数据通信技术-信息技术应用概论

当今社会正处于一个信息和网络时代，人与人之间要经常互通信息，从一般意义上讲这就是通信（Communication）。通信是现代人们生活中不可缺少的一部分，它对社会发展产生深刻的影响，因而掌握通信技术具有十分重要的意义。通信的根本目的就是传递信息，由于现在的信息传输与交换大多是在计算机之间或计算机与外围设备之间进行，所以数据通信有时也称为计算机通信。

所谓数据通信是指依照通信协议，利用数据传输技术在两个功能单元之间传递数据信息。它可实现计算机与计算机、计算机与终端以及终端与终端之间的数据信息传递。通俗而言，数据通信是计算机与通信相结合而产生的一种通信方式和通信业务。从数据通信的定义可见，数据通信包含两方面的内容：数据传输和数据传输前后的处理（如数据的采集、交换、控制等）。数据传输是数据通信的基础，而数据传输前后的处理使数据的远距离交互得以实现。

1）信息、数据与信号

（1）信息

通信的目的是交换信息。一般认为信息是人们对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。信息的载体可以是数值、文字、图形、声音、图像以及动画等。任何事物的存在都伴随着相应信息的存在，信息不仅能够反映事物的特征、运动和行为，还能够借助媒体传播和扩散。这里把“事物发出的消息、情报、数据、指令、信号等当中包含的意义”定义为信息。

（2）数据

数据是指把事件的某些属性规范化后的表现形式，可以被识别，也可以被描述。数据可分为模拟数据和数字数据两种。模拟数据：在时间和幅度上都是连续的，其取值随时间连续变化。数字数据：在时间上是离散的，在幅值上是经过量化的。一般是由“0”“1”二进制代码组成的数字序列。

（3）信号

信号是数据的具体物理表现，是信息（数据）的一种电磁编码，具有确定的物理描述。信号中包含所要传递的信息。信号一般为自变量，以表示信息（数据）的某个参量为因变量。信息一般是用数据来表示的，而表示信息的数据通常要转变为信号进行传递。

2）模拟信号和数字信号

①模拟信号是指波高和频率是连续变化的信号。在模拟线路上，模拟信号是通过电流和电压的变化进行传输的，如图4.5 所示。

图4.5　模拟信号图

②数字信号是指离散的信号，如计算机所使用的由“0”和“1”组成的信号。数字信号在通信线路上传输时要借助电信号的状态来表示二进制代码的值，如图4.6 所示。

图4.6　数字信号图

3）基带信号和宽带信号

①基带信号是指将计算机发送的数字信号“0”或“1”用两种不同的电压表示后直接送到通信线路上传输的信号。

②宽带信号是指基带信号经过解调后形成的频分复用模拟信号。

4）信道及其分类

传输信息的必经之路称为信道，包括传输介质和通信设备。信道可以按不同的方法进行分类，常见的分类有以下几种。

①有线信道和无线信道；

②物理信道和逻辑信道；

③数字信道和模拟信道。

5）数据通信的传输介质

网络上数据的传输需要有“传输媒体”，就像车辆必须在公路上行驶一样。道路质量的好坏会影响行车的安全舒适，同样，网络传输介质的质量好坏也会影响数据传输的质量。

通信（传输）介质是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路。计算机网络通信中通常使用双绞线、同轴电缆、光纤等有线传输介质。另外，也经常利用无线电短波、微波、红外线、激光、卫星通信等无线传输介质。

6）数据传输模式

数据传输模式是指数据在通信信道上传送所采取的方式。按数据代码传输的顺序可分为并行传输和串行传输；按数据传输的同步方式可分为同步传输和异步传输；按数据传输的流向可分为单工、双工和全双工数据传输；按被传输的数据信号特点可分为基带传输、频带传输和数字数据传输。

（1）串行和并行传输

串行传输指数据在一个信道上一位一位地依次传输，数据线的数目与传输数据无关。在传输过程中，同一个字节的各个不同的位按顺序先后发送，在同一个信道上传输。在这种方式下，一个并行的数据被转换成一个二进制数据流。在这种传输模式下，传输速率明显低于并行传输，但它节省了大量的数据通道，降低了信道成本，而且利于远程传输。现在所用的网络都采用的是串行传输。

