数据通信技术的发展与计算机网络技术密切相关.pdf

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1、数据通信技术基础数 据通 信技 术 的发 展与 计 算机 网络 技 术密 切相 关，是 促 进计 算机 网 络技 术发 展 的重 要因素 之一。因 此，学 习 计算 机网 络，必 然涉 及 许多 关于 数 据通 信的 问 题，数据 通 信的 任务 是 利用 通信 媒体 传 输信 息。数 据通 信 是两 实体 间 的数 据传 输 和交 换，在 计算 机网 络 中占 有十 分 重要 的地 位，它 是通 过 各种 不同 的 方式 和传 输 介质，把 处 在不 同地 理 位置 的终 端 与主 计算 机 或计 算机 与计 算 机连 接起 来，从 而完 成 数据 传输、信息 交 换和 通信 处 理等 任务

2、。本章 重点 介 绍与 计算 机网 络 有关 的数 据 通信 的基 本 概念、数 据 传输 方式、多路 复 用技 术、数 据交 换技 术 和差 错控 制技 术等 内容，主 要是 为 计算 机网 络的 学习 和实 践打 好基 础。2.12.12.12.1数据通信的基本概念数 据通 信就 是 指计 算机 与 计算 机之 间 交换 数据 的 过程。数 据 通信 系 统就 是指 以 计算 机为中 心，用通 信线 路连 接分 布在 各 地的 数据 终端 设备 而执 行数 据传 输 功能 的系 统。2.1.12.1.12.1.12.1.1简单的通信模型通 信系统的基本作用是在发送方（信源）和接收方（信宿）

3、之间传递和交换信息。数据通信系统的基本组成有3 个要素：信源、信宿和信道，如图 2-1 所示，它就是一个简单的数据通信系统模型。信 道信 源信 宿信 号 变 换 器信 号 变 换 器噪 声图2-1简单 的数据通 信系统模 型1 信源 和信 宿信 源就 是信 息 的发 送端，是发 出 待传 送信 息 的设 备；信 宿就 是信 息 的接 收端，是接 收所传 送信 息的 设备。大 部分 信源 和 信宿 设备 都是 计算 机或 其他 数据 终 端设 备。2 信号 变换 器第2 2章第2 章数据通信 技术基础21信 号变 换器 的作 用是 将信 源发 出的 信 息变 换成 适合 在信 道上 传输 的信

4、号，如 图2-2 所 示。数 字 信 道信 源信 宿编 码 器译 码 器数 字 信 道信 源信 宿编 码 器译 码 器信 源信 宿解 调 器调 制 器模 拟 信 道图 2-2信号 变换器的 作用对 应不 同的 信 源和 信宿，信号 变 换器 有不 同 的组 成和 变 换功 能。发 送端 的信 号 变换 器可以 是编 码器 或调 制器，接 收端 的 信号 变换 器相 对应 的就 是译 码器 或 解调 器。编 码器 的功 能 是把 信源 或 其他 设备 输 入的 信息 作 相应 的变 换，使 之 成为 适合 在 通信 信道上 传输 的信 号；译 码 器的 功能 是 在接 收端 完 成编 码的 反

5、过程。信 源 输入 的信 息 可以 是离 散 变化 的数 字信 号也 可以 是连 续变 化的 模 拟信 号。调 制器 的作 用 是把 信源 输 入的 二进 制 脉冲 信号 变 换（调 制）成模 拟 信号，以 便 在模 拟信道 上进 行远 距 离传 输；解 调器 的 作用 是反 调 制，即把 接 收端 接收 的 模拟 信号 还 原成 二进 制 脉冲 数字 信号。由于 网络 中 绝大 多数 信 息都 是双 向 传输 的，所 以在 大 多数 情况 下，信 源也 作 为信 宿，信 宿也 作为 信源；编 码器 也具 有译 码功 能，译 码器 也能 编码，因 此统 称为 编码 译码 器；同 样调 制器 也

6、能 解调，解 调器 也 能调 制，因此 统称 为调 制解 调 器。2.1.22.1.22.1.22.1.2数据、信息和信号1 数据 与信 息数 据是 由数 字、字 符 和符 号等 组 成的，可 以 用来 描述 任 何概 念和 事 物，是传 送 信息 的载体。数 据中 的 各种 数字、字符 和 符号 等在 没 有被 定义 前，是 没有 实 际意 义的，因此，数据 是尚 未组 织起 来的 事实 的集 合，是 抽象 的。信 息则 是数 据的 具体 内容 和解 释，有 具体 的意 义。信 息是 数据 经过 加工 处理 后所 得 到的，即 信息 是按 一 定要 求以 一 定格 式组 织 起来 的、具 有

