第2章 数据通信

本章导读：数据通信技术是数据通信网络的数据交换基础。为了使计算机之间能够相互进行通信及数据传输，需要将计算机处理的数字信号转换成可以在网上传输的光电信号，然后才能通过网络传输介质进行传输。本章在明确数据通信基本概念的基础上，介绍数据通信相关的技术，包括数据编码技术与数据传输方式、多路复用技术及数据交换技术。

教学内容：数据通信的基本概念，数据的编码技术，数据传输方式及多路复用技术，数据交换技术。

教学要求：理解数据通信的基本概念，了解数据的各种编码技术，掌握各种数据传输方式的特点及应用，掌握各种多路复用技术的原理及各种数据交换技术的特点。

2.1 数据通信的基本概念

2.1.1 数据、信号和信道

关于数据通信，首先要明确几个常用的术语。

1.数据

通信是为了交换信息，而数据（Data）是信息的载体。信息涉及数据所表示的内涵，而数据涉及信息的表现形式，它可以是话音、数值、文本、图形和图像等，数据是通信双方交换的具体内容。

数据可以有模拟数据（Analog Data）和数字数据（Digital Data）之分。

模拟数据是随时间连续变化的函数，在一定的范围内有连续的无数个值。模拟数据在现实世界中大量存在，例如，当我们说话时，声音大小是连续变化的，因此运送话音信息的声波就是模拟数据。

计算机中使用数字数据。计算机的电路只有高、低两种电平状态，分别表示二进制数字“1”和“0”，它们用某种编码（Coding）方式可以编为计算机系统所使用的二进制代码，用这些代码表示的数据就是数字数据。数字数据是离散的，只有有限个值。美国信息交换标准代码（American Standard Code for Information Interchange，ASCII）就是一种使用最为广泛的二进制代码，可以表示英文和数字。

2.信号

数据是通过信号（Signal）进行传输的，信号是数据传输的载体，是数据的物理表现形式。在网络系统中，通过传输介质传输的数据称为信号。数据在发送前要把它转换成某种物理信号，用它的特征参数表示所传输的数据，如电信号的电平，正弦电信号的幅值、频率和相位，电脉冲的幅值、上升沿和下降沿，光脉冲信号的有和无等。实质上，这些信号在介质中都是通过电磁波（Electromagnetic Wave）进行传输的，因此可以说，传输信号是数据在介质中传输的电磁波表现形式。

信号也有模拟信号和数字信号之分。模拟信号是表示数据的特征参数连续变化的信号，而数字信号是离散的信号。例如，把模拟的话音转化为电信号进行传输，使电信号的幅值与声音大小成正比，它是幅值连续变化的模拟信号。如果把二进制代码的“1”和“0”直接用高、低两种电平信号表示，作为传输信号，其幅值只有离散的两种电平，是一种数字信号。

3.信道

信道（Channel）是指以传输介质为基础的信号传输的通道。信道可分为物理信道和逻辑信道。物理信道是指用来传输信息的物理通路，由传输介质和端接设备组成；逻辑信道是指在发送端、接收端之间传输信息的通路。逻辑信道是在物理信道的基础上建立起来的传输信息通路，一条物理信道可以对应一条或多条逻辑信道。

信道按传输信号的类型可分为模拟信道和数字信道；按使用权限可分为公用信道和专用信道；按传输介质可分为有线信道和无线信道。固定电话信道、有线电视信道和光信道均属于有线信道。

使用模拟信号传输数据的信道称为模拟信道，使用数字信号传输数据的信道称为数字信道。数字信道有更高的传输质量，它传输的是由二进制的“1”和“0”组成的数字信号，一般编码为高/低电平、脉冲上升/下降沿、有/无光脉冲等两种状态，因而有相当大的容差范围，即使传输过程中有一定的信号畸变，一般不会影响到接收端的正确判断，正确还原的概率非常高。

一般来讲，模拟数据用模拟信号表示，在模拟信道上传输；数字数据用数字信号表示，在数字信道上传输。传输模拟信号的是模拟传输系统（Analog Transmission System），传输数字信号的是数字传输系统（Digital Transmission System）。

历史上电话系统一直在通信领域占据统治地位，它是一个模拟传输系统。早年，模拟的话音转换成模拟电信号在模拟信道上传输，即模拟传输方式。后来，随着技术的发展，很多国家把电话主干线改造为数字干线，先将模拟的话音转换为数字数据，然后在数字干线上传输，即数字传输方式。

