1.3 数据通信系统概述

1.数据通信系统构成

数据通信系统是由计算机、远程终端、传输信道及有关通信设备组成的完整系统。任何一个信息系统都必须实现数据通信与信息处理的功能：前者为后者提供信息传输服务；后者利用前者提供的服务实现系统的应用。从数据通信原理角度来看，数据通信系统是通过数据电路将分布在异地的数据终端设备与计算机系统连接起来，实现数据传输、交换、存储和处理的系统。其典型构成如图1-10所示。

① 数据终端子系统。由DTE和传输控制器组成：前者将发送的信息变换为数字信号输出，或者把接收的数字信号还原为用户能理解的信息形式，具有编码/解码功能，形式很多；后者用于数据传输的控制，借助传输控制代码完成线路控制功能，包括通信线路的自动呼叫、自动接通/断开、确认对方的通信状态，以及实现差错控制等功能，集线器（hub）就是一种典型的传输控制设备。

② 数据传输子系统。由传输信道及两端的DCE构成。传输信道有多种分类方法，如模拟信道与数字信道，专用线路和交换网线路，有线信道和无线信道，频分信道和时分信道等。如果是交换网线路，则在每次通信开始前首先要通过呼叫过程建立连接，通信结束后再拆除连接，这和打电话的情况类似；如果是专线连接则较简单，采用固定连接方法，不需要上述的呼叫建立与拆线等过程。DCE主要功能是在数据终端设备和其接入的网络间进行接口规程及电气上的适配，不同的数据通信系统所用的数据通信设备各异。如传输信道是模拟信道， DCE的作用就是把DTE送来的数据信号变换为模拟信号再送往信道，或者反过来，把信道送来的模拟信号变换成数据信号再送到DTE；如信道是数字的，DCE的作用是实现信号码型与电平的转换、信道特性的均衡，收发时钟的形成与供给以及线路接续控制等。

③ 数据处理子系统。包括通信控制器和中央处理机。前者把来自主终端的数据经通信控制器分送给相应的通信线路，或把来自通信线路的数据经由通信控制器送往中央处理机，是中央处理机与各条通信线路之间的“桥梁”，其功能包括线路控制、传输控制、接口控制、差错控制、报文处理、速率变换等；后者主要完成数据处理和存储等功能。

此外，由于数据通信没有人直接参加，必须对传输过程按一定的规程进行控制，以便使双方能协调可靠地工作，包括通信线路的连接、收发双方的同步、工作方式的选择、传输差错的检测与校正、数据流的控制、数据交换过程中可能出现的异常情况的检测和恢复，这些都按双方事先约定的传输控制规程来完成。

根据数据处理子系统对数据的处理形式不同，数据通信系统分以下3种：

① 联机实时系统。处理结果能立即作用或影响正在被处理的过程本身的一种数据处理系统。

② 远程批处理系统。数据是在远方收集，通过终端送入数据采集器，数据采集器先将一段时间内的信息存储起来，再通过传输线路将它们成批地送入系统进行处理的一种数据处理系统。

③ 分时处理系统。允许多个终端同时连机使用一个数据处理子系统的一种数据处理系统，特点是多路性、独立性、交互性、及时性。

2.数据通信系统的任务

数据通信系统完成的主要任务如下：

① 传输系统的充分利用。主要指如何充分利用传输设施，通常这些传输设施会被多个正在通信的设备共享（称为复用），有多种技术可在几个用户间分配传输系统的总传输能力。为了保证系统不会因过量的传输服务请求而超载，需引入拥塞控制技术。

② 接口。任何设备要进行通信，都必须与传输系统有接口，一旦建立了接口，要进行通信还需要产生合适的信号，所产生的信号须满足以下要求：能在传输系统传输；能被接收端转换为数据。

③ 同步。仅根据传输系统和接收端的要求生成信号还不够，发送端与接收端要实现某种形式的同步。接收端必须能够判断传输的信号何时开始，何时结束，以及每个信号单元的持续时间。

④ 交换的管理。要使双方顺利通信，除了决定信号的特性和定时这些基本要求之外，系统还要收集必要的信息，将其归纳为交换的管理。

⑤ 差错检测和纠正。任何通信系统都有出现差错的可能性，比如传输的信号到达终点之前失真过度，需要有一定的差错检测和纠正机制。为保证目的站设备不会因源站设备将数据发送得太快以致无法及时接收和处理这些数据而导致超载，还需要流量控制。