7、一 定 意义 的数 据。信 息必 须 依赖 于各 种 载体 才有 意义，才 能被 传递。数 据是 信息 的表 示形 式，是 信息 的载 体，信 息是 数据 形式 的内 涵，即 数据 是信 息传 送的 形式，信 息 是数 据表 达的 内涵。2 信号为 了使数据可以在传输介质中传输，必须把数据变换成某种信号（电信号或光信号）的形式。信 号是 数据 的 具体 物理 表 示，具 有确 定的 物 理描 述，是 数据 的电 编 码、电磁 编 码或 其他编 码等。信 号可 以分 为模 拟信 号 和数 字信 号。3 数字 数据 与模 拟数 据表 达数 据的 方 式与 承载 数 据的 媒体 是 紧密 相关 的，

8、不 同 的媒 体能 够 表达 数据 的 方式 是有计算机网 络实用技术22限 的。有两 种基 本的 表达 数据 的 方式，这 就是 模拟 数据 和数 字 数据。当 数据 采用 离 散的 电信 号 表示 时，这 样的 数 据就 是数 字 数据。数 字 数据 是指 有 限个 离散值，如 字符 串、整 数 数列。当 数 据采 用电 波 表示 时，这 样的 数据 就 是模 拟数 据。模 拟 数据 是指 在某 个区 间产 生的 连续 值，如 声音、视 频、温度、压力。4 模拟 信号 和数 字信 号模 拟信 号是 在 一定 范围 内 可以 连续 取 值的 信号，是一 种 连续 变化 的 电信 号，它 可以

9、 以不同 的频 率在 介质 上传 输，如正 弦 波信 号，如图 2-3 所 示。时 间信 号 值图2-3正弦 波信号数 字信号是一种离散的脉冲序列信号，它的取值是有限个数，它用恒定的正电压负电压或正电压0 电压来表示“1”/“0”，它可以以不同的位速率在介质上传输，如脉冲信号，如图 2-4 所示。时 间信 号 值图2-4脉冲 信号2.1.32.1.32.1.32.1.3数据通信的主要技术指标衡 量和 评价 一 个系 统的 好 坏，必 须要 涉及 到 系统 的主 要 性能 指标 问 题。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

10、 数据 传输 的 数据 速率、调制 速度、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 道是 通信 双 方以 传输 介 质为 基础 的 传输 信息 的 通道，它 是 建立 在 通信 线路 及 其附 属设备（如 收发 设 备）上 的。表面 上 看，信道 与 传输 介质 好 像差 不多，但信 道 又不 能等 同 于传 输介 质，同 一条 传输 介 质可 以同 时 存在 多条 信 号通 道，即 一条 通信 介 质构 成的 线 路上 往往

11、包 含了 多个 信道。与信 号 的分 类相 似，信 道也 可 分为 传送 模 拟信 号的 模 拟信 道和 传 送数 字信 号 的数 字信 道两 大 类。但数 字 信号 经过 数 模变 换后 就 可以 在模 拟 信道 上进 行 传送，而模 拟信 号第2 章数据通信 技术基础23经 过模 数 变 换后 也可 以 在数 字信 道 上进 行传 送。由 有 线传 输介 质（如 双绞 线、同 轴电 缆、光 缆等）构 成 的通 信信 道 叫有 线信 道；由 无 线传 输介 质（如 微波、卫星）构成 的通 信 信道 叫无 线信 道。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

12、物理 特性 所决 定。信 道带 宽是 指 信道 中能 够 传送 的信 号 的频 率范 围。当 信 号的 带宽 超 过信 道带 宽 时，信号就 不能 在该 信 道上 传送，或者 传送 的 信号 将会 失 真。为 计算 带宽，需要 在频 率 范围 内用 最 高频 率减 去最 低频 率。例如：最高 频率 为 5000Hz，最低 频率 为 1000Hz，则带 宽即 为 4000Hz。信 道容 量是指单 位时间内 信道所 能传输的 最大信息 量，即一 个信道能 够达到的 最大的 传输速率，它表 示信道的 传输能力。在通 信领域中，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

