2.3 數(shù)據(jù)傳輸方式

數(shù)據(jù)傳輸方式可以從不同的角度劃分，本節(jié)介紹基帶傳輸與寬帶傳輸，并行傳輸與串行傳輸，單工、半雙工與全雙工傳輸。

2.3.1 基帶傳輸與寬帶傳輸

在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，根據(jù)被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號的特點，數(shù)據(jù)傳輸可分為基帶傳輸與寬帶傳輸，可傳輸數(shù)字信號和模擬信號。

1.基帶傳輸

基帶是指調(diào)制前原始信號所占用的頻帶，是原始電信號所固有的基本頻帶。在信道中直接傳輸基帶信號時，稱為基帶傳輸。基帶傳輸?shù)男盘柤瓤梢允悄M信號，也可以是數(shù)字信號，具體類型由信源決定，目前主要是數(shù)字信號。采用基帶傳輸技術(shù)的系統(tǒng)稱為基帶傳輸系統(tǒng)。

基帶傳輸時，信號的頻帶可以從0頻（相當于直流）到幾百或幾千兆赫茲，要求信道具有較寬（從直流到高頻）的通頻帶。另外，由于傳輸線路的電容對傳輸信號的波形影響很大，使傳輸距離受到限制，一般不大于2.5km，所以當超過該距離時，需接入中繼器對信號進行再生和放大。

在基帶傳輸中，需要對數(shù)字信號進行編碼來表示數(shù)據(jù)。在發(fā)送端，基帶傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過編碼器變換為直接傳輸?shù)幕鶐盘枺缏鼜厮固鼐幋a或差分曼徹斯特編碼信號；在接收端，由解碼器恢復(fù)成與發(fā)送端相同的矩形脈沖信號。

基帶傳輸是一種最簡單、最基本的數(shù)據(jù)傳輸方式。基帶傳輸不需要調(diào)制解調(diào)器，設(shè)備費用少，具有速率高和誤碼率低等優(yōu)點，適合短距離的數(shù)據(jù)傳輸，大多數(shù)的局域網(wǎng)使用基帶傳輸，如以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)。在基帶傳輸中，傳輸介質(zhì)的整個頻帶范圍都用于傳輸基帶信號，通信信道利用率低。基帶傳輸可以利用時分復(fù)用（TDM）實現(xiàn)多路信號復(fù)用，提高傳輸信道的利用率。

2.頻帶傳輸

遠距離通信信道（包括無線信道）多為模擬信道，一般都具有特定的頻帶傳輸特性。例如，傳統(tǒng)的電話信道只適用于傳輸音頻范圍（300～3400Hz）的模擬信號，不適用于直接傳輸頻帶很寬但能量集中在低頻段的數(shù)字基帶信號。因此，數(shù)字信號進行遠距離傳輸時，必須將其轉(zhuǎn)換成可在長途信道（如電話線路）上傳輸?shù)哪M信號，變換后的信號就是頻帶信號。

在信道中直接傳送頻帶信號時，稱為頻帶傳輸。頻帶傳輸解決了利用已有的模擬信道傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)的問題。頻帶傳輸需要將數(shù)字數(shù)據(jù)模擬化，借助于模擬的正弦載波信號，用數(shù)字數(shù)據(jù)調(diào)制載波，使數(shù)字數(shù)據(jù)寄生在載波的某個參數(shù)上，借助于模擬信道進行傳輸。模擬信道主要指電話傳輸系統(tǒng)。

基帶信號與頻帶信號的轉(zhuǎn)換是由調(diào)制解調(diào)技術(shù)完成的。常用的頻帶調(diào)制方式有：頻率調(diào)制、幅度調(diào)制、相位調(diào)制和調(diào)幅加調(diào)相的混合方式。經(jīng)過調(diào)制的信號稱為已調(diào)信號，已調(diào)信號通過線路傳輸?shù)浇邮斩耍?jīng)過解調(diào)恢復(fù)為原始基帶信號。具有調(diào)制、解調(diào)功能的裝置稱為調(diào)制解調(diào)器（MODEM），它是完成數(shù)字信號與模擬信號之間的轉(zhuǎn)換，以利于在模擬線路上傳輸數(shù)字信號的主要設(shè)備。可以說，頻帶傳輸?shù)淖钪饕夹g(shù)就是調(diào)制與解調(diào)。頻帶傳輸在發(fā)送端和接收端都要設(shè)置調(diào)制解調(diào)器。

