模拟数据通信与数字数据通信enif.docx
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1、模拟数据据通信与与数字数数据通信信一、通信信信道与与信道容容量(CCommmuniicattionn Chhannnel & CChannnell Caapaccityy)通信信信道(CCommmuniicattionn Chhannnel)是数据据传输的的通路,在在计算机机网络中中信道分分为物理理信道和和逻辑信信道。物物理信道道指用于于传输数数据信号号的物理理通路,它它由传输输介质与与有关通通信设备备组成;逻辑信信道指在在物理信信道的基基础上,发发送与接接收数据据信号的的双方通通过中间间结点所所实现的的逻?qquott;联系系,由由此为传传输数据据信号形形成的逻逻辑通路路。逻辑辑信道可可以是
2、有有连接的的,也可可以是无无连接的的。 物物理信道道还可根根据传输输介质的的不同而而分为有有线信道道和无线线信道,也也可按传传输数据据类型的的不同分分为数字字信道和和模拟信信道。 信道容容量(CChannnell Caapaccityy)指信信道传输输信息的的最大能能力:对对于数字字信道一一般用单单位时间间可以传传输的最最大二进进制位(比特bbit)数来表表示,对对于模拟拟信道则则由信道道的带宽宽表示。信信道容量量的大小小还受信信道质量量和可使使用时间间的影响响,当信信道质量量较差时时,实际际传输速速率将降降低。 二、模拟拟数据通通信和数数字数据据通信 (Annaloog DDataa Coo
3、mmuuniccatiion & DDigiitall Daata Commmunnicaatioon) 1.模模拟数据据与数字字数据我们们一般将将数据分分为模拟拟数据和和数字数数据两大大类。模拟拟数据(Anaalogg Daata)是由传传感器采采集得到到的连续续变化的的值,例例如温度度、压力力,以及及目前在在电话、无无线电和和电视广广播中的的声音和和图像。 数字数数据(DDigiitall Daata)则是模模拟数据据经量化化后得到到的离散散的值,例例如在计计算机中中用二进进制代码码表示的的字符、图图形、音音频与视视频数据据。目前前,ASSCIII美国信信息交换换标准码码(Ammeriic
4、ann Sttanddardd Coode forr Innforrmattionn Innterrchaangee)已为为ISOO国际标标准化组组织和CCCITTT国际际电报电电话咨询询委员会会所采纳纳,成为为国际通通用的信信息交换换标准代代码,使使用7位位二进制制数来表表示一个个英文字字母、数数字、标标点或控控制符号号;图形形、音频频与视频频数据则则可分别别采用多多种编码码格式。 2.模拟拟信号与与数字信信号(1)模拟信信号与数数字信号号不不同的数数据必须须转换为为相应的的信号才才能进行行传输:模拟数数据一般般采用模模拟信号号(Annaloog SSignnal),例如如用一系系列连续续变
5、化的的电磁波波(如无无线电与与电视广广播中的的电磁波波),或或电压信信号(如如电话传传输中的的音频电电压信号号)来表表示;数数字数据据则采用用数字信信号(DDigiitall Siignaal),例例如用一一系列断断续变化化的电压压脉冲(如我们们可用恒恒定的正正电压表表示二进进制数11,用恒恒定的负负电压表表示二进进制数00),或或光脉冲冲来表示示。 当当模拟信信号采用用连续变变化的电电磁波来来表示时时,电磁磁波本身身既是信信号载体体,同时时作为传传输介质质;而当当模拟信信号采用用连续变变化的信信号电压压来表示示时,它它一般通通过传统统的模拟拟信号传传输线路路(例如如电话网网、有线线电视网网)
6、来传传输。 当数字字信号采采用断续续变化的的电压或或光脉冲冲来表示示时,一一般则需需要用双双绞线、电电缆或光光纤介质质将通信信双方连连接起来来,才能能将信号号从一个个节点传传到另一一个节点点。 (22)模拟拟信号与与数字信信号之间间的相互互转换模拟拟信号和和数字信信号之间间可以相相互转换换:模拟拟信号一一般通过过PCMM脉码调调制(PPulsse CCodee Moodullatiion)方法量量化为数数字信号号,即让让模拟信信号的不不同幅度度分别对对应不同同的二进进制值,例例如采用用8位编编码可将将模拟信信号量化化为28=2256个个量级,实实用中常常采取224位或或30位位编码;数字信信号
