數(shù)據(jù)通信

數(shù)據(jù)通信簡介

　　數(shù)據(jù)通信是通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新的通信方式。要在兩地間傳輸信息必須有傳輸信道，根據(jù)傳輸媒體的不同，有有線數(shù)據(jù)通信與無線數(shù)據(jù)通信之分。但它們都是通過傳輸信道將數(shù)據(jù)終端與計(jì)算機(jī)聯(lián)結(jié)起來，而使不同地點(diǎn)的數(shù)據(jù)終端實(shí)現(xiàn)軟、硬件和信息資源的共享。

　　傳輸手段

　　電纜通信雙絞線、同軸電纜等。市話和長途通信。 調(diào)制方式：SSB/FDM?；谕S的PCM時分多路數(shù)字基帶傳輸技術(shù)。 光纖將逐漸取代同軸。

　　微波中繼通信比較同軸電纜，易架設(shè)、投資小、周期短。模擬電話微波通信主要采用SSB/FM/FDM調(diào)制，通信容量6000路/頻道。數(shù)字微波采用BPSK、QPSK及QAM調(diào)制技術(shù)。采用64QAM、256QAM等多電平調(diào)制技術(shù)提高微波通信容量，可在40M頻道內(nèi)傳送1920~7680路PCM數(shù)字電話。

　　光纖通信是利用激光在光纖中長距離傳輸?shù)奶匦赃M(jìn)行的，具有通信容量大、通信距離長及抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)。目前用于本地、長途、干線傳輸，并逐漸發(fā)展用戶光纖通信網(wǎng)。目前基于長波激光器和單模光纖，每路光纖通話路數(shù)超過萬門，光纖本身的通信纖力非常巨大。幾十年來，光纖通信技術(shù)發(fā)展迅速，并有各種設(shè)備應(yīng)用，接入設(shè)備、光電轉(zhuǎn)換設(shè)備、傳輸設(shè)備、交換設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。光纖通信設(shè)備有光電轉(zhuǎn)換單元和數(shù)字信號處理單元兩部分組成。

數(shù)據(jù)通信百科

　　數(shù)據(jù)通信是通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新的通信方式。要在兩地間傳輸信息必須有傳輸信道，根據(jù)傳輸媒體的不同，有有線數(shù)據(jù)通信與無線數(shù)據(jù)通信之分。但它們都是通過傳輸信道將數(shù)據(jù)終端與計(jì)算機(jī)聯(lián)結(jié)起來，而使不同地點(diǎn)的數(shù)據(jù)終端實(shí)現(xiàn)軟、硬件和信息資源的共享。

　　傳輸手段

　　電纜通信雙絞線、同軸電纜等。市話和長途通信。 調(diào)制方式：SSB/FDM?；谕S的PCM時分多路數(shù)字基帶傳輸技術(shù)。 光纖將逐漸取代同軸。

　　微波中繼通信比較同軸電纜，易架設(shè)、投資小、周期短。模擬電話微波通信主要采用SSB/FM/FDM調(diào)制，通信容量6000路/頻道。數(shù)字微波采用BPSK、QPSK及QAM調(diào)制技術(shù)。采用64QAM、256QAM等多電平調(diào)制技術(shù)提高微波通信容量，可在40M頻道內(nèi)傳送1920~7680路PCM數(shù)字電話。

　　光纖通信是利用激光在光纖中長距離傳輸?shù)奶匦赃M(jìn)行的，具有通信容量大、通信距離長及抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)。目前用于本地、長途、干線傳輸，并逐漸發(fā)展用戶光纖通信網(wǎng)。目前基于長波激光器和單模光纖，每路光纖通話路數(shù)超過萬門，光纖本身的通信纖力非常巨大。幾十年來，光纖通信技術(shù)發(fā)展迅速，并有各種設(shè)備應(yīng)用，接入設(shè)備、光電轉(zhuǎn)換設(shè)備、傳輸設(shè)備、交換設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。光纖通信設(shè)備有光電轉(zhuǎn)換單元和數(shù)字信號處理單元兩部分組成。

　　衛(wèi)星通信通信距離遠(yuǎn)、傳輸容量大、覆蓋面積大、不受地域限制及高可靠性。目前，成熟技術(shù)使用模擬調(diào)制、頻分多路及頻分多址。 數(shù)字衛(wèi)星通信采用數(shù)字調(diào)制、時分多路及時分多址。