頻帶傳輸?shù)膬?yōu)點是可以實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)通信；頻帶傳輸不僅克服了目前許多長途電話線路不能直接傳輸基帶信號的缺點，它可以利于現(xiàn)有的大量模擬信道（如電話信道）通信，價格便宜，容易實現(xiàn)，家庭用戶撥號上網(wǎng)就屬于這一類通信。計算機網(wǎng)絡(luò)的遠距離通信通常采用的是頻帶傳輸，現(xiàn)有的電話、模擬電視信號等，都是屬于頻帶傳輸。頻帶傳輸還可以利用頻分復(fù)用（FDM）實現(xiàn)多路復(fù)用，提高通信線路的利用率。它的缺點是速率低，誤碼率高。

3.寬帶傳輸

寬帶是比音頻帶寬（4kHz）更寬的頻帶。它包括大部分的無線電頻譜，可以容納全部的廣播信號，能夠進行高速數(shù)據(jù)傳輸。寬帶信號是將基帶信號進行調(diào)制后的頻分復(fù)用模擬信號。將信道分成多個子信道，分別傳送音頻、視頻和數(shù)字信號，稱為寬帶傳輸；也就是說，它通過借助頻帶傳輸，將鏈路容量分解成兩個或更多的信道，每個信道可以攜帶不同的信號，這就是寬帶傳輸。使用這種寬頻帶傳輸?shù)南到y(tǒng)，稱為寬帶傳輸系統(tǒng)。

對于局域網(wǎng)而言，寬帶是指專門用于使用模擬信號傳輸?shù)耐S電纜，通常還指可以在傳輸介質(zhì)上進行頻分多路復(fù)用方式的傳輸技術(shù)。由于數(shù)字信號的頻帶很寬，必須先將其轉(zhuǎn)換成模擬信號才能在寬帶網(wǎng)絡(luò)中傳輸。寬帶網(wǎng)絡(luò)中的多條信道，通常采用頻帶傳輸技術(shù)，傳輸?shù)氖悄M信號，所以寬帶傳輸系統(tǒng)屬于模擬信號傳輸系統(tǒng)。

一般來說，寬帶傳輸與基帶傳輸相比有以下優(yōu)點：

（1）能在一個信道中傳輸聲音、圖像和數(shù)據(jù)信息，使系統(tǒng)具有多種用途；

（2）一條寬帶信道能劃分為多條邏輯信道，實現(xiàn)多路復(fù)用，因此信道的容量大大增加；

（3）寬帶傳輸比基帶傳輸?shù)木嚯x要遠許多，這是因為在寬帶傳輸中數(shù)字數(shù)據(jù)需要被模擬信號運載傳輸（數(shù)字數(shù)據(jù)的波形加載在模擬信號的波形上進行傳輸），而模擬信號傳輸?shù)木嚯x要比數(shù)字信號遠。

總之，寬帶傳輸一定是采用頻帶傳輸技術(shù)的，但頻帶傳輸不一定就是寬帶傳輸。

局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸分為基帶傳輸和寬帶傳輸兩類。基帶傳輸?shù)男盘栔饕菙?shù)字信號，而寬帶傳輸?shù)氖悄M信號。

2.3.2 并行傳輸與串行傳輸

按照數(shù)據(jù)流的組織方式不同，數(shù)據(jù)傳輸方式分為并行傳輸和串行傳輸。通常情況下，并行傳輸用于短距離、高速率的通信；串行傳輸用于長距離、低速率的通信。

1.并行傳輸

并行傳輸是將8位、16位或32位的數(shù)據(jù)按數(shù)位寬度同時進行傳輸，每個數(shù)位都要有自己的數(shù)據(jù)傳輸線和發(fā)送、接收設(shè)備。如按8位并行傳輸，從發(fā)送端到接收端的信道就需要8根線，如圖2.7所示。并行傳輸?shù)膬?yōu)點是傳輸速率高，收發(fā)雙方不存在同步問題；缺點是傳輸設(shè)備多，線路投資大，而且并行線路間的電平相互干擾也會影響傳輸質(zhì)量，因此不適合較長距離的通信，一般用于距離近（如計算機內(nèi)部、計算機和打印機之間）、傳輸速率要求高的通信中。

