数据通讯基本概念

数据通讯基本概念

一、数据及计算机通信术语

●数据(Data)：传递(携带)信息的实体。

●信息(Information)：是数据的内容或解释。

●信号(Signal)：数据的物理量编码(通常为电编码)，数据以信号的形式传播。

●模拟信号与数字信号

●基带(Base band)与宽带(Broad band)

●信道(Channel)：传送信息的线路(或通路)

●比特(bit)：信息量的单位。比特率为每秒传输的二进制位个数。

●码元(Code Cell)：时间轴上的一个信号编码单元

●同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始。同步脉冲也可位于码元的中部，一个码元也可有多个同步脉冲相对应。（如图1所示）

●波特(Baud)：码元传输的速率单位。波特率为每秒传送的码元数(即信号传送速率)。

1 Baud = log2M (bit/s)

其中M是信号的编码级数。也可以写成:Rbit = Rbaud log2M

上式中：Rbit-比特率，Rbaud-波特率。

一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特。

例如，M=16，波特率为9600时，数据传输率为38.4kbit/s

●误码率：信道传输可靠性指标，是概率值

信息编码：将信息用二进制数表示的方法。

数据编码：将数据用物理量表示的方法。

例如：字符‘A’的ASCII编码(是信息编码的一种)为01000001

●带宽:带宽是通信信道的宽度，是信道频率上界与下界之间之差，是介质传输能力的度量，在传统的通信工程中通常以赫兹（Hz）为单位计量。

在计算机网络中，一般使用每秒位数(b/s 或bps) 作为带宽的计量单位。主要单位：Kb/s，Mb/s，Gb/s，一个以太局域网理论上每秒可以传输1千万比特，它的带宽相应为10Mb/s。

●时延

△信息从网络的一端传送到另一端所需的时间

△时延之和=处理时延+排队时延 +发送时延+传播时延

△处理时延=分组首部和错误校验等处理（微秒）

△排队时延=数据在中间结点等待转发的延迟时间

△发送时延=数据位数/信道带宽

△传播时延=d/s（毫秒）d:距离 s:传播速度≈光速

●时延带宽乘积：某一链路所能容纳的比特数。

时延带宽乘积=带宽×传播时延。例如，某链路的时延带宽乘积为100万比特，这意味着第一个比特到达目的端时，源端已发送了100万比特。（如图2所示）

●往返时延 (Round-Trip Time ，RTT)

从信源发送数据开始，到信源收到信宿确认所经历的时间RTT≈2×传播时延，传输可靠性两个含义：

1、数据能正确送达

2、数据能有序送达(当采用分组交换时)

二、信息通信系统传输

1、把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地。信息和数据(0,1比特)一般不能直接在介质上传输。

●编码：数据?适合传输的数字信号——便于同步、识别、纠错

●调制：数字信号?适合传输的形式——按频率、幅度、相位

●解调：接收波形?数字信号

●解码：数字信号?原始数据

2、数据通信基本过程

包含两项内容：数据传输和通信控制

过程与打电话的对比

△建立物理连接拨号，拨通对方

△建立逻辑连接互相确认身份

△数据传送互相通话

△断开逻辑连接互相确认要结束通话

△断开物理连接双方挂机

3、信道及其主要特征：数字信道和模拟信道

●数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。

●模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。

模拟信号和数字信号

●模拟信号：时间上连续，包含无穷多个信号值

●数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的信号值

周期信号和非周期信号

●周期信号：信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）

●非周期信号：信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号）。

3、数字数据的传输方式

●基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。例如：以太网

●宽带传输：数字信号需调制成频带模拟信号后再传送，接收方需要解调。例如：通过电话模拟信道传输。例如：闭路电视的信号传输。

4、数据同步方式：目的是使接收端与发送端在时间基准上一致 (包括开始时间、位边界、重复频率等)。

有三种同步方法：位同步、字符同步、帧同步。

●位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步，有下面两种方式：

△外同步——发送端发送数据时同时发送同步时钟信号，接收方用同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。

△自同步——通过特殊编码(如曼彻斯特编码)，这些数据编码信号包含了同步信号，接收方从中提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。