⑥ 寻址和路由选择。寻址和路由选择是两个相关但又截然不同的概念。当传输设施被两个以上设备共享时，源站系统必须给出其目的站系统的标识。传输系统必须保证只有目的站系统才能收到数据，这就是寻址。此外，传输系统如为有多条路径的网络，还必在网络中选择特定的路径传输，这就是路由。

⑦ 报文的格式化。通信双方必须就数据交换或传输的格式达成一致协议。例如，双方都使用同样的二进制字符编码。

⑧ 安全措施。数据通信系统需采取一定的安全措施，发送数据方可能希望确保只有某个接收方才能接收到数据，数据接收方则可能要求接收到的数据传输时没有改变过，且确实来自正确的发送方。

⑨ 网络管理。数据通信设施是个十分复杂的系统，不能自动创建或运行，需要各种网络管理功能来设置系统，监控系统状态，在发生故障和过载时进行处理，并为系统进一步发展进行合理的规划。

3.数据通信系统主要特点

数据通信系统主要优点如下：

① 便于利用现代技术对信息进行加工处理。由于计算机技术、数字存储技术、数字交换技术及数字处理技术等的飞速发展，许多设备、终端接口均是数字信号，因此极易与数据通信系统相连接。正因如此，数据通信才得以高速发展。

② 抗干扰能力强、无噪声积累。模拟通信的噪声随传输距离而增加，导致传输质量下降；数字信号的幅值为有限个离散值，传输过程中虽然也存在干扰，但干扰恶化到一定程度时，可通过判决再生方法还原数字信号，实现远距离、高质量传输。

③ 可靠性高。数字信号传输过程中出现的差错，可通过各种纠错编码技术来控制，使其符合规定要求，达到很高的可靠性。

④ 安全保密性能好。数字通信系统有多种加密/解密方法，具有良好的安全保密性。

⑤ 便于集成化、微型化。随着微电子技术的发展，集成电路功能越来越强，数据通信系统向着集成化、微型化方向发展。

数据通信系统存在以下局限性：

① 占用频带宽。一路数字电话约64kHz，模拟电话仅4kHz，这是模拟通信仍有生命力的主要原因。随着宽频带信道如光缆、数字微波的大量利用，及数字信号处理技术的发展，数字通信带宽已不是问题。

② 系统复杂。数据通信总是与远程终端处理相联系的，这些处理包括科学计算、信息处理、流程控制等，由于信息处理内容与方式不同，对数据通信要求差别很大。例如，根据系统的不同应用，对终端类型、传输代码、传输速率、传输方式、信息的安全性与准确性、系统的实时性与可靠性等要求各异。因而，实现数据通信涉及的因素很多，所以数据通信系统较复杂。

4.数据通信系统技术指标

不同通信系统技术指标各异，数据通信任务是传输数据信息，要求传输速度快、信息量大、可靠性高，涉及的技术指标主要有数据传输速率、误码率和信道容量。

（1）数据传输速率

数据传输速率指信道传输信息的速度，有数据传输速率和信号传输速率两种表示方法。

数据传输速率又称比特率，指单位时间传输的二进制位的个数。这里，定义信息量度量单位是bit（简写为b），一个二进制位所含信息量为1b，定义一个字节（Byte，简写为B）为8b，还有TB、GB、MB、KB等单位，其相互关系是：1TB=210GB=220MB=230KB=240B。与此相对应，数据传输速率单位是比特/秒（bps或b/s），此外，还有Tbps、Gbps、Mbps、kbps，相互关系：1Tbps=103Gbps=106Mbps=109kbps=1012bps。

数据传输速率可用如下公式表示：

式中，S表示比特率；T表示脉冲宽度；N为一个脉冲所表示的有效状态数，即调制电平数，通常为2的整数倍。

例如，某连续信号f=1200Hz，每个信号可表示4个不同的状态，则数据传输速率（比特率）为：

S=(1/T)log2N=1200×log24=2400bps

信号传输速率又称波特率或调制速率，指单位时间内所传送的码元个数，单位为波特（Baud），可用如下公式表示：

式中，B为波特率，T为信号周期。

比特率与波特率都是衡量信息在信道传输快慢的指标，但两者针对的对象不同：比特率针对的是二进制位数传输；波特率针对信号波形的传输。两者关系如下：

比特率与波特率在应用中的相互关系如图1-11所示。

（2）误码率

由于数据信息由离散的二进制数字序列表示，传输过程中无论经历何种变换，产生什么样的失真，只要在到达接收端时能正确地恢复出原始发送的二进制数字序列，即可达到传输目的。所以衡量数据通信系统可靠性的主要指标是差错率，其表示方法有误码率、误比特率。