7、一般般通过对对载波进进行移相相(Phhasee Shhiftt)的方方法转换换为模拟拟信号。 计算机机、计算算机局域域网与城城域网中中均使用用二进制制数字信信号,目目前在计计算机广广域网中中实际传传送的则则既有二二进制数数字信号号,也有有由数字字信号转转换而得得的模拟拟信号。但但是更具具应用发发展前景景的是数数字信号号。 3.模拟拟数据通通信与数数字数据据通信(1)模模拟数据据通信路来来传输模模拟数据据或数字字数据对对应的模模拟信号号。例如如目前我我们广泛泛使用公公用电话话线路来来传输语语音或计计算机数数字数据据对应的的模拟信信号,我我们也可可以使用用公共有有线电视视网来传传输视频频和计算算机
8、数字字数据对对应的模模拟信号号;而微微波与卫卫星通信信传输的的也可以以是模拟拟数据或或数字数数据对应应的模拟拟信号。 为了用用模拟数数据通信信的方法法实现模模拟数据据和数字字数据的的远距离离传输,我我们一般般不直接接传输模模拟信号号(包括括由数字字信号转转换而来来的模拟拟信号),而是是在发送送方使用用某一频频率的电电磁波作作为载波波(Caarriier),然后后用模拟拟信号或或数字信信号对其其进行调调制(MModuulattionn),调调制后的的载波信信号(为为模拟信信号)占占有以该该载波频频率为中中心的一一段频谱谱,并能能在适于于该载波波频率的的介质上上传输;而在接接收方则则通过解解调制(
9、Demmoduulattionn)还原原叠加于于载波上上的模拟拟信号或或数字信信号。我我们将可可同时完完成调制制和解调调的装置置称为调调制解调调器(MMODEEM)。(2)数字数据通信数字数据通信(Digital Data Communication)指直接利用数字传输技术在数字设备之间传输数字数据,或模拟数据对应的数字信号。由于计算机使用二进制数字信号,因而计算机与其外部设备之间,以及计算机局域网、城域网大多直接采用数字数据通信。此外,目前北美采用的24路PCM脉码调制(速率为1.544Mpbs),以及欧洲和我国采用的30路PCM脉码调制(速率为2.048Mbps)电话系统均是数字数据通信系
10、统。由于数字数据通信传送的是离散的数字信号,即逐位传送二进制数字代码,因此要求系统应能确知传输线上正在传送的数位是0还是1。(3)数字数据通信的优点与模拟数据通信相比较,数字数据通信具有下列优点:a. 来自声音、视频和其他数据源的各类数据均可统一为数字信号的形式,并通过数字通信系统传输 b. 以数据帧为单位传输数据,并通过检错编码和重发数据帧来发现与纠正通信错误,从而有效保证通信的可靠性 c. 在长距离数字通信中可通过中继器放大和整形来保证数字信号的完整及不累积噪音 d. 使用加密技术可有效增强通信的安全性 e. 数字技术比模拟技术发展更快,数字设备很容易通过集成电路来实现,并与计算机相结合,
11、而由于超大规模集成电路技术的迅速发展,数字设备的体积与成本的下降速度大大超过模拟设备,性能/价格比高 f. 多路光纤技术的发展大大提高了数字通信的效率。 需要指出,鉴于传统公用电话网已在世界范围普及,目前家庭个人计算机用户大都通过电话线路与计算机网络相连;此外,随着卫星通信的发展,高容量、高宽带的多路复用传输也大大提高了模拟通信的传输效率。但是,如果在两台计算机的通信线路之间,只有部分电路采用数字通信,则数字通信的优点并不能充分地得到发挥。因此,为了提高通信效率,有条件的用户应安装数字数据通信专线,或直接接入局域网;此外,应大力发展陆上和海底的洲际光缆。 近20年来,数字数据通信技术已开始发展
