1.5 数据通信基础

1.5  数据通信基础

数据通信是通信技术和计算机技术相结合而产生的一种新的通信方式。要在两地间传输信息必须有传输信道，根据传输媒体的不同，其有无线数据通信与有线数据通信之分。但它们都是通过传输信道将数据终端与计算机连接起来，而使不同地点的数据终端实现软、硬件和信息资源的共享。

1.5.1  数据通信的基本概念

数据通信是指通过通信系统将数据以某种信号的方式从一处安全、可靠地传输到另一处，包括数据的传输及数据传输前后的处理。下面来了解一下数据通信的基本术语。

1．数据与信息

数据是传递信息的实体，它可以分为模拟数据和数字数据两种，用于描述连续变化量的数据称为模拟数据，如声音、温度等，用于描述不连续变化量的数据称为数字数据，如文本信息、整数等。

一般认为，信息是对客观事物的特征和运动状态的描述。其形式主要表示为文字、数字、语音、图形和图像等。

2．信号和信号带宽

信号通常以电磁波的形式传输，电磁波都有一定的频谱范围，该频谱范围称为该信号的带宽。

3．信道和信道带宽

信道是传输信号的一条通道，由传输介质及相应的附属信号设备组成。一条线路上可以有多个信道，如一条光纤可以供上千人通话，有上千个电话信道。信道可以分为模拟信道和数字信道。

信道带宽是指信道上能够传送信号的最大频率范围，信道带宽应大于信号带宽。

1.5.2  基带传输的基本概念

基带是指电信号的基本频带，即指调制前信号所占的频带。换句话讲，当终端把数字信息转换为适合传送的电信号时，这个电信号固有的频带就是基带。

基带传输是对基带信号不加调制而直接在线路上进行传输，它将占用线路的全部带宽，也称为数字基带传输。在基带传输中，传输信号的频率可以从0到几兆赫，要求信道有较高的特性。一般电话通信线路满足不了这个要求，需要根据传输信号的特性选择专用的传输线路。

1.5.3  频带传输的基本概念

进行远距离数据传输时，一般要借用已有的通信网（如电话网），而数据的原始形式（即基带信号）无法在带宽较窄的通信网中传输，需要将带宽很宽的数字基带信号变换为带宽符合要求的模拟信号，而这种模拟信号通常由一个或几个频率组成，它占用一个固有频带，称为频带传输。

频带传输有以下特点：

·    传输的信号是模拟信号，其载波经过数据信号调制。

·    由于频率不同的模拟信号可以同时在同一条通信线路上传送，因此当通信线路的频带较宽时，就可以对通信线路进行频分多路复用，使多个用户同时在一条通信线路的不同频段传送自己的信号，这样节约了通信资源，降低了通信成本。

1.5.4  ATM技术

异步传输模式（Asychronous Transfer Mode，ATM）是一种能高速传递综合业务信息，效率高、控制灵活、新颖的信息传递模式，已被ITU-T（国际电信联盟电信标准化部门）确定为传送和交换语音、图像、数据及多媒体信息的工具，受到人们的广泛重视，是目前信息交换的热门话题之一。

ATM技术诞生有其必然性。随着信息化社会的到来，人们对通信的需求已远远超出传统电话及电报业务的范围，数据通信、宽带通信需求日益增大，由于它们的带宽及业务量要求不同，传统通信手段已很难实现。例如，现有的网络都是为某种特定业务设计的，往往不适用其他业务（有线电视网不能传送电话业务，而电信网也不能传送电视信号）。很显然这些网络技术对新业务的支持能力不够。人们希望将来最好只有一个网络存在，它不依赖于业务，可灵活、安全、经济、有效地利用所有资源，ATM技术就被视为关键技术。

ATM系统是使用频分复用技术的快速分组交换方式，它将信息流分割成固定长度的ATM信元，能比较容易地实现各种信息流混合在一起的多媒体通信，能根据业务类型、数据传输速率等要求动态分配有效容量，对高速信息元传输频次高，对低速信息元传输频次低。ATM能采用单一的交换方式，支持从窄带话音、数据传输到HDTV等范围极广的各种业务。ATM信元由53B构成，其中5B是信头，48B是信息域。在线路上传输的信息都是ATM信元。为了完成传送ATM信元的工作，一个典型的ATM交换机应有入线和出线处理、ATM交换单元和ATM控制3个基本部分，其中ATM交换单元是关键，它按照要求将入线上的ATM信元转送到需要的出线上去，从而完成交换动作。其中：控制单元对交换单元的动作进行控制；入线处理对输入的ATM信元进行处理，使之适合ATM交换单元的要求；出线处理对交换单元送出的信元进行处理，使之适合线路传输的要求。

