信息、数据和信号

  通信的目的是交换信息。信息的载体可以是多媒体，包含语音、音乐、图形图像、文字和数据等。计算机终端产生的信息一般是字母、数字和符号的组合。为了传送这些信息，首先要将每一个字母、数字或括号用二进制代码表示。目前常用的二进制代码有国际5号码（IA5）、扩充的二、十进制交换码EBCDIC码和信息交换用标准代码 ASCII码等。

  被传输的二进制代码称为数据（Data）。

  信号是数据在传输过程中的电信号的表示形式。

数据通信系统基本结构

  数据通信系统的基本通信模型：产生和发送信息的一端叫信源，接收信息的一端叫信宿。信源与信宿通过通信线路进行通信，在数据通信系统中，也将通信线路称为信道；

  在数据通信系统中，传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，而传输数字信号的系统称为数字通信系统。

模拟通信系统

  数据通信系统的基本通信模型：产生和发送信息的一端叫信源，接收信息的一端叫信宿。信源与信宿通过通信线路进行通信，在数据通信系统中，也将通信线路称为信道；

  在数据通信系统中，传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，而传输数字信号的系统称为数字通信系统。

数字通信系统

  数字通信系统由信源、信源编码器、信道编码器、调制器、信道、解调器、信道译码器、信源译码器、信宿、噪声源以及发送端和接收端时钟同步组成。

  计算机通信、数字电话以及数字电视都属于数字通信系统。

通信信道的分类

  信道是信号传输的通道，包括传输媒体和通信设备。传输媒体可以是有形媒体，如电缆、光纤等，也可以是无形媒体，如传输电磁波的空间。信道可以按不同的方法分类：

  有线信道与无线信道；

  模拟信道与数字信道；

  专用信道和公用信道；

有线信道与无线信道

  信道按所使用的传输介质分类，可以分为有线信道与无线信道；

  有线信道

  使用有形的媒体作为传输介质的信道称之为有线信道。有线信道包括电话线、双绞线、同轴电缆和光缆等；

  无线信道

  以电磁波在空间传播方式传送信息的信道称之为无线信道。无线信道包括无线电、微波、红外线和卫星通信信道等。

模拟信道与数字信道

  按传输信号的类型分类，信道可以分为模拟信道与数字信道；

  模拟信道

  能传输模拟信号的信道称为模拟信道。模拟信号的电平随时间连续变化，语音信号是典型的模拟信号。如果利用模拟信道传送数字信号，则必须经过数字与模拟信号之间的变换（A/D变换器）。调制解调器就是完成这种变换的。

  数字信道

  能传输离散数字信号的信道称为数字信道。离散的数字信号在计算机中指由“0”和“1”的二进制代码组成的数字序列。当利用数字信道传输数字信号时不需要进行变换，通常需要进行数字编码。

专用信道和公用信道

  信道按使用方式可以分为专用信道和公用信道：

  专用信道

  专用信道是一种连接于用户设备之间的固定电路，它可以由用户自己架设或向电信部门租用。

  公用信道

  也称公共交换信道，它是一种通过交换机转接、为大量用户提供服务的信道。

数据通信的技术指标

  数据通信速率（传输速率）：传输速率是指数据在信道中传输的速度。数据通信速率分为两种：码元速率和信息速率。

  码元速率R_B：

  每秒中传送的码元数，单位为波特/秒（Baud/s），又称为波特率；

  信息速率R_b：

  每秒中传送的信息量，单位为比特/秒（bit/s），又称为比特率；

  对于一个用二进制表示的信号（两级电平），每个码元包含1个比特信息，其信息速率与码元速率相等；对于一个用四进制表示的信号（四级电平），每个码元包含了2个比特信息，因此，它的信息速率应该是码元速率的2倍。