2.1.2 数据通信的模型

完整的通信模型如图2.1所示，它包含信源、传输介质和信宿，其中信源是产生和发送数据的源头，信宿是接收数据的终点，传输介质是用来传送数据的媒体。在计算机网络中，信源和信宿是各种计算机或终端。

信源：将原始数据转换成原始电信号。

变换器：将原始电信号转换成适合信道传输的信号。信源发出的原始电信号需要进行信号转换，才能够在信道中传输。

反变换器：将从信道上接收的信号还原为原始的电信号，与变换器作用相反。

信宿：将还原出来的原始电信号转换成数据。

噪声源：信道中的噪声及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示。

1.数据通信的特点

数据通信，通信系统中传输的是数据信息。在数据通信系统中，由于采用的计算机和终端设备的类型不同，在通信速率、编码格式、同步方式和通信规程等方面存在较大的差别，通信系统需要定义严格的通信协议或标准。

数据通信对数据传输的可靠性要求很高。由于数据通常以0和1组成的二进制序列来表示，如果在传输中出现0和1序列位数和值的错误，都会造成接收端接收信息错误。通常情况下，语音和电视系统的误码率仅要求≤10-2，数据通信系统要求误码率≤10-8。

数据通信的数据传输速率要求较高，且接续和传输的响应较快。数据信号的传输速率根据所使用的信道而不同，例如，一条128Kb/s速率的ISDN数据线路，每分钟可以传960000个字符，即使早期的2400b/s速率的模拟电话信道，每分钟也可以传输18000个字符。这个速率对于使用模拟信号的传统电话通信来说是根本不可能实现的。

模拟信号和数字信号可在适当的传输介质中传输，信号在传输过程中的衰减是不可避免的。因此在通信线路中有时需要将信号增强或复原的设备，在模拟通信系统中采用放大器，而在数字通信系统中使用中继器。

2.数据通信的过程

数据通信过程是数据从信源经过传输介质的传输到达信宿的过程。每个数据通信过程都包括数据传输和通信控制两方面。数据传输是通信的基本目的和基本功能，通信控制执行与数据通信相关的辅助操作。数据通信一般分为五个基本阶段，每个阶段都包括一组操作，每组操作完成一个通信功能。

第1阶段：建立通信线路，通过网络设备为信源与信宿建立双方通信的物理通道。

第2阶段：建立数据传输链路，使信源与信宿保持同步联系，保证双方均处于正确的收发状态。

第3阶段：信源传送数据及相关的控制信息，信宿负责接收。

第4阶段：数据传输结束后，信源与信宿通过通信控制信息确认通信结束。

第5阶段：信源或信宿通知网络设备通信过程结束，网络设备清除通信通道，以供其他设备使用。

当采用专用通信线路时，物理连接通道始终保持连接，不需要接通和中断过程，上述五个阶段中的第1和第5阶段可以省去。

3.数据通信系统的模型

数据通信的基本目的是在两用户之间交换信息。数据通信系统是指以计算机为中心，用通信线路连接分布在远地的数据终端设备而完成数据通信的系统，数据通信系统模型如图2.2所示。一个完整的数据通信系统包括三个基本组成部分：数据终端设备（Data Terminal Equipment，DTE）、数据电路终端设备（Data Circuit-terminating Equipment，DCE）和通信信道。其中，将DCE之间的连接称为数据电路，将DTE之间的连接称为数据链路。

DTE由计算机系统或终端设备加上通信/传输控制器组成，DTE既是信源也是信宿。DTE是数据通信系统的输入/输出设备，其主要功能是完成数据的输入/输出、处理、存储及通信控制。

DCE也称数据通信设备（Data Communication Equipment），位于数据电路的两个端点，是数据信号的转换设备，其作用是在电信网络提供的信道特性和质量的基础上实现正确的数据传输，并实现收、发之间的同步。数据电路由通信信道和DCE两部分组成。如果信道是模拟的，DCE的作用是把DTE传来的数据信号转换为模拟信号再送往信道，或者反过来把信道送来的模拟信号还原为数据信号并送到DTE；如果信道是数字的，DCE的作用是实现信号码型与电平的转换，信道特性的均衡，收发时钟的形成与供给，以及线路接续控制等。

