2.3 数据传输方式

数据传输方式可以从不同的角度划分，本节介绍基带传输与宽带传输，并行传输与串行传输，单工、半双工与全双工传输。

2.3.1 基带传输与宽带传输

在数据通信系统中，根据被传输的数据信号的特点，数据传输可分为基带传输与宽带传输，可传输数字信号和模拟信号。

1.基带传输

基带是指调制前原始信号所占用的频带，是原始电信号所固有的基本频带。在信道中直接传输基带信号时，称为基带传输。基带传输的信号既可以是模拟信号，也可以是数字信号，具体类型由信源决定，目前主要是数字信号。采用基带传输技术的系统称为基带传输系统。

基带传输时，信号的频带可以从0频（相当于直流）到几百或几千兆赫兹，要求信道具有较宽（从直流到高频）的通频带。另外，由于传输线路的电容对传输信号的波形影响很大，使传输距离受到限制，一般不大于2.5km，所以当超过该距离时，需接入中继器对信号进行再生和放大。

在基带传输中，需要对数字信号进行编码来表示数据。在发送端，基带传输的数据经过编码器变换为直接传输的基带信号，如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码信号；在接收端，由解码器恢复成与发送端相同的矩形脉冲信号。

基带传输是一种最简单、最基本的数据传输方式。基带传输不需要调制解调器，设备费用少，具有速率高和误码率低等优点，适合短距离的数据传输，大多数的局域网使用基带传输，如以太网、令牌环网。在基带传输中，传输介质的整个频带范围都用于传输基带信号，通信信道利用率低。基带传输可以利用时分复用（TDM）实现多路信号复用，提高传输信道的利用率。

2.频带传输

远距离通信信道（包括无线信道）多为模拟信道，一般都具有特定的频带传输特性。例如，传统的电话信道只适用于传输音频范围（300～3400Hz）的模拟信号，不适用于直接传输频带很宽但能量集中在低频段的数字基带信号。因此，数字信号进行远距离传输时，必须将其转换成可在长途信道（如电话线路）上传输的模拟信号，变换后的信号就是频带信号。

在信道中直接传送频带信号时，称为频带传输。频带传输解决了利用已有的模拟信道传输数字数据的问题。频带传输需要将数字数据模拟化，借助于模拟的正弦载波信号，用数字数据调制载波，使数字数据寄生在载波的某个参数上，借助于模拟信道进行传输。模拟信道主要指电话传输系统。

基带信号与频带信号的转换是由调制解调技术完成的。常用的频带调制方式有：频率调制、幅度调制、相位调制和调幅加调相的混合方式。经过调制的信号称为已调信号，已调信号通过线路传输到接收端，经过解调恢复为原始基带信号。具有调制、解调功能的装置称为调制解调器（MODEM），它是完成数字信号与模拟信号之间的转换，以利于在模拟线路上传输数字信号的主要设备。可以说，频带传输的最主要技术就是调制与解调。频带传输在发送端和接收端都要设置调制解调器。

频带传输的优点是可以实现远距离数据通信；频带传输不仅克服了目前许多长途电话线路不能直接传输基带信号的缺点，它可以利于现有的大量模拟信道（如电话信道）通信，价格便宜，容易实现，家庭用户拨号上网就属于这一类通信。计算机网络的远距离通信通常采用的是频带传输，现有的电话、模拟电视信号等，都是属于频带传输。频带传输还可以利用频分复用（FDM）实现多路复用，提高通信线路的利用率。它的缺点是速率低，误码率高。

3.宽带传输

宽带是比音频带宽（4kHz）更宽的频带。它包括大部分的无线电频谱，可以容纳全部的广播信号，能够进行高速数据传输。宽带信号是将基带信号进行调制后的频分复用模拟信号。将信道分成多个子信道，分别传送音频、视频和数字信号，称为宽带传输；也就是说，它通过借助频带传输，将链路容量分解成两个或更多的信道，每个信道可以携带不同的信号，这就是宽带传输。使用这种宽频带传输的系统，称为宽带传输系统。

对于局域网而言，宽带是指专门用于使用模拟信号传输的同轴电缆，通常还指可以在传输介质上进行频分多路复用方式的传输技术。由于数字信号的频带很宽，必须先将其转换成模拟信号才能在宽带网络中传输。宽带网络中的多条信道，通常采用频带传输技术，传输的是模拟信号，所以宽带传输系统属于模拟信号传输系统。