12、并得到广泛应用。目前,数字通信已开始在长距离话音和数字数据领域逐渐替代传统的模拟通信。计算机网络技术的应用发展,则大大推动了数字通信技术的迅速发展。可以预言,数字数据通信最终将取代模拟数据通信。数据通信信的主要要技术指指标在数数字通信信中,我我们一般般使用比比特率和和误码率率来分别别描述数数据信号号传输速速率的大大小和传传输质量量的好坏坏等;在在模拟通通信中,我我们常使使用带宽宽和波特特率来描描述通信信信道传传输能力力和数据据信号对对载波的的调制速速率。 1.带带宽在模拟拟信道中中,我们们常用带带宽表示示信道传传输信息息的能力力,带宽宽即传输输信号的的最高频频率与最最低频率率之差。理理论分析析
13、表明,模模拟信道道的带宽宽或信噪噪比越大大,信道道的极限限传输速速率也越越高。这这也是为为什么我我们总是是努力提提高通信信信道带带宽的原原因。 2.比特特率在数字字信道中中,比特特率是数数字信号号的传输输速率,它它用单位位时间内内传输的的二进制制代码的的有效位位(biit)数数来表示示,其单单位为每每秒比特特数biit/ss(bpps)、每每秒千比比特数(Kbpps)或或每秒兆兆比特数数(Mbbps)来表示示(此处处K和MM分别为为10000和1100000000,而不不是涉及及计算机机存储器器容量时时的10024和和104485776)。3.波特特率波特率率指数据据信号对对载波的的调制速速率
14、,它它用单位位时间内内载波调调制状态态改变次次数来表表示,其其单位为为波特(Bauud)。 波特率率与比特特率的关关系为:比特率率=波特特率X单单个调制制状态对对应的二二进制位位数。 显然,两两相调制制(单个个调制状状态对应应1个二二进制位位)的比比特率等等于波特特率;四四相调制制(单个个调制状状态对应应2个二二进制位位)的比比特率为为波特率率的两倍倍;八相相调制(单个调调制状态态对应33个二进进制位)的比特特率为波波特率的的三倍;依次类类推。4.误码码率误码率率指在数数据传输输中的错错误率。在在计算机机网络中中一般要要求数字字信号误误码率低低于100(-6)。数据传输输方式(Datta TT
15、rannsmiissiion Modde)一、基带带信号与与宽带信信号以及及它们的的传输11.基带带信号与与基带传传输基带信信号(BBaseebannd SSignnal)直接用用两种不不同的电电压来表表示数字字信号11和0,因因此我们们将对应应矩形电电脉冲信信号的固固有频率率称为基带,相应应的信号号称为基基带信号号。基带带传输(Bassebaand Traansmmisssionn)指通通过有线线信道直直接传输输基带信信号,一一般用于于传输距距离较近近的数字字通信系系统,如如基带局局域网系系统。2.宽带带信号宽带带信号(Widdebaand Siggnall)用多多组基带带信号11和0分分别
16、调制制不同频频率的载载波,并并由这些些分别占占用不同同频段的的调制载载波组成成。 33.多路路复用为了了充分利利用通信信干线的的通信能能力,人人们广泛泛使用多多路复用用(Muultiipleex)技技术,即即让多路路通信信信道同时时共用一一条线路路。多路路复用可可分为频频分多路路复用和和时分多多路复用用。 频分多多路复用用当当我们采采用宽带带信号时时,由于于同一线线路上不不同频率率的各路路信道互互不干扰扰地同时时传输各各自的信信号,我我们称之之为频分分多路复复用(FFreqquenncy -Diivissionn Muultiipleexinng)。频频分多路路复用常常用于宽宽带网络络中。时分
17、多多路复用用当当我们采采用基带带信号时时,如让让各路通通信按时时间顺序序瞬时地地分别占占有线路路的整个个频带,并并周期性性地重复复此过程程,该线线路就按按时间分分隔成了了多个逻逻辑信道道,我们们称之为为时分多多路复用用(Tiime Mulltipplexxingg)。其其中,同同步分时时多路通通信可以以确定每每个信道道何时使使用线路路;反之之则称为为异步分分时多路路通信。时时分多路路复用常常用于基基带网络络中。二、并行行与串行行方式(Parralllel & SSeriial Modde)根据据一次传传输数位位的多少少可将基基带传输输分为并并行(PParaalleel)方方式和串串行(SSer
