2.1 引言

自古以来人们都在用自己的智慧解决远距离通信的问题，而衡量人类历史进步的尺度之一是人与人之间传递消息的能力，尤其是远距离传递消息的能力。例如，古代的烽火台、金鼓、旌旗，近代的灯光、旗语，现代的电话、电报、传真和电视等都是传递消息的手段。通信技术的发展使人类社会产生了深远的变革，为人类社会带来了巨大的利益。

在当今和未来的信息社会中，通信是人们获取和交换信息的重要手段。随着大规模集成电路技术、激光技术、空间技术、计算机技术的不断发展和广泛应用，现代通信技术日新月异。近四十年来出现的光纤通信、卫星通信和数据通信是最具有代表性的通信技术。在这些新技术中，数据通信技术尤为重要，它是现代通信系统的重要基础。本节主要介绍数据通信的基本概念和术语。

2.1.1 信息与数据

信息（information）是客观事物属性和相互联系特性的表征，它反映了客观事物的存在形式和运动状态。数据（data）是信息的数字化形式。狭义的数据通常是指具有一定数字特性的信息，如统计数据、气象数据、测量数据及计算机中区别于程序的数据等。但在计算机网络中，数据通常被广义地理解为在计算机网络中存储、处理和传输的二进制数字编码。话音、图像、文字以及从自然界直接采集的各种自然属性（如温度、湿度等）均可转换为二进制数字编码，以便于在计算机网络中存储、处理和传输。计算机网络中的数据库、数据处理和数据通信所包含的数据通常就是指这种广义的数据。

数据分为模拟数据和数字数据两种。模拟数据（analogy data）的值一般是连续的。模拟数据最常见的例子是音频（audio），音频以声波的形式被人们直接感受到。模拟数据另一个常见的例子是视频（video）。要产生屏幕上的一幅画，电子束必须从左至右、从上到下地扫描屏幕表面。对于黑白电视来说，在某一点产生的亮度（从黑到白取值）与扫过这一点的电子束的强度成正比。因此，某一时刻的电子束具有一个连续值，它对应屏幕上的某点产生适当的亮度。同时，当电子束不断进行扫描时，这个值也连续不断地变化。因此，可以将视频图像看作随时间改变的模拟信号。

数字数据 （ digital data ）的值一般是离散的。数字数据的一个常见实例是文本（text）或者字符串。虽然文本数据对人类来说是最方便的，但是以字符的形式表示的数据既不容易存储，也不容易被数据处理系统处理以及被通信系统传输。因为计算机系统和通信系统是被设计用来处理二进制数据的。人们因此发明了许多编码方法，通过这些编码方法，字符被表示成比特序列。最早的常用编码可能要算莫尔斯电报码了。今天，最常用的字符编码是国际基准字母表（International Reference Alphabet，IRA）。IRA是在ITU-T建议书T.50中定义的，在早期以国际字母表5（International Alphabet 5）闻名。在这种编码中，每一个字符用7位二进制表示，因此一共可以表示128个不同的字符。其中，有些用来表示不可打印的“控制字符”。IRA的美国国家版本称为美国信息交换标准代码（American Standard Code for Information Interchange，ASCII）。

2.1.2 信号

信号（signal）是数据的电磁编码。在计算机或通信系统中，我们常常使用电压值和光强度来表示信号。

信号可以分为连续信号（continuous signal）和离散信号（discrete signal）。连续信号是时间的连续函数，而离散信号是时间的离散函数。所有维度上均连续的信号是模拟信号（analog signal），所有维度上均离散的信号是数字信号（digital signal），数字信号是通过对模拟信号时间、幅度和维度上离散化产生的，如图2-1所示。

虽然模拟信号与数字信号在表现形式上有着明显的差别，但二者在一定条件下是可以相互转化的。通过使用一种称为调制解调器的设备，数字数据可以用模拟信号表示。调制解调器将二进制的电压脉冲（只有两个值）序列转化成模拟信号，这种转化是把数字数据调制到某个载波频率上去。调制后所得的信号是以载波频率为中心的具有特定频谱的信号，并且能够在合适的介质上传输。最常见的调制解调器是将二进制数字数据用话音信号表示，如图2-2所示，这样二进制数字数据可以在普通的音频电话线上传输。而在电话线的另一端，调制解调器从话音信号中解调出原始的二进制数字数据。

