数据通信基础

1.2 数据通信基础1.2.1 模拟数据通信和数字数据通信1.信息、数据和信号（1）通信的目的是交换信息(Information)；信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像；计算机产生的信息一般是字母、数字、符号、图形或图像的组合；为了传送这些信息，首先要将每一个字母、数字、符号或图形、图像用二进制代码表示。

（2）数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号或图形、图像的二进制代码0、1比特序列的过程。

（3）ASCII码ASCII码是目前应用最广泛的是美国信息交换标准编码ASCII码(American Standard Code for Information Interchange)；ASCII码本来是一个信息交换编码的国家标准，但后来被国际标准化组织ISO接受，成为国际标准ISO 646，又称为国际5号码。

因此，它被用于计算机内码，也是数据通信中的编码标准。

ASCII码采用7位二进制比特编码，可以表示128个字符。

字符分为图形字符与控制字符两类。

图形字符包括数字、字母、运算符号、商用符号等。

例如：数字5的ASCII编码为0110101；字母A的ASCII编码为1000001；控制字符用于数据通信收发双方动作的协调与信息格式的表示。

例如，控制字符“发送结束EOT”的ASCII编码为0000100。

2 多媒体(multimedia)网络应用问题在多媒体技术中，语音与图像首先都要进行数字化处理，并将文本、图形、图像与语音的数字信息之间建立逻辑连接，集成为一个交互式系统；利用数字通信系统来实现多媒体信息的动态、实时传输是当前数据通信技术研究的重要内容之一；与文本、图形信息传输相比较，语音、图像信息传输的特点是：要求数据通信系统具有高带宽与低延时的特性。

（1）以传送数字化的语音信号为例：*每秒钟对语音信号进行22,050 次取样；*每次取样值用1 byte表示；那么单声道每秒钟需要传送22,050 byte；要求数据传输速率达到：0.1764Mbps；双声道立体声要求数据传输速率达到：0.3528Mbps；（2）多媒体技术在网络中的应用，将对数据通信系统的性能提出更高的要求：*高速---- 高带宽*实时、交互---- 低延时图1-2-1 多媒体网络对于计算机系统来说，它关心的是信息用什么样的编码体制表示出来。

例如，如何用ASCII码表示字母、数字与符号，如何用双字节去表示汉字，如何表示图形、图像与语音。

对于数据通信系统来说，它要研究的是如何将表示各类信息的二进制比特序列通过传输介质，在不同计算机之间进行传送的问题。

1.2.2 信号的表示形式电话线上传送的按照声音的强弱幅度连续变化的电信号称为模拟信号(analog signal)；模拟信号的信号电平是连续变化的；计算机所产生的电信号是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号，这种电信号称为数字信号(dligital signal)。

按照在传输介质上传输的信号类型，可以相应地将通信系统分为：*模拟通信系统*数字通信系统传输就是把信号通过信道从一处传送到另一处。

不管是模拟数据还是数字数据都可以用模拟信号或数字信号来表示，因而可以用这二种信号形式的任意一种来传输。

通常，模拟数据是时间的函数并占有一定的频率范围，它可直接由占有相同频率范围的电磁信号表示。

例如，声音的频谱为20Hz-20KHz之间，但声音的绝大部分能量都集中在300Hz-3400Hz这一窄得多的范围内。

在300Hz-3400Hz频率范围内传播的声音已足够清晰。

所以，电话系统也仅传送在此频率范围的信号。

如果模拟数据用数字信号表示和传送，就需要有一个把模拟数据转换为数字信号的设备。

如声音，可以通过一个变换器（称作编码译码器）进行数字化后再予以传送，而在线路另一端的编码译码器将数字化的信号再重新构造成模拟数据。

1.模拟传输模拟传输是用模拟信号传输的一种方法，与信号本身所表示的是模拟数据还是数字数据无关。

它们可以表示模拟数据如声音；也可以表示数字数据，如通过调制解调器变换后的二进制数据。

模拟信号传输一定距离后，信号也会由于幅度衰减而失真。

所以，模拟信号经长距离传输时，每隔一段距离需加放大器将信号放大。

但放大器同时放大了噪声，因此不会消去误差，并且误差还是沿途积累的。

对于声音，有点误差尚可辩认，但对数字数据任何一点微小误差都是不充许的。

2.数字传输数字传输是用数字信号进行传输，它可以直接传输二进制数据或编码后形成的二进制数据，包括经过数字化后的模拟数据，如数字化了的声音。

数字传输过程中，信号由于幅度衰减而引起失真。

但数字信号只包含有限个电平值，如二进制数字信号就只有二个电平值，分别为“０”和“１”，所以，长距离传输中，每隔一段距离，在数字信号衰减到不能辩认之前，加中继器将该信号恢复原电平值，再继续传输，因此能保证传输的正确性。

中继器结构简单，并且不会产生积累误差。

这也是当今采用数字传输方法传输模拟数据的原因。

数据通信数据通信是通过计算机或其他数据装置与通信线路，完成数据编码信号的传输、转接、存储和处理的通信技术，所以数据通信系统也就是以计算机为中心。

用通信线路连接分布在远地的终端设备，进行数据通信的系统。

1.2.3 数据传输速率和信号传输速率数据传输速率n数据传输速率也称为数据率，它的单位为比特／秒，记作bps，即每秒能传输多少二进制位的数据。

其中，比特（bit）即指二进制的位。

下面简称“位”，数据率高低由每位所占时间决定，如果每一位所占时间脉冲宽度越小，则数据率越高。

1.码元在计算机网络中，各种不同的数据和信息都是以离散的代码形式传输的，而代码又由若干码元组成。

也就是说在计算机网络中传输的数据是用码元序列表示的。

这里的码元指的是信号码元，它是信号的基本单元，码元之间以宽度、位置和方向相区别。

2.信号传输速率信号传输速率又称调制速率或波特率，它是对每秒内信号在一通信信道中变化或状态发生转换的次数的量度，其中状态可以是频率、电平或相位角等，如果信号的状态变化一次仅表示一个比特的数据，那么，波特率和数据传输速率在数值上是相等的。