　　移動通信移動通信（Mobile communication）是移動體之間的通信，或移動體與固定體之間的通信。移動體可以是人，也可以是汽車、火車、輪船、收音機(jī)等在移動狀態(tài)中的物體。移動通信系統(tǒng)由兩部分組成：（1） 空間系統(tǒng)（2）地面系統(tǒng)：①衛(wèi)星移動無線電臺和天線；②關(guān)口站、基站。移動通信系統(tǒng)從20世紀(jì)80年代誕生以來，到2020年將大體經(jīng)過5代的發(fā)展歷程，而且到2010年，將從第3代過渡到第4代（4G）。到4G，除蜂窩電話系統(tǒng)外，寬帶無線接入系統(tǒng)、毫米波LAN、智能傳輸系統(tǒng)（ITS）和同溫層平臺（HAPS）系統(tǒng)將投入使用。未來幾代移動通信系統(tǒng)最明顯的趨勢是要求高數(shù)據(jù)速率、高機(jī)動性和無縫隙漫游。實(shí)現(xiàn)這些要求在技術(shù)上將面臨更大的挑戰(zhàn)。此外，系統(tǒng)性能（如蜂窩規(guī)模和傳輸速率）在很大程度上將取決于頻率的高低?？紤]到這些技術(shù)問題，有的系統(tǒng)將側(cè)重提供高數(shù)據(jù)速率，有的系統(tǒng)將側(cè)重增強(qiáng)機(jī)動性或擴(kuò)大覆蓋范圍。從用戶角度看，可以使用的接入技術(shù)包括：蜂窩移動無線系統(tǒng)，如3G；無繩系統(tǒng)，如DECT；近距離通信系統(tǒng)，如藍(lán)牙和DECT數(shù)據(jù)系統(tǒng)；無線局域網(wǎng)（WLAN）系統(tǒng)；固定無線接入或無線本地環(huán)系統(tǒng)；衛(wèi)星系統(tǒng)；廣播系統(tǒng)，如DAB和DVB-T；ADSL和Cable Modem。

　　通信系統(tǒng)

　　脫機(jī)數(shù)據(jù)傳輸是簡單地利用電話或類似的鏈路來傳輸數(shù)據(jù)，不包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這樣一條鏈路兩端所使用的設(shè)備不是計(jì)算機(jī)的部件，或至少不是立刻把數(shù)據(jù)提供給計(jì)算機(jī)處理，即數(shù)據(jù)在發(fā)送或接收時是脫機(jī)的。這種數(shù)據(jù)通信相對來說比較便宜和簡單。

　　遠(yuǎn)程批處理一詞適用于這樣一種方法：采用數(shù)據(jù)通信技術(shù)來使數(shù)據(jù)的輸入和輸出在地理上遠(yuǎn)離按批處理模式處理它們的計(jì)算機(jī)。

　　聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)收集指的是用數(shù)據(jù)通信技術(shù)來向計(jì)算機(jī)即時提供剛產(chǎn)生的輸入數(shù)據(jù)這種方法。數(shù)據(jù)于是存儲在計(jì)算機(jī)里（比如磁盤上），并按預(yù)定時間間隔或者根據(jù)需要進(jìn)行處理。

　　交互式系統(tǒng)顧名思義，是為用戶提供從計(jì)算機(jī)提取信息的功能。詢問功能是被動的。也就是說，它不修改所存儲的信息。提問可以很簡單，例如：“檢索員工號碼為1234的記錄”也可以是復(fù)雜的。這類系統(tǒng)可能要使用能產(chǎn)生硬拷貝和（或）可視顯示的終端。

　　實(shí)時系統(tǒng)是這樣一類系統(tǒng)，其中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是在動態(tài)情況下取得和處理信息，以便可使計(jì)算機(jī)采取動作來影響正在發(fā)生的事件（比如在過程控制應(yīng)用中）或者可通過存儲在計(jì)算機(jī)里的準(zhǔn)確且不斷更新的信息來影響人（操作員），比如在預(yù)售系統(tǒng)中。

