内能正常工作的概率。影响系统可靠性的因素很多，如系统设备的可靠性、信道的质量、操作人员的素质与状态等(见式2-6)；频带利用率频带利用率是描述数据传输速率和带宽之间关系的指标，也是衡量数据通信系统有效性的指标，它是单位频带内所能传输的信息速率。通信建立时间通信建立时间意指双方通信前建立连接所需的时间。标准化标准化程度的高低是衡量通信系统品质的重要指标。通信系统的标准化程度越高，与其他系统的兼容性就越好

14、，生产成本就越低，更便于维护和用户的选择。1.5.4 数据编码技术数据编码技术 数据编码数据编码是将数据信号转换成适合在信道上传输的信号形式，以便于数据的传输和处理。在数据传输系统中，主要采用如下三种数据编码技术：数字信号模拟化编码数字信号模拟化编码(又称数据调制/解调技术)；数字信号数字化编码数字信号数字化编码(又称同步技术)；模拟信号数字化编码模拟信号数字化编码(又称信源编码 /译码技术)。 1. 数字信号模拟化编码数字信号模拟化编码 调制与解调是数字通信系统的核心。这种编码技术是将数字信号调制成适合信道传输的模拟信号。它的基本思想是用数字信号来调制具有一定频率或振幅或相位的载波，使已调信

15、号能通过有限带宽的信道传输。常见的基本数字调制方式有幅移键控幅移键控(ASK)、频移键控、频移键控(FSK)、相移键控、相移键控(PSK)等三种。 在数据通信中，根据不同的目的，编码可分为信源编信源编码和信道编码码和信道编码。信源编码信源编码是为了提高数字信号的有效性以及为了使模拟信号数字化而采取的编码。信道编码信道编码是为了降低误码率，提高数字通信的可靠性而采取的编码。 2. 数字信号数字化编码数字信号数字化编码 对于传输数字信号来说，最普通且最容易的方法是用两个不同的电压值来表示两个二进制值。例如，用无电压来表示0，用恒定的正电压表示1；也有用正电压表示1，而用负电压表示0。常用的数字化编

16、码有不归零不归零NRZ(Non-Return to Zero)编码、曼彻斯特编码、曼彻斯特(Manchester)编码、差分编码、差分曼彻斯特曼彻斯特(Differential Manchester)编码编码(如图2-9所示)。这种编码技术的主要目的是实现通信双方数据传输的同步。 (1). NRZ编码编码 在NRZ编码中，用正电压表示1，用负电压表示0，并且在表示一个码元时，电压均无需回到零，故称不归零码。NRZ编码的特点特点是一种全宽码，即一位码元占一个单位脉冲的宽度。全宽码的优点是：每个脉冲宽度越大，发送信号的能量就越大，这对于提高接收端的信噪比有利；其次，脉冲时间宽度与传输带宽成反比关系

17、，即全宽码在信道上占用较窄的频带，并且在频谱中包含了码位的速度。 (2). 曼彻斯特编码曼彻斯特编码 在曼彻斯特编码中，用电压跳变的相位不同来区分1和0，即用正的电压跳变表示0；用负的电压跳变表示l(如下图所示)。因此，这种编码也称为相位编码。由于跳变都发生在每一个码元的中间，接收端可以方便地利用它提取位同步时钟，因此，也称为自同步编码。通信双方利用每位中间的跳变来区分0和1的取值，并作为同步时钟信号。在以太(Ethernet)局域网中采用的就是这种编码技术。 (3). 差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码是在曼彻斯特编码基础上进行修改而得到的编码。其不同之处在于：每位中间的跳变

18、只用作通信双方的同步时钟信号；而取值是0还是1则根据每一位起始处有无跳变来判断(若有跳变则为0；若无跳变则为1。如下图所示)。这种编码的特点是每一位均用不同电平的两个半位来表示，因而始终能保持直流的平衡。令牌环(Token-Ring)局域网中采用的就是这种差分曼彻斯特编码。 3. 模拟信号数字化编码模拟信号数字化编码 模拟信号数字化的关键是模/数转换和数/模转换。在数字化的电话交换和传输系统中，通常需要将模拟的话音数据编码成数字信号后再进行传输。这里常用的是一种称为脉冲编码调制PCM(Pulse Code Modulation)的编码技术。 PCM编码是以采样定理为基础的，即如果在规定的时间间

19、隔内，以有效信号最高频率的两倍或两倍以上的速率对该信号进行采样的话，则这些采样值中就包含了无混叠而又便于分离的全部原始信号的信息。利用低通滤波器可以不失真地从这些采样值中重新构造出。1.5.5 信道编码技术信道编码技术 1. 差错控制差错控制 数字通信系统的基本任务是高效率而无差错的传送数据。但在任何一种通信线路上都不可避免地存在一定程度的噪声。信道噪声所造成的后果是使得接收端接收到的数据和发送端所发送的数据不一致，即造成传输差错。为了减少传输差错，通常采用两种基本的方法：改善线路质量；差错检测与纠正。 改善线路质量，使线路本身具有较强的抗干扰能力，这是减少差错的最根本途径。例如，现在的广域网

20、正越来越多地使用光纤传输系统，其误码率已低于109，这就从根本上提高了信道的传输质量。但是，这种改善是以较大的投入作为代价的。 差错的检测与纠正也称为差错控制，是一种主动式的防范措施。它的基本思想是：对所传输的数据进行抗干扰编码，并以此来检测和校正传输中是否发生错误。这就是所谓的信道编码技术。 信道编码是按一定的规则加入冗余度。具体地讲，就是在发送端的数据流序列中，以某种确定的编码规则加入监督码元，以便在接收端利用该规则进行解码，从而检测接收的数据是否出错。如果不正确，就说明传输有错误，则需要采用某种手段来纠正错误。 纠正错误的方法有两种： 一种是反馈重发纠错法，记作ARQ(Automatic Repeat Request)，即根据双方约定的编码规则，由接收端判断传输中有无错误产