数据通信主要技术介绍

数据通信的基本目的是在接收方与发送方之间交换信息，也就是将数据信息通过相应的传输线路从一台机器传输到另一台机器。这里所说的机器可以是计算机、终端设备以及其他任何通信设备。

数据在计算机中是以离散的二进制数字信号表示的，但在数据通信过程中，它是以数字信号方式表示，还是以模拟信号方式表示，这主要取决于选用的通信信道所允许传输的信号类型。如果通信信道不允许直接传输计算机所产生的数字信号，那么就需要在发送端先将数字信号变换成模拟信号再送入信道传输，在接收端再将收到的模拟信号还原成数字信号，这个过程称为调制和解调，相应的设备称为调制解调器。

数据的成功传输取决于两个主要因素：被传输信号的质量和传输介质的性能。模拟或数字数据都是既能用模拟信号又能用数字信号传输的。但模拟信号在传输过程中会发生衰减、变形，尤其是在长距离传输后会发生严重的畸变。另外，数据传输的好坏，还与发送和接收设备的性能有关。

数据通信的主要技术指标是衡量数据传输的有效性和可靠性的参数。有效性主要由数据传输速率、调制速率、传输延迟、信道带宽和信道容量等指标来衡量；可靠性一般由数据传输的误码率指标来衡量。常用的数据通信的技术指标有以下几种。

1.信道带宽和信道容量

信道带宽或信道容量是描述信道的主要指标之一，由信道的物理特性所决定。通信系统中传输信息的信道具有一定的频率范围（即频带宽度），称为信道带宽。信道容量是指单位时间内信道所能传输的最大信息量，它表征信道的传输能力。在通信领域，信道容量常指信道在单位时间内可传输的最大码元数（码元是承载信息的基本信号单位，一个表示数据有效值状态的脉冲信号就是一个码元，其单位为波特，即Baud），信道容量以码元速率（或波特率）来表示。由于数据通信主要是计算机与计算机之间的数据传输，而这些数据最终又以二进制位的形式表示，因此，信道容量有时也表示为单位时间内最多可传输的二进制位数（也称作信道的数据传输速率），以位/秒（b/s）的形式表示。

一般情况下，信道带宽越宽，一定时间内信道上传输的信息量就越多，则信道容量就越大，传输效率也就越高。香农（shannon）定理描述了信道带宽与信道容量之间的关系，公式如下：

式中，C为信道容量；W为信道带宽；N为噪声功率；S为信号功率。

当噪声功率趋于0时，信道容量趋于无穷大，即无干扰的信道容量为无穷大，信道传输的信息多少由带宽决定。此时，信道中每秒所能传输的最大比特数由奈奎斯特（Nyquist）准则决定，公式如下：

Rmax=2Wlog2L（b/s）

式中，Rmax为最大速率；W为信道带宽；L为信道上传输的信号可取的离散值的个数。

若信道上传输的是二进制信号，则可取两个离散值“1”和“0”，此时L＝2，log22＝1，所以Rmax=2W。如某信道的带宽为3 kHz，则信道的数据传输速率不能超过6 kbps。若L=8，log28=3，即每个信号传送3个二进制位。带宽为3 kHz的信道的数据传输速率最大可达18 kb/s。

按信道频率范围的不同，通常可将信道分为3类：窄带信道（带宽为0～300 Hz）、音频信道（带宽为300～3 400 Hz）和宽带信道（带宽在3 400 Hz以上）。

2.传输速率

传输速率有以下两种：

（1）数据传输速率（Rate）。数据传输速率是指通信系统单位时间内传输的二进制代码的位（比特）数，因此又称作比特率，单位为比特/秒，记为b/s。(www.xing528.com)

数据传输速率的高低，由每位数据所占的时间宽度决定，一位数据所占的时间宽度越小，则其数据传输速率越高。设T为传输的脉冲信号的宽度或周期，N为脉冲信号所有可能的状态数，则数据传输速率为：

式中，log2N是每个脉冲信号所表示的二进制数据的位数（比特数）。如电信号的状态数N=2，即只有“0”和“1”两个状态，则每个电信号只传送1位二进制数据，此时，

（2）调制速率。调制速率又称作波特率或码元速率，它是数字信号经过调制后的传输速率，表示每秒传输的电信号单元（码元）数，即调制后模拟电信号每秒钟的变化次数，它等于调制周期（即时间间隔）的倒数，单位为波特（Baud）。若用T（s）表示调制周期，则调制速率为：

即1波特表示每秒钟传送一个码元。显然，上述两个指标有如下数量关系：

R=Blog2N（b/s）

即在数值上波特率等于比特率的log2N倍，只有当N=2（即双值调制）时，两个指标才在数值上相等。但是，在概念上两者并不相同，波特率是码元的传输速率单位，表示单位时间内传送的信号值（码元）的个数，而比特率是单位时间内传输信息量的单位，表示单位时间内传送的二进制位的个数。

3.误码率

误码率是衡量通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指标，是指二进制码元在传输过程中被传错的概率。显然，它就是错误接收的码元数在所传输的总码元数中所占的比例。误码率的计算公式为：

式中，Pe为误码率；Ne表示被传错的码元数；N表示传输的二进制码元总数。上式只有在N取值很大时才有效。

在计算机网络通信系统中，要求误码率低于10-6。如果实际传输的不是二进制码元，需折合成二进制码元来计算。在通信系统中，系统对误码率的要求应权衡通信的可靠性和有效性两方面的因素，误码率越低，设备要求就越高。

需要指出的是：不同的通信系统对可靠性的要求是不同的。在实际应用中，常常由若干码元构成一个码字，所以可靠性也常用误字率来表示，误字率就是码字错误的概率。有时一个码字中错两个或更多的码元，这和错一个码元是一样的，都会使这个码字发生错误，所以，误字率与误码率不一定是相等的。有时信息还用若干个码字组成一组，所以还有误组串，它是传输中出现错误码组的概率。但经常使用的还是误码率。

4.传输延迟

信道的带宽是由硬件设备改变电信号时的跳变响应时间决定的。尽管电信号的传输速率为30×104 km/s，但由于发送和接收设备存在响应时间，特别是计算机网络系统中的通信子网还存在中间转发等待时间，以及计算机系统的发送和接收处理时间，所以，在通信系统的信息传输过程中存在延迟（传输延迟）。信息的传输延迟时间由以下关系式确定：

传输延迟=发送和接收处理时间+电信号响应时间+中间转发时间+信道传输延迟

在计算机网络中由于不同的通信子网和不同的网络体系结构采用不同的中转控制方式，因此，在通信子网中存在的中转延迟只能依网络状态而定。由电信号响应带来的延迟时间则是固定的。显然，响应时间越短，延迟就越小。也就是说，信道的带宽越大，延迟越小。