3.波特在通信系统中，信号的一次状态变化可能传输一个比特位，也可能传输多个比特位，甚至亦有可能传输的比特位少于一个。

信号传输速率（B）以波特（Baud）为单位，它等于信号调制时间间隔的倒数，即调制速率为Ｂ＝１／Ｔ（波特）其中Ｔ为码元宽度，单位为秒。

4.数据传输速率与信号传输速率的关系数据传输速率C和信号传输速率（即调制速率）B不是一回事。

一般情况下，它们之间的关系可用下式表示：C：数据传输速率（也可称数据率或位率），单位：bps；B：信号传输速率（也可称调制速率或波特率），单位：Baud；N：为一个码元所具有的状态数，它往往取２的幂次数，在二进制不归零编码方法中，脉冲的有或无就表示码元具有“０”和“１”二个状态。

因此由上式可求得C＝B。

也就是说该系统的数据传输速率和信号传输速率（调制速率）在数值上是相等的。

如果一个码元具有四个状态，则由上式可求得C＝2B。

也就是此时数据传输速率是信号传输速率的2倍。

数据传输速率（位率）与波特率之间的关系也可用下式表示：Ｃ＝Ｂ×Ｋ。

C和B的含义与前面相同；K：信号的一次状态变化所能传送的比特位。

1.2.4 误码率误码率是衡量数据通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指标，其定义是，在二进制电平传输时二进制码元在传输中被误传的概率。

当所传送的数字序列足够长时，它近似地等于被传错的二进制位数与被传输的二进制总位数的比值。

若传输总位数为Ｎ，传错的位数为Ｎe，则误码率Ｐe为:Ｐe=Ｎe／Ｎ1.2.5 基带、宽带和频带传输1.基带传输信号占有一定的频率范围，由计算机或终端产生的，频谱从零开始，而未经调制的数字信号所占用的频率范围叫基本频带，简称基带（Base Band，缩写为BAB）。

而这种数字信号就称基带信号。

2.频带传输频带传输，就是把二进制电信号（数字信号）进行调制变换，变换成能在公共电话线上传输的音频信号（模拟信号），音频信号在传输介质中传送到接收端后，再由调制解调器将该音频信号解调变换成原来的二进制电信号，这种把数字信号经过调制后再传送，传送到接收端后又经过解调还原成原来信号的传输，称为频带传输。

这种频带传输不仅克服了目前许多长途电话线路不能直接传输基带信号的缺点，而且能实现多路复用的目的，从而提高了通信线路的利用率。

但是频带传输在接收端和发送端都要设置调制解调器。

3.宽带传输宽带（Broad Band,缩写为BRB），是指比音频带宽更宽的频带，它包括大部分电磁波的频谱。

使用这种宽频带进行传输的系统，称为宽带传输系统，宽带传输系统一般被分为多个信道，每个信道6MHz，可以用作模拟电视信道、高质音频信道或数字信道。

基带通常用于传输数字信息。

而宽带通常用于传输模拟信号。

而且一个宽带信道能划为多个逻辑信道。

这样就能把声音、图象和数据信息的传输集中在一个物理信道上进行传输。

以满足办公自动化系统中电话会议、图象传真、电子邮件、事务处理等服务的需要。

宽带传输一定是采用频带传输技术的，而频带传输不一定就是宽带传输。

1.2.6 PCM技术PCM技术就是在发送端通过对发送信号进行取样，量化和编码三个步骤，将模拟信号转换为数字信号的技术。

这样所得到的数字信号也称为编码脉冲，它们被发送到信道上传送到对方，在接收端，以发送端发送编码脉冲的数据速率，对数据进行采样，译码，恢复其原有幅值，重构原模拟信号。

下面具体讨论PCM技术的取样，量化和编码三个步骤。

1.取样按取样定理：如果对信号F(t)每隔一定的时间间隔取样，如果取样频率大于信号最高有效频率的两倍,则此取样信息就能包含原信号F(t)的全部信息。

所以，取样频率为：n F ＝１／T 〉＝２Fmax 式中: F－取样频率T－取样周期Fmax－原始模拟信号的最高频率一般，声音数据的带宽为4000Hz，则每秒8000次取样，完全可以代表声音信号的特征。

2.量化量化是决定取样样本属于哪个量级，并按量化级将样本幅度值取整，这时取整后的样本值就不是连续值了。

量化过程应先将信号分成若干量化级（如可分为8级或16级、...。

），规定好每一级对应的幅值范围，再将取样所得样本的幅值与上述量化级幅值范围相比较后取整定级。

3.编码编码是用相应位数的二进制码来表示已经量化的取样样本的量级。

如取N个量化级，则二进制的位数应为Log2Ｎ。

如量化级为8个等级，则需要有3位长度编码。

经过编码后，每个取样样本就由相应的编码脉冲来表示。

再将该编码脉冲发送到信道上进行传输。

当前，声音数字化系统中，分为128个等级，所以，需要有7位长度编码。

声音信号的带宽为4000Hz，取样速率为每秒8000个样本,所以,该系统的传输速率应该为7×8Ｋ，即56Kbps。