A上册基础_F第六章_数据通信原理

1第六章第六章第六章第六章数据通信数据通信数据通信数据通信原理原理原理原理第一节第一节第一节第一节数据通信的概念数据通信的概念数据通信的概念数据通信的概念一一一一、、、、数据通信概述数据通信概述数据通信概述数据通信概述电报电话的出现，使得人们在异地之间可以借助于电信网进行书面的和实时的信息交流。计算机的出现和广泛应用，使得计算机与计算机之间或计算机与其终端之间需要进行信息的沟通。计算机中的信息是以二进制数“1”和“0”表示的，它代表着文字、符号、数码、图象和声音等，这就是数据信息。所谓数据通信就是按照通信协议，利用传输技术在功能单元之间传递数据信息，从而实现计算机与计算机之间、计算机与其终端之间以及其他数据终端设备之间的信息交互而产生的一种通信技术。这里需要指出的是：数据通信和数字通信有概念上的区别，数据通信是一种通信方式，而数字通信则是一种通信技术体制。电信系统中，电信号的传输和交换既可采用模拟技术体制，也可采用数字技术体制。对于数据通信，既可采用模拟通信技术体制，也可采用数字通信技术体制。二二二二、、、、数据通信系统数据通信系统数据通信系统数据通信系统首先考察一下通过模拟电话系统的语音通信。大家都知道打电话的过程。呼叫的一方拿起话筒拨号，被呼叫的一方听到电话机振铃后拿起话筒，然后双方开始交谈。在交谈的过程中，语音以模拟声波的形式发出信息，声波经过电话机转换成模拟的电信号，这个电信号通过电话线进行传输，到达通话的另一方的电话机后，再转化成声波的形式从听筒发出。听话的一方所听到的声波不是说话的一方所发出的声波的准确复制，而是变了调的声音，这是由于信号在传输过程中要受到干扰而发生畸变，只是这种畸变一般不会改变语言的可懂性，再加上人有识别模糊信息的智能，所以这种变形的声波也能被听懂。下面来看一看两台计算机之间传输文件的过程。图6－1表示两台远程的计算机通过电话线传输评件。首先，计算机A通过调制解调器和电话线计算机B建立连接；然后，利用通信软件，计算机A将存在磁盘上的文本文件FILE．TXT通过建立的连接传到计算机B的磁盘里。这样接收到的文件和发送的文件是完2全一致。图图图图6666－－－－1111计算机间的数据通信计算机间的数据通信计算机间的数据通信计算机间的数据通信上述文件传输过程看似简单，其实它包含了非常复杂的通信技术。假设在计算机A中的文件FILE．TXT包含一条问候信息“Hello!Happynewyeartoyou!”，这一问候信息其实由一些ASCⅡ码字符组成，而每个ASCⅡ码字符又是8位二进制数的序列，所以计算机A中的文件FILE．TXT由一个二进制数的序列组成。在发送文件时，这个二进制数的序列从磁盘调入计算机的内存，然后通过计算机与调制解调器之间的通信电缆，二进制数的序列被送到调制解调器时，成为一个二值（具有高低两个电压）的电信号序列。为了防止传输错误，调制解调器往往在这个二值的电信号序列中添加一些错误校验信息，然后转换成适合于电话线中传输的模拟信号，以便有效而可靠地传输。在这个模拟信号的传输的过程中，由于信号的能量会有所衰减和受到其他的干扰，所以在接收端，计算机B的调制解调器收到的信号往往与计算机A的调制解调器发出的信号不同，计算机B的调制解调器将接收到信号转换回二值的电信号序列，并根据校验信息试图发现或纠正传输中的错误。正确的二值电信号序列被送到计算机B的存储器里，然后又转储到磁盘中，计算机B的用户打开接收到的文件就可以看到接收到的信息，这条信息通常是发送的原始的信息的准确复制。从上面的介绍可以看出，计算机间的通信和普通电话机间的通信有着显著的区别。首先，计算机通信系统中发送和接收的是数字信号，而电话通信中发送和接收的是模拟信号；其次，计算机问的通信增加了信号变换的设备，例如调制解调器，通过它可以在模拟信号上传递数字数据，并且可以发现或纠正传输中的错误；第三，在计算机间的通信中，接收到的数据和发送的数据通常是完全一致的，而在电话通信中，接收的却是变了样的原始信号的仿制品。