13、 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），信道容 量以 码元速 率（或波特）来 表示。由于 数据 通信主 要是 计算机 与计 算机之 间内的数 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 间最多 可传 输的二 进制 的位数（也 叫信 道的数 据传 输速率），以位/秒（b/s）形式表示，简称为 b/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 300Hz）、音 频信道（带 宽为 300 3400Hz）和宽 带信 道（带宽 为 3400

14、 Hz 以 上）。2 传输 速率（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 传送 的 二进 制代 码的 位（比特）数，因 此 又称 比特 率，单位 用比 特/秒 表示，记 为 b/s 或 b/s。数 据传 输速 率 的高 低，由 每位 数 据所 占的 时 间来 决定，一位 数据 所 占的 时间 宽 度越 小，其 数据 传输 速率 就越 高。设T为 传输 的电 脉冲 的宽 度或 周期，N为 一个 脉冲 信号 所有 可能 的状态 数，则数 据传 输速 率为：RS=1Tlog2N(b/s)式 中 log2N是 每个 电脉 冲 信号 所表 示 的二 进制

15、 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，RS=1/T（2）调 制速 率调 制速 率又 称波 特速 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（秒）表 示调 制周 期，则 调制 速率 为Rb=1/T(Baud)，即1 波 特表 示每 秒钟 传送 一个 码元。显 然，上

16、述两 个 指标 有 如下 的 数量 关 系：RS=Rblog2N(b/s)，即在 数 值上“波 特”单位 等于“比 特”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，Baud 是 码元 的传 输速 率单 位，表 示单 位时 间传 送的 信号 值（码 元）个 数，波 特速 率 是调 制 速度，而 b/s 是 单位 时 间内 传 输信 息 量的 单 位，表 示单 位 时间 传 送的二 进制 数的 个数。3 误码 率误 码率 是衡 量 通信 系统 在 正常 情况 下 传输 可靠 性 的指 标。误 码率 是 指二 进制 码

17、 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：Pe=Ne/N。式中 Pe 表 示误 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。计算机网 络实用技术24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 要折 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

18、面的 因素，误 码率 越低，设备 要求 就越 高。需 要指 出的 是：对 于可 靠 性的 要求，不同 的 通信 系统 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 是一 定相 等 的。有 时信 息还 用 若干 个码 字 组成 一组，所以 还要 有 误组 率，它是 传输 中出 现错 误码 组 的概 率，但常 使用 的还 是误 码 率

19、。4 传输 延迟信 道的 带宽 是 由硬 件设 备 改变 电信 号 的跳 变响 应 时间 决定 的。尽 管 信号 的传 输 速度 为每秒 300 000 km，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 系统 的信 息 传输 过程 中存 在着 延迟（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

20、能 依 据网 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 小，延 迟就 越小。也 就是 说，信 道的 带宽 越大，延 迟就 越小。传 输延 迟是 指 由于 各种 原 因的 影响，使得 系 统信 息在 传 输过 程中 存 在着 不同 程 度的 延迟或 滞后 的现 象。信 息的 传 输延 迟时 间 包括 发送 和 接受 处理 时 间、电 信号 响应 时 间、中间 转 发时 间和 信道 传输 时间 等。传输 延 迟通 常又 分为 传输 时延 和传 播时 延。传 输时 延：是指 发送 一组 信息 所 用的 时间，该 时间 与信 息传 输 速率 和信

21、 息格 式有 关。传 播时 延：是 指信 号 在物 理媒 体 中传 输一 定 距离 所用 的 时间，它 与 信号 传播 速 度和 距离有 关。人们 都知 道，在 理想 的情 况下，电 磁波 的传 输 速率 为每 秒 300 000 km（即光 速）。通常认 为电 磁波 在 光纤、卫 星 信道 中 的传 播速 度 可达 到光 速，而 在一 般 电缆 中的 传 输速 度约 为 光速 的2/3。用下 面的 例题 来更 好地 理解 传 输时 延和 传播 时延。例：在 相隔 1000km 的 两地 传输 3kb 的 数据，可 以通 过电 缆以 20kb/s 的 速率 传输 或通 过卫星 信 道 以 60

