第1章計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信概論1.1數(shù)據(jù)通信的概念

1.2通信系統(tǒng)的組成

1.3信號(hào)與噪聲

1.4通信方式

1.5通信協(xié)議的概念

1.6數(shù)據(jù)傳輸信道

1.7數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)1.8數(shù)據(jù)通信的發(fā)展

1.1數(shù)據(jù)通信的概念

數(shù)據(jù)通信與傳統(tǒng)的電話、電報(bào)通信不同,有其自身的特點(diǎn):

(1)數(shù)據(jù)通信的通信控制過程要自動(dòng)實(shí)現(xiàn),對(duì)傳輸過程中出現(xiàn)的差錯(cuò)也要自動(dòng)檢錯(cuò)糾錯(cuò)。

(2)盡管數(shù)據(jù)通信是一種新的通信業(yè)務(wù),但其實(shí)現(xiàn)和發(fā)展仍然不能脫離現(xiàn)有通信網(wǎng),仍需充分利用現(xiàn)有通信網(wǎng)(如電話交換網(wǎng))來傳輸數(shù)據(jù)信號(hào),以使其滿足自身的特性要求。

(3)數(shù)據(jù)通信總是與數(shù)據(jù)處理技術(shù)相聯(lián)系,隨著數(shù)據(jù)處理內(nèi)容和處理方式的不同,對(duì)通信的具體要求(如在傳輸代碼、傳輸方式、傳輸速率、傳輸效率、響應(yīng)時(shí)間、體系結(jié)構(gòu)和可靠性等方面)也就不同，因此,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信需考慮的因素比較多,情況比較復(fù)雜。

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中,實(shí)現(xiàn)資源共享的前提條件是數(shù)據(jù)通信。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，而數(shù)據(jù)通信技術(shù)是計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,即:計(jì)算機(jī)＋通信＝計(jì)算機(jī)通信(Computer+Communication＝Compunication)。計(jì)算機(jī)技術(shù)研究的是信息處理,現(xiàn)代通信技術(shù)研究的是信息傳播與交流,二者均屬IT(InformationTechnology)技術(shù)。一方面,通信技術(shù)為計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳遞和資源共享提供了必要手段;另一方面,計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展又在不斷提高通信系統(tǒng)的性能。二者互相促進(jìn),共同發(fā)展。隨著社會(huì)信息化水平的提高,信息的交流技術(shù)和信息處理技術(shù)相融合產(chǎn)生的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是必然結(jié)果。無論是計(jì)算機(jī)和通信C&C(Computer&Communication)還是計(jì)算機(jī)通信Compunication(Computer+Communication)，都已經(jīng)成為這一邊緣技術(shù)的同義語。

“計(jì)算機(jī)通信”與“數(shù)據(jù)通信”這兩個(gè)名詞常被混用。早期的數(shù)據(jù)通信與現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)通信是有明顯區(qū)別的,但隨著技術(shù)的進(jìn)步,數(shù)據(jù)通信的含義也在發(fā)生變化,因此,可以認(rèn)為計(jì)算機(jī)通信與數(shù)據(jù)通信是可混用的名詞。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)IT技術(shù)作出的突出貢獻(xiàn)是實(shí)現(xiàn)了信息的快速交流和資源的高度共享,使信息的采集、存儲(chǔ)、處理及傳輸?shù)燃夹g(shù)融為一體。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為信息化社會(huì)最重要的基礎(chǔ)設(shè)施。

1.2通信系統(tǒng)的組成

通信的目的就是完成信息的傳遞和共享。要進(jìn)行信息傳遞,就必須有通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)主要由發(fā)送設(shè)備、傳輸設(shè)備和接收處理設(shè)備三大部分組成。通過任何傳輸媒介將信息從發(fā)送端傳送到接收端的過程稱為通信。通信系統(tǒng)由信源、發(fā)信終端、傳輸媒介、收信終端和信宿組成，如圖1.1所示。

圖1.1通信系統(tǒng)組成框圖

信源提供語音、數(shù)據(jù)、圖像等需傳送的信息,由發(fā)信終端設(shè)備將其變換成適合于在傳輸媒介上傳送的信號(hào)發(fā)送到傳輸媒介上傳輸(信號(hào)在傳輸和變換過程中,會(huì)疊加各種噪聲干擾信號(hào)),收信終端將收到的信號(hào)經(jīng)解調(diào)等逆變換,恢復(fù)成適用于信宿的信息形式,這就是一個(gè)完整的通信過程。能夠完成信號(hào)傳輸?shù)南到y(tǒng)就稱為通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng),以模擬信號(hào)為載體傳送信息的通信系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng),以數(shù)字信號(hào)為載體傳送信息的通信系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。

1.2.1模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)是指信源、信宿和通信處理都是模擬信號(hào)的通信系統(tǒng),其組成如圖1.2所示。在模擬通信系統(tǒng)中,信源輸出為模擬信號(hào),經(jīng)調(diào)制器進(jìn)行頻譜搬移,使其適合傳輸媒介的要求,再送入傳輸信道傳輸。在接收端,解調(diào)器對(duì)收信機(jī)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào),使其恢復(fù)成調(diào)制前的信號(hào)形式,傳送給信宿。模擬通信傳輸信號(hào)頻帶比較窄,頻帶利用率高。但是模擬通信的缺點(diǎn)也很突出,如抗干擾能力差、保密性差、設(shè)備不易集成、不便于與計(jì)算機(jī)接口等。

