6.1.1　数据通信的基本概念

数据通信是在两点或多点之间传送数据信息的过程。因此，数据通信就是按照通信协议，利用传输技术在功能单元之间传送数据信息，从而实现计算机与计算机之间、计算机与其他数据终端之间、其他数据终端之间的信息交互而产生的一种通信技术。

1．数据通信系统

数据通信涉及信息、数据、信号的概念。信息是客户事物的属性和相互联系特性的表现，它反映了客观事物的存在形式或运动状态。数据是信息的载体，是信息的表现形式。信号是数据在传输过程的具体物理表示形式，具有确定的物理描述。传输介质是通信中传送信息的载体，又称为信道。

通过系统传输的信号一般有模拟信号和数字信号两种。模拟信号是一个连续变化的物理量，即在时间特性上幅度（信号强度）的取值是连续的，一般用连续变化的电压表示。数字信号是离散的，即在时间特性上幅度的取值是有限的离散值，一般用脉冲序列来表示。如图6-1所示。

图6-1　模拟信号波形图

数字信号比模拟信号可靠性高，传输距离更远，比较容易存储、处理和传输，其波形图如图6-2所示。

图6-2　数字信号波形图

数据通信和数字通信有概念上的区别，数据通信是一种通信方式，而数字通信则是一种通信技术体制。电信系统中，电信号的传输与交换可以采用模拟技术体质，也可以采用数字技术体制。对于数据通信，既可以采用模拟通信技术体制，也可以采用数字通信技术体制，即在信源和信宿中，数字是以数字形式存在的，但在传输期间，数字可以是数字形式也可以是模拟形式。

一个数据通信系统可以是简单的两台通过公共电信网连接的个人计算机，也可以是一台或多台大型计算机甚至是成百上千台远程终端、个人计算机及工作站组成的复杂系统。目前，数据通信系统实际上用来互联各种类型的数字数据设备，其应用范围很广阔。图6-3为一个数据通信系统简化方框图。

图6-3　数据通信系统简化方框图

该图中包含一个数字信息源（主站）、一个传输系统（中间设备、有线介质、无线介质）、一个目的地（辅站）。信息源简称信源，通常是一台带有自己的一套本终端以及外围设备的大型计算机。为简化通信过程，本图中只规划了一个终点。终点又称为信宿，可以看成是通信系统的用户。有多少信宿以及它们如何与信源互联在很大程度上取决于系统及其应用。传输系统中的传输介质（信道）有很多种类型，包括自有空间无限点传输（地面和卫星微波）、金属电缆设备（数字和模拟系统）及光纤（光波传播）。

2．数据传输技术指标、方式、质量

本节主要讲解数据传输技术的指标、数据传输的方式、数据传输质量的特点。

（1）传输技术指标

数据传输常见的技术指标有带宽、数据速率、波特率等。

1）带宽、噪声

带宽指发送器和传输媒体的特性限制下的带宽，通常用赫兹或每秒周期表示（对于模拟信道而言，其信道带宽W=最高频率f2-最低频率f1）。通常是信道电路制成后带宽就决定了，因此它是影响信道传输速率的客观性因素。

噪声：信息在传输过程中可能会受到外界干扰，这种干扰称为“噪声”，它会降低信道的传输速率。

2）数据传输速率（数据传信速率）、波特率

在数据通信技术中，人们一方面通过研究新的传输媒介来降低噪声的影响，另一方面则是研究更先进的数据调制技术，以更加有效地利用信道的带宽。

数据传输速率又称为数据传信速率，信道的数据传输速率计算公式如图6-4所示。

图6-4　信道的数据传输速率计算

从图6-4中，可以看出在计算信道的数据速率时有两种考虑：一是考虑噪声，二是考虑理想传输。

·若考虑噪声，则使用香农定理。在使用香农理论时，由于S/N（信噪比）的比值通常太大，因此通常使用分贝数（dB）来表示：dB=10log₁₀ （S/N）。

例如，S/N=1000时，用分贝表示就是30dB。如果带宽是3kHz，则这时的极限数据速率就应该是：C=3000log₂ （1+1000）≈30009.97≈30Kbit/s。

对于有噪声的信道，用误码率来表示传输二进制位时出现差错的概率（出错的位数/传送的总位数），通常的要求是小于10^-6 。

·若忽略噪声因素，则使用奈奎斯特定理。奈奎斯特定理也称为奈式定理或尼奎斯特定理，其表达式很简单，即R=2Wlog₂ N。

在计算时，关键点在于理解码元和比特的转换关系。在二进制情况下，1波特与信息传输速率1bit/s相当，即码元速率等于信息速率。码元N是一个数据信号的基本单位，而比特是一个二进制位，即比特位，一位可以表示2个值。因此，如果码元可取2个离散值，则N值为2，只需1比特表示。若可取4个离散值，则N值为4，需要2比特来表示。总之，一个码元携带的信息量n（bit）与码元种类数即离散值个数N关系为n=log₂ N。

奈奎斯特定理涉及码元速率（奈式定理公式中的字母B），码元速率的定义是每秒传输的码元数，又称波特率，单位为波特（Bd）。如信号码元持续时间为T（s），则码元速率N_Bd =1/T（s）。