本章介绍的通信系统是指计算机间的数据通信系统。将上面的计算机间传输文件的系统抽象化，就成为如图6-2所示的数据通信系统一般结构模型。3图图图图6666----2222数据通信系统模型数据通信系统模型数据通信系统模型数据通信系统模型在图6-2中，DTE（DataTerminalEquipment）是数据终端设备，它是数据的出发点和目的地。数据输入/输出设备、通信处理机和计算机属于DTE的范围。DTE根据协议控制通信的功能。通信控制器负责DTE和通信线路的连接，完成数据缓冲、速度匹配、串并转换等。如微机内部的异步通信适配器（UART）、数字基带网中的网卡就是通信控制器。信道是传输信号的通道，可以是有线的传输介质，也可以是无线的传输介质。信号变换器的功能是把通信控制器发出的信号转换成适合于在信道上传输的信号，或者相反，把从信道上接收的信号转换成通信控制器所能接受的信号。如调制解调器、光纤通信网中的光电转换器。信号变换器和其他的网络通信设备又统称为数据通信设备（DCE：DataCommunicationEquipment），DCE为用户设备提供入网的连接点。三三三三、、、、数据传输的速率数据传输的速率数据传输的速率数据传输的速率、、、、方式和质量方式和质量方式和质量方式和质量1、数据传输的速率数据传输速率是衡量系统传输能力的主要指标，通常使用三种不同的定义：一是调制速率；二是数据传信速率；三是数据传送速率。（1）调制速率调制速率的定义是每秒传输信号码元的个数，又称波特率，单位为波特（Bd）。如信号码元持续时间（时间长度）为T（秒），那么，调制速率NBd为4图图图图6666----3333数据信号举例数据信号举例数据信号举例数据信号举例图6-3给出了三个数据信号。其中（a），（b）为基带信号，（c）为已调信号。（a）为前述的二电平信号，即一个信号码元中有两种状态。（b）为四龟平信号，它在一个码元T中可能取四种不同的值（状态）：±3和±1，因此每个信号码元可以代表四种情况之一。所以，可以表示2个传输代码的4（22=4）种组合。图（c）为调频波，以f1表示代码“1”，f0表示代码“0”。如果这三个数据信号码元时间长度T相同，则它们的调制速率相同。若T＝833×10-6秒，则调制速率由此可见，对于调制速率，不论一个信号码元中信号有多少状态，只计算一秒钟内数据信号的码元个数。注意，这里指的信号码元时长T是数据信号中最短的信号单元时间长度，如图（a）中连续二个“1”代码，其信号正电压持续长度为2T，而不能以2T作为信号码元时长。调制速率中的信号码元时长是指信号码元中的最短时长。调制速度又称符号速率、（信号）码元传输速率。但要注意，不要和代码传输速率相混，如图（b）中一个数据信号码元中表示2个代码。（2）数据传信速率数据传信速率的定义是每秒钟传输二进制码元的个数，又称比特率，单位为5比特/秒（bit/s，或bps），有时用千比特/秒（kbit/s），兆比特/秒（Mbit/s）。比特一词是英文（binauydigit）的缩写，在信息论中作为信息量的度量单位。在数字通信中习惯上也用它来表征二进制代码中的位。一般在数据通信中，如使用代码“1”和“0”的概率是相同的，则每个“1”和“0”就含有一个比特的信息量。如果一个数据通信系统，每秒钟内传输2400个代码，则它的数据传信速率记作R，且R=2400bit/s。数据传信速率，实际上就是数据传输系统每秒内传输二进制码元个数。根据实际需要，数据传信速率已形成国际标准系列，一般是按2n·150（bit/s）的算式确定。式中n为正整数。如有300bit/s，600bit/s，1200bit/s，2400bit/s，…，19200bit/s等速率，也有不按这一等式的速率，如14.4kbit/s，64kbit/s等。数据传信速率（bit/s）和数据调制速率（Bd）之间存在一定关系。当数据信号是二进制脉冲（码元），即二状态时，两者的速率是相同的。