圖1.2模擬通信系統(tǒng)組成框圖

信源:信號(hào)來源,即欲傳輸?shù)男盘?hào)。調(diào)制器:將信源發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行頻譜搬移或作某些變換,使之能滿足傳輸信道對(duì)信號(hào)的要求。發(fā)信機(jī):將信號(hào)發(fā)送到傳輸媒介。傳輸媒介:用來傳輸信號(hào)的媒介。收信機(jī):接收來自傳輸媒介的信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)處理。解調(diào)器:對(duì)信道傳輸來的信號(hào)接收、解調(diào),使其恢復(fù)為原來的信號(hào)形式。信宿:信號(hào)的接收者。

1.2.2數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)是指信源、信宿處理的是模擬信號(hào),而傳輸信道為數(shù)字信道的通信系統(tǒng)。通常是指有人參與的數(shù)字通信系統(tǒng)(典型應(yīng)用就是電話交換系統(tǒng)),其系統(tǒng)組成如圖1.3所示。

圖1.3數(shù)字通信系統(tǒng)組成框圖

信源編碼的作用是將信源發(fā)出的模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào),稱為模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)稱為信源碼。信源編碼的另一個(gè)功能是實(shí)現(xiàn)壓縮編碼,使信源碼占用的信道帶寬盡量小。信源碼不適合在信道中直接傳輸,因此要經(jīng)過信道編碼進(jìn)行碼型變換,形成信道碼,以提高傳輸?shù)挠行约翱煽啃?。在接收?信道解碼對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行檢錯(cuò)糾錯(cuò),消除信道編碼插入的冗余碼元。信源譯碼將得到的數(shù)字信號(hào)還原成原始的模擬信號(hào)送給信宿,這一過程稱為數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換。當(dāng)然數(shù)字信號(hào)也可采取頻帶傳輸方式,這時(shí)需用調(diào)制器和解調(diào)器對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,將其頻帶搬移到某個(gè)頻段上,一般利用光纖、微波、衛(wèi)星等信道進(jìn)行傳輸。

與模擬通信系統(tǒng)相比,數(shù)字通信系統(tǒng)有以下特點(diǎn)。

(1)抗干擾能力強(qiáng)、無噪聲積累。(2)便于加密。(3)便于存儲(chǔ)和交換。(4)設(shè)備便于集成化、微型化。(5)便于聯(lián)網(wǎng)。(6)數(shù)字通信占用信道頻帶較寬,信道利用率低。1.2.3數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是指信源、信宿處理的都是數(shù)字信號(hào),而信道既可以是數(shù)字信道也可以是模擬信道的通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常用來實(shí)現(xiàn)機(jī)與機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸,通信過程可自動(dòng)完成,其典型應(yīng)用就是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

數(shù)據(jù)通信是指依據(jù)通信協(xié)議,利用數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)(模擬傳輸或數(shù)字傳輸)在兩個(gè)功能單元之間實(shí)現(xiàn)信息傳遞，數(shù)據(jù)通信離不開計(jì)算機(jī)技術(shù)。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)研究主要包括兩方面內(nèi)容:①研究信道的組成、連接、控制及其使用;②研究信號(hào)如何在信道上傳輸。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)終端、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理三個(gè)子系統(tǒng)組成的。事實(shí)上數(shù)據(jù)終端設(shè)備都是由計(jì)算機(jī)擔(dān)任的,所以數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)實(shí)際上就是計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),也是本教材研究的主要內(nèi)容。如圖1.4所示為數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本組成。

圖1.4數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)基本組成框圖

1.3

信號(hào)與噪聲1.3.1信號(hào)

1.信號(hào)的概念信號(hào)是信息的載體,通常是以某種物理量表現(xiàn)出來的。通信技術(shù)不同,采用的傳輸信號(hào)形式就不同。信號(hào)的特性:信號(hào)必須是可變化、可觀測(cè)和可實(shí)現(xiàn)的某種物理量。

2.信號(hào)的分類和其他物理量類似,信號(hào)的表現(xiàn)形式很多,通常按以下幾種方法分類。

1)按信號(hào)形式分類按照信號(hào)形式的不同,可將信號(hào)分為電信號(hào)和光信號(hào)。電信號(hào)是指以電壓、電流、電磁波等為載體的信號(hào)。光信號(hào)是指利用光線的強(qiáng)弱變化和有光無光作為載體的信號(hào)。光波實(shí)際上也是一種電磁波,因此,我們?cè)谘芯客ㄐ偶夹g(shù)時(shí),就以電信號(hào)為研究對(duì)象,所得結(jié)論同樣適用于光通信。故除非專門說明,本教材中所用到的信號(hào)均指電信號(hào)。

2)按調(diào)制方式分類按照信號(hào)是否經(jīng)過調(diào)制,將信號(hào)分為基帶信號(hào)和頻帶信號(hào)?；鶐盘?hào):信號(hào)頻譜未經(jīng)搬移的基本頻帶信號(hào),即直接攜帶信息、能夠直接傳輸?shù)男盘?hào)。頻帶信號(hào):信號(hào)頻譜經(jīng)過搬移的信號(hào),即經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)。也就是說,將有用信號(hào)調(diào)制到另一載波上的信號(hào)?；鶐盘?hào)由于信號(hào)未經(jīng)調(diào)制,可以直接發(fā)送和接收;而頻帶信號(hào)在發(fā)送端將基帶信號(hào)調(diào)制到載波上,使得載波的某一參量隨傳輸信號(hào)的變化而變化,接收端則要對(duì)其接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào),以便從載波信號(hào)中恢復(fù)出原始信號(hào)。

