3.1.3 数据通信方式

数据通信方式有并行传输和串行传输两类。

1.并行传输

并行传输是在两个设备之间同时传输多个数据位，图3-4是一个字节的8bit二进制数位各占用1个信道同时传输。

并行数据传输的特点是传输速度快，同时占用信道多，通常用于近距离传输，如计算机与打印机或扫描仪之间的数据传输。

2.串行传输

串行数据传输时，数据是一位一位依次在设备之间传输的，如图3-5所示。特点是只需占用一个传输信道，传输速度慢，适合远距离传输。

3.串行通信的方向性结构

串行通信有单工通信、半双工通信和全双工通信三种。

（1）单工通信：又称单向通信。即只允许一个方向传送而不能反向传送。应用：有线广播（一点对多点）、公共广播系统（PA）和闭路电视系统等。

（2）半双工通信：又称双向交替通信。即通信双方既可以发送也可以接收信息，但双方不能同时发送（当然也不能同时接收）。这种通信方式是一方发送另一方接收，通过人工收发切换来实现。

（3）全双工通信：又称双向同时通信。即通信双方同时可以发送和接收信息。

单工通信和半双工通信只需要一条信道，全双工通信则需要两条通道，正如火车在单轨铁路或双轨铁路上行驶那样。显然，双工通信的传输效率最高。

4.数字信号的传输方式

（1）基带传输：信道中直接传输基带信号（PCM数据信号）称为基带传输。特点：传输速度快，误码率低，但需占用信道全部带宽，适合短距离传输，如局域网通信。

（2）频带传输：频带传输又称调制传输，把基带信号调制在数十兆赫的高频信号上，变换成占有一定带宽的模拟数据信号后再进行传输；特点是可以实施远距离传输、无线传输和信道复用，在发送端需要用调制器（Modem，俗称猫）将基带信号转换为模拟数据信号，在接收端需要用解调器解调出基带信号，如图3-6所示。

5.数据通信的主要技术指标

（1）带宽（Band Width）：传输信号的最高频率与最低频率之差称为信息带宽，单位为Hz、kHz、MHz。

通常用带宽表示信道传输信息的能力。模拟信道的带宽越宽则信息的信噪比（S/N）越大，信道的极限传输速率也可越高。这就是为什么人们总是努力提高通信信道带宽的原因。

（2）数据传输速率（Data Transfer Rate）：是指信道中每秒传送数据代码的比特数，单位为bit/s。常用单位为千比特每秒（kbit/s）、兆比特每秒（Mbit/s）、吉比特每秒（Gbit/s）和太比特每秒（Tbit/s）。另一个常用单位为调制速率（Baud，波特），1Baud（波特）可携带n bit的信息量。当n=1时，1Baud=1bit/s。

数据信号（基带信号）远距离传送时，需把数据信号通过调制解调技术进行传送，在接收端通过解调器得到数据信号。数据在对高频载波调制的过程中会使载波的各种参数产生变化（幅度变化、相位变化、频率变化），如图3-7所示。

1）振幅键控（ASK），即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0对应的是无载波输出；而1对应的是有载波输出。

2）频移键控（FSK），即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0对应的频率是f₁，而1对应的频率是f₂。

3）相移键控（PSK），即载波的初始相位随基带数字信号而改变。例如，0对应于相位0°，而1对应于相位180°。

上述数据信号对载频的调幅、调频和调相，分别称为振幅键控（Amplitude Shift Keying，ASK）、移频键控（Frequency Shift Keying，FSK）和相移键控（Phase Shift Keying，PSK）。相移键控还可再分为绝对相移键控（HPSK）和相对相移键控（DPSK），即0对应于相位发生变化，而1对应于相位不变化。DPSK具有更高的抗干扰性能。如果把振幅调制（ASK）和相位调制（PSK）或频率调制（FSK）混合在一起，就形成一个正交调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）。正交调制传送1个码元（0或1）可以传送4bit的信息量，因此，由FSK或PSK组成的QAM正交调制可增加4倍的信息传输率。