码元速率和信息速率

  一般来说，对于采用M进制电平传输信号时，信息速率和码元速率之间的关系是：

  R_b=R_Bog₂M

误码率和误比特率

  误码率和误比特率是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的重要参数。误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率，误比特率是指在传输中出错比特的概率。

  在实际的数据传输系统中，电话线路在300～2400bps传输速率时，平均误码率在10^-2～10^-6之间，在4800～9600bps传输速率时平均误码率在10^-2～10^-4之间。而计算机通信的平均误码率要求低于10^-9。

信道带宽与信道容量

  信道带宽与信道容量

  信道带宽是指信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频率范围，通常称为信道的通频带，单位用赫兹（Hz）表示。信道带宽是由信道的物理特性所决定的，例如，电话线路的频率范围在300～3400Hz，则它的带宽300～3400Hz。

  信道容量是衡量一个信道传输数字信号的重要参数。信道容量是指单位时间内信道上所能传输的最大比特数，用每秒比特数（bps）表示。当传输的信号速率超过信道的最大信号速率时，就会产生失真。

数据的串行传输和并行传输

  并行通信

  数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输。

  并行通信的优点是速度快，但发端与收端之间有若干条线路，导致费用高，仅适合于近距离和高速率的通信。

数据的串行传输和并行传输

  串行通信

  数据流以串行方式在一条信道上传输，由于计算机内部都采用并行通信，因此，数据在发送之前，要将计算机中的字符进行并/串变换，在接收端再通过串/并变换，还原成计算机的字符结构，才能实现串行通信。

  串行通信的优点是收、发双方只需要一条传输信道，易于实现，成本低，但速度比较低。

通信线路的连接方式——点对点

  点对点的连接就是在发送端和接收端之间采用一条线路连接，使用的线路可以是专用线路、租用线路或交换线路。

  使用租用或交换线路的连接方式，适合于在地理上比较分散的站点之间传输数据，比如通过公用电话交换网，实现点-点的连接。

通信线路的连接方式 ——多点线路

  多点线路连接是指各个站点通过一条公共通信线路连接。

  在多点线路连接方式中，一条线路被所有的站点共享，若所有的站点可以同时发送数据，则这条线路在空间上是共享的，通常采用频分复用或波分复用技术传输数据；若所有的站点只能轮流使用线路发送数据时，那么它在时间上是共享的，通常采用时分复用技术传输数据。

信道的通信方式——单工通信 

  单工方式指通信信道是单向信道，数据信号仅沿一个方向传输，发送方只能发送不能接收，接收方只能接收而不能发送，任何时候都不能改变信号传送方向。

  无线电广播和电视都属于单工通信。

信道的通信方式 ——半双工通信

  半双工通信是指信号可以沿两个方向传送，但同一时刻一个信道只允许单方向传送，即两个方向的传输只能交替进行，而不能同时进行。当改变传输方向时，要通过开关装置进行切换。

  半双工信道适合于会话式通信，比如公安系统使用的“对讲机”和军队使用的“步话机”。

  半双工方式在计算机网络系统中适用于终端与终端之间的会话式通信。

信道的通信方式 ——全双工通信

  全双工通信是指数据可以同时沿相反的两个方向作双向传输。比如，电话通话。

信号的传输方式——基带传输

  基带传输

  就数字信号而言，它是一个离散的方波，“0”代表低电平，“1”代表高电平，这种方波固有的频带称为基带，方波信号称为基带信号，因此，基带实际上就是数字信号所占用的基本频带。基带传输是在信道中直接传输数字信号，且传输媒体的整个带宽都被基带信号占用，双向地传输信息。

信号的传输方式 ——频带传输

  频带传输

  所谓频带传输是指将数字信号调制成音频信号后再发送和传输，到达接收端时再把音频信号解调成原来的数字信号。可见，在采用频带传输方式时，要求发送端和接收端都要安装调制器和解调器。