3)按傳輸方式分類按照信號(hào)傳輸時(shí)采用的介質(zhì)不同,可以分為有線信號(hào)和無線信號(hào)。有線信號(hào):在有線信道上傳輸?shù)男盘?hào)。無線信號(hào):在無線信道上傳輸?shù)男盘?hào)。通常由于采用的傳輸信道不同,對(duì)信號(hào)的處理和轉(zhuǎn)換方法也就不同。

4)按信號(hào)特點(diǎn)分類依據(jù)信號(hào)變化是否有周期性可將信號(hào)分為周期信號(hào)和非周期信號(hào)。周期信號(hào):按照一定周期重復(fù)出現(xiàn)的信號(hào)?？捎胒(t)=f(t+nT)表示周期為T的信號(hào),如正弦信號(hào)。非周期信號(hào):不滿足周期信號(hào)特征的所有信號(hào)稱為非周期信號(hào)。

5)按信號(hào)變化分類依據(jù)信號(hào)變化是否具有規(guī)律性，可將信號(hào)分為確定信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)。確定信號(hào):信號(hào)某些參量具有一定規(guī)律性,按照其規(guī)律可以預(yù)測(cè)信號(hào)的變化,如正弦信號(hào)。隨機(jī)信號(hào):信號(hào)變化是隨機(jī)的,沒有任何規(guī)律,如語音信號(hào)。當(dāng)然，從嚴(yán)格意義上講,我們要傳輸?shù)男盘?hào)都是隨機(jī)信號(hào),否則,傳輸信號(hào)就沒有意義了。

6)按信號(hào)特征分類依據(jù)信號(hào)幅值是否連續(xù)，可將信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。信號(hào)波形特征可用兩個(gè)物理量來表示,即時(shí)間和幅值。模擬信號(hào):幅值連續(xù)的信號(hào)。幅值連續(xù)是指在某一取值范圍內(nèi),信號(hào)可以取無限多個(gè)值。另一參量是時(shí)間,我們將時(shí)間連續(xù)的信號(hào)稱為連續(xù)信號(hào),如圖1.5(a)所示。將時(shí)間不連續(xù)但幅值仍連續(xù)的信號(hào)稱為離散信號(hào)。由于離散信號(hào)的幅值仍然連續(xù),因此,離散信號(hào)仍然屬于模擬信號(hào)。如圖1.5(b)所示的PAM(PulseAmplitudeModulation)信號(hào)也是模擬信號(hào)。

圖1.5模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)(a)連續(xù)信號(hào);(b)PAM信號(hào);(c)二進(jìn)制信號(hào);(d)四進(jìn)制信號(hào)

1.3.2噪聲

1.噪聲的概念在通信系統(tǒng)中,噪聲的概念與我們通常所說的噪聲含義基本相同,只不過形式有所不同而已。我們將信號(hào)傳輸過程中不攜帶有用信息的所有信號(hào)統(tǒng)稱為噪聲,即噪聲是對(duì)有用信號(hào)以外所有信號(hào)的統(tǒng)稱。噪聲包含兩個(gè)部分,一部分會(huì)對(duì)有用信號(hào)產(chǎn)生影響,如頻譜在系統(tǒng)頻帶內(nèi)的噪聲；另一部分不會(huì)對(duì)有用信號(hào)產(chǎn)生影響,如頻譜在通信系統(tǒng)頻帶之外的噪聲。當(dāng)然，在通信系統(tǒng)中,我們只研究會(huì)對(duì)有用信號(hào)產(chǎn)生影響的這類噪聲。噪聲是限制通信系統(tǒng)性能的主要因素之一。

2.噪聲的分類

1)熱噪聲熱噪聲是由于信道使用的導(dǎo)體中帶電粒子的布朗運(yùn)動(dòng)而引起的噪聲。我們通常所說的信號(hào)流過導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生損耗就是由熱噪聲造成的。

熱噪聲是溫度的函數(shù),存在于絕對(duì)零度以上的導(dǎo)體中,其能量分布于整個(gè)頻譜上(很寬的頻率范圍),因此也叫白噪聲。在通信系統(tǒng)中,熱噪聲無法消除,因此,熱噪聲是決定通信系統(tǒng)性能上限的主要因素。

下面介紹熱噪聲的計(jì)算。我們將系統(tǒng)在1Hz帶寬內(nèi)熱噪聲源的噪聲功率稱為噪聲功率密度N0,它是溫度的函數(shù),即

N0＝k·T

(1.1)式中：N0為噪聲功率密度，單位為W/Hz;k為波爾茲曼常數(shù)，單位為J/K,k=1.380658×10-23(J/K);T為熱噪聲源的絕對(duì)溫度。例如,在室溫為20℃(絕對(duì)溫度T＝293.15K)的實(shí)驗(yàn)室,熱噪聲功率密度N0為

N0＝k·T＝1.380658×10-23×293.15＝4.047×10-21(W/Hz)由于噪聲與頻率無關(guān),因此在系統(tǒng)帶寬為BHz的系統(tǒng)內(nèi),其熱噪聲功率N為

N=N0·B＝k·T·B(W)(1.2)在通信系統(tǒng)中,為了描述方便,通常采用分貝瓦表示熱噪聲功率,即

N=10lg(k·T·B)=10lgk+10lgT+10lgB

N=-228.6+10lgT+10lgB(dB·W)