通信信道是数据信号传输的通道。通信信道主要有专用线路和交换网络两种。一般情况下，交换网络多指电信部门的广域网络，而专用线路则是本单位内部组建的局域网。

在数据通信系统中，DTE发出和接收的都是数据，连接通信双方的DTE的电路用来传输DTE发出的数据。所以把DCE之间的通路（包括DCE和通信信道）称为数据电路。为了实现有序、有效的通信，当数据电路建立后，还需要按一定的规程对传输过程进行规范，规范的执行是由传输和通信控制器完成的。加了通信/传输控制器的数据电路称为数据链路（Data Link，DL），它既包含硬件，又包含软件。通常，只有在数据链路建立起来后，通信双方（计算机或终端设备）才能进行真正有效的数据传输。

2.1.3 数据通信系统的主要性能指标

1.有效性

数据通信系统的有效性用传输速率和频带利用率来衡量。

（1）传输速率

信息速率Rb（又称比特率）指单位时间传输的信息量，单位为位/秒（b/s）。码元速率Rs（又称波特率）指单位时间传输的码元数，单位为码元/秒，又称波特（baud）。一个M进制码元的信息量为log2M位，所以码元速率Rs和信息速率Rb之间的关系为

Rb=Rslog2M（b/s） （2.1）

（2）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。

定义单位频带内的信息传输速率为信息频带利用率，即

定义单位频带内的码元传输速率为码元频带利用率，即

信息频带利用率应用更为广泛，如果不加以说明，频带利用率均指信息频带利用率。

2.可靠性

数据通信系统的可靠性用差错率来衡量。

定义误比特率Pb为

定义误码元率Ps为

差错率越小，通信的可靠性越高。如传输数字电话时，要求Pb在10-6～10-3，传输计算机数据则要求Pb＜10-9。

3.信道容量

任何实际的信道都是不理想的，也就是说信道的带宽是有限的——即所能通过的信号的频带是受限制的。信道带宽是指信道上所能传输的电信号的频率范围。信号在传输时会产生各种失真及带来多种干扰，这使得信道上的码元传输速率存在一个上限。

奈奎斯特准则与香农定理给出了信道的极限传输能力，称为信道容量（channel capacity），即信道所能支持的最大数据传输速率。

（1）奈奎斯特准则

早在1924年，奈奎斯特（H.Nyquist）就给出一个准则：对于一个带宽为W（单位Hz）的理想低通信道，最高码元传输速率BMAX（单位baud）为2W，即

BMAX=2W （2.6）

该式就是著名的奈氏准则。对于带宽为W，具有理想带通矩形特性的信道，奈氏准则变为最高码元传输速率BMAX=W。具有理想带通矩形特性的信道只允许上下限频率之间的信号成分不失真地通过，其他频率成分则不能通过。

如果采用M进制码元传输信息，则信道的极限信息传输速率即信道容量

CMAX=2Wlog2M（b/s） （2.7）

例如，对于带宽为100MHz的5类非屏蔽双绞线，其最高的码元传输速率为200M baud，如果采用M=4进制码元传输信息，则信道的极限信息传输速率为400Mb/s。

因为信道中总是存在噪声，因此奈奎斯特准则给出的是理论上的上限。

由奈奎斯特准则可见，信息传输速率越高，要求信道的带宽越宽，即对传输介质和设备的要求越高。在计算机网络特别是高速计算机网络中，在满足信息传输速率要求的前提下，寻找合适的编码方式，使信号的波特率减小，从而降低对传输介质和设备的要求。

（2）香农定理

信道中噪声的存在限制了信道的信息传输速率。1948年，香农（C.Shannon）用信息论的理论推导出了带宽受限且具有加性高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率CMAX，即

式中，W为信道带宽，单位Hz；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内的高斯噪声平均功率；S/N为信噪比，通常人们不直接使用S/N，而是使用10lg（S/N），单位为分贝（dB），例如，S/N=1000时，S/N为30dB。

式（2.8）是香农公式，由香农公式可知，信道的带宽或信噪比越大，则信息的极限传输速率越高。更重要的是，它指出，只要信息实际传输速率低于信道的极限传输速率，就一定可以找到某种方法实现无差错传输；若信息传输速率高于信道的极限传输速率，则无差错传输在理论上是不可能的。

自从香农定理发表后，各种新的信号处理和调制方法不断出现，其目的都是为了尽可能地接近香农公式给出的传输速率极限。在实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低得多，这是因为在实际信道中的信号还会有其他损失，如各种脉冲信号间的干扰及在传输过程中产生的失真等，而这些因素在香农定理中没有考虑。