●字符同步：以字符为边界实现字符的同步接收，也称为起止式或异步制。每个字符的传输需要：1个起始位、5～8个数据位、1，1.5，2个停止位。（如图3所示）

●字符同步的性能评估：

△频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新同步。

△每两个字符之间的间隔时间不固定。

△增加了辅助位，所以效率低。例如，采用1个起始位、 8个数据位、 2个停止位时，其效率为8/11＜72％。

●帧同步：识别一个帧的起始和结束。

△帧(Frame)数据链路中的传输单位——包含数据和控制信息的数据块。

△面向字符的——以同步字符(SYN，16H)来标识一个帧的开始，适用于数据为字

符类型的帧。（如图4所示）

△面向比特的——以特殊位序列(7EH，即01111110)来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧。

5、信道最大数据传输率

●奈奎斯公式：用于理想低通信道

C = 2W×log2 M

C = 数据传输率，单位bit/s

W = 带宽，单位Hz

M = 信号编码级数

奈奎斯公式为估算已知带宽信道的最高数据传输速率提供了依据。

●非理想信道

实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N 降低。延迟会使接收端的信号产生畸变。噪声会破坏信号，产生误码。持续时间0.01s的干扰会破坏约560个比特(56Kbit/s)

△香农公式：有限带宽高斯噪声干扰信道

C = W log2 (1+S/N) S/N: 信噪比

例：信道带宽W=3.1KHz，S/N=2000，则

C = 3100*log2(1+2000) ≈ 34Kbit/s

即该信道上的最大数据传输率不会大于34Kbit/s

●奈奎斯公式和香农公式的比较

△C = 2W log2M

数据传输率C随信号编码级数增加而增加。

△C = W log2(1+S/N)

无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信道能达到的最高传输速率。

原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。

6、数据编码

●编码与调制的区别

△用数字信号承载数字或模拟数据——编码

△用模拟信号承载数字或模拟数据——调制

模型如图5所示：

●数字数据的数字信号编码：把数字数据转换成某种数字脉冲信号常见的有两类：不归零码和曼彻斯特编码。

△不归零码(NRZ，Non-Return to Zero)二进制数字0、1分别用两种电平来表示，常常用－5V表示1，＋5V表示0。缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。

△曼彻斯特编码(Manchester Code)用电压的变化表示0和1，规定在每个码元的中间发生跳变：高→低的跳变代表0，低→高的跳变代表1。每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号。这种编码也称为自同步码(Self-Synchronizing Code)。缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。

△差分曼彻斯特编码(Differential ～)每个码元的中间仍要发生跳变，用码元开始处有无跳变来表示0和1 ，有跳变代表0，无跳变代表1。

●数字数据的调制编码，三种常用的调制技术：

△幅移键控ASK (Amplitude Shift Keying)

△频移键控FSK (Frequency Shift Keying)

△相移键控PSK (Phase Shift Keying)

基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。

载波 S(t) = Acos(ωt+ψ)

S(t)的参量包括：幅度A、频率ω、初相位ψ，调制就是要使A、ω或ψ随数字基带信号的变化而变化。

△ASK：用载波的两个不同振幅表示0和1。

△FSK：用载波的两个不同频率表示0和1。

△PSK：用载波的起始相位的变化表示0 和1。（如图6所示）

●模拟数据的数字信号编码

采样定理：如果模拟信号的最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。

要转换的模拟数据主要是电话语音信号，语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过三个步骤：

△采样：按一定间隔对语音信号进行采样

△量化：对每个样本舍入到量化级别上

△编码：对每个舍入后的样本进行编码

编码后的信号称为PCM信号 (脉码调制, Pulse Coded Modulation，如图7所示)

7、多路复用技术

复用：多个信息源共享一个公共信道。为何要复用？——提高线路利用率。

适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的平均传输需求时。

复用类型

△频分复用FDM (Frequency Division Multiplexing)

△波分复用WDM (Wave Division Multiplexing)

△时分复用TDM (Time Division Multiplexing)

●频分复用原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每路信号占用一个频

率通道进行传输。频率通道之间留有防护频带以防相互干扰。（如图8所示）

●波分复用——光的频分复用。原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每路信号占用一个波长范围来进行传输。（如图9所示）

