计算机网络中数字数据传输实现

通常用于传输数字数据的线路有两类：第一类是数字通信线路，在其上可直接传输数字数据。而另一类是模拟通信线路，这时数据信号必须经过调制才能进行传输。

1.基带传输

若在信道中直接传输基带信号（即直接用高、低电压来表示数据“0”、“1”），则称为基带传输。所谓基带是指原始信号所占用的基本频带。在基带传输中，传输信号的频率可从零到几兆赫兹，因此，要求信道具有较高的频率特性。通常一般的电话通信线路满足不了这个要求，因此，需要根据传输信号特性来选择和采用专用的传输线路。

由于基带传输是一种最简单的传输方式，因此，近距离通信的局域网采用基带传输。在基带传输时，需解决的主要问题是数字数据的数字信号表示方法。

传输数字信号最普遍而且最容易的办法是用两个电压（或电平）来表示两个二进制数。例如，无电压（即无电流）用来表示“0”，而恒定正电压用来表示“1”。常采用的数字数据的数字信号编码有以下几种方式。

（l）单极性不归零码和双极性不归零码

不归零编码（Non-Return Zero，NRZ）分别采用两种高低不同的电平来表示二进制数字“0”和“1”。例如，高电平表示“1”，低电平表示“0”。

1）单极性码。如图2-8a所示的单极性码，在每一码元时间间隔内，有电流发出表示二进制数字“l”，无电流发出则表示二进制数字“0”。每一个码元持续时间的中心是采样时间，判决门限为半幅电平，即0.5。若接收信号的值在0.5～1.0之间，则判为1；若在0～0.5之间，则判为0。每秒发送的二进制码元数称为码元速率，其单位为波特（Baud）。在二进制情况下，1波特相当于信息传输速率为1比特每秒（bit/s），此时码元速率等于信息速率。

2）双极性码。如图2-8b所示的双极性码，在每一码元时间间隔内，发出正电流表示二进制数字1。发出负电流表示二进制数字0。正的幅值和负的幅值相等，所以称为双极性码。这种情况的判决门限定为零电平。接收信号的值如在零电平以上，则判为1；如在零电平以下，则判为0。图2-8所示的两种情形表示的二进制数字序列均为01101001。

以上两种信号是在一个码元全部时间内发出或不发出电流，或在码元全部时间内发出正电流或负电流，这两种码都属于全宽码，即每一位码元占用全部的码元宽度，如重复发送1，就要连续发送正电流；如重复发送0，就连续不发送电流或连续发送负电流。这样，上一位码元和下一位码元之间无间隙，不易互相识别。对应后面所述的归零码，全宽码属不归零码。

图2-8 单极性码和双极性码

a）单极性码 b）双极性码

（2）单极性归零码和双极性归零码

1）单极性归零码。如图2-9a所示，在每一码元时间间隔内，当发送1时，发出正电流，但发电流的时间短于一个码元的时间，也就是说，发出一个窄脉冲；当发送0时，仍完全不发送电流。这样发送1时有一部分时间不发送电流，幅度降为零电平，故称为归零码。

2）双极性归零码。如图2-9b所示的双极性归零码，在每一码元时间间隔内，当发送1时，发出正窄脉冲；当发送0时，发出负窄脉冲。两码元之间间隔时间可大于每一窄脉冲的宽度。采样时间总是对准中心。图2-9所示的两种情形表示的二进制数字序列均为01101001。

图2-9 单极性归零码和双极性归零码

a）单极性归零码 b）双极性归零码

双极性归零码的另一种形式称为交替双极性归零码。在发送过程中，发送1时窄脉冲的极性总是交替的，即如果发前一个l时是正脉冲，则发后一个1时是负脉冲；而发送0时不发脉冲。这种交替的双极性码元也可用全宽码，采样定时信号仍对准每一脉冲的中心位置。NRZ编码虽然简单，但其抗干扰能力较差。另外，由于接收方不能正确判断位的开始与结束，从而收发双方不能保持同步，需要采取另外的措施来保证发送时钟与接收时钟的同步，如需要用另一个信道同时传输同步时钟信号。

基带传输的优点是在基本不改变数字数据信号频带（即波形）的情况下直接传输数字信号，能达到很高的数据传输速率和系统效率。因此，基带传输仍是目前不断发展与广泛应用的数据通信方式，特别是在局域网当中。

2.频带传输

电话通信交换网是用于传输语音信号的模拟通信信道，是目前覆盖面很广的一种通信方式。因此，利用模拟通信信道进行数据通信也是目前最普遍使用的通信方式之一。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信号的传输，首先必须将其数字信号转换成模拟信号。

将发送端数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称为调制，调制设备称为调制器；接收端把模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称为解调，解调设备称为解调器。因此，同时具备调制与解调功能的设备，就被称为调制解调器。

数字信号的调制原理是用基带信号对载波波形的某些参数进行控制，而模拟信号传输的基础是载波通信。载波信号具有三大要素：幅度、频率与相位。数字数据可以针对载波信号的不同要素或它们的组合进行信号调制。如图2-10所示。

图2-10 数字数据针对载波信号不同要素进行信号调制(www.xing528.com)

（1）数字调制的基本形式

根据调制所控制的载波参数的不同，数字调制有3种调制方式，如图2-11所示。

1）幅移键控法（Amplitude-ShiftKeying，ASK）。这种方法将载波中3个波形参数中的两个—频率与相位固定为常量，幅值定义为数字数据的变量。

在ASK方式下，用载波的两种不同幅度来表示二进制的两种状态。但ASK方式容易受增益变化的影响，是一种低效的调制技术。在电话线路上，通常只能达到1200bit/s的速率。

