2.4 数据传输技术
2.4.1 信道通信方式
1.单工通信
单工方式指通信信道是单向信道，数据信号仅沿一个方向传输，发送方只能发送不能接收，接收方只能接收而不能发送，任何时候都不能改变信号传送方向，如图2-15所示。例如，无线电广播和电视都属于单工通信。
图2-15 单工通信
2.半双工通信
半双工通信是指信号可以沿两个方向传送，但同一时刻一个信道只允许单方向传送，即两个方向的传输只能交替进行。当改变传输方向时，要通过开关装置进行切换，如图2-16所示。半双工信道适合于会话式通信，如公安系统使用的“对讲机”和军队使用的“步话机”。
图2-16 半双工通信
3.全双工通信
全双工通信是指数据可以同时沿相反的两个方向进行双向传输，如图2-17所示。例如电话机通话。
图2-17 全双工通信
2.4.2 信道分类
根据数字信号信道每个时钟周期发送和接收的比特数量通常分为串行通信信道和并行通信信道。
1.串行通信信道
串行通信是指数据比特流以串行方式一位一位地在信道上传输的方式，每次传输一位。串行通信的优点是收、发双方只需要一条传输信道，易于实现，成本低；缺点是传输速率比较低。常见的串行信道包括计算机接口中的USB口、串口（Com口）以及远程通信中的光纤等。
2.并行通信
并行通信是指数据比特流以成组的方式在并行信道上同时进行传输的方式，一次可以传输多位。并行通信的优点是速度快，缺点是发送端与接收端之间需要并行线路，费用高，适合于近距离和高速率的通信。常见的并行信道包括计算机内部的PCI总线、IDE总线、计算机接口中的并口（LPT口）等。
2.4.3 信道复用技术
信道多路复用指的是利用一个物理信道同时传输多个信号，以提高信道利用率，使一条线路能同时由多个用户使用而互不影响。多路复用器连接多条低速线路，并将它们的传输容量组合在一起之后，在一条速度较高的线路上传输。在长途通信中，一些高容量的同轴电缆、地面微波、卫星设施以及光缆可传输的频率带宽很宽，为了高效合理地利用资源，通常采用多路复用技术。
复用技术采用多路复用器将来自多个输入电路的数据组合调制成一路复用数据，并将此数据信号送上高容量的传输线路；多路复用器接收复用的数据流，依照信道分离还原为多路数据，并将它们送到适当的输出电路，如图2-18所示。
图2-18 多路复用技术
目前主要有以下4种信道复用方式：频分多路复用（Frequency Division Multiplexing， FDM）、时分多路复用（Time Division Multiplexing，TDM）、波分多路复用（Wave-length Division Multiplexing，WDM）和码分多址（Coding Division Multiplexing Access，CDMA）。
1.频分多路复用
频分多路复用就是将物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同或略宽一点的子信道，每一个子信道传输一路信号。多路的原始信号在频分复用前，首先要通过频谱搬移技术，将各路信号的频谱搬移到物理信道频谱的不同段上，这可以通过频率调制时采用不同的载波来实现。
频分多路复用的典型例子有许多。例如，无线电广播、无线电视中将多个电台或电视台的多组节目对应的声音、图像信号分别载在不同频率的无线电波上，同时在同一无线空间中传播，接收者根据需要接收特定频率的信号来收听或收看。
2.时分多路复用
时分多路复用是按传输信号的时间进行分割的。它使不同的信号在不同时间内传送，即将整个传输时间分为许多时间片，又称为时隙，每个时间片被一路信号占用。电路上的每一短暂时刻只有一路信号存在。因为数字信号是有限个离散值，所以时分多路复用技术广泛应用于包括计算机网络在内的数字通信系统，而模拟通信系统的传输一般采用频分多路复用。
3.波分多路复用
波分多路复用技术是在一根光纤中能同时传播多个波长不同的光载波复用技术。通过波分多路复用可以使原来只能传输一个光载波的单一光信道，变为可传输多个不同波长光载波的光信道，使光纤的传输能力成倍增加。波分多路复用的原理如图2-19所示，在发送端将不同波长的光信号组合起来，复用到一根光纤上，在接收端又将组合的光信号分开（解复用），并送入不同的终端。
图2-19 波分多路复用原理
波分多路复用是频分多路复用在光信号信道上的一种变种。其原理是类似的，只不过波分多路复用应用于光信号，频分多路复用应用于电信号。
4.码分多址
码分多址为每个用户分配各自特定地址码。地址码之间具有相互准正交性，各个码型互不重叠，通信各方之间不会相互干扰，且抗干扰能力强。每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信，并且把其他使用者发出的信号视为杂讯。