另外，模拟数据也可用数字信号表示，如图2-3所示。我们可以通过一个称为编码解码器的设备将模拟话音数据编码成比特流，然后通过数字通信系统传输到接收端；在接收端，通过编码解码器将这个比特流重建为模拟话音数据。

2.1.3 模拟通信系统和数字通信系统

无论是模拟信号还是数字信号都可以在适当的通信系统上进行传输。模拟通信系统（analogy communication system）是用于传输模拟信号的。模拟通信系统通常不考虑信号的内容。模拟信号既可以表示模拟数据（例如话音），也可以表示数字数据（例如经过了调制解调器的二进制数据）。模拟信号在传输一段距离之后会变得越来越弱。为了实现远距离传输，在模拟通信系统中要引入模拟放大器，用于增强信号能量，遗憾的是，模拟放大器在放大信号的同时也放大了噪声。如果为了远距离传输而将放大器级联起来，那么信号的失真就会越来越严重。对模拟数据来说，比如话音，失真比较严重时还是可以容忍的（人还是可以辨别出来）。但是对于数字数据来说，级联放大器会引起比特差错，需要进行纠错。

与模拟通信系统相反的是，数字通信系统（digital communication system）在传输数字信号时要考虑到信号时的内容。数字信号只能传送很短的距离，要想让数字信号传输到较远的距离就必须使用转发器（也称中继器，repeater）。转发器接收数字信号，并将其恢复为1、0序列，然后产生一个新的数字信号，这样就克服了衰减。

那么哪一种通信系统比较好呢？这个问题自然会引起人们的注意。相对来说，数字通信系统在技术上优于模拟通信系统，理由如下。

· 数字技术普及。大规模集成电路（Large Scale Intergrated，LSI）和超大规模集成电路（Very Large Scale Intergration，VLSI）的出现，使数字器件和设备无论在体积上还是在价格上都不断下降。而模拟器件和设备则没有这种迹象。

· 数据完整性。在数字通信系统中不使用放大器而使用转发器，则不会引起噪声或其他损伤的积累。采用数字传输方式，就能实现在保证信号完整性的同时远距离地传输数据，并且对传输线路质量的要求也不是很高。

· 容量利用率。利用卫星通信和光纤通信技术可以比较方便地建立各种高速链路。但我们需要使用更高级的复用技术以便有效地利用这些链路的带宽容量，要做到这一点，采用数字复用技术（如时分复用）比采用模拟复用技术（如频分复用）更容易，也更便宜。

· 安全和保密（security and privacy）。对数字数据的加密可以采用各种数据加密方法，而对模拟数据的加密还必须首先对它进行数字化处理。

· 综合性（integration）。通过数字传输技术，可以做到在一个网络中传输各种类型数据，向用户提供电话、传真、视频以及数据通信等业务，这种网络称为综合业务数字网（Integrated Service Digital Network，ISDN）。

2.1.4 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可以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，按数据传输的方向和时间关系可分为单工、半双工和全双工数据传输。

1.并行传输与串行传输

在数字通信中，按照数字信号码元排列方法的不同，数据传输有串行传输和并行传输两种类型。串行传输是指组成字符的各个比特按顺序一位接一位地在一条线或一个信道上以串行的方式传输，如图2-4所示。

通常串行传输的传输顺序为由高位到低位，传完这个字符再传下一个字符，因此收、发双方必须保持字符同步，使接收方能够从接收的数据比特流中正确区分出与发送方相同的一个一个的字符。这是串行传输必须要解决的问题。串行传输只需要一条传输信道，易于实现，节省投资，但通常需要进行串并变换，增加了转换设备以及同步的复杂性。

并行传输是指将数据以成组的方式在两条以上的并行信道上同时传输，如图2-5所示。例如，采用8单位代码字符时可以用8条信道进行并行传输，另加一条“选通”线用来通知接收器，以指示各条信道上已出现某一字符的信息，可对各条信道上的电压进行取样。并行传输的缺点是需要的传输信道多、设备复杂、成本高，故在远程通信中较少采用，一般适用于在距离较近的设备之间采用，例如在计算机和其他高速数字传输系统内部使用。

2.单工、半双工和全双工

按数据传输的方向与时间不同，通信的工作方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信。

· 单工通信，又称为单向通信，即通信系统的两端数据只能沿一个方向发送和接收，而没有反方向的交互。如图2-6a中，数据只能由 A 传送到 B ，不能由 B 传送到 A 。无线或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。计算机与监视器以及键盘与计算机之间的数据传输也是单工传输的例子。

