2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎知識

2.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型

下面我們通過一個最簡單的例子來說明數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型。這個例子就是兩臺PC經(jīng)過普通電話機的連線，再經(jīng)過公用電話網(wǎng)進行通信。

如圖2-1所示，一個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可劃分為三大部分，即源系統(tǒng)（或發(fā)送端、發(fā)送方）、傳輸系統(tǒng)（或傳輸網(wǎng)絡）和目的系統(tǒng)（或接收端、接收方）。

● 源系統(tǒng)一般包括以下兩個部分：

源點（source）源點設備產(chǎn)生要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，例如，從PC的鍵盤輸入漢字，PC產(chǎn)生輸出的數(shù)字比特流。源點又稱為源站或信源。

發(fā)送器 通常源點生成的數(shù)字比特流要通過發(fā)送器編碼后才能夠在傳輸系統(tǒng)中進行傳輸。典型的發(fā)送器就是調制器。現(xiàn)在很多PC使用內置的調制解調器（包含調制器和解調器），用戶在PC外面看不見調制解調器。

● 目的系統(tǒng)一般也包括以下兩個部分：

接收器 接收傳輸系統(tǒng)傳送過來的信號，并把它轉換為能夠被目的設備處理的信息。典型的接收器就是解調器，它把來自傳輸線路上的模擬信號進行解調，提取出在發(fā)送端置入的消息，還原出發(fā)送端產(chǎn)生的數(shù)字比特流。

終點（destination）終點設備從接收器獲取傳送來的數(shù)字比特流，然后進行信息輸出（例如，把漢字在PC屏幕上顯示出來）。終點又稱為目的站或信宿。

在源系統(tǒng)和目的系統(tǒng)之間的傳輸系統(tǒng)可以是簡單的傳輸線，也可以是連接在源系統(tǒng)和目的系統(tǒng)之間的復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)。

圖2-1所示的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，說它是計算機網(wǎng)絡也可以。這里我們使用數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)這個名詞，主要是為了從通信的角度來介紹一個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的一些要素，而有些數(shù)據(jù)通信的要素在計算機網(wǎng)絡中可能就不去討論它們了。

下面我們先介紹一些常用術語。

通信的目的是傳送消息（message）。例如，話音、文字、圖像等都是消息。數(shù)據(jù)（data）是運送消息的實體。信號（signal）則是數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。

根據(jù)信號中代表消息的參數(shù)的取值方式不同，信號可分為兩大類：

模擬信號，或連續(xù)信號 消息的參數(shù)的取值是連續(xù)的。

數(shù)字信號，或離散信號 消息的參數(shù)的取值是離散的。在使用時間域（或簡稱為時域）的波形表示數(shù)字信號時，則代表不同離散數(shù)值的基本波形就稱為碼元。在使用二進制編碼時，只有兩種不同的碼元，一種代表0狀態(tài)而另一種代表1狀態(tài)。

2.2.2 有關信道的幾個基本概念

在許多情況下，我們要使用“信道（channel）”這一名詞。信道和電路并不等同。信道一般都是用來表示向某一個方向傳送信息的媒體。因此，一條通信線路往往包含一條發(fā)送信道和一條接收信道。

從通信雙方信息交互的方式來看，可以有以下三種基本方式：

（1）單向通信，又稱為單工通信，即只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。無線電廣播或有線電廣播，以及電視廣播就屬于這種類型。

（2）雙向交替通信，又稱為半雙工通信，即通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時發(fā)送（當然也就不能同時接收）。這種通信方式是一方發(fā)送另一方接收，過一段時間后再反過來。

（3）雙向同時通信，又稱為全雙工通信，即通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息。

單向通信只需要一條信道，而雙向交替通信或雙向同時通信則都需要兩條信道（每個方向各一條）。顯然，雙向同時通信的傳輸效率最高。值得注意的是，雖然從技術上講，常用的電話通信能夠提供雙向同時通信，但兩個人在打電話時，如果雙方同時講活，那么通信的效果將是很不好的。

這里要提醒讀者注意，有時人們也常用“單工”這個名詞表示“雙向交替通信”。如常說的“單工電臺”并不是只能進行單向通信。正因為如此，ITU-T才不采用“單工”、“半雙工”和“全雙工”這些容易弄混的術語作為正式的名詞。

來自信源的信號常稱為基帶信號（即基本頻帶信號）。像計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數(shù)據(jù)信號都屬于基帶信號。基帶信號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分。而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量。為了解決這一問題，就必須對基帶信號進行調制（modulation）。調制技術一直是通信領域中的重要研究課題，涉及的內容很多。在這里我們只需要把調制理解為“把信號的波形進行某些變化，使它能夠更好地在特定的信道中傳輸”就行了。

調制可分為兩大類。一類是僅僅對基帶信號的波形進行變換，使它能夠與信道特性相適應，變換后的信號仍然是基帶信號。這類調制稱為基帶調制。另一類則需要使用載波（carrier）進行調制，把基帶信號的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸。經(jīng)過載波調制后的信號稱為帶通信號（即僅在一段頻率范圍內能夠通過信道），而使用載波的調制稱為帶通調制。

最基本的帶通調制方法有：

① 調幅（AM），即載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化。例如，0或1分別對應于無載波或有載波輸出。

② 調頻（FM），即載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化。例如，0或1分別對應于頻率f1或f2。

③ 調相（PM），即載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化。例如，0或1分別對應于相位0°或180°。

為了達到更高的信息傳輸速率，必須采用技術上更為復雜的多元制的振幅相位混合調制方法。例如，正交振幅調制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）。

有了上述的一些基本概念之后，我們再討論信道的極限容量。

2.2.3 提高數(shù)據(jù)傳輸速率的途徑

幾十年來，通信領域的學者一直在努力尋找提高數(shù)據(jù)傳輸速率的途徑。這個問題很復雜，因為任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產(chǎn)生各種失真。我們知道，數(shù)字通信的優(yōu)點是：在接收端只要我們能設法從失真的波形中識別出原來的信號，那么這種失真對通信質量就沒有影響。例如，圖2-2(a)表示信號通過實際的信道后雖然有失真，但在接收端還可識別原來的碼元。可是圖2-2(b)就不同了，這時失真已很嚴重，在接收端無法識別碼元是1還是0。碼元傳輸?shù)乃俾试礁撸蛐盘杺鬏數(shù)木嚯x越遠，或噪聲干擾越大，或傳輸媒體質量越差，在接收端的波形的失真就越嚴重。

簡單來說，提高數(shù)據(jù)在信道上的傳輸速率可以從以下兩個方面著手。

首先，要使用更好的傳輸媒體。例如，現(xiàn)在廣泛使用的光纜就是很好的傳輸媒體，信號經(jīng)過光纜的傳輸后，只產(chǎn)生極少的差錯。

其次，使用先進的調制技術可以使信號傳輸?shù)木嚯x增大，同時也可以在同樣大的噪聲干擾下，減小出現(xiàn)差錯的概率。

但不管采用怎樣好的傳輸媒體和怎樣先進的調制技術，數(shù)據(jù)傳輸速率總是受限的，不可能任意地提高，否則就會出現(xiàn)較多的差錯。