如果码元速率为600Bd，在二进制时，数据传输速率为600bit/s。在四进制时，数据传输速率为1200bit/s。对于二进制，由于log₂ N=1，在数值上波特率和比特率是相等的，但其意义是不同的。

3）数据传送速率

数据传送速率的定义是单位时间内在数据传输系统中相应设备之间实际传送的比特、字符或码组平均数，单位分别是比特每秒、字符每秒或码组每秒。

数据传信速率与数据传送速率不同。数据传信速率是传输数据的速率。数据传送速率是相应设备之间实际能达到的平均数据转移速率，它不仅与发送的比特率有关，而且与通信规程、差错控制方式以及信道差错率有关，即与传输的效率有关。数据传送速率总是小于数据传信速率。

数据传输速率的3个定义，在实际应用上既有联系又有侧重。在介绍信道特性，特别是传输频带宽度时，通常使用码元速率；在介绍传输数据速率时，采用数据传信率；在介绍系统的实际数据传送能力时，使用数据传送速率。

（2）数据传输方式

数据传输方式是指数据在信道上传送所采取的方式。按数据代码传输的顺序数据传输方式可以分为串行传输和并行传输。按数据传输的同步方式，数据传输方式可分为同步传输和异步传输。按数据传输的流向和时间关系数据传输可分为单工、双工和全双工数据传输。

1）串行传输与并行数据传输

二进制信息既可以串行传输，也可以并行传输。并行传输主要应用于近距离的计算机与其外设（如打印机、调制解调器等）之间的数据传输。而串行传输主要应用于远距离的数据终端设备主要是计算机之间的数据传输，如图6-5和图6-6所示。使用并行传输，数据传输可以完成得更快，但是并行传输需要在源和目的地之间有更多线路。

图6-5　并行传输

图6-6　串行传输

2）同步传输和异步传输

实现数字通信的必要条件是保持收发双方的时钟一致，目的是使接收端与发送端在时间基准上一致（包括开始时间、位边界、重复频率等）。同步方法有位同步、字符同步、帧同步三种。实际上收发双方往往相距很远，且收端的时钟通常是独立产生的，难以保证与发端时钟完全相同。为了在这种条件下满足通信对时钟的最低要求，提出的第一个简便方法就是异步通信，这两种通信方式如图6-7所示。

图6-7　同步通信和异步通信

异步通信时，对每一个数据编码加上一些固定的特殊码，如起始位、奇偶校验位和停止位等，组成一个数据帧，如图6-8所示。

图6-8　异步通信数据的帧格式

线路上没有数码传输时称为空闲态，线路保持为髙电平。在数据正式开始传送前，先发送一个起始位，它占用一个码元的时间，且规定为低电平。紧接着传送5～8个数据位，最先传送的是数据编码的最低位。在一次确定的传输中，每个异步数据中包括的有效数据长度应是相同的。数据位结束后，可以再传送一位奇偶校验位，对全部数据位进行奇校验或偶校验。实际上，是否需要加上这一位，采用奇校验还是偶校验，可以由用户根据情况选择。最后必须加上停止位（规定为高电平），作为这个数据帧的结束标志。停止位的宽度可以是1位或2位。当前一字符所组成的数据帧全部发送完毕后，下一字符尚未准备好时，线路将回到空闲状态，延续前一个帧中停止位的髙电平，直到出现下一个起始位为止。

通常，在异步数据的接收端，都采用一个独立产生的频率为数据速率16倍以上的时钟，利用这个时钟速率检测线路上的状态。检测到起始位后，开始接收数据位，接收到规定的数据位后，接收器还要对接收数据和校验位进行校验。如果校验无误，表示这个数据帧基本上已经正确接收。然后将数据移入缓冲寄存器，等待处理机读取。为了提高对数据帧接收的正确性，接收器还必须对停止位检测。只有在检测到高电平后，才可以说把这一帧正确地接收完了。否则，就认为这一帧的接收发生了帧错误。

异步通信在收发数据时所用的时钟是独立的，最多只是标称值相同而已，这也是采用“异步”这个名称的原因。由于异步通信对时钟的要求不高，对其他设备的要求也较低，这种方式得到了广泛的应用，特别在一些经济条件受限制的情况下更受欢迎。异步通信中对每一个数据位的同步，是依靠确定起始位和接收端时钟的频率准确性和稳定性来保证的。对数据字的同步，有赖于预知数据字的位数，以及可以在起始位和停止位之间检测特殊位的功能。

异步通信的最大优点是设备简单，易于实现。但是，它的效率很低。例如，一个数据帧由10个码元组成，其中只有8位数据，不代表信号意思的码元就占了20%，使线路利用率降低。同步通信就是为了解决这个问题而提出的。

同步通信的基本特点是，使接收端的时钟严格与发送端保持一致，从而使接收时钟与接收数据位之间不存在误差积累的问题，确保正确地将每一个数据位区分开并接收下来。这样就省去了每个数据字传送时添加的附加位。也就是说，同步通信时把全部要发送的有效数据位紧密排列成数据流，在接收端再把这些数据分成数据字。