　　基礎(chǔ)理論

　　頻譜與帶寬信號是數(shù)據(jù)的電磁編碼，信號中包含了所要傳遞的數(shù)據(jù)。信號一般以時間為自變量，以表示消息（或數(shù)據(jù)）的某個參量（振幅、頻率或相位）為因變量。信號按其自變量時間的取值是否連續(xù)，可分為連續(xù)信號和離散信號；按其因變量的取值是否連續(xù)，又可分為模擬信號和數(shù)字信號。信號具有時域和頻域兩種最基本的表現(xiàn)形式和特性。時域特性反映信號隨時間變化的情況。頻域特性不僅含有信號時域中相同的信息量，而且通過對信號的頻譜分析，還可以清楚地了解該信號的頻譜分布情況及所占有的頻帶寬度。為了得到所傳輸?shù)男盘枌邮赵O(shè)備及信道的要求，只了解信號的時域特性是不夠的，還必須知道信號的頻譜分布情況。信號的時域特性表示出信號隨時間變化的情況。由于信號中的大部分能量都集中在一個相對較窄的頻帶范圍之內(nèi)，因此我們將信號大部分能量集中的那段頻帶稱為有效帶寬，簡稱帶寬。任何信號都有帶寬。一般來說，信號的帶寬越大，利用這種信號傳送數(shù)據(jù)的速率就越高，要求傳輸介質(zhì)的帶寬也越大。下面我們將簡單介紹常見信號的頻譜和帶寬。聲音信號的頻譜大致在20 Hz～2000 kHz的范圍（低于20 Hz的信號為次聲波，高于2000 kHz的信號為超聲波），但用一個窄得多的帶寬就能產(chǎn)生可接受話音的重現(xiàn)，因而話音信號的標(biāo)準(zhǔn)頻譜為300 Hz～3400 Hz，其帶寬為3 kHz。電視信號的頻譜為0～4 MHz，因此其帶寬為4 MHz。作為一個特殊的例子，單穩(wěn)脈沖信號的帶寬為無窮大。而對于二進(jìn)制信號，其帶寬一般依賴于　信號波形的確切形狀以及0、1的次序。信號的帶寬越大，它就越忠實(shí)地表示著數(shù)字序列。