  在实现远距离通信时，经常借助于电话线路，此时就需要利用频带传输方式。利用频带传输，不仅解决了利用电话系统传输数字信号的问题，而且可以实现多路复用，以提高传输信道的利用率。

 

信号的传输方式——宽带传输

  宽带传输

  宽带传输采用75Ω的CATV电视同轴电缆或光纤作为传输媒体，带宽为300MHz。使用时通常将整个带宽划分为若干个子频带，分别用这些子频带来传送音频信号、视频信号以及数字信号。宽带同轴电缆原是用来传输电视信号的，当用它来传输数字信号时，需要利用电缆调制解调器（Cabe Modem）把数字信号变换成频率为几十兆赫兹到几百兆赫兹的模拟信号。

  可利用宽带传输系统来实现声音、文字和图像的一体化传输，这也是通常所说的“三网合一”，即语音网、数据网和电视网合一。另外，使用Cabe Modem上网就是基于宽带传输系统实现的。

数据传输的同步技术

  在数据通信系统中，当发送端与接收端采用串行通信时，通信双方要交换数据，需要有高度的协同动作，彼此间传输数据的速率、每个比特的持续时间和间隔都必须相同，这就是同步问题。同步就是要接收方按照发送方发送的每个码元/比特起止时刻和速率来接收数据，否则，收发之间会产生误差，即使是很小的误差，随着时间增加的逐步累积，也会造成传输的数据出错。

  实现收发之间的同步技术是数据传输中的关键技术之一，通常使用的同步技术有两种：

  异步方式

  同步方式

异步传输方式

  在异步传输方式中，每传送1个字符（7位或8位）都要在每个字符码前加1个起始位，以表示字符代码的开始，在字符代码和校验码后面加1或2个停止位，表示字符结束。接收方根据起始位和停止位来判断一个新字符的开始。从而起到通信双方的同步作用。

  异步方式实现比较容易，但每传输一个字符都需要多使用2～3位，所以适合于低速通信。

同步传输方式

  同步传输方式的信息格式是一组字符或一个二进制位组成的数据块（帧）。对这些数据，不需要附加起始位和停止位，而是在发送一组字符或数据块之前先发送一个同步字符SYN（以01101000表示）或一个同步字节（01111110），用于接收方进行同步检测，从而使收发双方进入同步状态。在同步字符或字节之后，可以连续发送任意多个字符或数据块，发送数据完毕后，再使用同步字符或字节来标识整个发送过程的结束。

  在同步传送时，由于发送方和接收方将整个字符组作为一个单位传送，且附加位又非常少，从而提高了数据传输的效率。所以这种方法一般用在高速传输数据的系统中，比如计算机之间的数据通信。

同步传输中的位同步

  在同步通信中，要求收发双方之间的时钟严格的同步，而使用同步字符或同步字节，只是用于同步接收数据帧，只有保证了接收端接收的每一个比特都与发送端保持一致，接收方才能正确的接收数据，这就要使用位同步的方法。对于位同步，可以使用一个额外的专用信道发送同步时钟保持双方同步，也可以使用编码技术将时钟编码到数据中，接收端接收数据的同时就获取到同步时钟，两种方法相比，后者的效率最高，使用的最为广泛。

数据的编码和调制技术

  在计算机中，数据是以离散的二进制“0”、“1”比特序列方式表示的。计算机数据在传输过程中的数据编码类型主要取决于它采用的通信信道所支持的数据通信类型。

  通信信道分为模拟信道和数字信道，而依赖于信道传输的数据也分为模拟数据与数字数据。因此，数据的编码方法包括数字数据的编码与调制和模拟数据的编码与调制。

数字数据的调制

  传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，用于传输音频300Hz～3400Hz的模拟信号，不能直接传输数字数据。为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数字数据的传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号，也就是要对数字数据进行调制。

  发送端将数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称为调制（Moduation），调制设备就称为调制器（Moduator）；接收端将模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称为解调（Demoduation），解调设备就称为解调器（Demoduator）。若进行数据通信的发送端和接收端以双工方式进行通信时，就需要同时具备调制和解调功能的设备，称为调制解调器（Modem）。