18、iial)方式,前前者是通通过一组组传输线线多位同同时传输输数字数数据,后后者是通通过一对对传输线线逐位传传输数字字代码。通通常,计计算机内内部以及及计算机机与并行行打印机机之间采采用并行行方式,而而传输距距离较远远的数字字通信系系统多采采用串行行方式。并行传输方式要求并行的各条线路同步,因此需要传输定时和控制信号,而并行的各路信号在经过转发与放大处理时,将引起不同的延迟与畸变,故较难实现并行同步。若采用更复杂的技术、设备与线路,其成本会显著上升。故在远距离数字通信中一般不使用并行方式。 串行通信双方常以数据帧为单位传输信息,但由于串行方式只能逐位传输数据,因此,在发送方需要进行信号的并/串转
19、换,而接收方则需要进行信号的串/并转换。 三、单工工、半双双工和全全双工方方式(SSimpplexx, HHalff Duupleex & Fuull Dupplexx)根据通通信双方方的分工工和信号号传输方方向可将将通信分分为三种种方式:单工、半半双工与与全双工工。在计计算机网网络中主主要采用用双工方方式,其其中:局局域网采采用半双双工方式式,城域域网和广广域网采采用全双双年方式式。 1. 单工工(Siimpllex)方式:通信双双方设备备中发送送器与接接收器分分工明确确,只能能在由发发送器向向接收器器的单一一固定方方向上传传送数据据。采用用单工通通信的典典型发送送设备如如早期计计算机的的读
20、卡器器,典型型的接收收设备如如打印机机。 2. 半双双工(HHalff Duupleex)方方式:通通信双方方设备既既是发送送器,也也是接收收器,两两台设备备可以相相互传送送数据,但但某一时时刻则只只能向一一个方向向传送数数据。例例如,步步话机是是半双工工设备,因因为在一一个时刻刻只能有有一方说说话。 33. 全全双工(Fulll DDupllex)方式:通信双双方设备备既是发发送器,也也是接收收器,两两台设备备可以同同时在两两个方向向上传送送数据。例例如,电电话是全全双工设设备,因因为双方方可同时时说话。 四、异步步传输与与同步传传输(AAsynnchrronoous & SSyncchro
21、onouus TTrannsmiissiion)1.同同步问题题的重要要性在数字字通信中中,同步步(Syynchhronnouss)是十十分重要要的。当当发送器器通过传传输介质质向接收收器传输输数据信信息时,如如每次发发出一个个字符(或一个个数据帧帧)的数数据信号号,接收收器必须须识别出出该字符符(或该该帧)数数据信号号的开始始位和结结束位,以以便在适适当的时时刻正确确地读取取该字符符(或该该帧)数数据信号号的每一一位信息息,这就就是接收收器与发发送器之之间的基基本同步步问题。当以数据帧传输数据信号时,为了保证传输信号的完整性和准确性,除了要求接收器应能识别每个字符(或数据帧)对应信号的起止,
22、以保证在正确的时刻开始和结束读取信号,也即保持传输信号的完整性外;还要求使其时钟与发送器保持相同的频率,以保证单位时间读取的信号单元数相同,也即保证传输信号的准确性。因此当以数据帧传输数据信号时,要求发送器应对所发送的信号采取以下两个措施:在每帧数据对应信号的前面和后面分别添加有别于数据信号的开始信号和停止信号;在每帧数据信号的前面添加时钟同步信号,以控制接收器的时钟同步。2.异步步传输与与同步传传输异步传传输与同同步传输输均存在在上述基基本同步步问题:一般采采用字符符同步或或帧同步步信号来来识别传传输字符符信号或或数据帧帧信号的的开始和和结束。两两者之间间的主要要区别在在于发送送器或接接收器
23、之之一是否否向对方方发送时时钟同步步信号。异步传输(Asynchronous Transmission)以字符为单位传输数据,采用位形式的字符同步信号,发送器和接收器具有相互独立的时钟(频率相差不能太多),并且两者中任一方都不向对方提供时钟同步信号。异步传输的发送器与接收器双方在数据可以传送之前不需要协调:发送器可以在任何时刻发送数据,而接收器必须随时都处于准备接收数据的状态。计算机主机与输入、输出设备之间一般采用异步传输方式,如键盘、典型的RS-232串口(用于计算机与调制解调器或ASCII码终端设备之间):发送方可以在任何时刻发送一个字符(由一个开始位引导,然后连续发完该字符的各位,后跟一
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