　　截止頻率與帶寬根據(jù)傅立葉級數(shù)我們知道，如果一個信號的所有頻率分量都能完全不變地通過信道傳輸?shù)浇邮斩?，那么在接收端由這些頻率分量疊加起來而形成的信號則和發(fā)送端的信號是完全一樣的，即接收端完全恢復(fù)了發(fā)送端發(fā)出的信號。但現(xiàn)實(shí)世界上，沒有任何信道能毫無損耗地通過所有頻率分量。如果所有的傅立葉分量都被等量衰減，那么接收端接收到的信號雖然在振幅上有所衰減，但并沒有發(fā)生畸變。然而所有的傳輸信道和設(shè)備對不同的頻率分量的衰減程度是不同的，有些頻率分量幾乎沒有衰減，而有些頻率分量被衰減了一些，這就是說，信道也具有一定的振幅頻率特性，因而導(dǎo)致輸出信號發(fā)生畸變。通常情況是頻率為0到fc赫茲范圍內(nèi)的諧波在信道傳輸過程中不發(fā)生衰減（或其衰減是一個非常小的常量），而在此fc頻率之上的所有諧波在傳輸過程中衰減很大，我們把信號在信道傳輸過程中某個分量的振幅衰減到原來的0.707（即輸出信號的功率降低了一半）時所對應(yīng)的那個頻率稱為信道的截止頻率（cut-off frequency）。截止頻率反映了傳輸介質(zhì)本身所固有的物理特性。另一些情況下，則是因?yàn)槿藗冇幸獾卦诰€路中安裝了濾波器以限制每個用戶使用的帶寬，如圖2-4a所示。有些時候，由于在信道中加入雙通濾波器，因而信道對應(yīng)著兩個截止頻率f1和f2，它們分別被稱為下截止頻率和上截止頻率。而這兩個截止頻率之差f2-f1被稱作信道的帶寬。如果輸入信號的帶寬小于信道的帶寬，則輸入信號的全部頻率分量都能通過信道，因而信道輸出端得到的輸出波形將是不失真的。但如果輸入信號的帶寬大于信道的帶寬，則信號中某些頻率分量就不能通過信道，這樣輸出得到的信號將與發(fā)送端發(fā)送的信號有些不同，即產(chǎn)生了失真。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，必須限制信號的帶寬。2.2.3 信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率單位時間內(nèi)能傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)稱為數(shù)據(jù)傳輸率。數(shù)據(jù)傳輸率的提高意味著每一位所占用的時間的減小，即二進(jìn)制數(shù)字脈沖序列的周期時間會減小，當(dāng)然脈沖寬度也會減小。前一節(jié)里我們已經(jīng)知道，即使二進(jìn)制數(shù)字脈沖信號通過帶寬有限的理想信道時也會產(chǎn)生波形失真，而且當(dāng)輸入信號的帶寬一定時，信道的帶寬越小，輸出的波形失真就會越大。換個角度說，當(dāng)信道的帶寬一定時，輸入信號的帶寬越大，輸出信號的失真就越大，因此當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸率提高到一定程度時（信號帶寬增大到一定程度），在信道輸出端上的信號接收器根本無法從已失真的輸出信號中恢復(fù)出所發(fā)送的數(shù)字序列。這就是說，即使對于理想信道，有限的帶寬也限制了信道數(shù)據(jù)傳輸率。早在1924年，H. Nyquist（奈奎斯特）就認(rèn)識到這個基本限制的存在，并推導(dǎo)出表示無噪聲有限帶寬信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率的公式。在1948年，C. Shannon（香農(nóng)）把奈奎斯特的工作進(jìn)一步擴(kuò)展到了信道受到隨機(jī)噪聲干擾的情況。這里我們不加證明地簡述這些現(xiàn)在視為經(jīng)典的結(jié)果。奈奎斯特證明，任意連續(xù)信號f（t）通過一個無噪聲的帶寬為B的信道后，其輸出信號為一個帶寬為B的時間連續(xù)信號g（t）。如果要輸出數(shù)字信號，還必須以一定的速率對g（t）進(jìn)行等間隔的抽樣。抽樣速度高于每秒2B次是無意義的，因?yàn)樾盘栔懈哂谛诺缼払以外的高頻分量已被信道衰減掉。如果g（t）由V個離散化的電平組成，即每次抽樣的可能結(jié)果為V個離散化電平之一，則該信道的最大的數(shù)據(jù)傳輸率Rmax 為：Rmax = 2Blog 2V（比特/秒）例如，一個無噪聲帶寬為3000 Hz的信道不能傳送速率超過6000比特/秒的二進(jìn)制數(shù)字信號。前面我們僅僅考慮了無噪聲的理想信道。對于有噪聲的信道，情況將會迅速變壞。信道中熱噪聲用信號功率與噪聲功率之比來度量，信號功率與噪聲功率的比值稱為信噪比（Signal-to-Noise Ratio）。如果我們用S表示信號功率，用N表示噪聲功率，則信噪比應(yīng)被表示為S/N。但人們通常不使用信噪比的絕對值，而是使用10 log10S/N來表示，單位是分貝（ dB）。對于S/N等于1 0的信道，則稱其信噪比為1 0 d B；同樣的道理，如果信道的S/N等于100，則稱其信噪比為20 dB；以此類推。香農(nóng)關(guān)于有噪聲信道最大數(shù)據(jù)傳輸率的結(jié)論是：對于帶寬為BHz，信噪比為S/N的信道，其最大數(shù)據(jù)傳輸率Rmax為：Rmax = Blog2 （1 + S/N）（比特/秒）例如，對于一個帶寬為3 kHz，信噪比為30 dB的信道，無論其使用多少個量化電平，也不管采樣速度多快，其數(shù)據(jù)傳輸率不可能大于30 000比特/秒。香農(nóng)的結(jié)論是根據(jù)信息論推導(dǎo)出來的，適用的范圍非常廣，要想超越這一結(jié)論就好比想要發(fā)明永動機(jī)一樣，幾乎是不可能的。值得注意的是，香農(nóng)的結(jié)論僅僅給出了一個理論極限，而實(shí)際上，要接近這個極限也是相當(dāng)困難的。

　　總結(jié)

