计算机网络技术(二)——数据通信

摘要

1. 数据通信的概念
2. 数据传输方式
3. 数据通信系统的性能
4. 传输信道
5. 数据通信中的编码
6. 复用技术
7. 差错控制技术
8. 交换技术

一、数据通信的概念

• 数据通信是什么？
  数据通信是相对于电话通信、广播电视通信等传统通信业务而言的，是在计算机出现后，通信与计算机相结合而产生的一种通信业务。

• 通信系统是什么？
  把能实现信息传输的一切技术设备和传输媒质的集合称为通信系统。

• 通信系统模型
  通信系统的核心包括信源、发送设备、信道、接收设备和信宿5个部分，另外，通信过程中还有各种噪声的干扰。

• 通信系统分类
  通信系统可以分为模拟通信系统和数字通信系统两大类，其区别在于信道中传输的是模拟信号还是数字信号。

模拟信号——信号的因变量完全随连续消息的变化而变化的信号，自变量可以连续，也可以离散。
数字信号——因变量是离散的，自变量时间的取值也是离散的信号。

二、数据传输方式

2.1 按数据传输方向

• 单向通信（又称单工通信）
  即任何时间都只能有一个方向的通信，而没有反方向的交互。
• 双向交替通信（又称半双工通信）
  即通信的双方都可以发送信息，但双方不能同时发送（或同时接收）。
• 双向同时通信（又称全双工通信）
  即通信双方可以同时发送和接收信息。

2.2 按二进制数据传输的时空顺序

• 并行通信
  为一个字节的每一个bit（位）都设置一个传输通道，全部bit（位）同时进行传送。
• 串行通信
  为信息传输设置一条通道，数据的一个字节中每一个bit（位）依次在这条通道上传输。

2.3 按发送方和接收方对数据保持步调一致的措施

同步技术——指通信系统中实现收发两端动作统一、保持收发步调一致的过程。常用数据传输的同步方式有异步式同步（简称异步）和同步式同步（简称同步）。通常所说的异步和同步本质上都属于同步技术。两者的区别在于发送端和接收端的时钟是独立的还是同步的。

• 异步通信
  数据传输以字符为单位发送，在字符的开始与结束位置分布加了起始位与停止位，异步传输不需要在收发两端传输时钟信号。
• 同步通信
  数据传输以数据块为单位发送，块前与块后分别有起始与结束标志，且收发双方有同步时钟。

2.4 按传输的信号是否要经过调制

基带信号——计算机作为信源所发出的原始数据信号，即用固定的高低电平来表示二进制数字1或0

• 基带传输
  直接在信道中传送基带信号。
• 频带传输
  利用基带信号调制对应信道匹配的载波信号，然后把载波信号通过信道传送出去。
  对于数字基带信号，主要有三种调制方法：
  调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）。

三、数据通信系统的性能

衡量数据通信系统的性能主要体现在系统的有效性和可靠性上。
有效性指标主要有带宽、码元速率、信息速率和频带利用率；
可靠性指标主要有信噪比和误码率。

对于模拟通信系统，其有效性用带宽（包括信道带宽和信号传输带宽）评估；可靠性用接收端最终输出有用信号的功率与噪声功率的比值（简称噪声比）来度量。

对于数字通信系统，有效性用传输速率和频带利用率来衡量，传输速率又包括码元速率和信息速率。

• 码元速率（又称波特率）
  表示每秒传送的码元数目（码元——在数字系统中，通常用时间间隔相同的符合来表示一个离散值，这样的时间间隔内的信号称为码元）

• 信息速率（又称比特率）
  表示每秒传送的二进制比特数

• 频带利用率
  信道带宽的占用情况。

数字通信系统的可靠性：

• 误码率
  指接收到的错误码元数在所传输的总码元数中所占的比例

• 误比特率
  指接收到的错误比特数在所传输的总比特数中所占的比例

四、传输信道

信道——
信道是通信系统中连接发送端与接收端的通信设备，实现从发送端到接收端的信号传送。信道分为广义信道与狭义信道，狭义信道仅指传输介质；广义信道包括信号传输介质和通信系统的一些变换装置。研究通信的一般原理时采用广义信道，研究信道的一般特性时，采用侠义信道，狭义信道又分为有线信道和无线信道。

• 有线信道
  以导线为传输介质，信号沿导线进行传输。包括架空明线、双绞线、同轴电缆、光纤等。

• 无线信道
  利用电磁波在空间的传播来传输信号。

五、数据通信中的编码

数据编码——计算机中存储、处理和输入/输出的是用0和1表示的二进制数据。要把这些二进制数据序列转成合适的电磁波信号才能在信道中进行传输，这种转变过程称为数据编码。

不同的信道有不同传输特性，因此数据编码有多种，根据将数据转换为模拟信号还是数字信号，数据编码方法可分为模拟数据编码和数字数据编码。

5.1 模拟数据编码

在计算机出现前，有线电话网就已经存在了，电话网是为了传输语音信号设计的，只能传输音频模拟信号，计算机网络出现后，为了充分利用电话网信道，就需要将计算机发出的二进制数字信号转换成能在电话网信道中传输的模拟信号。

调制（Modulation）—— 在发送端将数字信号变换成模拟信号的过程。
解调（Demodulation）—— 在接收端将模拟信号还原成数字信号的过程。
调制解调器（Modem）—— 能实现调制和解调功能的设备。

通常把能在模拟信道中传输的模拟信号称为载波，其一般表达式为：

$$y(t)=A\sin (\omega t+\varphi )$$

其中，A是模拟信号的振幅，$\omega$是模拟信号的频率，$\varphi$是模拟信号的初始相位。调制的基本思想是通过载波信号的振幅、频率和初始相位的变化来表示0和1，从而实现将数字信号变化为模拟信号。对应的调制方法分为振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。

• 振幅键控（ASK）
  通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0。例如，用振幅为A表示数字1，振幅为0表示数字0，其数学表达式为：

y ( t ) = { A sin ⁡ ( ω t + ϕ ) 数 字 1