并行传输是一次可以传送一个字节（8 位），发送方到接收方用8 根线。在传输过程中同一个字节数据中的各个位同时传输，也就是一次传输一个字节，在时间上是同时的。采用这种方式，一位数据占用一条数据线，根据数据位的不同，需要不同的数据通道。最常见的是并行打印机，它一次传输一个字节，通过并行接口和计算机相连。数据线的数目与传输数据相同并可能多一条校验线。目前，计算机内部操作多用并行传输。

（2）串行通信与并行通信

串行通信是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，要将计算机中的字节进行并／串变换，在接收方再通过串／并转换，还原成计算机的字符结构，才能实现串行通信，如图4.7 所示。

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，但速度比较慢。网络中多采用这种传输方式。

并行通信是数据以成组的方式在多个并行信道上以并行传输的方式同时进行传输，如图4.8 所示。

并行通信的优点是速度快，但发送方与接收方之间有若干条线路，导致费用高，仅适合于近距离和高速率的通信。(www.xing528.com)

图4.7　串行通信

图4.8　并行通信

（3）同步与异步传输

同步传输接收端按发送端发送的每个码元的起止时间及重复频率来接收数据，并且要校准自己的时钟以便与发送端的发送取得一致，实现同步接收，如图4.9 所示。

数据传输的同步方式一般分为字符同步和位同步，字符同步通常是识别每一个字符或一帧数据的开始和结束；位同步则识别每一位的开始和结束。

同步传输方式适用于同一个时钟协调通信双方，传输速率较高。

图4.9　同步传输示意图

异步传输中发送端可以在任意时刻发送字符，字符（信息帧）之间的间隔时间可以任意变化。该方法是将字符看作一个独立的传送单元，在每个字符的前后各加入1 ～3 位信息作为字符的开始和结束标志位，以便在每一个字符开始时接收端和发送端同步一次，从而在一串比特流中可以把每个字符识别出来，如图4.10 所示。异步传输实现字符同步比较简单，收发双方的时钟信号不需要精确地同步，数据传输效率低于同步传输。

图4.10　异步传输示意图

（4）单工、半双工和全双工通信

单工通信是指通信双方传送的数据是一个方向，不能反向传送。在单工通信中，信号只能向一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传送方向，如图4.11（a）所示。

半双工通信是指通信双方传送的数据可以双向传输，但不能同时进行，发送和接收共用一个数据通路，若要改变数据的传输方向，需要利用开关进行切换。在半双工通信方式中，信号可以双向传送，但必须交替进行，同一时间只能向一个方向传送，如图4.11（b）所示。

全双工通信是指通信双方可以同时双向传输。显然全双工通信较前两种方式效率高、控制简单，但结构复杂，成本高。如电话是全双工通信，双方可以同时讲话，计算机与计算机通信也可以是全双工通信，如图4.11（c）所示。

图4.11　单工、半双工及全双工通信示意图

（5）基带传输、频带传输和数字数据传输

基带传输是指计算机（或终端）输出的二进制“1”或“0”的电压（或电流）直接送到电路的传输方式，即终端设备把数字信号转换成脉冲电信号直接传送。基带传输用于短距离的数据通信。

频带传输是指把代表二进制的“1”或“0”信号，通过调制解调器变成具有一定频带范围的模拟信号进行传输。频带传输可实现远距离的数据通信。

数字数据传输方式是利用数字信道传输数据信号的一种方式。这种方式效率高，传输质量好。

7）多分复用技术

为了充分利用传输介质，降低成本，提高有效性，人们提出了复用问题。多路复用是指在数据传输系统中，允许两个或多个数据源共享同一个公共传输介质，就像每一个数据源都有自己的信道一样，也就是将若干个彼此无关的信号合并为一个在一个共用信道上传输的复合信号的方法。

多路复用技术通常采用频分多路复用（FDM）、时分多路复用（TDM）和波分多路复用（WDM）。

（1）频分多路复用

频分复用是一种按频率来划分信道的复用方式，它将物理信道的总带宽分割成若干个互不交叠的子信道，每一个子信道传输一路信号。

（2）时分多路复用

时分多路复用是将一条物理线路按时间分成一个个互不重叠的时间片，每个时间片常称为一帧，帧再分为若干时隙，轮换地为多个信号所使用。每一个时隙由一个信号（一个用户）占用，该信号使用通信线路的全部带宽。时分多路复用分为同步时分多路复用和异步时分多路复用。

（3）波分多路复用

波分多路复用与频分多路复用使用的技术原理是一样的，与FDM 技术不同的是，波分多路复用采用光纤作为通信介质，利用光学系统中的衍射光栅来实现多路不同频率（波长）光波信号的合成与分解。