上式說明:在系統(tǒng)中,只要溫度T和系統(tǒng)帶寬B確定,系統(tǒng)中熱噪聲功率也就確定了。

2)交調(diào)噪聲當(dāng)多個(gè)頻率成分的信號(hào)共用一個(gè)傳輸媒介時(shí),就可能發(fā)生信號(hào)之間相互調(diào)制,在輸出端產(chǎn)生的附加頻率分量對(duì)有用信號(hào)的干擾稱為交調(diào)噪聲。如頻率為f0和f1的兩個(gè)信號(hào)在同一信道中傳輸,就可能產(chǎn)生f0＋f1等一系列新的頻率成分,這些新的頻率成分就是交調(diào)噪聲。我們可以通過采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段來消弱交調(diào)噪聲。如采用濾波器、校正網(wǎng)絡(luò)等方法都可減小交調(diào)噪聲對(duì)信號(hào)的影響。

3)串音一個(gè)通道的信號(hào)在另一通道內(nèi)產(chǎn)生的干擾稱為串音。串音是由于信道之間存在某種耦合而產(chǎn)生的,因此,可以通過改善信道性能、提高信道質(zhì)量、限制信道入口功率電平等方法來減小串音對(duì)傳輸信號(hào)的影響。

4)脈沖噪聲前述幾種噪聲總的來講還是有章可循的,而脈沖噪聲是一種隨機(jī)噪聲,其特點(diǎn)是沒有規(guī)律、隨機(jī)出現(xiàn)、強(qiáng)度較大、持續(xù)時(shí)間短、對(duì)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)影響大。在模擬通信系統(tǒng)中,由于存在大量濾波器,因此脈沖噪聲對(duì)模擬通信系統(tǒng)的影響較小。如在電話系統(tǒng)的通話過程中,我們幾乎感覺不到有0.01s的脈沖噪聲,而對(duì)于一個(gè)通信速率為9600b/s的數(shù)字通信系統(tǒng)而言,結(jié)果就完全不同了,這時(shí)會(huì)影響

9600b/s×0.01s＝96bit1.3.3信噪比我們將系統(tǒng)信號(hào)功率PS與噪聲功率PN之比定義為信噪比,記為S/N。在工程應(yīng)用中,我們最關(guān)心的是接收端的信號(hào)質(zhì)量,因此,一般是在接收端檢測(cè)信噪比。信噪比是影響信號(hào)傳輸上限速率的重要指標(biāo)(詳見3.3.1節(jié)香農(nóng)定律)。為了描述和測(cè)量方便，常用分貝表示信噪比。

(1.4)S/N越大,說明信道質(zhì)量越好,接收端恢復(fù)信號(hào)就越容易。

1.4通信方式

1.4.1通信方式分類

(1)按通信對(duì)象數(shù)量的不同,通信方式可分為點(diǎn)到點(diǎn)通信、一點(diǎn)到多點(diǎn)通信和多點(diǎn)到多點(diǎn)通信三種方式。

(2)按通信終端之間的連接方式不同，通信方式可分為直通方式和交換方式。直通方式的通信雙方直接用專線連接;而交換方式的通信雙方必須經(jīng)過交換機(jī)才能連接起來,如電話系統(tǒng)。

(3)按數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)捻樞虿煌?通信方式又有串行通信與并行通信之分。

1.4.2常用通信方式

1.并行通信并行通信的數(shù)據(jù)在整個(gè)傳輸過程中并排前進(jìn),有多少條數(shù)據(jù)線就能同時(shí)傳送多少位數(shù)據(jù)。并行通信的特點(diǎn)是硬件連線多、傳送速率高,一般適用于近距離、高速率的通信領(lǐng)域,如計(jì)算機(jī)主板與硬盤、打印機(jī)等之間的通信。圖1.6(a)是并行通信示意圖。

2.串行通信串行通信的數(shù)據(jù)在傳輸過程中一位一位地串行傳輸,硬件連接比較簡(jiǎn)單。最簡(jiǎn)單時(shí)只需3根連線即可實(shí)現(xiàn)串行通信。相對(duì)于并行通信來講其通信速率低,一般適用于短距離數(shù)據(jù)通信。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常采用串行通信方式。圖1.6(b)是串行通信示意圖。在串行通信中,按同步方式的不同,又分為同步通信和異步通信。

圖1.6并行通信與串行通信(a)并行通信；(b)串行通信

3.異步通信異步通信(AsynchronousCommunication)是指數(shù)據(jù)通常以字符為單位組成字符幀的傳送方式。字符幀由發(fā)送端一幀一幀地發(fā)送,一幀數(shù)據(jù)低位在前,高位在后,通過傳輸線被接收端一幀一幀地接收。發(fā)送端和接收端可以由各自獨(dú)立的時(shí)鐘來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收,這兩個(gè)時(shí)鐘彼此獨(dú)立。接收端是依靠字符幀格式來判斷發(fā)送端是何時(shí)開始發(fā)送,何時(shí)發(fā)送結(jié)束的,其基本特征是每個(gè)字符幀必須用起始位和停止位作為字符幀開始和結(jié)束的標(biāo)志。字符幀格式是異步通信的一個(gè)重要指標(biāo)。字符幀(CharacterFrame)也叫字符格式或數(shù)據(jù)幀。它由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位等4部分組成,如圖1.7所示。