  对数字数据调制的基本方法有三种：幅移键控、频移键控和相移键控。 

幅移键控、频移键控和相移键控

  幅移键控ASK（Ampitude Shift Keying）

  ASK是通过改变载波信号的幅度值表示数字信号“1”、“0”，以幅度A₁表示数字信号的“1”，用载波幅度A₂表示数字信号的“0”（通常A₁取1，A₂取0），而载波信号的参数f 和φ恒定。

  频移键控FSK（Frequency Shift Keying）

  FSK是通过改变载波信号频率的方法表示数字信号“1”、“0”，用f ₁表示数字信号“1”，用f ₂表示数字信号“0”，而载波信号的A和φ不变。

  相移键控PSK（Phase Shift Keying）

  PSK是通过改变载波信号的相位值表示数字信号“1”、“0”，而载波信号的A和f不变。PSK包括两种类型：

  绝对调相

  绝对调相使用相位的绝对值，φ为0表示数字信号“1”，、φ为π表示数字信号“0”。

  相对调相

  相对调相使用相位的相对偏移值，当数字数据为0时，相位不变化，而数字数据为1时，相位要偏移π。

多相调制

  ASK、FSK和PSK都是最基本的调制技术，实现容易，技术简单，抗干扰能力差，调制速率不高，为了提高数据传输速率，也可以采用多相调制的方法。

  例如，将待发送的数字信号按2个比特一组的方式组织，因为2个比特可以有4种组合方式，即“00、01、10、11”四个码元，所以用4个不同的相位值就可以表示出这4组组合。在调相信号传输过程中，相位每改变一次，传送两个二进制比特，这种调制方法就称为四相相移键控。

混合调相

  为了达到更高的信息传输速率，采用多元制的振幅相位混合调制技术，比如正交振幅调制QAM（Quadrature Ampitude Moduation），它不但使用相位，而且还使用幅度：

  8-QAM使用了幅度与相位的8种组合，由于使用3个比特可以表示8种组合，因此，每一种组合代表一个码元，每个码元3个比特。

  16-QAM的幅度和相位有16种组合，每个组合代表一个码元，每个码元4个比特。

数字数据的编码

  利用数字通信信道直接传输数字数据信号的方法称作数字信号的基带传输，而数字数据在传输之前，需要进行数字编码。数字数据的编码方式有三种：不归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码 。

  不归零编码（Non-Return to Zero，NRZ）

  NRZ编码规定可用负电平表示逻辑“1”，用正电平表示逻辑“0”，反之亦然。

  曼彻斯特编码（Manchester）

  曼彻斯特编码是目前应用最广泛的编码方法之一，其特点是每一位二进制信号的中间都有跳变，若从低电平跳变到高电平，就表示数字信号“1”，若从高电平跳变到低电平，就表示数字信号“0”；

  差分曼彻斯特编码（Difference Manchester）

  差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。其特点是每一位二进制信号的跳变依然提供收发端之间的同步，但每位二进制数据的取值，要根据其开始边界是否发生跳变来决定，若一个比特开始处存在跳变则表示“0”，无跳变则表示“1”。

数字数据编码的示例

  模拟数据的调制

  在模拟数据通信系统中，信源的信息经过转换，形成电信号，比如人说话的声音经过电话转变为模拟的电信号，这也是模拟数据的基带信号。

  模拟数据的基带信号具有比较低的频率，不宜直接在信道中传输，需要对信号进行调制，将信号搬移到适合信道传输的频率范围内，接收端将接收的已调信号再搬回到原来信号的频率范围内，恢复成原来的消息，比如无线电广播。