●时分复用原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个时隙，每路

数据占用一个时隙进行传输。（如图10所示）

由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙，所以这种时分复用也称为同步时分复用。

时分复用的典型例子：PCM信号的传输，把多个话路的PCM话音数据用TDM的方法装成帧(帧中还包括了帧同步信息和信令信息)，每帧在一个时间片内发送，每个时隙承载一路PCM信号。

●统计(异步)TDM——STDM

TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该时隙，将会造成带宽浪费。

改进：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入。（如图11所示）

8、差错控制

与语音、图像传输不同，计算机通信要求极低的差错率。产生差错的原因：

△信号衰减和热噪声

△信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变；

△信号反射，串扰；

△冲击噪声，闪电、大功率电机的启停等。

差错控制的基本方法是：接收方进行差错检测，并向发送方应答，告知是否正确接收。差错检测主要有两种方法：

●奇偶校验（Parity Checking）

在原始数据字节的最高位增加一个奇偶校验位，使结果中1的个数为奇数(奇校验)或偶数(偶校验)。例如1100010增加偶校验位后为11100010，若接收方收到的字节奇偶校验结果不正确，就可以知道传输中发生了错误。此方法只能用于面向字符的通信协议中，只能检测出奇数个比特位错。

●循环冗余校验 (CRC, Cyclic Redundancy Check)

差错检测原理：将传输的位串看成系数为0或1的多项式。收发双方约定一个生成多项式G(x)，发送方在帧的末尾加上校验和，使带校验和的帧的多项式能被G(x)整除。接收方收到后，用G(x)除多项式，若有余数，则传输有错。校验和是16位或32位的位串，CRC校验的关键是如何计算校验和。

●差错控制技术

△自动请求重传Automatic Repeat Request (ARQ)

△停等 ARQ

△Go-back-N ARQ

△选择重传 ARQ

信号带宽与信道带宽

信号带宽是信号频谱的宽度，也就是信号的最高频率分量与最低频率分量之差，譬如，一个由数个正弦波叠加成的方波信号，其最低频率分量是其基频，假定为f =2kHz，其最高频率分量是其7次谐波频率，即7f =7×2=14kHz，因此该信号带宽为7f - f =14-2=12kHz。

信道带宽则限定了允许通过该信道的信号下限频率和上限频率，也就是限定了一个频率通带。比如一个信道允许的通带为1.5kHz至15kHz，其带宽为13.5kHz，上面这个方波信号的所有频率成分当然能从该信道通过，如果不考虑衰减、时延以及噪声等因素，通过此信道的该信号会毫不失真。然而，如果一个基频为1kHz的方波，通过该信道肯定失真会很严重；方波信号若基频为2kHz，但最高谐波频率为18kHz，带宽超出了信道带宽，

其高次谐波会被信道滤除，通过该信道接收到的方波没有发送的质量好；那么，如果方波信号基频为500Hz，最高频率分量是11次谐波的频率为5.5kHz，其带宽只需要5kHz，远小于信道带宽，是否就能很好地通过该信道呢？其实，该信号在信道上传输时，基频被滤掉了，仅各次谐波能够通过，信号波形一定是不堪入目的。

通过上面的分析并进一步推论，可以得到这样一些结果：

（1）如果信号与信道带宽相同且频率范围一致，信号能不损失频率成分地通过信道；

（2）如果带宽相同但频率范围不一致时，该信号的频率分量肯定不能完全通过该信道（可以考虑通过频谱搬移也就是调制来实现）；

（3）如果带宽不同而且是信号带宽小于信道带宽，但信号的所有频率分量包含在信道的通带范围内，信号能不损失频率成分地通过；

（4）如果带宽不同而且是信号带宽大于信道带宽，但包含信号大部分能量的主要频率分量包含在信道的通带范围内，通过信道的信号会损失部分频率成分，但仍可能被识别，正如数字信号的基带传输和语音信号在电话信道传输那样；

