212数据通信中的主要技术指标

$2.1.2数据通信的任务是传输数据信息,期望到达传输速度快、出错率低、信息量大、牢靠性高,并且既经济又便于使用维护。这些要求可以用以下技术指标加以描述。数据传输速率所谓数据传输速率,是指每秒能传输的二进制信息位数,单位为位/秒(bitspersec-ond)bpsb/s,它可由下式确定:R=1/T·logN (bps)2式中T为一个数字脉冲信号的宽度(全宽码状况)或重复周期(归零码状况),单位为秒。一个数字脉冲也称为一个码元,N为一个码元所取的有效离散值个数,也称调制电平数,N201值,则该码元只能携带一位(bit)二进制信息;假设一个码元可00、01、10和11四种离散值,则该码元就能携带两位二进制信息。以此类推,假设一个码元可取N种离散值,则该码元logN2当一个码元仅取两种离散值时,R=(1/T),表示数据传输速率等于码元脉冲的重复频率。由此,可以引出另一个技术(Baud)。信号传输速率表示单位时间内通过信道传输的码元个数,也就是信号经调制后的传输速率。假设信TB=1/T (Baud)在有些调幅和调频方式的调制解调器中,一个码元对应于一位二进制信息,即一个码元;,有两种有效离散值,此时中,一个码元对应于两位二进制信息,即一个码元有四种有效离散值,此时调制速率只是数据传输速率的一半。由以上两式合并可得到调制速率和数据传输速率的对应关系式:R=B·logN (bps)2B=R/logN(Baud)2一般在二元调制方式中,R和B都取同一值,习惯上二者是通用的。但在多元调制的状况下,必需将它们区分开来。例如承受四相调制方式,即N=4,且T=833×10-6秒,则可求出数据传输速率为:R=1/T·logN=1/(833×10-6)·log4=2400(bps)2 2而调制速率为：B=1/T=1/(833×10-6)=1200(Baud)通过上例可见,虽然数据传输速率和调制速率都是描述通信速度的指标,但它们是完全不同的两个概念。打个比方数据传输速率便是单位时间里经过的卡车所装运的货物箱数。假设一车装一箱货物,则单位时间经过的卡车数与单位时间里卡车所装运的货物箱数相等,如果一车装多箱货物,则单位时间经过的卡车数便小于单位时间里卡车所装运的货物箱数。信道容量信道容量表征一个信道传输数据的力气,单位也用位/秒(bps道的最大数据传输速率,是信道传输数据力气的极限,而后者则表示实际的数据传输速率。这就像大路上的最大限速值与汽车实际速度之间的关系一样,它们虽然承受一样的单位;但表征的是不同的含义。奈奎斯特(Nyquist)首先给出了无噪声状况下码元速率的极BHB=2·H (Baud)其中,H限频率的差值,单位为HZ。由此可推出表征信道数据传输力气的奈奎斯特公式:C=2·H·logN (bps)2此处,N照旧表示携带数据的码元可能取的离散值的个数,C即是该信道最大的数据传输速率。由以上两式可见,对于特定的信道,其码元速率不行能超过信道带宽的两倍,但假设能提高每个码元可能取的离散值路的带宽约为3KHz,则其码元速率的极限值为6kBaud个码元可能取的离散值的个数为16(即N=16),则最大数据传输速率可达C=2×3k×log16=24kbps。2实际的信道总要受到各种噪声的干扰,香农(Shannon)则进一步争论了受随机噪声干扰的信道的状况,给出了计算信道容量的香农舍式:C=H·log(1+S/N) (bps)2其中,S表示信号功率,N为噪声功率,S/N则为信噪比。由于实际使用的信道的信噪比都要足够大,故常表示成10log(S/N),以分贝(dB)为单位来计量,在使用时要特别注10意。例如,信噪比为30dB,带宽为3kHZ的信道的最大数据传输速率为:C=3k×log2(1+1030/10)=3k×log2(1+1001)=30kbps.由此可见,只要提高信道的信噪比,便可提高信道的最大数据传输速率。需要强调的是,上述两个公式计算得到的只是信道数据传输速率的极限值,实际使用时必需留有充分的余地。误码率误码率是衡量数据通信系统在正常工作状况下的传输牢靠性的指标,它定义为二进制数据位传输时出错的概率。设传输的二进制数据总数为NN,则误e码率表示为:P=N/Ne e计算机网络中,一般要求误码率低于10-9,即平均每传输109位数据仅允许错一位。可假设误码率达不到这个指标,可以通过过失把握方法进展检错和纠错。$2.1.3通信方式在计算机内部各部件之间、计算机与各种外部设备之间及计算机与计算机之间都是以通信的方式传递交换数据信息的。通信有两种根本方式,即串行方式和并行方式。通常状况下,并行方式用于近距离通信,串行方式用于距离较并行通信方式在并行数据传输中有多个数据位,例如8个数据位(如图2.3所示),同时在两个设备之间传输。发送设备将8个数据位通过8条数据线传送给接收设备,还可附加一位数据校验位。接收设备可同时接收到这些数据,不需做任何变换就可直接使用。在计算机内部的数据通信通常以并行方式进展。并行的881616位总线。并行数据总线的物理形式有好几种,但功能都是一样的,例如:计算机内部直接用印刷电路板实现的数据总线、连接软/硬盘驱动器的扁平带状电缆、连接计算机外部设备的圆形多芯屏蔽电缆等。