圖1.7串行異步傳送的字符格式(a)無空閑位的字符格式；(b)有空閑位的字符格式

(1)起始位:位于字符幀開頭,只占一位,為邏輯0,低電平。用起始位表示發(fā)送端開始發(fā)送一幀數(shù)據(jù)信號(hào),是字符幀的起始標(biāo)志。

(2)數(shù)據(jù)位:緊跟在起始位之后的便是數(shù)據(jù)位,用戶根據(jù)情況可設(shè)置數(shù)據(jù)位為5位、6位、7位或8位,低位在前，高位在后。

(3)奇偶校驗(yàn)位:位于數(shù)據(jù)位之后,占1位,用來作為一幀數(shù)據(jù)的奇/偶校驗(yàn)位。

(4)停止位:位于字符幀最后,為邏輯1,高電平。通?？稍O(shè)置停止位為1位、1.5位或2位,用于向接收端表示一幀字符信息已經(jīng)發(fā)送完畢,是字符幀的結(jié)束標(biāo)志。

例如:設(shè)定串行傳送的字符格式為1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位偶校驗(yàn)位和1位停止位。用該格式分別串行傳送字符“B”和“C”的字符幀結(jié)構(gòu),如圖1.8所示。

圖1.8“B”和“C”的字符幀結(jié)構(gòu)(a)“B”的字符幀結(jié)構(gòu);(b)“C”的字符幀結(jié)構(gòu)

字符“B”的ASCII碼為1000010B,發(fā)送的8位數(shù)據(jù)位為:01000010B,采用偶校驗(yàn),所以校驗(yàn)位為0。字符“C”的ASCII碼為1000011B,發(fā)送的8位數(shù)據(jù)位為:01000011B,采用偶校驗(yàn),由于1的個(gè)數(shù)為奇數(shù),所以校驗(yàn)位為1。通信時(shí)要求發(fā)送端與接收端的波特率必須一致。異步通信傳輸效率不高,因此只適用于數(shù)據(jù)量不是太大的應(yīng)用場(chǎng)所。

4.同步通信同步通信(SynchronousCommunication)是將一大批數(shù)據(jù)分成若干個(gè)數(shù)據(jù)塊,數(shù)據(jù)塊之間用同步字符隔開,而傳輸?shù)母魑欢M(jìn)制碼之間都沒有間隔。即同步通信是一種連續(xù)串行傳送數(shù)據(jù)的通信方式,一次通信可傳輸一幀數(shù)據(jù)。這里的數(shù)據(jù)幀和異步通信的字符幀不同,其數(shù)據(jù)塊通常由若干個(gè)數(shù)據(jù)字符組成,如圖1.9所示。圖1.9(a)為單同步字符幀結(jié)構(gòu),圖1.9(b)為雙同步字符幀結(jié)構(gòu)。其一幀由同步字符、數(shù)據(jù)塊和校驗(yàn)字符三部分組成。在同步通信中,同步字符是由通信規(guī)約確定的。

圖1.9同步通信的格式(a)單同步字符幀；(b)雙同步字符幀

5.串行通信數(shù)據(jù)傳送的三種方式

根據(jù)信號(hào)傳輸方向與傳輸時(shí)間的不同,串行通信有三種通信方式:單工通信、雙工通信和半雙工通信,如圖1.10所示。

單工通信(Simplex):信號(hào)只能從甲方向乙方單向傳輸,甲方只能發(fā)信,乙方只能收信。比如廣播電臺(tái)與收音機(jī)、電視臺(tái)與電視機(jī)的通信(點(diǎn)到多點(diǎn))、遙控玩具、航模(點(diǎn)到點(diǎn))、尋呼系統(tǒng)等均屬此類。

雙工通信(Full-Duplex):信號(hào)能夠同時(shí)雙向傳輸,每一方都能同時(shí)進(jìn)行收信與發(fā)信,比如普通電話、手機(jī)、RS-232C通信接口等。半雙工通信(Half-Duplex):信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)雙向傳輸,但在任一時(shí)刻,信號(hào)只能單向傳輸,或從甲方傳向乙方,或從乙方傳向甲方,不能同時(shí)雙向傳送。其設(shè)備比雙工通信的設(shè)備簡(jiǎn)單、輕便。比如對(duì)講機(jī)、收發(fā)報(bào)機(jī)以及問詢、檢索等之間的通信均為半雙工通信。

圖1.10串行通信數(shù)據(jù)傳送的三種方式

1.5通信協(xié)議的概念

1.通信協(xié)議的內(nèi)容一般來講,通信協(xié)議由下列三部分組成。

(1)語法:規(guī)定通信雙方“如何講”。如規(guī)定數(shù)據(jù)控制信息的結(jié)構(gòu)或格式,確定協(xié)議元素的格式,包括數(shù)據(jù)格式、信號(hào)類型和信號(hào)電平等。

(2)語義:規(guī)定通信雙方“講什么”,即確定協(xié)議元素的類型和內(nèi)容,包括用于相互協(xié)調(diào)及差錯(cuò)處理的控制信息。如規(guī)定通信雙方要發(fā)出何種控制信息、執(zhí)行什么動(dòng)作和返回什么信息等。

(3)定時(shí)關(guān)系:規(guī)定信號(hào)的傳輸速率、事件執(zhí)行的順序和時(shí)序等。如規(guī)定正確的應(yīng)答關(guān)系等。