为了区分数据流中的各个数据字，同步通信对数据格式作了一定的规定，就形成了各种不同的协议。同步通信时一个数据帧中包含以下几部分：同步码、数据码、校验码帧的开头必须规定同步码，这是一组区别于一般信息编码的一种特殊二进制编码，通常，选择在数据码中极少出现的码型，以避免可能造成的混乱。同步码后面紧跟着数据码，每个数据字之间紧密排列不留空隙。原则上讲，数据码的长度不作严格的限定，但在实用系统中，考虑到传输可靠性及网络工作环境，有时对一帧的长度还是作了一些限制的。数据帧的最后部分是校验码，它对本帧的数据进行校验，以确认接收到数据的正确性。现在大部分校验码都采用CRC方法产生。

为了使同步通信的接收端能够连续准确地接收很长的数据串，接收时钟必须与数据速率始终保持一致。失去这个条件，“同步”就被破坏，无法正确通信。当收发双方距离很近时，当然可以考虑把发送时钟与数据码一起传送到接收端。但是在大部分情况下，收和发相距是相当远的，这种方法显得很不实际。目前，通常采用从接收数码的脉冲串中提取时钟，用作接收端时钟的方法。同时，要在接收端正确地从数据流中把各数据字区分出来，其关键在于正确识别同步码。

一般来说，同步通信较异步通信可以获得较高的数据速率，这种速度上的差异是由于两种通信方式的信号形式不同造成的。异步通信时，由于空闲态长度的不确定，使它不会是时钟周期的整数倍，而同步方式时所有的码元都是等宽的。这种信号形式的差异使同步方式可以采用高效率的调制，实现高速通信。

3）单工、双工和全双工数据传输

根据实际需要数据通信采用单工、半双工和全双工数据传输，如图6-9所示。通信一般总是双向的，有来有往，这里单工、双工等指的是数据传输的方向。

图6-9　单工、半双工、全双工示意图

单工数据传输是两数据站之间只能沿一个指定的方向进行数据传输。如图6-9a所示，数据由A站传到B站，而B站至A站只传送联络信号，前者称为正向信道，后者称为反向信道。一般，正向信道传输速率较高，反向信道传输速率较低。远程数据收集系统，如气象数据的收集，采用单工传输，因为在这种数据收集系统中，大量数据只需要从一端传送到另一端，而另外需要的少量联络信号（也是一种数据）通过反向信道传输。

半双工数据传输是两数据站之间可以在两个方向上进行数据传输，但不能同时收发。询问、检索、科学计算等数据通信系统多用半双工数据传输。

全双工数据传输是在两数据站之间，可以在两个方向上同时进行传输。如计算机之间的高速数据通信系统。

通常，四线线路实现全双工数据传输，二线线路实现单工或半双工数据传输。在采用频率复用、时分复用或回波抵消技术时，二线线路也可实现全双工数据传输。

（3）数据的质量

数据的质量与信号出错率和频带利用率有关。

1）出错率

由于数据信号在传输过程中不可避免地会受到外界的噪声干扰，信道的不理想也会带来信号的畸变，因此当噪声干扰和信号畸变达到一定程度时就可能导致接收的差错。衡量数据传输质量的最终指标是差错率。

差错率有多种定义，在数据传输中，一般采用误码（比特）率、误字符率、误码组率，它们分别定义如下。

·误码（比特）率=接收出现差错的比特数/总的发送比特数。

·误字符率=接收出现差错的字符数/总的发送字符数。

·误码组率=接收出现差错的码组数/总的发送码组数。

·差错率是一个统计平均值，因此在测量或统计时，总的比特（字符、码组）数应达到一定的数量，否则得出的结果将失去意义。

2）频带利用率η

数据信号的传输需要一定的频带。数据传输系统占用的频带越宽，传输数据信息的能力越大。因此，在比较不同数据传输系统的效率时，只考虑它们的数据传信速率是不充分的。即使两个数据传输系统的传信速率相同，但它们的通信效率也可能不同，这还要看传输相同信息所占的频带宽度。因此真正衡量数据传输系统的信息传输效率应是单位频带内的码元速率，即每赫兹的波特数，算式如下。

η=系统的码元速率/系统的频带宽度

当然，衡量数据传输系统有效性的指标也可以是单位频带内的传信速率，即每赫兹每秒的比特数（bit/sHz）。

3．数据通信的特点

数据通信是计算机与计算机、终端与计算机之间的通信，可以这么认为，数据通信=数据处理+数据传输。

由于数据通信是计算机之间的通信属于非话业务，与实时电话通信相比有如下特点。

·数据通信传输和处理离散的数字信号。

·数据通信的速率很高，且通信量突发性强。

·数据传输的可靠性要求高。

·必须事先制定通信双方必须遵守的、功能齐备的通信协议。

·数据通信的信息传输效率很高。

·数据通信每次呼叫的平均持续时间短。

数据通信是一个以满足数据传送为基本出发点，不断向其他领域延伸的通信技术，数据通信网的历史很短，但发展更迅速，现在已形成具有多种接入方式，采用多种骨干技术、多种传输介质的数据通信网。