22、kb/s 的 速 率 传 输，问 从 发 送 方 开 始到 接 收 方 接 收 到全 部 数 据 用 哪 种 方式 时 间 较短？（假 定信 息在 电缆 中传 输速 度为 200 000km/s，而 在卫 星信 道中 的传 输速 度是 300 000km/s，卫 星距 离地 面 36 000km）。数 据 在 电 缆 中 的 传 输 时 延 为 3kb/20kb/s=150ms，而 其 传 播 时 延 为 1000km/(2 105km/s)=5ms，因此 使 用电 缆 传输 数 据的 总 时延 为 150+5=155(ms)；数据 在 卫星 中 的传 输 时延 为3kb/60kb/s=50m

23、s，而其传 播时 延为 36 000km 2/(3 105km/s)=240ms（注意：卫星 传输 数据不是 地面直接 传输，而是 要通过空 中的卫星 转发器 转发，因此，卫星 传输的距 离近似为 卫星距离地 面高度 的 2 倍）；因 此使用 卫星传 输数据 的总时 延 50+240=290（ms）。因 此本例 使用电 缆传输数 据时间较 短。2.1.42.1.42.1.42.1.4网络通信过程数 据从 信源 发 出到 被信 宿 正确 接收，这是 一 个完 整的 通 信过 程。通 信过 程中 的 每次 通信都 包括 传输 数 据和 通信 控 制两 方面 的 内容，其 中，通 信 控制 主要 执

24、 行各 种辅 助 操作，并 不 传输 数据，但 这种 辅助 操作 对传 输 数据 是必 不可 少的。一 般，通 信过 程包 括以 下 5 个 阶段。第2 章数据通信 技术基础251 通信 线路 的建 立在 此阶 段，通 信系 统 中的 交换 设 备根 据发 送 端提 供的 接 收端 的地 址 等信 息建 立 通信 双方的 物理 通道，也 称此 阶段 为建 立 物理 连接 阶段（它 类似 于打 电 话时 的“拨 号”阶 段）。2 数据 传输 及控 制链 路的 建立此 阶段 是通 过 双方 确认 同 步关 系的 阶 段，它 使双 方处 于 正确 的发 收 状态，也 称 此阶 段为建 立逻 辑连 接

25、阶 段（它类 似于 打 电话 时的“确 认通 话对 象”阶 段）。3 数据 及控 制信 息的 传输在 此阶 段，通 信双 方 交换 要传 输 的数 据及 控 制信 息，这 才是 通信 的 实质 性阶 段（它 类似于 打电 话时 的双 方“通 话”阶 段）。4 数据 传输 链路 的拆 除在 此阶 段，通 信双 方 通知 和确 认 数据 传输 的 结束，即 拆 除逻 辑连 接（它 类似 于 打电 话时的“证 实通 话结 束”阶 段）。5 通信 线路 的拆 除在 此阶 段，由 通信 双 方之 一通 知 系统 中的 交 换设 备拆 除 物理 连接（它类 似于 打 电话 时的“挂 机”阶 段）。在 上述

26、 5 个 阶段 中，第 五 阶段 与 第一 阶 段“互 逆”，第四 阶 段与 第 二阶 段“互 逆”，第三阶 段是 通信 的 实质 性阶 段，是 不可 缺 少的。其余 各阶 段 根据 通信 环 境和 通信 方 式的 不同，有时 可以“省 掉”，如当 采用 专用 通信 线路 时，则 通信 过程 只包 括通 信线 路 的建 立、数据 传输、通 信线 路的 释放 这 3 个 阶段。2.22.22.22.2数据传输方式在 数据 通信 系 统中，通 信 信道 为 数据 的传 输 提供 了各 种 不同 的通 路。对 应于 不 同类 型的信 道，数据 传 输采 用不 同 的方 式，如 并行 传 输和 串行

27、传 输方 式；单 工、半双 工 和全 双工 通 信方 式，基带 传输 和频 带传 输方 式；异 步传 输和 同步 传输 方式 等。2.2.12.2.12.2.12.2.1并行、串行传输在 计算 机内 部 各部 件之 间，计 算 机与 各种 外 部设 备之 间 以及 计算 机 与计 算机（或终 端）之 间都 是以 数 据传 输的 方 式实 现通 信 的。依 据传 输线 数 目的 多少，可以 将数 据 传输 方式 分 为并 行传 输和 串 行传 输，并 行传 输用 于 短距 离、高 速率 的 通信，串 行 传输 用于 长 距离、低 速 率的 通信。1 并行 传输在 并行 传输 中，一般 至少 有