· 半双工通信，又称为双向交替通信，即通信的双方可以双向通信，但双方不能同时发送或同时接收数据，这种通信方式往往是一方发送另一方接收，如图2-7所示。例如，使用同一载频工作的普通无线电收发报机就是半双工通信的例子。当 A 、 B 端进行对话通信时，半双工通信最有效。另外，问询、检索、科学计算等数据通信系统也适用于半双工数据传输。

· 全双工通信，又称为双向同时通信，即通信双方可以同时发送和接收信息。普通电话、手机就是一种全双工通信方式，如图2-8所示。

单工通信只需要一条信道，而半双工通信或全双工通信则都需要两条信道（每个方向各一条信道）。具体实现时，通常用四线线路实现全双工数据传输，用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。显然，双向同时通信的传输效率最高，适用于计算机之间的高速数据通信系统。

许多系统的正向信道传输速率较高，反向信道传输速率较低，例如，远程数据收集系统（如气象数据的收集）。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，而另外需要少量联络信号（也是一种数据）通过反向信道传输。

3.异步传输与同步传输

发送设备和接收设备间的同步问题，是数据通信系统中的重要问题。通信系统能否正常有效地工作，很大程度上依赖于正确的同步。同步不好将会导致误码增加，甚至使整个系统不能正常工作。

在进行串行传输时，接收端从串行数据码流中正确地划分出发送的一个个字符所采取的措施称为字符同步。根据实现字符同步方式的不同，数据传输分为异步传输和同步传输两种方式。所谓异步传输，是指数据传送以字符为单位，字符与字符间的传送是完全异步的，位与位之间的传送基本上是同步的。电传机就采用这种传输方式。图2-9a表示异步传输的情况，无论字符所采用的代码是多少位（通常为5～8位），每次传送一个字符代码，即在发送每一个字符代码的前面均加上一个“起”信号（又称空号），极性为“0”，规定其长度为传输一码元的时间。被编码的字符后面通常附加一个校验位（用奇偶校验），然后添加一个“止”信号（又称传号），极性为“1”，表示一个字符的结束。对于国际电报2号码，“止”信号长度为1.5个码元的时间长度；对于国际5号码或其他代码，“止”信号长度为1或2个码元的时间长度。字符可以连续发送，也可以单独发送。不发送字符时，连续发送“止”信号，即线路处于“传号”状态，只要接收端收到“起”信号，就清楚地表明字符的开始。

因此，每一个字符的起始时刻可以是任意的（这正是称为异步传输的原因），但在同一个字符内各码元长度相等。这样，接收端可根据字符之间从“止”信号到“起”信号的跳变（“1”→“0”）来检测识别一个新字符的“起”信号，从而正确地区分一个个字符。因此，这样的字符同步方法又称为起止式同步。异步传输的优点是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（接收时钟和发送时钟只要相近即可）；缺点是每个字符增加了起、止的比特位，降低了传输效率。例如字符采用国际5号码，起始位为1位，终止位为1位，并采用1位奇偶校验位，则传输效率 η =7/（7+1+1+1）=70%。所以，异步传输方式常用于1200bit/s及以下的低速数据传输。

同步传输 是以固定时钟节拍来发送数据信号的。在串行数据码流中，各信号码元之间的相对位置都是固定的（即同步），接收端要从收到的数据码流中正确区分发送的字符，必须建立位定时同步和帧同步。位定时同步又叫比特同步，其作用是使接收设备的位定时时钟信号和其接收的数据信号同步，以便从接收的信息流中正确识别出一个个信号码元，从而产生接收数据序列。所以，在同步传输中，数据的发送以一帧（数据块）为单位，如图2-9所示。其中一帧的开头和结束加上预先规定的起始序列和终止序列作为标志。这些特殊序列的形式决定于所采用的传输控制规程。在ASCII代码中用SYN（码型为“0110100”）作为“同步字符”，通知接收设备表示一帧的开始，用EOT（码型为“0010000”）作为“传输结束字符”，表示一帧的结束。与异步传输相比，同步传输因为一次传输的数据块（帧）中包含的数据较多，所以接收时钟与发送时钟要求严格同步，实现技术较复杂，但它不需要对每一个字符单独加“起”“止”码元作为识别字符的标志，只是在一串字符的前后加上标志序列，因此传输效率较高。通常用于速率为2400bit/s及以上的数据传输。由于同步传输以帧为单位传输数据，因此数据终端用这种方式发送和接收数据通常需要配备缓冲器以存储字符块。