调制速率（Baud，波特率）：波特率又称调制速率或符号率，是描述数据信号对模拟载波调制过程中，调制数据所映射载波参数变化（幅度变化、相位变化、频率变化）的bit（比特）数。

数据信号是由符号（即单位码元）组成的，随着采用的调制技术的不同，调制数据所映射的比特数也不同。

要提高信息传输速率，必须设法（通过调制）使每个Baud（波特）能携带更多个bit的信息量。例如：要传送的基带信号是：101011000110111010……，如果希望1波特要能携带3bit信息量，那么可把每3bit数据编为一组（简称码组）。3bit码组可表达以下8个不同的二进制数值：（000）₂=0（φ₀），（001）₂=1（φ₁），（010）₂=2（φ₂），（011）₂=3（φ₃），（100）₂=4（φ₄），（101）₂=5（φ₅），（110）₂=6（φ₆），（111）₂=7（φ₇）。

101011000110111010001100这些数据信号调相后的正弦波相位分别为：φ₅（101），φ₃（011），φ₀（000），φ₆（110）φ₇（111），φ₂（010），φ₁（001），φ₄（100）。

如果基带信号不进行码组调相处理，那么，每个Baud（波特）只能携带1bit的信息量，每秒发送8Baud的调相信息量为1bit×8=8bit。

如果用3bit码组调相，每个波特码组携带3bit信息量，此时发送φ₄φ₅φ₃φ₀φ₁φ₆φ₇φ₂8个波特的调相码组，就能每秒发送的信息量为3bit×8=24bit。这样就可以提高数据的传输速率了。

（3）信道容量：是指在一定信噪比条件下，信道无差错传输的最大数据传输速率，代表信道的最大信息传输能力，即信道的极限带宽，单位也用bit/s。

信道容量与数据传输速率的区别在于，前者是表示信道传输数据能力的极限，而后者则表示信道中实际传输的数据速率。就像公路上的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。

信道容量受传输通道带宽和传输距离对信号的衰减的限制，以及各种外来干扰信号的影响，使输出端波形质量变差，直至输出端很难判断出信号是1还是0；信道距离越长，信号受到的衰减越大，信道容量也就越小。图3-8给出了数字信号通过传输线路的实际输出波形。

1948年，香农（Shannon）用信息理论推导出了受传输线路带宽的限制，而且存在高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率C可表达为：

式中 C——信道的极限信息传输速率，单位为bit/s；

W——信道的带宽，单位为Hz；

S——信道内传输信号的平均功率，单位为mW；

N——信道内部的白噪声功率，单位为mW。

香农公式表明，信道的带宽W越宽、信道中信息的S/N信噪比越高，则信道的极限传输速率也就越高。此外，公式还表明，只要信息的最高码率低于信道的极限传输速率，就一定可以找到无差错传输的方法。

由于香农公式还没有考虑信号传输过程中的各种电磁脉冲干扰和传输过程中产生的失真等因素，因此实际信道上传输的信息速率比式（3-1）计算出来的极限传输速率更低。例如：频响特性为300～3400Hz带宽的一个标准电话信道，在该频带中，接近理想带宽的是中间一段，即W=3400Hz-300Hz=3100Hz左右。如果要让传输系统输出信号的信噪比S/N=30倍，那么按式（3-1）可计算出该话路的极限信息传输速率为

C=3100log₂（1+30）bit/s=3100×log₂（31）bit/s=8400bit/s（8.4kbit/s）

（4）时延（Latency/Delay）：一个报文（Message，是网络中交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块）或分组从一个网络或一条链路的一端传送到另一端所需要的时间。总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延。

（5）误码率P_e：是指数据传输中被传错的比特数与传输的全部比特总数之比，即P_e=N_e/N。在计算机通信系统中对误码率的要求是低于10-6，即平均每正确地传输1Mbit二进制码，才能错传1bit二进制码。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。