（5）如果带宽不同而且是信号带宽大于信道带宽，且包含信号相当多能量的频率分量不在信道的通带范围内，这些信号频率成分将被滤除，信号失真甚至严重畸变；

（6）不管带宽是否相同，如果信号的所有频率分量都不在信道的通带范围内，信号无法通过；

（7）不管带宽是否相同，如果信号频谱与信道通带交错，且只有部分频率分量通过，信号失真。

另外，我们在分析在信道上传输的信号时，不能总是认为其带宽一定占满整个信道，比如频带传输；即使信号占据整个信道，也不一定总是把它想像成一个方波，它也可能是其它的波形，比如在一个单频的正弦波上寄载其它模拟信号或数字信号而形成的复合波形。我们再举一些实例，进一步明晰信号与信道的带宽问题。

第一个例子仍是数字方波信号的基带传输（信号可能从零频率，也可

能不是从零开始，直至某个较高的频率分量占满整个信道带宽，该较高频率分量通常由信道上限频率决定），我们知道，数字方波信号带宽可以无限，但信道带宽总是有限的，因此信道带宽限定了通过信道的信号带宽。如果信号基频和部分谐波能通过该信道，一般说来，接收到信号是可以被识别出的；如果信道的下限频率高于信号的基频，则基频甚至部分谐波被滤除，由于基频包含了信号的大部分能量（在时域图上反映出是所有叠加的信号波形中振幅最大的波形），因此接收到的信号难以识别。所以传输方波的信道要求其下限频率要低于信号的基频。

第二个例子是电话信道，假定其频率范围从300~3300Hz，带宽为3kHz，而语音信号频谱则一般为100Hz~7kHz的范围。电话信道将语音信号频谱掐头去尾，因为语音信号的主要能量集中在中心的一些频率分量附近，所以通过电话信道传输的语音信号，虽有失真，但仍能分辨。

第三个例子是电话线数字载波，即把数字信号调制到音频载波信号上，该载波是正弦波。电话线数据传输并不占满整个带宽，而是取中间部分频带，即600~3000Hz，带宽2400Hz。假定采用幅度调制（最简单的做法是通过在每个信号单元保留载波或除去载波来表示二进制的两种取值），如果采用全双工通信方式，则需将电话线数据信道一分为二，每个子信道各占1200Hz带宽，一个600~1800Hz，另一个1800~3000Hz；两个子信道的载波频率是各子信道中的中心频率，即分别为1200Hz和2400Hz，换句话说，每个中心频率两边各有一个600Hz的边带。

数字调频术和调相技术更复杂些，在时域上看，它们的每个信号单元周期时间可以与调幅相同；但从频域上看，每个周期内使载波频率和相位随着所表示的数值变化而发生改变，信号相位的变化实际上在幅-频频域图上也表现为频率的变化。尤其是当每个信号单元包含多个比特的情况，会产生多个频率分量。对于每个信号单元包含1个比特的情况，数字调频的每个子信道需要两个不同的频率表示二进制数字，也就是说，在2400Hz 带宽的数据信道上有四个中心频率以及它们的边带。也就是说，分为了四段频带，600~1200Hz、1200~1800Hz、1800~2400Hz、2400~3000Hz；中心频率分别为900Hz、1500Hz、2100Hz和2700Hz。

第四个例子是无线调幅广播的模拟载波，即把语音、音乐等音频数据生成的原始电信号调制到具有某个广播频率的载波上（实际是频谱搬移，将相对较低的20Hz~20kHz频谱搬迁到较高300kHz~3MHz的频谱上）。无线信道利用的是自由空间，带宽似乎可以达到整个频谱，但实际上并非如此，首先，不同波段的频率需要不同的传播方式（地表导波、对流层散射、电离层反射、视线定向、空间转发）才能发挥最佳效率，不可能只采用一种传播方式使用如此广阔的频带；其次，频带跨度太大，不同频率分量传播的时延相差较远，不利于信号的正确识别和还原，数据率也因高低难以兼顾而受限；再则，无线信道是一种共享的公用广播信道，为了避免不同信源的相互干扰，在全球或者局部范围，必须进行信道分割与分配，分割出的每个信道根据不同的用途，其带宽相距很大，但不管多宽，都是很有限的；无论何种信号（即使理论上带宽无限的信号）在实际的传输中也不必一定要非常宽，也是允许损失一定频率成分的。无线调幅广播以载波频率为中心频率，将原始信号作为两个相同带宽的边带(上下边带）寄载到该载波上，调制后的该调幅信号总带宽为原始信号的2倍。