但数据信号有时采用多状态制，或称多电平制、多进制，则两者的速率是不相同的。例如图6-3（b）与（a）相比，四进制中一个信号码元（T）包含2个代码。这样对于图（b）来说，它的调制速率是NBd=1/T=1200波特（当T=833×10-6秒），但它的传信速率R=2·1/T=2400bit/s（当T=833×10-6秒），一般，当数据信号为M电平，即M进制时，传信速率与调制速率关系为可见，M=2时，R=NBd；M=4时，R=2NBd。（3）数据传送速率数据传送速率的定义是单位时间内在数据传输系统中的相应设备之间传送的比特、字符或码组平均数。定义中的相应设备常指调制解调器、中间设备或数据源与数据宿。单位为比特/秒（bit/s）、字符/秒或码组/秒。数据传信速率与数据传送速率不同。数据传信速率是传输数据的速率，而数据传送速率是相应设备之间实际能达到的平均数据转移速率。它不仅与发送的比特率有关，而且与差错控制方式、通信规定以及信道差错率有关，即与传输的效率有关。因此，数据传送速率总是小于数据传信速率。数据传输速率的三个定义，在实际应用上既有联系又有侧重。在讨论信道特性，特别是传输频带宽度时，通常使用调制速率；在研究传输数据速率时，采用6数据传信率；在涉及系统实际的数据传送能力时，则使用数据传送率。2、数据传输的方式数据传输方式是指数据在信道上传送所采取的方式。如按数据代码传输的顺序可以分为并行传输和串行传输；如按数据传输的同步方式可分为同步传输和异步传输；如按数据传输的流向和时间关系可分为单工、半双工和全双工数据传输。（1）并行传输和串行传输并行传输是将数据以成组的方式在两条以上的并行信道上同时传输。例如采用8单位代码字符时可以用8条信道并行传输。另加一条“选通”线用来通知接收器，以指示各条信道上已出现某一字符的信息，可对各条信道上的电压进行取样，如图6-4所示。图图图图6666----4444并行数据传输并行数据传输并行数据传输并行数据传输并行传输不需要另外措施就实现了收发双方的字符同步。缺点是需要传输信道多，设备复杂，成本高，故较少采用。一般适用于计算机和其他高速数字系统，特别适于在一些设备之间的距离较近时采用。串行传输是数据码流以串行方式在一条信道上传输。该方法易于实现。缺点是为解决收、发双方码组或字符同步，需外加同步措施，串行传输采用较多。最后要指出，所谓串行传输和并行传输是指组成一个字符的各码元是依顺序逐位传输还是同时并行地传输。至于数据字符不论采用串行还是并行传输，总是逐个依顺序发送的。（2）同步传输与异步传输在串行传输时，接收端如何从串行数据码流中正确地划分出发送的一个个字符所采取的措施称为字符同步。根据实现字符同步方式的不同，数据传输有异步传输和同步传输两种方式。异步传输中，每次传送一个字符代码（5～8bit），即在发送每一个字符代码7的前面均加上一个“起”信号，其长度规定为一个码元，极性为“0”，后面均加一个“止”信号；对于国际电报2号码，“止”信号长度为1.5个码元，对于国际5号码或其他代码时，“止”信号长度为1或2个码元，极性为“1”。字符可以连续发送，也可以单独发送；不发送字符时，连续发送“止”信号。因此，每一字符的起始时刻可以是任意的（这正是称为异步传输的含意），但在同一个字符内各码元长度相等。这样，接收端可根据字符之间的从“止”信号到“起”信号的跳变（“1”→“0”）来检测识别一个新字符的“起”信号，从而正确地区分一个个字符，因此，这样的字符同步方法又称起止式同步。异步传输的优点是：实现字符同步比较简单，收发双方的时钟信号不需要精确的同步。缺点是每个字符增加了2～3bit，降低了传输效率。所以，常用于1200bit/s及其以下的低速数据传输。图6-5（a）表示异步传输情况。图图图图6666－－－－5555异步传输和同步传输举例异步传输和同步传输举例异步传输和同步传输举例异步传输和同步传输举例同步传输是以固定时钟节拍来发送数据信号的。在串行数据码流中，各信号码元之间的