2.串行傳輸

在計算機中，通常以8位二進制代碼來表示一個字符。串行傳輸就是在一根數(shù)據(jù)傳輸線上，按照字符所包含的數(shù)位的順序，從低位到高位一位接一位地傳送，到達通信接收裝置后，將串行比特流還原成字符，如圖2.8所示。由于數(shù)據(jù)流是串行的，必須解決收發(fā)雙方如何保持字符同步的問題，否則，在接收端將無法正確區(qū)分每個字符，導(dǎo)致傳輸過來的信息變?yōu)橐淮翢o意義的比特流。在數(shù)字數(shù)據(jù)遠距離傳輸場合，大多采用串行傳輸方式。

顯然，在同樣的時鐘頻率下，與同時傳輸多位數(shù)據(jù)的并行傳輸相比，串行傳輸?shù)乃俣纫芏啵捎诖袀鬏敼?jié)省了大量通信設(shè)備和通信線路，在技術(shù)上更適合遠距離通信。因此，計算機網(wǎng)絡(luò)普遍采用串行傳輸方式。但在實際通信中，通信設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)是并行的，采用串行傳輸時，發(fā)送端需要通過并/串轉(zhuǎn)換器將并行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)流，將其送到信道上傳送，在接收端又通過串/并轉(zhuǎn)換，還原成8位并行數(shù)據(jù)流。

2.3.3 單工、半雙工與全雙工通信

數(shù)據(jù)通信方式按照信號在信道或傳輸介質(zhì)中的傳輸方向可以分為單工通信（Simplex）、半雙工通信（Half-duplex）和全雙工通信（Full-duplex）三種方式。

1.單工通信

所謂單工通信，是指在兩個通信設(shè)備間，信息只能沿著一個方向傳輸。也就是說，在通信設(shè)備的雙方，一方只能為發(fā)送設(shè)備，而另一方只能為接收設(shè)備。例如，廣播和電視節(jié)目的傳送、信息采集系統(tǒng)和尋呼系統(tǒng)都是單工通信的例子。

2.半雙工通信

所謂半雙工通信，是指兩個通信設(shè)備間的信息可以進行雙向交換，但不能同時進行。也就是說，在同一時刻，只能有一個設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，另一個設(shè)備接收數(shù)據(jù)。半雙工通信的雙方各自具備發(fā)送裝置和接收裝置，但要按信息流向輪流使用這兩個裝置；同樣，兩個方向的應(yīng)答信號也交替使用同一信道。該方式需具備信道轉(zhuǎn)換方向的能力，一般用軟件控制換向，但換向過程中存在換向的延時時間。當然，也有采用機械開關(guān)的方法，這種開關(guān)換向往往需要人工介入。半雙工通信方式常用在通信雙方傳輸?shù)捻樞蚴墙惶娴那闆r，例如，對講機或使用同一載頻工作的普通無線電收發(fā)報機就是半雙工通信的例子。

3.全雙工通信

所謂全雙工通信是指同時可在兩個通信設(shè)備間進行兩個方向上的信息傳輸，即通信的一方在發(fā)送信息的同時也能接收信息。一般的實現(xiàn)方法是采用兩個單工通信設(shè)備完成全雙工通信（即四線制），也可以采用頻分多路復(fù)用技術(shù)，在一條線路上分成高頻和低頻兩條信道，這時要采用二線制，它的收、發(fā)信道分開設(shè)置，應(yīng)答信號通常可利用另一傳輸信道傳送。

2.3.4 異步傳輸與同步傳輸

在串行通信中，通信雙方最基本的要求之一就是同步。接收方必須知道正在接收的數(shù)據(jù)傳輸速率，這樣它才能定時在線路上采樣，以判斷接收到的每一位的值。為此，通信雙方應(yīng)遵守同一通信規(guī)程，以某種方式保持同步。目前，有兩種常用的方式可實現(xiàn)通信雙方所需要的同步：異步傳輸和同步傳輸，同步傳輸中又有面向字符和面向位的區(qū)別。

1.異步傳輸

異步傳輸以字符為單位，其數(shù)據(jù)格式如圖2.9所示。每個字符附加1位起始位和1位停止位，以標記字符的開始和結(jié)束。此外，還要附加1位奇偶校驗位，對該字符實施簡單的差錯控制。起始位對應(yīng)于二進制數(shù)“0”，以低電平表示，占用1位寬度；停止位對應(yīng)于二進制數(shù)“1”，以高電平表示，占用1～2位寬度，停止位之后是持續(xù)的高電平。一個字符占用5～8位，具體取決于數(shù)據(jù)所采用的字符集。如電報碼為5位，ASCII碼為7位，漢字為雙8位（但傳輸時仍按1字節(jié)8位進行控制）。起始位和停止位結(jié)合，便可實現(xiàn)字符的同步，這種方式又稱為起止式通信方式。