28、8 个 数据 位同 时在 两台 设备 之间 进行 传 输，如图 2-5 所 示。并 行传 输是 指 数字 信号 以 成组 的方 式 在多 个并 行 信道 上进 行 的传 输，数 据由 多 条数 据线同 时传 送与 接收，每 个比 特使 用 单独 的一 条线 路。并 行传 输的 优 点在 于传 送 速率 快，发 收双 方 间不 存在 字 符同 步的 问 题；缺点 是 需要 多个并 行信 道，增 加了 设备 的 成本，而且 并行 线 路的 电平 相 互干 扰也 会 影响 传输 质 量，不适 合 做计算机网 络实用技术26较 长距 离的 通 信。并 行传 输主 要 用于 计算 机 内部 或同 一 系

29、统 设备 间 的通 信。常 见的 并行 传 输如 计算 机与 打印 机之 间的 数据 传输。2 串行 传输并 行传 输 需要 8 条 以上 的 数据 线，这 对 于近 距 离的 数 据传 输 来说，其 费用 还 可以 负 担，但 当进 行远 距 离数 据传 输 时，采用 这 种方 式费 用 就太 高了。所以，在数 据通 信 系统 中，较 远距 离的 通信 采用 的是 另一 种传 输方 式：串 行传 输方 式。发送设备接收设备D0D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1图2-5并行 传输串 行传 输 就是 将 比特 流 逐位 在 一条 信 道上 进 行传 送，如 图 2-6

30、所 示，源 数据 站 向目 的 数据 站发 出“0010100101001011”的 串行 比特 流。发 收两 端 一次 只能 发 送或 接收 一 个数 据位，因 此所 需数 据 线的 数目 大 大减 少，各 数据 位 依次 串行 地 通过 通信 线 路。由于 在 计算 机内 部 总线 上传 输的 是 并行 数据，要与 外 部设 备进 行 串行 通信，在发 送端 就 需要 把并 行 数据 转换 成 串行 数据，在 接 收端 还 需将 串行 数 据转 换成 并 行数 据，计 算机 内部 的 串行 通信 适 配器 负责 进 行串 行数 据和 并 行数 据的 转 换。在计 算 机局 域网 中，计 算

31、 机之 间也 是 串行 传输，网卡 就负 责 串行 数据 和并 行数 据的 转换 工作。发 送 设 备T XR X接 收 设 备0010100101001011图2-6串行 传输相 对于 并行 传 输，串行 传 输的 效率 低，传 输 速率 慢，但 由于 只有 一 条信 道，减 少了 设备的 成本，且 易 于实 现和 维 护。串 行传 输适 用 于覆 盖面 很 广的 公共 电 话网 络系 统，所 以在 现 行的 计算 机网 络通 信中，串 行通 信 应用 非常 广泛。2.2.22.2.22.2.22.2.2单工、半双工和全双工通信1 单工 通信单 工通 信是 指在 两个 通信 设备 间，信 息

32、只 能沿 着一 个方 向被 传输。采 用 单 工 通 信时，在 通 信设 备 双 方 中，一 方 为 发 送设 备，另 一方 为 接 收 设备，如 图2-7（a）所示。广 播和 电视 节目 的 传送 以及 寻呼 系统 都属 于单 工通 信 的例 子。2 半双 工通 信半 双工 通信 是指 两个 通信 设备 间 的信 息交 换可 以双 向进 行，但 不能 同时 进行。也 就是 说，第2 章数据通信 技术基础27在 同一 时刻 仅能 使信 息在 一个 方向 上 传输，如 图 2-7（b）所示。半 双工 通信 设 备的 两端 要 求既 要有 发 送设 备，又 要有 接 收设 备，因 此该 方式 需

33、要具 有信道 转换 能力，通常 用软 件 控制 换向，换向 过 程中 存在 换 向的 延迟 时 间问 题，也 可以 采用 人 工操 作机 械开 关的 方法 进行 控制。典型 的例 子是 对讲 机或 计算 机与 终 端的 通信。3 全双 工通 信全 双工 通信 是 指两 个通 信 设备 间可 以 同时 进行 两 个方 向上 的 信息 传输，如图2-7（c）所示。通 信双 方应 同 时具 有发 送 和接 收的 功 能，与 通信 站相 接 的传 输设 备 和传 输控 制 协议 必须提 供全 双工 的 工作 方式，同时 还 应对 缓存 器 作特 殊的 考 虑，如想 进 行同 时读 写 就要 求在 缓