2）频移键控法（Frequency-ShiftKeying，FSK）。这种方法将幅值与相位固定为常量，频率则受数字信号的控制，以频率ω₁，表示数字信号“l”，频率ω₂表示数字信号“0”。

在FSK方式下，用载波频率附近的两种不同频率来表示二进制的两种状态。在电话线路上，使用FSK可以实现全双工操作，通常可达到1200bit/s的速率。

3）相移键控法（Phase-ShiftKeying，PSK）。这种方法将幅值和频率固定为常量，相位受数字信号控制。PSK包括绝对调相和相对调相两种类型。

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

图2-11 数字调制的3种基本形式

相对调相使用相位的相对偏移量，当数字信号为“0”时，相位不变化；而数字信号为“1”时，相位要偏移π。

在PSK方式下，用载波信号相位移动来表示数据。PSK可使用二相或多于二相的相移技术，利用这种技术，可以对传输速率起到倍增作用。由PSK和ASK结合的相位幅度调制PAM，是解决相移数已达到上限，但还需要进一步提高传输速率的有效方法。目前电信网络广泛使用的通信Modem，其传输率已远远高于原电话线路通信56kbit/s的理论极限值。

（2）公共电话交换网中数据通信使用的调制解调器

公共电话交换网是一种频带模拟信道，音频信号频带为300～3400Hz，而数字信号频宽为零赫兹到几千兆赫兹。若不加任何措施就利用模拟信道来传输数字信号，必定会出现极大的失真和差错。所以，要在公共电话网上传输数字数据，必须将数字信号变换成电话网所允许的音频频带范围内的模拟信号，这一转换过程需要通过调制解调器来完成。

频带传输优点是可以利用目前覆盖面最广、普遍使用的模拟语音通信信道。用于语音通信的电话交换网优点是技术成熟并且造价较低，其缺点是数据传输速率与系统效率较低。

调制与解调技术标准及设备。调制与解调所采用的技术决定了让每波特的载波能携带多位二进制数，即用多位二进制编码来控制改变Modem载波的多个参量，如同时改变载波的振幅和相位，此调制方式称为正交幅度调制（QAM）。

每种调制解调器有各自不同的调制方式，以支持不同的数据传输速率。Modem的调制方式和数据传输速率多由国际电信联盟（ITU）进行标准化。Modem标准规定了它所采用的调制方式以及所支持的数据传输速率，如V.32bis（V.32扩展形式）标准支持14.4kbit/s数据传输速率，V.34标准支持的数据传输速率为28.8kbit/s，V.42标准支持33.6kbit/s，V.90标准支持56kbit/s等。这些Modem标准均是通过在2400baud的电话线路上每波特传输多位二进制数来实现的，但其实现机制却不完全一样。

为提高Modem传输速度和有效数据传输速率，让其支持更高的数据传输速率，需采用新的调制方式，常用方法是数据压缩和控制技术。数据压缩指发送端在发送数据以前先将数据进行压缩，而接收端收到数据后再把数据还原，从而提高有效传输速率。通常采用两种压缩技术，CCITTV.42bis规范和MNP（Microcom Networking Protocol）。前者使用霍夫曼编码技术，将传输数据中频繁出现的字符用4位表示，很少出现的字符用1位表示，从而达到压缩目的。该压缩技术非常适合于压缩文本数据文件。MNP有几种压缩编码方式。MNP5级使用运行长度编码，利用回车、换行和空格等非打印字符在内的一串重复字符容易识别这一特点，在一行中发现有3个以上相同字符时则发送该字符及重复个数，达到压缩目的。对于图表文件，使用这种协议方式达到的压缩比很高，MNP5级可实现2：1的压缩比。MNP7级又根据字符对的频率编码字符，进一步提高压缩能力。其压缩比可达3：1。

对于高速Modem，线路中瞬间噪声可产生多位错误，须采用差错控制技术。常用差错控制标准有两种，使用最广泛的标准是MNP。前述MNP5级和MNP7级定义数据压缩技术，MNP1～4级及MNP10级描述差错控制技术。使用MNP4级差错控制标准的Modem已得到广泛应用，并成为2400bit/s调制解调器的工业标准。MNP10级是功能齐全的差错控制协议，可用于像蜂窝电话这样的噪声环境。另一种差错控制技术的标准是V.42，V.42把MNP4级作为选项。如某Modem应答时不支持V.42标准，则用MNP4级方式实现兼容。

Modem有各种分类方法，按通信设备分类，可将其分为拨号Modem和专线Modem。按数据传输方式进行分类，可将其分为同步Modem和异步Modem。

拨号Modem主要用于公用电话网上传输数据，具有在性能指标较低环境中进行有效操作的特殊性能，多数拨号Modem具备自动拨号、应答、建立连接和拆除等功能。

专线Modem主要用在专用线路或租用线路上，其数据传输速率比拨号Modem高。

同步Modem能按同步方式进行数据传输，速率较高，一般用在主机到主机的通信上。同步Modem需要同步电路，设备复杂、造价昂贵。

异步Modem能随机地以突发方式进行数据传输，所传输的数据以字符为单位，用起始位和停止位表示一个字符的起止。异步Modem主要用于终端到主机或其他低速通信的场合，故其电路简单、造价低廉。

目前的Modem支持多种数据传输方式：单工的只接收或发送数据；半双工的可收可发，但不能同时发送数据；全双工的则可同时接收和发送数据。大多数Modem都支持半双工和全双工方式。全双工方式比半双工方式优越之处在于不需线路换向时间，响应速度快、延迟小。全双工缺点是双向传输数据时需要占用共享线路带宽，设备复杂、价格高。

另外，按传输速率分类，Modem分为低速、中速、高速。按所支持的物理接口的不同，又可将其分为支持RS-232-C接口、RS-449接口、RS-53接口、V.35接口以及X.21接口等物理接口。