一般来说，宽带传输与基带传输相比有以下优点：

（1）能在一个信道中传输声音、图像和数据信息，使系统具有多种用途；

（2）一条宽带信道能划分为多条逻辑信道，实现多路复用，因此信道的容量大大增加；

（3）宽带传输比基带传输的距离要远许多，这是因为在宽带传输中数字数据需要被模拟信号运载传输（数字数据的波形加载在模拟信号的波形上进行传输），而模拟信号传输的距离要比数字信号远。

总之，宽带传输一定是采用频带传输技术的，但频带传输不一定就是宽带传输。

局域网的数据传输分为基带传输和宽带传输两类。基带传输的信号主要是数字信号，而宽带传输的是模拟信号。

2.3.2 并行传输与串行传输

按照数据流的组织方式不同，数据传输方式分为并行传输和串行传输。通常情况下，并行传输用于短距离、高速率的通信；串行传输用于长距离、低速率的通信。

1.并行传输

并行传输是将8位、16位或32位的数据按数位宽度同时进行传输，每个数位都要有自己的数据传输线和发送、接收设备。如按8位并行传输，从发送端到接收端的信道就需要8根线，如图2.7所示。并行传输的优点是传输速率高，收发双方不存在同步问题；缺点是传输设备多，线路投资大，而且并行线路间的电平相互干扰也会影响传输质量，因此不适合较长距离的通信，一般用于距离近（如计算机内部、计算机和打印机之间）、传输速率要求高的通信中。

2.串行传输

在计算机中，通常以8位二进制代码来表示一个字符。串行传输就是在一根数据传输线上，按照字符所包含的数位的顺序，从低位到高位一位接一位地传送，到达通信接收装置后，将串行比特流还原成字符，如图2.8所示。由于数据流是串行的，必须解决收发双方如何保持字符同步的问题，否则，在接收端将无法正确区分每个字符，导致传输过来的信息变为一串毫无意义的比特流。在数字数据远距离传输场合，大多采用串行传输方式。

显然，在同样的时钟频率下，与同时传输多位数据的并行传输相比，串行传输的速度要慢很多，但由于串行传输节省了大量通信设备和通信线路，在技术上更适合远距离通信。因此，计算机网络普遍采用串行传输方式。但在实际通信中，通信设备内部的数据是并行的，采用串行传输时，发送端需要通过并/串转换器将并行数据流转换成串行数据流，将其送到信道上传送，在接收端又通过串/并转换，还原成8位并行数据流。

2.3.3 单工、半双工与全双工通信

数据通信方式按照信号在信道或传输介质中的传输方向可以分为单工通信（Simplex）、半双工通信（Half-duplex）和全双工通信（Full-duplex）三种方式。

1.单工通信

所谓单工通信，是指在两个通信设备间，信息只能沿着一个方向传输。也就是说，在通信设备的双方，一方只能为发送设备，而另一方只能为接收设备。例如，广播和电视节目的传送、信息采集系统和寻呼系统都是单工通信的例子。

2.半双工通信

所谓半双工通信，是指两个通信设备间的信息可以进行双向交换，但不能同时进行。也就是说，在同一时刻，只能有一个设备发送数据，另一个设备接收数据。半双工通信的双方各自具备发送装置和接收装置，但要按信息流向轮流使用这两个装置；同样，两个方向的应答信号也交替使用同一信道。该方式需具备信道转换方向的能力，一般用软件控制换向，但换向过程中存在换向的延时时间。当然，也有采用机械开关的方法，这种开关换向往往需要人工介入。半双工通信方式常用在通信双方传输的顺序是交替的情况，例如，对讲机或使用同一载频工作的普通无线电收发报机就是半双工通信的例子。

3.全双工通信

所谓全双工通信是指同时可在两个通信设备间进行两个方向上的信息传输，即通信的一方在发送信息的同时也能接收信息。一般的实现方法是采用两个单工通信设备完成全双工通信（即四线制），也可以采用频分多路复用技术，在一条线路上分成高频和低频两条信道，这时要采用二线制，它的收、发信道分开设置，应答信号通常可利用另一传输信道传送。