34、存器 中也 能同 时释 放和 分配 存储 器。平 时使 用的 手机 类似 于全 双工 通 信。发 送接 收发 送接 收发 送接 收发 送接 收发 送接 收（a）单 工 通 信（b）半 双 工 通 信（c）全 双 工 通 信图2-73 种通 信方式2.2.32.2.32.2.32.2.3异步传输与同步传输在 数据 通信 中，有 一 个问 题是 必 须要 解决 的，那 就是 同 步问 题。同 步问 题就 是 发送 方发出 数据 后，接 收方 如 何从 接收 到 的连 续不 断 的信 号中 识 别出 数据 从 哪开 始到 哪 结束。目 前 在串 行传 输中 所采 用的 同步 方式 有两 种：一 是异

35、 步传 输方 式，二 是同 步传 输方 式。1 异步 传输 方式异 步传 输方 式 又称 为起 止 式同 步方 式，它 是 以字 符为 单 位进 行传 输 的，即每 个 字符 都独立 传输，且 每 一字 符 的起 始时 刻 可以 为任 意。每 个字 符 在传 输时 都 在字 符前 加 上起 始位 和 在字 符后 加上 结束 位，以表 示一 个 字符 的开 始和 结束。一 般起 始位信号 的长度规 定为 1 位的 宽度，极性 为“0”，结束 位信号可 以为 1 位、1.5 位或2 位的 宽度，极性为“1”，其 长度的 选取与 所采用 的传输 代码类 型有关。起 始位和 结束位 的作用是 实现字符

36、 的同步，字符 之间的间 距是任意 的，但发 送一个字 符时，每个 字符包含 的位数都是相 同的，且每一 位占用 的时间 长度是 双方约 定好的，并 且保持 各位都 恒定不 变，如 图 2-8 所示。在 异步 传输方式 中字符可 以被单独 发送或 连续发送，字符与 字符的 间隔期间 可以连 续发送“1”状态，当不传字符时，不要求收发时钟同步，仅在传输字符时，收发时钟才需要在字符的每计算机网 络实用技术28一位上同 步。同步的具体过 程是：若发送端 有信息要发送时，即将信号从不发 送信息的“1”状态转到起始态“0”，接收端检测出这种信号状态的改变时，就利用该信号的反转启动接收时钟，以实现收、发时

37、钟的同步。同理，接收端一旦收到结束位，就将定时器复位以准备接收下一个字符。异 步传 输方 式 的优 点是 每 一个 字符 本 身就 包括 了 本字 符的 同 步信 息，不 需要 在 线路 两端设 置专 门的 同步 设备；缺 点是 每发 送一 个字 符就 要添 加 一对 起止 信号，从 而线 路的 开销 增加，传 输效 率低。异步 传输 方式 常用 于 1200b/s 的 低速 率数 据传 输中，目 前仍 在 广泛 使用。起 始 位10010110结 束 位图 2-8异步 传输方式2 同步 传输 方式同 步传 输方 式 是以 固定 的 时钟 节拍 来 连 续 串 行发 送数 字 信号 的一 种

38、方法。在 数 字信 息 流中，各 位的 宽 度相 同，且 字符 顺 序相 连，字 符之 间没 有 间隙。为 使 接收 方能 够 从连 续不 断 的数 据流 中正 确区 分出 每一 位（比 特），则 需要 先建 立收 发双 方的 同步 时 钟。实 际上，在 同步 传输 方式 中，不 管是 否传 送 信息，要求 收发 两 端的 时钟 都 必须 在每 一 位上 保持 一 致。因此，同步 传输 方式 又常 被称 为比 特或 位同 步。在 同步传输中，数据的发送一般是以一组字符或比特流为单位进行发送的。为了使接收方容易确定数据组的开始和结束，需要在每组数据的前后加上特定字符作为起始和结束标志，同时还可以

39、用这些标志来区分和隔离连续传输的数据。特定标志字符一般随不同的规程而有所不同。例如，在面向比特的高级数据链路控制规程 HDLC 中，采用比特串“01111110”作为起始和结束标志，如图2-9 所示。在暂时没有信息传输时，连续发送“01111110”使接收端可以一直保持和发送端同步。0111111001111110数 据同 步 字同 步 字图 2-9HDLC 中的 同步传输 方式实 现同 步传 输 方式 中的 收 发时 钟同 步 的方 法有 两 种：外 同步 法和 自 同步 法。外 同步 法就是 在传 输线 中 增加 一根 时 钟信 号线 以 连接 到接 收 设备 的时 钟 上，在 发送 数据