2.通信協(xié)議的功能由于數(shù)據(jù)通信是機(jī)器之間的通信,因此通信協(xié)議應(yīng)規(guī)范得十分詳盡才能保證通信的正常進(jìn)行,所以協(xié)議是一個(gè)復(fù)雜和龐大的通信規(guī)則的集合。其主要功能如下所述。

(1)信號(hào)的傳送與接收。規(guī)定信息傳送的速率、信息格式、接口標(biāo)準(zhǔn)及啟動(dòng)控制、結(jié)束控制、超時(shí)控制等功能。

(2)差錯(cuò)控制。使構(gòu)成傳輸數(shù)據(jù)的源碼或源碼組是一組具有一定關(guān)聯(lián)性的數(shù)據(jù)信號(hào),以便進(jìn)行相應(yīng)的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)操作。

(3)順序控制。對(duì)發(fā)送的信息進(jìn)行編號(hào),以免重復(fù)接收或丟失。

(4)透明性。對(duì)用戶終端所使用的數(shù)據(jù)代碼無任何約束性的限制,即保證用戶使用編碼的獨(dú)立性與傳輸?shù)耐该餍浴?/p>

(5)鏈路控制與通信管理。在全雙工、半雙工和多點(diǎn)線路等多種線路方式中,確定哪個(gè)站發(fā)送,哪個(gè)站接收,在多個(gè)用戶同時(shí)呼叫的場(chǎng)合如何對(duì)其擇優(yōu)控制。

(6)流量控制。為保證接收方和發(fā)送方在速率上的匹配而采用的控制方法。

(7)路徑選擇。確定信息如何通過多個(gè)節(jié)點(diǎn)和鏈路到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的傳送路徑和最優(yōu)的路徑選擇策略。

(8)對(duì)話控制。信息處理、信息安全和保密、應(yīng)用服務(wù)等內(nèi)容。上述功能實(shí)際上包含了從物理線路電氣特性一直到各計(jì)算機(jī)進(jìn)程之間共享資源的全部?jī)?nèi)容。要通過一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)上述功能絕非易事。將這種比較復(fù)雜的大任務(wù)分解成若干個(gè)較為簡(jiǎn)單的子任務(wù),進(jìn)而逐個(gè)加以解決,再將各個(gè)子任務(wù)組合起來,就構(gòu)成了完整的通信協(xié)議。

1.6數(shù)據(jù)傳輸信道

1.6.1傳輸信道概述

1.狹義信道能夠傳輸信號(hào)的任何抽象的或具體的通道稱為狹義信道，即只包括傳輸信道,也就是我們通常所說的傳輸信道。一般情況下,沒有特殊說明,我們所說的信道就是指狹義信道。

2.廣義信道

將傳輸媒介和完成各種形式的信號(hào)轉(zhuǎn)化的設(shè)備統(tǒng)稱為廣義信道,即從信源到信宿之間的所有設(shè)備。為了研究方便,通常將廣義信道分為調(diào)制信道和編碼信道,如圖1.11所示。調(diào)制信道:發(fā)送端調(diào)制器輸出端口至接收端解調(diào)器輸入端口之間的所有設(shè)備稱為調(diào)制信道。用調(diào)制信道這一名詞來研究調(diào)制解調(diào)之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換較為方便。編碼信道:為了研究編碼技術(shù),將發(fā)送端編碼器的輸出端口至接收端譯碼器的輸入端口之間所包含的所有設(shè)備稱為編碼信道。

圖1.11廣義信道與狹義信道

1.6.2信道分類

1.模擬信道和數(shù)字信道按照信道上允許傳輸?shù)男盘?hào)類型,可將信道分為模擬信道和數(shù)字信道。模擬信道只允許傳輸模擬信號(hào),如廣播、電視系統(tǒng)。數(shù)字信道只允許傳輸數(shù)字信號(hào),如數(shù)字電話信道。顯然,利用數(shù)字信道傳輸數(shù)據(jù),只要解決數(shù)據(jù)終端與數(shù)字信道之間的接口即可;而利用模擬信道傳輸數(shù)字信號(hào),則要用調(diào)制解調(diào)器,使得原始數(shù)據(jù)信號(hào)適合于模擬信道的傳輸特性。

2.單工、半雙工、全雙工信道

數(shù)據(jù)通信一般是需要雙向進(jìn)行的,能否實(shí)現(xiàn)雙向通信是衡量信道性能的一個(gè)重要方面。如1.4節(jié)所述,按照信道上信號(hào)傳送方向與時(shí)間的關(guān)系,可將串行通信分為單工、半雙工和全雙工等三種傳輸方式,與之相對(duì)應(yīng)的信道也可分為單工、半雙工和全雙工信道。

3.專用(租用)信道和公共交換信道按照使用信道的方法可分為專用(租用)信道和公共交換信道。專用(租用)信道是指連接兩點(diǎn)或多點(diǎn)的專用線路。它可能是由用戶自行架設(shè)的,也可能是由電信局架設(shè),用戶向其租用的,但與公共交換網(wǎng)不發(fā)生關(guān)系。公共交換信道是一種通過交換機(jī)轉(zhuǎn)接的，可為大量用戶服務(wù)的信道。采用這種信道,用戶之間的通信可能要經(jīng)過多次轉(zhuǎn)接,且路徑是由交換機(jī)隨時(shí)處理的。公共電話交換網(wǎng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)均屬這種類型的信道。