1.5.5  差错的产生原因及其控制方法

信号在物理信道中传输时，线路本身电气特性造成的随机噪声、信号幅度的衰减、频和相位的畸变、电气信号在线路上产生反射造成的回音效应、相邻线路间的串扰以及各种外界因素（如大气中的闪电、开关的电火花、外界强电流磁场的变化、电源的波动等）都会造成信号的失真。在数据通信中，将会使接收端收到的二进制数位和发送端实际发送的二进制数位不一致，从而造成由“0”变成“1”或由“1”变成“0”的差错。

一般来说，传输中的差错都是由噪声引起的。噪声有两大类，一类是信道固有的、持续存在的随机热噪声；另一类是由外界特定的短暂原因所造成的冲击噪声。

热噪声引起的差错称为随机错，所引起的某位码元的差错是孤立的，与前后码元没有关系。由于物理信道在设计时，总要保证达到相当大的信噪比，以尽可能减小热噪声的影响，因而由它导致的随机错通常较少。

冲击噪声呈突发状，由其引起的差错称为突发错。冲击噪声幅度可能相当大，无法靠提高信号幅度来避免冲击噪声造成的差错，它是传输中产生差错的主要原因。冲击噪声虽然持续时间很短，但在一定的数据传输速率条件下，仍然会影响到一串码元。例如，一个冲击噪声（如一次电火花）持续时间为10ms，但对于4 800bps的数据传输速率来说，就可能对连续48位数据造成影响，使它们发生差错。从突发错误发生的第一个码元到有错的最后一个码元间所有码元的个数，称为该突发错的突发长度。

数据通信中不加任何差错控制措施，直接用信道来传输数据是不可靠的。最常用的差错控制方法是差错控制编码。数据信息位在向信道发送之前，先按照某种关系附加上一定的冗余位，构成一个码字后再发送，这个过程称为差错控制编码过程。接收端收到该码字后，检查信息位和附加的冗余位之间的关系，以检查传输过程中是否有差错发生，这个过程称为校验过程。

利用差错控制编码来进行差错控制的方法基本上有两类，一类是自动请求重发ARQ（Automatic Repeat reQuest），另一类是前向纠错FEC（Forward Error Correction）。在ARQ方式中，接收端检测出有差错时，就设法通知发送端重发，直到正确的码字收到为止；在FEC方式中，接收端不但能发现差错，而且能确定二进制码元发生错误的位置，从而加以纠正。可见，差错控制编码又可分为检错码和纠错码。检错码是指能自动发现差错的编码，纠错码是指不仅能发现差错而且能自动纠正差错的编码。

ARQ方式只使用检错码，但必须有双向信道才可能将差错信息反馈至发送端。同时，发送方要设置数据缓冲区，用以存放已发出去的数据，以便知道出差错后可以调出数据缓冲区的内容重新发送。FEC方式必须用纠错码，但它可以不需要反向信道来传递请求重发的信息，发送端也不需要存放以备重发的数据缓冲区。虽然FEC有上述优点，但由于纠错码一般说来要比检错码使用更多的冗余位，也就是说，编码效率低，而且纠错设备也比检错设备复杂得多，因而除非在单向传输或实时要求特别高（FEC不需要重发，实时性较好）等场合外，数据通信中使用更多的还是ARQ差错控制方式。有些场合也可以将上述两者混合使用，即当码字中的差错个数在纠正能力以内时，直接进行纠正；当码字中的差错个数超出纠正能力时，则检出差错，使用重发方式来纠正差错。

衡量编码性能好坏的一个重要参数是编码效率R，它是码字中信息位所占的比例。若码字中信息位为k位，编码时外加冗余位为r位，则编码后得到的码字长度为n=k+r位，由此编码效率R可表示为：

R=k/n=k/(k+r)

显然，编码效率越高，即R越大，信道中用来传送信息码元的有效利用率就越高。

奇偶校验码、循环冗余码和海明码是几种最常用的差错控制编码方法。