模拟数据的编码

  脉冲编码调制PCM（Puse Code Moduation）是模拟数据数字化的主要方法。由于数字信号传输失真小、误码率低、数据传输速率高，因此在网络中除计算机直接产生的数字信号外，语音、图像信息必须数字化才能经计算机处理。

  PCM技术的典型应用是语音数字化。在发送端通过PCM编码器将语音数据变换为数字化的语音信号，通过通信信道传送到接收方，接收方再通过PCM解码器还原成模拟语音信号。

  数字化语音数据传输速率高、失真小，可以存储在计算机中，进行必要的处理。因此在网络与通信的发展中语音数字化成为重要的部分。

PCM的工作原理

  脉冲编码调制包括三部分：采样、量化和编码。

  采样

  每隔一定的时间间隔，采集模拟信号的瞬时电平值做为样本，表示模拟数据在某一区间随时间变化的值。

  量化

  量化是将取样样本幅度按量化级决定取值的过程。

  量化级可以分为8级、16级，或者更多的量化级，这取决于系统的精确度要求。

  编码

  编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级。

  PCM用于数字化语音系统，将声音分为128个量化级，采用7位二进制编码表示，再使用1个比特进行差错控制，采样速率8000次／秒，因此，一路话音的数据传输速率为8×8000 bps＝64kbps。

 

数据交换技术——电路交换

  电路交换（Circuit Switching）

  也称为线路交换，是一种直接的交换方式，为一对需要进行通信的节点之间提供一条临时的专用通道，即提供一条专用的传输通道，既可以是物理通道又可以是逻辑通道（使用时分或频分复用技术）。这条通道是由节点内部电路对节点间传输路径经过适当选择、连接而完成的，是一条由多个节点和多条节点间传输路径组成的链路。

电路交换通信的三个阶段

  电路建立

  通过源节点请求完成交换网中相应节点的连接过程，这个过程建立起一条由源节点到目的节点传输通道。

  数据传输

  电路建立完成后，就可以在这条临时的专用电路上传输数据，通常为全双工传输。

  电路拆除

  在完成数据传输后，源节点发出释放请求信息，请求终止通信，若目的节点接受释放请求，则发回释放应答信息。在电路拆除阶段，各节点相应地拆除该电路的对应连接，释放由该电路占用的节点和信道资源。

电路交换的特点

  呼叫建立时间长且存在呼损。

  电路交换的信道利用率低。

  对通信双方而言，必须做到双方的收发速度、编码方法、信息格式和传输控制等一致才能完成通信。

  适用于实时大批量连续的数据传输。

数据交换技术——存储转发交换

  存储转发交换（Store and Forward Switching）

  报文存储转发交换

  报文分组存储转发交换

  数据报

  虚电路

报文存储转发交换

  对于数字数据通信，广泛使用的是报文交换技术;

  在报文交换中，每一个报文由传输的数据和报头组成，报头中有源地址和目标地址。节点根据报头中的目标地址为报文进行路径选择。并且对收发的报文进行相应的处理。

报文交换的特点

  源节点和目标节点在通信时不需要建立一条专用的通路；

  与电路交换相比，报文交换没有建立电路和拆除电路所需的等待和时延；

  电路利用率高，节点间可根据电路情况选择不同的速度传输，能高效地传输数据；

  要求节点具备足够的报文数据存放能力，一般节点由微机或小型机担当；

  数据传输的可靠性高，每个节点在存储转发中，都进行差错控制，即检错和纠错。

  由于采用了对完整报文的存储/转发，节点存储/转发的时延较大，不适用于交互式通信。

分组交换

  分组交换属于“存储/转发”交换，它不像报文交换以报文为单位进行交换、传输，而是以更短的、标准的“报文分组”（Packet）为单位进行交换传输。

  假如A站有一份比较长的报文要发送给C站。则它首先将报文按规定长度划分成若干分组，每个分组附加上地址及纠错等其他信息，然后将这些分组顺序发送到交换网的节点C。

  分组交换又分为数据报交换和虚电路交换。

数据报分组交换

  交换网把进网的任一分组都当作单独的“小报文”来处理，而不管它属于哪个报文的分组，就像报文交换中把一份报文进行单独处理一样。这种分组交换方式简称为数据报传输方式，作为基本传输单位的“小报文”被称为数据报（datagram）。