發(fā)送端不發(fā)送數(shù)據(jù)時，傳輸線處于高電平狀態(tài)，當接收端檢測到低電平信號（即起始位）時，則表示發(fā)送端開始發(fā)送數(shù)據(jù)，于是開始接收數(shù)據(jù)，在接收了一個字符的數(shù)據(jù)位后，傳輸線將重新處于高電平狀態(tài)。在異步通信中，任何兩個字符之間的時間間隔可以是隨機的、不同步的，但在一個字符時間之內(nèi)，收發(fā)雙方各數(shù)據(jù)位必須同步。

由于異步傳輸可以直接利用起始位和停止位兼作線路的同步時鐘，所以這種傳輸方式不需要線路兩端有統(tǒng)一的時鐘信號；由于可用一位代碼作為奇偶校驗位（當數(shù)據(jù)代碼為8位時，一般不做奇偶校驗），一旦發(fā)送出錯，僅需重發(fā)出錯的一個字符即可，而且控制簡單。但因為每次只能傳送一個字符，且每個字符需要多占2～3位的開銷，所以這種方式傳輸效率低、速度慢，最大傳輸效率僅為8/11，較適合終端誤碼率要求高或數(shù)據(jù)傳輸速率低的線路中。

2.同步傳輸

在同步傳輸中，發(fā)送方以固定的時鐘頻率發(fā)送數(shù)據(jù)信號，數(shù)據(jù)的每一位與時鐘信號一一對應(yīng)；接收方要從接收的數(shù)據(jù)中正確區(qū)分出每一位，即實現(xiàn)位同步。為了實現(xiàn)位同步，必須使發(fā)送方和接收方的時鐘保持同步。在同步傳輸中，保持時鐘同步有兩種方法：外同步法和內(nèi)同步法。

外同步法是在發(fā)送方和接收方之間使用單獨的時鐘信道，在近距離傳輸時，可增加一根時鐘信號線。內(nèi)同步法是從數(shù)據(jù)信號波形的本身提取時鐘信號，例如，曼徹斯特碼和差分曼徹斯特碼的每個碼元中間均有電平跳變，利用這些跳變作為時鐘信號。

同步傳輸以數(shù)據(jù)塊為單位，發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)塊的起始位置和接收方接收數(shù)據(jù)塊的起始位置必須“同步”，發(fā)送與接收的數(shù)據(jù)塊稱為幀，幀同步有“面向字符”和“面向位”兩種方式。

（1）面向字符的同步傳輸

在面向字符的同步傳輸中，每個數(shù)據(jù)塊的頭部用一個或多個同步字符SYN來標記數(shù)據(jù)塊的開始；尾部用ETX標記數(shù)據(jù)塊的結(jié)束。其中，這些特殊字符的位模式與傳輸?shù)钠胀ㄗ址加酗@著的差別。典型的面向字符的同步通信規(guī)程是IBM公司的二進制同步通信規(guī)程BISYNC。

（2）面向位的同步傳輸

在面向位的同步傳輸中，通常采用一個特殊的位串（01111110）來標記數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束。數(shù)據(jù)塊將作為流來處理，而不是作為字符來處理。為了避免在數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)標記塊開始和結(jié)束的特殊位模式，通常采用位插入方法，即發(fā)送端在發(fā)送數(shù)據(jù)流時，每當出現(xiàn)連續(xù)的5個1就插入1個“0”。接收端在收到5個“1”后，如果收到的是“0”就刪去它；如果是“1”，表示數(shù)據(jù)塊結(jié)束。典型的面向位的同步通信規(guī)程是國家標準化組織（ISO）規(guī)定的高級數(shù)據(jù)鏈路控制（HDLC）規(guī)程和IBM公司規(guī)定的同步數(shù)據(jù)鏈路控制（SDLC）規(guī)程。

對于相當大的數(shù)據(jù)塊來說，同步傳輸要比異步傳輸有效得多。異步傳輸至少有20%以上的額外開銷；而同步傳輸，如HDLC中控制信息為48位，對于傳輸1000個字符的數(shù)據(jù)塊來說，其額外開銷僅占48/（48+8×1000）?0.006。同步傳輸?shù)娜秉c是如果數(shù)據(jù)有一位出錯，就必須重發(fā)整個數(shù)據(jù)塊，且控制比較復(fù)雜。