2.1.2 数据通信中的主要技术指标.doc

2.1.2 数据通信中的主要技术指标 数据通信的任务是传输数据信息,希望达到传输速度快、出错率低、信息量大、可靠性高,并且既经济又便于使用维护这些要求可以用下列技术指标加以描述 1.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(bits per sec-ond),、记作 bps 或 b/s,它可由下式确定:R=1/T·log2N (bps)式中 T 为一个数字脉冲信号的宽度(全宽码情况)或重复周期(归零码情况),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,N一般取 2 的整数次方值若一个码元仅可取 0 和 1 两种离散值,则该码元只能携带一位(bit)二进制信息;若一个码元可取 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,若一个码元可取 N 种离散值,则该码元便能携带 log2N 位二进制信息 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指标一一信号传输速率,也称码元速率、调制速率或波特率,单位为波特 (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若信号码元的宽度为 T 秒,则码元速率定义为:B=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,此时调制速率和数据传输速率相等但在调相的四相 信号方式中,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 ·log2N (bps)或 B =R/log2N(Baud) 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情况下,必须将它们区别开来例如采用四相调制方式,即 N=4,且 T=833×10-6秒,则可求出数据传输速率为: R=1/T·log2N=1/(833×10-6)·log24=2400 (bps) 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喻来说,假如调制速率是公路上单位时间经过的卡车 数,那么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。

如果一车装一箱货物,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 2.信道容量信道容量表征一个信道传输数据的能力,单位也用位/秒(bps)信道容量与数据传输速率的区别在于,前者表示信道的最大数据传输速率,是信道传输数据能力的极限,而后者则表示实际的数据传输速率这就像公路上的最大限速值与汽车实际速度之间的关系一样,它们虽然采用相同的单位;但表征的是不同的含义奈奎斯特(Nyquist)首先给出了无噪声情况下码元速率的极限值 B 与信道带宽 H 的关系:B =2·H (Baud)其中,H 是信道的带宽,也称频率范围,即信道能传输的上、下限频率的差值,单位为 HZ由此可推出表征信道数据传输能力的奈奎斯特公式:C=2·H·log2N (bps)此处,N 仍然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,其码元速率不可能超过信道带宽的两倍,但若能提高每个码元可能取的离散值的个数,则数据传输速率便可成倍提高例如,普 通线路的带宽约为 3KHz,则其码元速率的极限值为 6kBaud。

若每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×log 216=24k bps实际的信道总要受到各种噪声的干扰,香农(Shannon)则进一步研究了受随机噪声干扰的信道的情况,给出了计算信道容量的香农舍式:C=H·log2(1+S/N) (bps)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10log10(S/N),以分贝(dB)为单位来计量,在使用时要特别注意例如,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,实际使用时必须留有充足的余地 3.误码率误码率是衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标,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 N 位,其中出错的位数为 Ne,则误码率表示为:Pe =Ne/N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。

可若误码率达不到这个指标,可以通过差错控制方法进行检错和纠错 $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基本方式,即串行方式和并行方式通常情况下,并行方式用于近距离通信,串行方式用于距离较远的通信在计算机网络中,串行通信方式更具有普遍意义1.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行并行的数据传送线也叫总线,如并行传送 8 位数据就叫 8 位总线,并行传送 16 位数据就叫 16 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2.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位)的电缆将两个通信设备连接起来。

当进行近距离传输时,这种方法的优点是传输速度快,处理简单; 但进行远距离数据传输时,这种方法的线路费用就难以容忍了这种情况下,使用现成的线来进行数据传输就经济得多了用线进行通信,就必须使用串行 数据传输技术串行数据传输时,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得多但由 于公用系统已形成了一个覆盖面极其广阔的网络,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图 2.4 所示,串行数据传输时,先由具有 8 位总线的计算机内的发送设备, 将 8 位并行数据经并一串转换硬件转换成串行方式,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新转换成并行方式,以供接收方使用3．串行通信的方向性结构串行数据通信的方向性结构有三种，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能力。

移动通信按照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 数字数据的模拟信号编码 为了利用廉价的公共交换网实现计算机之间的远程通信,必须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)一般,每个工作站既要发送数据又要接收数据,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(MODulater DEModulater,简称 Modem) 为什么在公共交换网中传输数字信号必须使用调制解调器呢?因为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 一直延伸达几千兆 hz,如不加任何措施利用模拟信道来传输数字信号,必定出现极大的失真 和差错所以,要在公共网上传输数据,必须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,很大一部分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行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 模拟信号传输的基础是载波,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行调制图 2.7 给出了数字调制的三种基本形式,即移幅键控法 ASK (Amplitude -Shift keying)、移频键控法 FSK(Frequency 一 Shift keying) 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 方式容易受增益变化的影响,是一种效率相当低的调制技术路上,通常只能达到 1200bps 的速率 在移频键控法 FSK 方式下,用载波频率附近的两种不同频率表示二进制的"0"和"1"。

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达到这个目的,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路上,FSK 通常也可达 1200bps 速率 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,例如四相、八相,甚至更多相这样,便可使一个码元取 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 2 倍、3 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 600 波特的调制解调器,则 2DPSK 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,这种技术若使用在 1600 波特的调制解调器上,便可以获得 4800bps 的数据传输率。

采用多相 PSK 可以有效地提高数据传输速率。