4.有線信道和無線信道

按照信道采用傳輸媒介的不同,信道可分為有線信道和無線信道。有線信道是以有形的導(dǎo)向性傳輸媒介為傳輸介質(zhì)的信道。有線信道的傳輸媒介包括雙絞線、同軸電纜和光纜等。無線信道是以非導(dǎo)向性傳輸媒介(即宇宙空間)為傳輸介質(zhì)的信道。無線信道包括地波傳播、短波電離層反射、超短波及微波視距傳播、衛(wèi)星中繼、超短波電離層散射、超短波超視距繞射、紅外線傳播、光波視距傳播等。

5.恒參信道和隨參信道恒參信道:信道參量恒定不變的信道。在實(shí)際應(yīng)用中,我們將對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懝潭ú蛔兓蜃儞Q極為緩慢的信道稱為恒參信道，如有線信道、光纖等。隨參信道:信道參量隨時(shí)變化的信道。在實(shí)際應(yīng)用中,我們將對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊戨S時(shí)變化的信道稱為隨參信道,如無線信道。為了設(shè)計(jì)適合于數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺?必須充分了解各種傳輸媒介的特點(diǎn)及有關(guān)信道設(shè)備的參數(shù)。在某些數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)量不太大的場(chǎng)合,利用現(xiàn)有信道來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸是一種既經(jīng)濟(jì)又可行的方案,問題在于必須充分了解現(xiàn)有信道對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的影響和限制。

1.6.3信號(hào)的傳輸形式

1.模擬信號(hào)在模擬信道上傳輸由于模擬信道只能傳送模擬信號(hào),因此在模擬信道上可以直接傳送模擬信號(hào)或?qū)⒛M信號(hào)調(diào)制到載波上進(jìn)行傳輸。其典型應(yīng)用是話音信號(hào)在普通的廣播系統(tǒng)中的傳輸。一般人的語音頻率范圍是300～3400Hz,為了進(jìn)行傳輸,在線路上給它分配一定的帶寬,國際標(biāo)準(zhǔn)取4kHz為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)話路所占用的頻帶寬度。在這個(gè)傳輸過程中,語音信號(hào)以300～3400Hz的頻率輸入,發(fā)送方的麥克風(fēng)將這個(gè)語音信號(hào)轉(zhuǎn)變成模擬電信號(hào),這個(gè)模擬信號(hào)經(jīng)過調(diào)制器調(diào)制到電臺(tái)的載波頻率上,由發(fā)送機(jī)發(fā)送到傳輸信道。接收端再經(jīng)過一個(gè)濾波、檢波把它恢復(fù)到原來的頻率范圍的模擬信號(hào),由接收方收音機(jī)把模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲音信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)在模擬信道上的傳輸,如圖1.12所示?，F(xiàn)在的廣電系統(tǒng)仍采用模擬通信系統(tǒng)。

圖1.12模擬信號(hào)在模擬信道上傳輸

2.數(shù)字信號(hào)在模擬信道上傳輸

如圖1.13所示為數(shù)字信號(hào)在模擬信道上的傳輸過程。計(jì)算機(jī)等終端設(shè)備都是數(shù)字設(shè)備,它們只能接收和發(fā)送數(shù)字信號(hào),而模擬信道如電話傳輸系統(tǒng)只能傳輸模擬信號(hào),所以這個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)要進(jìn)入到模擬信道就要有一個(gè)變換器進(jìn)行數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換,以便能在模擬信道上傳輸。這樣的一個(gè)變換過程稱為調(diào)制(注意:這個(gè)調(diào)制過程并不改變數(shù)據(jù)的內(nèi)容,只是改變了數(shù)據(jù)的表示形式),這個(gè)變換器就叫調(diào)制器。當(dāng)調(diào)制后的模擬信號(hào)傳到接收端以后,在接收端也有一個(gè)變換器再對(duì)這個(gè)信號(hào)進(jìn)行反變換,即又把它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),這樣的一個(gè)變換過程稱為解調(diào),這個(gè)變換器就叫解調(diào)器。由于計(jì)算機(jī)等終端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信一般是雙向的,因此在數(shù)據(jù)通信的雙方既要有用于發(fā)送信號(hào)的調(diào)制器又要有用于接收信號(hào)的解調(diào)器,實(shí)際系統(tǒng)中是把這兩個(gè)設(shè)備合在一起形成一個(gè)整體,也就是我們通常所說的調(diào)制解調(diào)器(MODEM參見9.2節(jié))。調(diào)制解調(diào)器能夠使用一條標(biāo)準(zhǔn)話路提供全雙工的數(shù)字信道。

圖1.13數(shù)字信號(hào)在模擬信道上傳輸

圖1.14幾種鍵控信號(hào)

(1)幅值鍵控(ASK,AmplitudeShiftKeying),即載波的振幅隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。例如,“0”對(duì)應(yīng)于無載波輸出,而“1”對(duì)應(yīng)于有載波輸出。

(2)頻移鍵控(FSK,FrequencyShiftKeying),即載波的頻率隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。例如,“0”對(duì)應(yīng)于頻率f0,而“1”對(duì)應(yīng)于頻率f1。

(3)相移鍵控(PSK,PhaseShiftKeying),即載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。例如,“0”對(duì)應(yīng)的相位為0,而“1”對(duì)應(yīng)的相位為π。