40、 信 号前，先 向 接收 端发 一串 同 步时 钟脉 冲，接 收 端则 按照 这 个频 率来 调 整自 己的 内 部时 钟，并 把接 收时 钟 重第2 章数据通信 技术基础29复 频率 锁定 在 同步 频率 上，该 方 法适 用于 近 距离 传输。自同 步法 是 让接 收方 从 接收 的数 据 流中 直接 提取 同步 信号，以 获得 与 发送 时钟 完全 相同 的接 收时 钟，该 方法 常用 于远 距离 传输。同 步传 输克 服 了异 步传 输 方式 中的 每 一个 字符 都 要附 加起 始 和结 束信 号 的缺 点，具 有较高 的效 率，但实 现较 为复 杂，常 用于 大于 2400b/s

41、速 率的 传输。2.2.42.2.42.2.42.2.4基带传输与数字信号编码1 基带 传输在 数据 通信 中，由 计 算机 或终 端 等数 字设 备 产生 的、未 经调 制的 数 字数 据相 对 应的 电脉冲 信号 通常 呈 矩形 波形 式，即 表 示计 算机 中 二进 制数 据 比特 序列 的 数据 信号 是 典型 的矩 形 脉冲 信号，这 个 矩形 脉冲 信 号就 是基 带 信号。基带 信号 所 占有（固 有）的 频率 范 围称 为基 本 频带，简 称基 带。在 通 信信 道中 直 接传 输这 种 基带 信号 的 传输 方式 就 是基 带传 输，它 将占 用 线路 的全 部带 宽，也称

42、为数 字基 带 传输。2 数字 数据 的数 字信 号编 码数 字数 据的 数 字信 号编 码 问题 就是 要 解决 数字 数 据的 数字 信 号表 示问 题，数 字 数据 可以由 多种 不同 形 式的 电脉 冲 信号 的波 形 来表 示，数 字信 号 是离 散的 电 压或 电流 的 脉冲 序列，每个 脉冲 代表 一个 信号 单元（或 称码 元）。最 普遍 且最 容易 的方 法是 用两 种 码元 分别 表示 二进 制数 字符 号“0”和“1”，每 位二 进制 符号 和一 个码 元相 对 应。表 示二 进制 数字 的码 元的 形式 不同，产 生的 编码 方法 也不 同，这 里主 要介 绍单 极性

43、全宽 码和 归 零码、双 极性 全宽 码和 归零 码、曼 彻斯 特编 码和 差分 曼彻 斯特 编码。（1）单极 性全 宽码 和归 零码单 极性 全宽 码 是指 在每 一 个码 元时 间 间隔 内，有 电流 发出 表 示二 进制“1”，无电 流发 出表 示二 进制“0”。如图 2-10（a）所示。每个 码元 的 1/2 间 隔为 取样 时 间，每个 码 元的 1/2 幅度（即 0.5）为 判决 门限，接 收端 对收 到的 每个 脉冲 信号 进 行判 决，在 取样 时刻，若 该信 号值在 0 至 0.5 之 间就 判为“0”码，在 0.5 至 1 之 间就 判为“1”码。全 宽码 的信 号 波形

44、占一 个 码元 的全 部 时间 间隔，而归 零 码是 指一 个 码元 的信 号 波形 占一个 码元 的部 分时 间间 隔，其 余时 间信 号波 形幅 度为“0”，如 图 2-10（b）所 示的 就是 单极 性归零 码。在 每个 码元 时间 间隔 内，当 为“1”时，发 出正 电流，但 发出 电流 的时 间短 于一 个码 元时 间，只发 一 个窄 脉冲；当为“0”时，仍 然不 发 出电 流。由 于为“1”时 就有 一部 分 时间 不发 出电 流，幅度“归 零”，所以 称这 种码 为归 零码。图 2-10 表 示的 就是 二进 制序 列“10110101”的 单极 性全 宽码 和归 零码。采 样时