误码率又称码元差错率，指传输的码元总数中错误接收的码元数所占比例，用Pe表示（多进制系统）。可用如下公式表示：

式中，Pe为误码率，Ne为传输出错的码元数；N为传输的总码元数。

需要指出的是，Pe作为某一段时间平均误码率，即使同一信道，测量时间不同，Pe也不同。

误比特率（Pb）指信息在传输过程中，错误的比特数占总传输的比特数的概率（二进制系统）：

（3）信道容量

信道容量指信道所能承受的最大数据传输速率，它受信道带宽限制，信道带宽越宽，单位时间传输的信息就越多。按信道频率范围不同，信道分为窄带信道（0～300Hz）、音频信道（300～3400Hz）和宽带信道（>3400Hz）。这里，带宽指物理信道的频带宽度，即信道允许的最高频率和最低频率之差。通常，可以用“带宽”取代“速率”，特别是网络技术中二者几乎是同义词。

信道容量有两种衡量方法：奈奎斯特公式和香农公式。奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围如图1-12所示。

① 奈奎斯特公式。对有限带宽无噪声信道，信道容量可用如下公式计算：

式中，C为最大数据速率（信道容量）；H为信道的带宽（Hz）；N为每个脉冲所表示的有效状态数，即调制电平数。

例如，某信道带宽为4kHz，任何时刻信号可取0、1、2和3四种电平之一，则信道容量为：

C=2H log2N=2×4kHz×log24=16kbps

奈奎斯特公式表明，对某一有限带宽无噪声信道，带宽固定，则调制速率也固定。通过提高信号能表示的不同的状态数，能提高信道的容量。

② 香农公式。对有限带宽随机噪声信道，信道容量可用如下公式计算：

式中，H为信道的带宽（Hz）；S为信道内信号的功率；N为信道内服从高斯分布的噪声的功率；S/N为信噪比，通常用10lg(S/N)表示，单位为dB（分贝）。

例如，信噪比为30dB、带宽为4kHz的信道，其最大容量为：

C=4kHz×lg(1+1000)≈40kbps表示无论采用何种调制技术，信噪比为30 dB、带宽为4 kHz的信道，其最大数据速率约为40kbps。

（4）3个指标间的关系

可以看出：数据速率用于衡量信道传输数据的快慢，是信道的实际数据传输速率；信道容量用于衡量信道传输数据的能力，是信道的最大数据传输速率；误码率用于衡量信道传输数据的可靠性。

除上述3个指标外，还涉及数据传输的有效性，数据通信系统的有效性基于以下3方面：

① 传输。系统须将数据传输到正确的目的地，数据必须且只能由所期望的设备或用户接收。

② 正确。系统须正确地传输数据，传输中被改变并未被纠正的数据是无用的。

③ 及时。系统须能及时传输数据，迟到数据无效。在音频、数据和视频方面，及时传输意味着不失真地、按照数据创建时的相同顺序、并没有很大延迟地送达目的地。这种传输方式通常被称为实时传输。

5.数据通信与数字通信

一方面，数据通信与数字通信有差别。数据通信作为计算机技术和通信技术相结合的新型通信方式，可实现数据传输、交换、处理等，主要特征为高速分组交换和宽带传输；数字通信是用数字信号作为载体来传输信息，或者用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式，主要特征是电路交换和高速率宽带大容量实时传输。以数据通信与传输语音信号的数字电话通信相比，二者有差异：电话通信必须有人直接参加，摘机拨号，接通线路，双方确认后才开始通话，通话过程中听不清楚时可要求对方重复，等等。而数据通信也要解决类似问题才能通信，但数据通信通常没有人直接参加，计算机或终端作为通信的对象直接参与通信，终端设备要自主完成通信链路的建立、维护和释放，差错控制，流量控制等，这些都需要按照通信协议来执行；因此，数据通信中通信协议至关重要，没有通信协议，数据通信就无法进行。此外，数据通信传输质量高（误码率<10-8），电话通信误码率仅10-2；数据通信的传输速率高，要求通信终端的响应速度快；接口能力方面，数据通信要求较高的灵活性。

另一方面，数据通信与数字通信有统一性。可以认为数据通信是数字通信的一种形式，因为数据通信的发展不能脱离现有的通信网，需充分利用现有的通信设施。特别是数据通信系统中的传输信道在相当长的时期内还离不开现在的通信网，4800bps以下低速数据的接入也依赖于PSTN。目前，数字通信系统可以承载数据信号，数字信号也可以在数据通信系统中传输，而且它们都能传输语音、图像、数据及各种综合业务。随着三网融合的实施，数字网和数据网将统一为IP网。