　　信號是消息（或數(shù)據(jù)）的一種電磁編碼，信號中包含了所要傳遞的消息。信號按其因變量的取值是否連續(xù)，可分為模擬信號和數(shù)字信號，相應(yīng)的也可將通信分為模擬通信和數(shù)字通信。傅立葉已經(jīng)證明：任何信號（不管是模擬信號還是數(shù)字信號）都是由各種不同頻率的諧波組成的，任何信號都有相應(yīng)的帶寬。而且任何信道在傳輸信號時都會對信號產(chǎn)生衰減，因此，任何信道在傳輸信號時都存在一個數(shù)據(jù)傳輸率的限制，這就是奈奎斯特定理和香農(nóng)定理所要告訴我們的結(jié)論。傳輸介質(zhì)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信的最基本的組成部分，它在整個計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的成本中占有很大的比重。為了提高傳輸介質(zhì)的利用率，我們可以使用多路復(fù)用技術(shù)。多路復(fù)用技術(shù)有頻分多路復(fù)用、波分多路復(fù)用和時分多路復(fù)用三種，它們用在不同的場合。數(shù)據(jù)交換技術(shù)包括電路交換、報(bào)文交換和分組交換三種，它們各自有優(yōu)缺點(diǎn)。Modem是用于在模擬電話網(wǎng)上傳輸計(jì)算機(jī)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的設(shè)備。Modem的調(diào)制方式有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及正交幅度調(diào)制，而且Modem還支持?jǐn)?shù)據(jù)壓縮和差錯控制。

　　數(shù)據(jù)通信的基本概念

　　數(shù)據(jù)通信是通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新的通信方式。要在兩地間傳輸信息必須有傳輸信道，根據(jù)傳輸媒體的不同，有有線數(shù)據(jù)通信與無線數(shù)據(jù)通信之分。但它們都是通過傳輸信道將數(shù)據(jù)終端與計(jì)算機(jī)聯(lián)結(jié)起來，而使不同地點(diǎn)的數(shù)據(jù)終端實(shí)現(xiàn)軟、硬件和信息資源的共享。

　　數(shù)據(jù)通信的發(fā)展趨勢集中表現(xiàn)為：

　　1. 應(yīng)用范圍與應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，新的應(yīng)用業(yè)務(wù)如電子數(shù)據(jù)互換（EDI），多媒體通信等不斷涌現(xiàn)?！　?. 隨著通信量增大，網(wǎng)路日益向高速、寬帶、數(shù)字傳輸與綜合利用的方向發(fā)展。例如光纖高速局域網(wǎng)、城域網(wǎng)、寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)、《中繼、快速分組交換等許多新技術(shù)迅速發(fā)展，有的已進(jìn)入實(shí)用化階段。　　3. 與移動通信的發(fā)展相配合，移動式數(shù)據(jù)通信正獲得迅速發(fā)展。　　4. 隨著網(wǎng)路與系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，不同類型的網(wǎng)路與系統(tǒng)的互連（也包括對互連網(wǎng)路的操作與管理）的重要性日趨突出?！　?. 通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)大量增加，協(xié)議工程技術(shù)日益發(fā)展。

　　數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的構(gòu)成

　　比較典型的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要由中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）、數(shù)據(jù)電路三部分構(gòu)成，如圖1所示。圖1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成1. 中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由通信控制器（或前置處理機(jī)）、主機(jī)及其外圍設(shè)備組成，具有處理從數(shù)據(jù)終端設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)信息，并將處理結(jié)果向相應(yīng)的數(shù)據(jù)終端設(shè)備輸出的功能。2. 數(shù)據(jù)終端設(shè)備由數(shù)據(jù)輸入設(shè)備（產(chǎn)生數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源）、數(shù)據(jù)輸出設(shè)備（接收數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)宿）和傳輸控制器組成。3. 數(shù)據(jù)電路由傳輸信道（傳輸線路）及其兩端的數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備（DCE）組成。傳輸信道可以是專用信道或交換信道，也可以是模擬信道或數(shù)字信道。當(dāng)利用模擬信道傳輸數(shù)據(jù)信號時，發(fā)送的原始數(shù)據(jù)信號需要經(jīng)過“數(shù)字→模擬”變換，即調(diào)制；在接收時，需要進(jìn)行相反的“模擬→數(shù)字”變換，即解調(diào)。實(shí)現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)的設(shè)備稱為調(diào)制解調(diào)器（modem）。一條模擬傳輸信道加上調(diào)制解調(diào)器就構(gòu)成了一條數(shù)據(jù)電路，調(diào)制解調(diào)器是模擬信道上的DCE。當(dāng)利用數(shù)字信道來傳輸數(shù)據(jù)信號時，不需要調(diào)制解調(diào)器，但需要有相應(yīng)的接口設(shè)備，用來實(shí)現(xiàn)信號碼型和電平的變換以及線路特性的均衡等功能。一條數(shù)字傳輸信道加上這樣的接口設(shè)備就構(gòu)成了一條數(shù)據(jù)電路，這樣的接口設(shè)備是數(shù)字信道上的DCE，通常稱作數(shù)據(jù)服務(wù)單元。