45、 间是 对准脉 冲中 心的，判 决门 限为 0.5。计算机网 络实用技术30判 决 门 限（0.5）10110101（a）单极性全宽码采 样 时 间判 决 门 限（0.5）10110101（b）单极性归零码采 样 时 间0011图 2-10二进 制序列“10110101”的单 极性全宽 码和归零 码（2）双极 性全 宽码 和归 零码双 极性 全宽 码 是指 在一 个 码元 时间 间 隔内，发 正 电流 表示 二 进制 的“1”，发负 电流 表 示二 进制 的“0”，正向 幅 度与 负 向幅 度 相等。这 种情 况 下的 判 决门 限 定为 0 电 平，在 接收 端 对收 到的 每个 脉 冲信

46、号进 行 判决，在 取 样时 刻，若 该信 号 值在 0 电 平以 下就 判 为“0”码，在 0电 平以 上就 判为“1”码。双 极性 归零 码是 在一 个码 元时 间 间隔 内，当 为“1”时，发 出正 的窄 脉冲；当 为“0”时，发 出负 的窄 脉冲。图 2-11 表 示的 就是 二进 制序 列 10110101 的 双极 性全 宽码 和归 零码。采 样时间 是对 准脉 冲中 心的，判 决门 限 为 0。第2 章数据通信 技术基础31判 决 门 限（0）10110101（a）双极性全宽码采 样 时 间判 决 门 限（0）10110101（b）双极性归零码采 样 时 间1-11-1图 2-1

47、1二进 制序列“10110101”的双 极性全宽 码和归零 码（3）曼切 斯特 编码 和差 分曼 切斯 特 编码曼 切斯 特编 码的 编码 方法 是将 每 一个 码元 再分 成两 个相 等的 间隔。当 为“0”时，在 间隔的 中间 时刻，从 低电 平变 为高 电平；当 为“1”时，在 间隔 的中 间时 刻，从 高电 平变 为低 电平。这 种编 码的 特 点就 是在 每 一个 码元 时 间间 隔内，都有 一 次电 平的 跳 转，对提 取 位同 步信 号 非常 有利。以 太网 中采 用的 就是 这 种编 码技 术。差 分曼 切斯 特编 码的 编码 方法 是 在每 一个 码元 时间 间隔 内，无 论

48、为“0”或 为“1”，在 间隔 的中 间都 有 电平 的跳 转。但 为“0”时，间 隔开 始 时刻 有跳 转；当 为“1”时，间 隔开 始 时刻 无跳 转。与 曼切 斯特 编码 的不 同之 处在 于 每位 中间 的跳 转作 为同 步时 钟信 号，而 取值 是“0”还 是“1”则 根据 每一 位的 起始 处有 没有 变 化来 判断。令 牌环 网中 采用 的就 是这 种编 码。曼 切斯 特编 码和 差分 曼切 斯特 编码 分别 如 图 2-12（a）和图 2-12（b）所示。计算机网 络实用技术3210110101（a）曼切斯特编码10110101（b）差分曼切斯特编码图 2-12曼切 斯特编码

49、和差分曼 切斯特编 码2.2.52.2.52.2.52.2.5频带传输与模拟信号编码1 频带 传输由 于 基 带 信 号 频 率 很 低，含 有 直 流 成 分，在 远 距 离 传 输 过 程 中 信 号 功 率 的 衰 减 或 干 扰将 造 成 信 号 减 弱，使 得接 收 方 无 法 接 收，因 此 基 带 传 输 不 适合 于 远 距 离 传 输；又 因 远 距 离通 信 信 道 多 为 模 拟 信道，所 以，在 远 距 离 传 输 中 不 采 用 基 带传 输 而 是 采 用 频 带 传 输。频 带传 输 就 是 先 将 基 带 信号（数 字 信 号）进 行 调 制 后 变 换 成 便

50、 于在 模 拟 信 道 中 传 输 的、具 有 较高 频 率范 围 的 信 号，这 种 信号 称 为 频 带信 号（也 叫 模拟 信 号），再 将 这种 频 带 信 号在 信 道 中传 输。在 接 收 端 再 将 该频 带 信 号 通 过 解 调 还 原 成 基 带 信 号。基 带 信 号 和 频 带 信 号 的 变 换 是由 调 制 解 调 技 术 完 成的，完 成 调 制、解 调 的 设 备 叫 做 调 制 解调 器。计 算 机 网 络 系 统 的 远 距离 通 信通 常 都 是 采用 频 带 传 输。2 数字 数据 的模 拟信 号编 码我 们已 经知 道，在 计 算机 网络 的 远程 通