2.2 数据通信的基础知识
2.2.1 数据通信系统的模型
下面我们通过一个最简单的例子来说明数据通信系统的模型。这个例子就是两台PC经过普通电话机的连线，再经过公用电话网进行通信。
如图2-1所示，一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。
图2-1 数据通信系统的模型
● 源系统一般包括以下两个部分：
源点（source）源点设备产生要传输的数据，例如，从PC的键盘输入汉字，PC产生输出的数字比特流。源点又称为源站或信源。
发送器 通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。现在很多PC使用内置的调制解调器（包含调制器和解调器），用户在PC外面看不见调制解调器。
● 目的系统一般也包括以下两个部分：
接收器 接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。
终点（destination）终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后进行信息输出（例如，把汉字在PC屏幕上显示出来）。终点又称为目的站或信宿。
在源系统和目的系统之间的传输系统可以是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。
图2-1所示的数据通信系统，说它是计算机网络也可以。这里我们使用数据通信系统这个名词，主要是为了从通信的角度来介绍一个数据通信系统中的一些要素，而有些数据通信的要素在计算机网络中可能就不去讨论它们了。
下面我们先介绍一些常用术语。
通信的目的是传送消息（message）。例如，话音、文字、图像等都是消息。数据（data）是运送消息的实体。信号（signal）则是数据的电气的或电磁的表现。
根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为两大类：
模拟信号，或连续信号 消息的参数的取值是连续的。
数字信号，或离散信号 消息的参数的取值是离散的。在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，则代表不同离散数值的基本波形就称为码元。在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态而另一种代表1状态。
2.2.2 有关信道的几个基本概念
在许多情况下，我们要使用“信道（channel）”这一名词。信道和电路并不等同。信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此，一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。
从通信双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式：
（1）单向通信，又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播，以及电视广播就属于这种类型。
（2）双向交替通信，又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后再反过来。
（3）双向同时通信，又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。
单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道（每个方向各一条）。显然，双向同时通信的传输效率最高。值得注意的是，虽然从技术上讲，常用的电话通信能够提供双向同时通信，但两个人在打电话时，如果双方同时讲活，那么通信的效果将是很不好的。
这里要提醒读者注意，有时人们也常用“单工”这个名词表示“双向交替通信”。如常说的“单工电台”并不是只能进行单向通信。正因为如此，ITU-T才不采用“单工”、“半双工”和“全双工”这些容易弄混的术语作为正式的名词。
来自信源的信号常称为基带信号（即基本频带信号）。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分。而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制（modulation）。调制技术一直是通信领域中的重要研究课题，涉及的内容很多。在这里我们只需要把调制理解为“把信号的波形进行某些变化，使它能够更好地在特定的信道中传输”就行了。
调制可分为两大类。一类是仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应，变换后的信号仍然是基带信号。这类调制称为基带调制。另一类则需要使用载波（carrier）进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道），而使用载波的调制称为带通调制。
最基本的带通调制方法有：
① 调幅（AM），即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于无载波或有载波输出。
② 调频（FM），即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于频率f1或f2。
③ 调相（PM），即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于相位0°或180°。
为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。例如，正交振幅调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）。
有了上述的一些基本概念之后，我们再讨论信道的极限容量。
2.2.3 提高数据传输速率的途径
几十年来，通信领域的学者一直在努力寻找提高数据传输速率的途径。这个问题很复杂，因为任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真。我们知道，数字通信的优点是：在接收端只要我们能设法从失真的波形中识别出原来的信号，那么这种失真对通信质量就没有影响。例如，图2-2(a)表示信号通过实际的信道后虽然有失真，但在接收端还可识别原来的码元。可是图2-2(b)就不同了，这时失真已很严重，在接收端无法识别码元是1还是0。码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在接收端的波形的失真就越严重。
图2-2 数字信号通过实际的信道
简单来说，提高数据在信道上的传输速率可以从以下两个方面着手。
首先，要使用更好的传输媒体。例如，现在广泛使用的光缆就是很好的传输媒体，信号经过光缆的传输后，只产生极少的差错。
其次，使用先进的调制技术可以使信号传输的距离增大，同时也可以在同样大的噪声干扰下，减小出现差错的概率。
但不管采用怎样好的传输媒体和怎样先进的调制技术，数据传输速率总是受限的，不可能任意地提高，否则就会出现较多的差错。