码分多址技术主要用于无线移动通信系统，不仅可以提高通信的话音质量、数据传输的可靠性和减少干扰对通信的影响，而且可以增大通信系统的容量。第三代数字无线通信系统（简称3G）的三大标准WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA均基于码分多址技术，中国联通、中国电信、中国移动分别采用以上标准建立了3个覆盖全国的3G无线通信网络，目前仍处于商业运营中。
2.4.4 数据调制技术
在发送端将数字信号变换成模拟信号的过程称为调制（Modulation），调制设备就称为调制器（Modulator）。
在接收端将模拟信号还原成数字信号的过程称为解调（Demodulation），解调设备就称为解调器（Demodulator）。
若进行数据通信的发送端和接收端以双工方式进行通信时，就需要一个同时具备调制和解调功能的设备，称为调制解调器（Modem），这一过程如图2-20所示。
图2-20 计算机通过调制解调器进行通信
由于模拟信号是具有一定频率的连续的载波波形，可以用 Acos（2f t+φ）表示，其中 A表示波形的幅度，f代表波形的频率，t表示时间，φ代表波形的相位。因此，根据这4个不同参数的变化，就可以表示特定的数字信号0或1，实现调制的过程。
根据上述的载波波形函数，常用的数字数据调制的方法有幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）3种。在图2-21中，显示了对数字数据“00110100010”使用不同调制方法后的波形。
图2-21 对数字数据使用不同调制方法后的波形
1.幅移键控
幅移键控（Amplitude Shift Keying，ASK，又称为调幅）是通过改变载波信号的幅度值来表示数字信号“1”“0”的，用载波幅度 A1表示数字信号“1”，用载波幅度 A2表示数字信号“0”（通常A1取1，A2取0），而载波信号的参数f和φ恒定。
2.频移键控
频移键控（Frequency Shift Keying，FSK，又称为调频）是通过改变载波信号频率的方法来表示数字信号“1”“0”的，用f1表示数字信号“1”，用f2表示数字信号“0”，而载波信号的A和φ不变。
3.相移键控
相移键控（Phase Shift Keying，PSK，又称为调相）是通过改变载波信号的相位值（φ）来表示数字信号“1”“0”的，而载波信号的A和f不变。PSK包括绝对调相和相对调相两种类型。
● 绝对调相：绝对调相使用相位的绝对值，φ为0表示数字信号“1”，φ为π 表示数字信号“0”；
● 相对调相：相对调相使用相位的偏移值，当数字数据为0时，相位不变化，而数字数据为1时，相位要偏移π。
2.4.5 差错控制技术
1.差错的产生
根据数据通信系统的模型，当数据从信源端发出后，经过通信信道传输时，由于信道内存在一些噪声干扰，当数据到达信宿端后，接收的信号实际上是数据信号和噪声信号的叠加。接收端在取样时钟作用下接收数据，并根据阈值电平判断信号电平。如果噪声对信号的影响非常大，就会造成数据的传输错误，如图2-22所示。
图2-22 差错的产生过程
通信信道中的噪声分为热噪声和冲击噪声。热噪声是由传输导体的电子热运动产生的，其主要特点是：时刻存在，幅度小，干扰强度与频率无关，频谱很宽。热噪声属于随机噪声，由它引起的差错属于一种随机差错。冲击噪声是由外界电磁干扰引起的，其主要特点是：冲击噪声的幅度较大，持续时间与数据传输中每比特的发送时间相比可能较长。冲击噪声引起的相邻多个数据位出错呈突发性，由它引起的传输差错称为突发差错。
2.差错的控制
目前，差错控制常采用冗余编码来检测和纠正信息传输中产生的错误，即在发送端把要发送的有效数据和使用某种规则产生的冗余码一起发送，当信息到达接收端后，再按照相应的校验规则检验收到的信息是否正确。
冗余编码分为差错检测编码和差错纠错编码两类：
● 差错检测编码可以检测出编码是否发生错误，但不能纠正错误（此时可以要求发送方重新发送），常用的差错检测编码有奇偶校验码、水平垂直奇偶校验码、循环冗余码等。
● 差错纠错编码可以检测并纠正发生的错误，常用的差错纠错编码有汉明码和卷积码等。
下面仅对奇偶校验码和循环冗余码的使用进行简单介绍。
（1）奇偶校验码
奇偶校验码是一种通过增加冗余位使得码字中“1”的个数恒为奇数或偶数的编码方法。采用奇偶校验码时，在数据传输之前，先检测并计算出数据位中“1”的个数（奇数或偶数），并根据使用的是奇校验还是偶校验来确定奇偶校验位，然后将其附加在数据位之后进行传输。当接收端接收到数据后，重新计算数据位中包含“1”的个数，再通过奇偶校验就可以判断出数据是否出错。