数据报分组交换的特点

  同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网；

  同一报文的不同分组到达目的节点时可能出现乱序、重复或丢失现象；

  每一个报文在传输过程中都必须带有源节点地址和目的节点地址；

  使用数据报方式时，数据报文传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信。

虚电路分组交换

  虚电路就是两个用户的终端设备在开始互相发送和接收数据之前需要通过通信网络建立逻辑上的连接，所有分组都必须沿着事先建立的虚电路传输，用户不需要发送和接收数据时清除连接。

  虚电路方式具有分组交换与线路交换两种方式的优点，在计算机网络中得到广泛的应用。

虚电路的特点

  虚电路在每次报文分组发送之前，必须在源节点与目的节点之间建立一条逻辑连接，也包括虚电路建立、数据传输和虚电路拆除三个阶段。

  报文分组不必带目的地址、源地址等辅助信息，只需要携带虚电路标识号。报文分组到达目的节点不会出现丢失、重复与乱序的现象；

  报文分组通过每个虚电路上的节点时，节点只需要做差错检测，而不需要做路径选择。

  通信子网中每个节点可以和任何节点建立多条虚电路连接。

信道复用技术

  信道复用的目的是让不同的计算机连接到相同的信道上，共享信道资源。

  四种信道复用方式：频分复用FDM、时分复用TDM、波分复用WDM和码分复用。

频分多路复用FDM

  FDM是把信道的可用频带分成多个互不交叠的频段（带） ，每个信号占其中一个频段。接收时用适当的滤波器分离出不同信号，分别进行解调接收。

时分多路复用TDM

  TDM又分为同步时分复用（Synchronous Time Division Mutipexing，STDM）和异步时分复用（Asynchronous Time Division Mutipexing，ATDM）。

同步时分复用STDM

  STDM采用固定时间片分配方式，将传输信号的时间按特定长度连续地划分成特定时间段（一个周期），再将每一时间段划分成等长度的多个时隙，每个时隙以固定的方式分配给各路数字信号，各路数字信号在每一时间段都顺序分配到一个时隙。

  由于在同步时分复用方式中，时隙预先分配且固定不变，无论时隙拥有者是否传输数据都占有一定时隙，形成了时隙浪费，其时隙的利用率很低 。

异步时分复用

  异步时分复用技术又被称为统计时分复用，它能动态地按需分配时隙，避免每个时间段中出现空闲时隙。

  ATDM就是只有当某一路用户有数据要发送时才把时隙分配给它。当用户暂停发送数据时，则不给它分配时隙。电路的空闲时隙可用于其他用户的数据传输 。

  在所有的数据帧中，除最后一个帧外，其他所有帧均不会出现空闲的时隙，从而提高了资源的利用率，也提高了传输速率。

波分多路复用WDM

  WDM主要用于全光纤网组成的通信系统。波分复用就是光的频分复用。人们借用传统的载波电话的频分复用的概念，可以做到使用一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号,提高了光纤的传输能力。

  最初，在一根光纤上只能复用两路光载波信号，随着技术的发展，在一根光纤上复用的路数越来越多。现在已达到在一根光纤上复用80路或更多路数的光载波信号，这种复用方式就是密集波分复用DWDM (Dense Waveength Division Mutipexing)。

码分多路复用

  码分多路复用又称为码分多址CDMA (Coding Division Mutipexing Access)。

  CDMA也是一种共享信道的方法，每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信，但使用基于码型的分割信道方法，即每个用户分配一个地址码，各个码型互不重叠，通信各方之间不会相互干扰，且抗干扰能力强。