3.模擬信號(hào)在數(shù)字信道上傳輸用數(shù)字信道傳輸模擬信號(hào)時(shí),需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,如常用的脈沖編碼調(diào)制(PCM,PulseCodeModulation)。PCM最初并不是為傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)而只是為了能使電話局之間的一條中繼線可以同時(shí)傳送幾十路電話信號(hào)而設(shè)計(jì)的。PCM是將模擬電話信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)的過程,所以首先要對(duì)電話信號(hào)進(jìn)行抽樣。根據(jù)抽樣定理,只要抽樣頻率不低于電話信號(hào)最高頻率的2倍,就可以從取樣的脈沖信號(hào)中無失真地恢復(fù)出原來的電話信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)的電話信號(hào)的最高頻率為3.4kHz,為了保留隔離頻帶,取最高頻率為4kHz,那么抽樣頻率為8kHz,即每秒鐘采樣8000次,相當(dāng)于抽樣周期為125μs,下一步是對(duì)抽樣值信號(hào)量化和編碼,從而將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),以實(shí)現(xiàn)在數(shù)字信道上傳輸。接收端再經(jīng)過解調(diào)和低通濾波實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換,恢復(fù)原模擬信號(hào)送到信宿,如圖1.15所示。我國使用的PCM體制,電話信號(hào)采用8bit編碼。

圖1.15模擬信號(hào)在數(shù)字信道上傳輸

4.數(shù)字信號(hào)在數(shù)字信道上傳輸數(shù)字信號(hào)在數(shù)字信道上傳輸?shù)牡湫蛻?yīng)用是兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的通信,即把兩個(gè)計(jì)算機(jī)通過串行口或并行口直接相連,利用操作系統(tǒng)提供的通信程序或自編程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)字傳輸,如圖1.16所示。通信雙方發(fā)出的信號(hào)和接收的信號(hào)以及在信道上所傳輸?shù)男盘?hào)都是數(shù)字信號(hào)。當(dāng)然,我們要利用其他數(shù)字信道,就要對(duì)被傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行信道編碼,以滿足傳輸信道對(duì)信號(hào)形式的要求。

圖1.16數(shù)字信號(hào)在數(shù)字信道上傳輸

1.7數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)

1.7.1有效性

1.信息傳輸速率信息傳輸速率簡(jiǎn)稱傳信率,也叫數(shù)碼率(常用fB表示),其定義為:每秒所能傳輸?shù)男畔⒘?。信息量是消息多少的一種度量,消息的不確定性程度越大,則其信息量越大。信息量的度量單位為“比特”(bit)。在滿足一定條件下,一個(gè)二進(jìn)制碼元(一個(gè)“1”或一個(gè)“0”)所含的信息量是一個(gè)“比特”(條件為:隨機(jī)的、各個(gè)碼元獨(dú)立的二進(jìn)制序列,且“0”和“1”等概率出現(xiàn)),所以信息傳輸速率的定義也可以說成是:1秒所傳輸?shù)亩M(jìn)制碼元數(shù),其單位為bit/s(b/s)

。

信息速率(或數(shù)碼率)的物理意義有兩條:一是它反映了數(shù)字信號(hào)的傳輸速率;二是數(shù)碼率的數(shù)值代表數(shù)字信號(hào)(二進(jìn)制時(shí))的帶寬,即數(shù)字信號(hào)的帶寬約等于fB。

2.符號(hào)速率符號(hào)速率也叫碼元速率,其定義為:1秒所傳輸?shù)拇a元數(shù)目(這里的碼元可以是多進(jìn)制的,也可以是二進(jìn)制的),其單位為“波特”(Band,Bd)。

式中：T為碼元寬度,單位為s。一般將二進(jìn)制碼元稱為代碼。符號(hào)(或碼元)與代碼的關(guān)系為:一個(gè)符號(hào)＝lbM個(gè)代碼,或者說,一個(gè)符號(hào)要用lbM個(gè)代碼來表示(M為進(jìn)制數(shù)或電平數(shù))。

綜上所述,很容易得出信息傳輸速率R與符號(hào)速率N的關(guān)系為

R＝NlbM

可見,二進(jìn)制時(shí),信息傳輸速率與符號(hào)速率相等:R2=N2。

例1.1

設(shè)數(shù)據(jù)碼元寬度為833×10-6s,若采用8電平傳輸,試求符號(hào)速率N和信息速率R。

解碼元寬度T=833×10-6s符號(hào)速率

現(xiàn)采用8電平傳送，即M=8。信息速率

R＝NlbM＝1200×lb8=3600b/s

3.頻帶利用率

在比較不同數(shù)字通信系統(tǒng)的效率時(shí),單看它們的傳輸速率是不夠的,或者說即使兩個(gè)系統(tǒng)的傳輸速率相同,它們的效率也可能不同,還要看傳輸這種信息所占的信道頻帶的寬度。通信系統(tǒng)所占用的頻帶愈寬,傳輸信息的能力就應(yīng)該愈大。所以真正用來衡量數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸效率的指標(biāo)(有效性)應(yīng)當(dāng)是單位頻帶內(nèi)的傳輸速率,即頻帶利用率:(1.6)或

(1.7)式中:N為符號(hào)速率,單位為Bd;R為信息速率,單位為b/s；B為系統(tǒng)帶寬,單位為Hz。1.7.2可靠性指標(biāo)通常用誤碼率來描述數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性。數(shù)字信號(hào)在傳輸過程中,當(dāng)噪聲干擾太大時(shí),就會(huì)產(chǎn)生誤碼,即“1”碼誤成“0”碼,或“0”碼誤成“1”碼。誤碼率是用來衡量誤碼多少的指標(biāo)。數(shù)據(jù)通信的目的在于使接收端獲得正確的