串行通信方式并行传输时,需要一根至少有8条数据线(因一个字节是8的电缆将两个通信设备连接起来。当进展近距离传输时,这传输时,这种方法的线路费用就难以容忍了。这种状况下,使用现成的线来进展数据传输就经济得多了。用线进数据是一位一位地在通信线上传输的,与同时可传输好几位数据的并行传输相比,串行数据传输的速度要比并行传输慢的网络,所以,使用现成的网以串行传输方式通信,对于计算机网络来说具有更大的现实意义。如2.4所示,串行数据传输时,先由具有8内的发送设备,将8行方式,再逐位经传输线到达接收站的设备中,并在接收端将数据从串行方式重转换成并行方式,以供接收方使用。串行通信的方向性构造串行数据通信的方向性构造有三种，单工，半双工，全双工单工数据传输只支持数据在一个方向上传输；半双工数据传输允许数据在两个方向上传输，但是，在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，半双工通信实际上是一种可切换方向的单工通信；全双工数据通信允许数据同时在两个方向上传输,因此全双工通信是两个单工通信方式的结合,它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送力气。移动通信依据通话状态和频率使用分单工，半双工，全双工。在无线工作方式下有单频双频之分。除了模拟数据的模拟信号传输外，数字数据的模拟信号传输，数字数据的数字信号传输和模拟数据的数字信号传输，这三种方法都需要数据表述或者称数据编码。$2.2.1为了利用廉价的公共交换网实现计算机之间的远程通信,必需首先将发送端的数字信号变换成能够在公共网上传输的音频信号,经传输后,再在接收端将音频信号逆变换成对应的数字信号。数字信号变换成音频信号的过程称调制(Modulate),音频信号逆变换成对应数字信号的过程称解调(Demod1date接收数据,所以总把调制和解调功能合做成一个设备,称作调制解调器(MODulaterDEModulater,Modem)。为什么在公共交换网中传输数字信号必需使用调制解调器呢?由于公共交换网是一种频带模拟信道,它的频带范围仅为300Hz~3400Hz,而数字信号由于所含的极其丰富的高次谐波成份使得频宽范围可从Ohz始终延长达几千兆hz,如不加任何措施利用模拟信道来传输数字信号,必定必需将数字信号变换成网所允许的音频频带范围,即300Hz~3400Hz。可以这么说,在最终实现称作综合业务数据网(ISDN)的全球全数字通信系统之前,很大一局部远程数据通信系统仍需要用调制解调器.图2.6给出了使用调制解调器进展远程通信的系统示意图。这里,与调制解调器相连的工作站可以是计算机、远程终端、外部设备甚至局域网。从图中可看出调制解调器将数字信号调制成模拟信号,传输到对方后又将模拟信号解调成数字信号的过程。模拟信号传输的根底是载波,载波具有三大要素,即幅度、频率和相位,数字数据可以针对载波的不同要素或它们的组合进展调制。图2.7给出了数字调制的三种根本形式,ASK(Amplitude-Shiftkeying)FSK(FrequencyShiftkeying)和移相键控法psk在移幅键控法ASK方式下,用载波的两种不同幅度来表示二进制值的两种状态。例如,用幅度恒定的载波的存在表示“1“,而用载波不存在来表示“0“。ASK方式简洁受增益变化的影响,是一种效率相当低的调制技术。在线路上,通1200bps在移频键控法FSK方式下,用载波频率四周的两种不同频率表示二进制的“0“和“1“。在线路上使用FSK可以实现全双工操作,全双工指的是可以同时在两个方向传输数据。为了到达这个目的,可以将频带分为300~1700Hz和1700~3000HZ两个子频带,其中一个用于发送,另一个用于接收。在一个方向上,调制解调器可以用1070Hz和1270Hz两种频率表示“0“和“1“;对于另一个方向,则可以用2025Hz和2225Hz两种频率表示“0“和“1“。由于两套频率相互之间不存在重叠,因此几乎没有什么干扰。在线路上,FSK通常1200bps在移相键控法PSK方式下,利用载波信号相位移动来表示数据。图2.7中是一个二相系统的例子,在这个系统中,用相移为0度的频率表示“0“,用相移为180。(即反相)的频率表示“1“。实际应用中,PSK也可以使用多于二相的相移,例如4种、8种或更多种离散状态,由此使数据传输速率增加到原来的23倍或更多。将信号频率分别移相四种不同角度的移相键控法称为2DPSK,利用这种技术,可以对传输速率起到加倍的作用,例如信号速率为6002DPSK的有效数据速率可为1200bps;将一个信号分别移相8种不同角度的移相键控法称为3DPSK,这种技术假设使用在1600波特的调制解调器上,便可以获得4800bps承受多相PSK可以有效地提高数据传输速率,但受实际传输网的限制,相移数已到达上限,再要提高数据传输速率,只能另寻它法。PSK和ASK技术的结合可以解决这个问题,这种方式称相位幅度调制PAM(PulseAmplitudeModulation)。例如承受12种相位,其中的4种相位每个信2种幅度,这样就得到16种不同的相位幅度离散状态,4位二进制数据,从而大大提高了数