2.3.4 异步传输与同步传输

在串行通信中，通信双方最基本的要求之一就是同步。接收方必须知道正在接收的数据传输速率，这样它才能定时在线路上采样，以判断接收到的每一位的值。为此，通信双方应遵守同一通信规程，以某种方式保持同步。目前，有两种常用的方式可实现通信双方所需要的同步：异步传输和同步传输，同步传输中又有面向字符和面向位的区别。

1.异步传输

异步传输以字符为单位，其数据格式如图2.9所示。每个字符附加1位起始位和1位停止位，以标记字符的开始和结束。此外，还要附加1位奇偶校验位，对该字符实施简单的差错控制。起始位对应于二进制数“0”，以低电平表示，占用1位宽度；停止位对应于二进制数“1”，以高电平表示，占用1～2位宽度，停止位之后是持续的高电平。一个字符占用5～8位，具体取决于数据所采用的字符集。如电报码为5位，ASCII码为7位，汉字为双8位（但传输时仍按1字节8位进行控制）。起始位和停止位结合，便可实现字符的同步，这种方式又称为起止式通信方式。

发送端不发送数据时，传输线处于高电平状态，当接收端检测到低电平信号（即起始位）时，则表示发送端开始发送数据，于是开始接收数据，在接收了一个字符的数据位后，传输线将重新处于高电平状态。在异步通信中，任何两个字符之间的时间间隔可以是随机的、不同步的，但在一个字符时间之内，收发双方各数据位必须同步。

由于异步传输可以直接利用起始位和停止位兼作线路的同步时钟，所以这种传输方式不需要线路两端有统一的时钟信号；由于可用一位代码作为奇偶校验位（当数据代码为8位时，一般不做奇偶校验），一旦发送出错，仅需重发出错的一个字符即可，而且控制简单。但因为每次只能传送一个字符，且每个字符需要多占2～3位的开销，所以这种方式传输效率低、速度慢，最大传输效率仅为8/11，较适合终端误码率要求高或数据传输速率低的线路中。

2.同步传输

在同步传输中，发送方以固定的时钟频率发送数据信号，数据的每一位与时钟信号一一对应；接收方要从接收的数据中正确区分出每一位，即实现位同步。为了实现位同步，必须使发送方和接收方的时钟保持同步。在同步传输中，保持时钟同步有两种方法：外同步法和内同步法。

外同步法是在发送方和接收方之间使用单独的时钟信道，在近距离传输时，可增加一根时钟信号线。内同步法是从数据信号波形的本身提取时钟信号，例如，曼彻斯特码和差分曼彻斯特码的每个码元中间均有电平跳变，利用这些跳变作为时钟信号。

同步传输以数据块为单位，发送方发送数据块的起始位置和接收方接收数据块的起始位置必须“同步”，发送与接收的数据块称为帧，帧同步有“面向字符”和“面向位”两种方式。

（1）面向字符的同步传输

在面向字符的同步传输中，每个数据块的头部用一个或多个同步字符SYN来标记数据块的开始；尾部用ETX标记数据块的结束。其中，这些特殊字符的位模式与传输的普通字符都有显著的差别。典型的面向字符的同步通信规程是IBM公司的二进制同步通信规程BISYNC。

（2）面向位的同步传输

在面向位的同步传输中，通常采用一个特殊的位串（01111110）来标记数据块的开始和结束。数据块将作为流来处理，而不是作为字符来处理。为了避免在数据流中出现标记块开始和结束的特殊位模式，通常采用位插入方法，即发送端在发送数据流时，每当出现连续的5个1就插入1个“0”。接收端在收到5个“1”后，如果收到的是“0”就删去它；如果是“1”，表示数据块结束。典型的面向位的同步通信规程是国家标准化组织（ISO）规定的高级数据链路控制（HDLC）规程和IBM公司规定的同步数据链路控制（SDLC）规程。

对于相当大的数据块来说，同步传输要比异步传输有效得多。异步传输至少有20%以上的额外开销；而同步传输，如HDLC中控制信息为48位，对于传输1000个字符的数据块来说，其额外开销仅占48/（48+8×1000）»0.006。同步传输的缺点是如果数据有一位出错，就必须重发整个数据块，且控制比较复杂。