举例来说，假设要传输的数据为01001011101，若采用奇校验，由于目前数据中1的个数为6（偶数），所以校验位为1，使1的个数为奇数个，将数据和校验位010010111011一起发送。若在数据传输过程中发生差错，其中某一位由0变为1或者由1变为0，那么1的个数就变为偶数个，从而发现错误产生。
奇偶校验码比较简单，被广泛应用于异步通信中。另外，奇偶校验码只能检测单个比特出错的情况，而当两个或两个以上的比特出错时，它就无能为力了。
（2）循环冗余码
循环冗余码（Cyclic Redundancy Code，CRC）是一种较为复杂的检验方法，采用多项式编码方法，被处理的数据块可以看作是一个高阶二进制多项式，例如1010111对应的多项式为x6+x4+x2+x+1。采用CRC校验时，发送方和接收方用同一个生成多项式g(x)，并且g(x)的首位和最后一位的系数必须为1，发送方以g(x)去除原始数据，得到余数作为CRC校验码和原始数据一起发送。校验时，以计算的校正结果是否为0为依据，判断数据帧是否出错。
例如，假设要传输的数据为11100011，生成多项式g(x)=x5+x4+x+1（即110011），因为最高次幂是5，所以在原始数据后补5个0，变为1110001100000。用1110001100000除以110011 ，余数为11010 ，即为所求的冗余位。因此发送出去的CRC数据为原始数据11100011末尾加上冗余位11010，即1110001111010。接收端收到CRC数据后，采用同样的方法验证，即将CRC数据除以g(x)，发现余数是0，则认为数据在传输过程中没有出错。
如果生成多项式 g(x)选择得当，则CRC是一种很有效的差错校验方法。理论上可以证明循环冗余校验码的检错能力有以下特点：
● 可检测出所有奇数个错误；
● 可检测出所有双比特的错误；
● 可检测出所有小于等于校验位长度的连续错误；
● 可以相当大的概率检测出大于校验位长度的连续错误。
2.4.6 数据通信技术指标
1.数据通信速率（传输速率）
传输速率是指数据在信道中传输的速度，它分为码元速率和信息速率两种。
码元速率（RB）：每秒钟传送的码元数，单位为波特/秒（Baud/s），又称为波特率。在数字通信系统中，由于数字信号是用离散值表示的，因此，每一个离散值就是一个码元。
信息速率（Rb）：每秒钟传送的信息量，单位为比特/秒（bit/s或bps），又称为比特率。对于一个用二进制表示的信号（2级电平），每个码元包含1比特信息，其信息速率与码元速率相等；对于一个用四进制表示的信号（4级电平），每个码元包含了两比特信息，因此其信息速率应该是码元速率的两倍。
一般来说，对于采用M进制信号传输信号时，信息速率和码元速率之间的关系是：
Rb=RBlog2M
2.误码率和误比特率
误码率是指码元在传输过程中，错误码元占总传输码元的概率。在二进制传输中，误码率也称为误比特率。
误码率Pe=传输出错的码元数/传输的总码元数
误比特率Pb=传输出错的比特数/传输的总比特数
在理解误码率定义时应注意：对于一个实际的数据传输系统，不能笼统地要求误码率越低越好，要根据实际传输要求提出误码率指标。对于同一信道，误码率要求越低，数据传输系统设备越复杂，造价越高。例如电话线路在300～2400bit/s传输速率时，平均误码率在10-2～10-6；在4800～9600bit/s传输速率时，平均误码率在10-2～10-4。而计算机通信的平均误码率要求低于10-9。普通通信信道如不采取差错控制技术是不能满足计算机通信要求的。
3.信道带宽与信道容量
信道带宽是指信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频率范围，单位用赫兹（Hz）表示。信道带宽是由信道的物理特性所决定的。例如，电话线路的频率范围在300～3400Hz，它的带宽范围也在300～3400Hz。
信道容量是衡量一个信道传输数字信号的重要参数。信道容量是指单位时间内信道上所能传输的最大比特数，用比特率（bit/s）表示。通常，信道容量和信道带宽具有正比关系，带宽越大，容量越高，所以要提高信号的传输率，信道就要有足够的带宽。从理论上看，增加信道带宽是可以增加信道容量的，但实际上信道带宽的无限增加并不能使信道容量无限增加，因为在实际使用中，信道中存在噪声或干扰，制约了带宽的增加。
4.频带利用率
在比较不同的通信系统的效率时，只看它们的传输速率是不够的，还要看传输过程所占用的频带，所以真正用来衡量数据通信系统信息传输效率的指标应该是单位频带内的传输速率，记为η：
频带利用率η=传输速率/占用频带带宽
公式中的单位为比特/秒·赫兹（bit/s·Hz）。例如某数据通信系统，其比特率为9600bit/s，占用频带为6kHz，则其频带利用率η=1.6（bit/s·Hz）。