計算機網絡通信技術原理是什么?

模擬數據通信和數字數據通信

1.幾個術語的解釋

1)數據－定義為有意義的實體。數據可分為模擬數據和數字數據。模擬數據是在某區間內連續變化的值；數字數據是離散的值。

2)信號－是數據的電子或電磁編碼。信號可分為模擬信號和數字信號。模擬信號是隨時間連續變化的電流、電壓或電磁波；數字信號則是一系列離散的電脈沖。可選擇適當的參量來表示要傳輸的數據。

3)信息－是數據的內容和解釋。

4)信源－通信過程中產生和發送信息的設備或計算機。

5)信宿－通信過程中接收和處理信息的設備或計算機。

6)信道－信源和信宿之間的通信線路。

2.模擬信號和數字信號的表示

模擬信號和數字信號可通過參量(幅度)來表示：

圖2.1 模擬信號、數字信號的表示

3.模擬數據和數字數據的表示

模擬數據和數字數據都可以用模擬信號或數字信號來表示，因而無論信源產生的是模擬數據還是數字數據，在傳輸過程中都可以用適合于信道傳輸的某種信號形式來傳輸。

1)模擬數據可以用模擬信號來表示。模擬數據是時間的函數，并占有一定的頻率范圍，即頻帶。這種數據可以直接用占有相同頻帶的電信號，即對應的模擬信號來表示。模擬電話通信是它的一個應用模型。

2)數字數據可以用模擬信號來表示。如Modem可以把數字數據調制成模擬信號；也可以把模擬信號解調成數字數據。用Modem撥號上網是它的一個應用模型。

3)模擬數據也可以用數字信號來表示。對于聲音數據來說，完成模擬數據和數字信號轉換功能的設施是編碼解碼器CODEC。它將直接表示聲音數據的模擬信號，編碼轉換成二進制流近似表示的數字信號;而在線路另一端的CODEC,則將二進制流碼恢復成原來的模擬數據。數字電話通信是它的一個應用模型。

4)數字數據可以用數字信號來表示。數字數據可直接用二進制數字脈沖信號來表示，但為了改善其傳播特性，一般先要對二進制數據進行編碼。數字數據專線網DDN網絡通信是它的一個應用模型。

4.數據通信的長距離傳輸及信號衰減的克服

1)模擬信號和數字信號都可以在合適的傳輸媒體上進行傳輸(如圖2.2)；

圖2.2 模擬數據、數字數據的模擬信號、數字信號的傳輸表示

2)模擬信號無論表示模擬數據還是數字數據,在傳輸一定距離后都會衰減。克服的辦法是用放大器來增強信號的能量，但噪音分量也會增強，以至引起信號畸變。

3)數字信號長距離傳輸也會衰減，克服的辦法是使用中繼器，把數字信號恢復為"0、1"的標準電平后繼續傳輸。　數據通信中的主要技術指標

1.數據傳輸速率

1)數據傳輸速率--每秒傳輸二進制信息的位數，單位為位/秒，記作bps或b/s。

計算公式: S=1/T*log2N(bps)　......⑴

式中 T為一個數字脈沖信號的寬度(全寬碼)或重復周期(歸零碼)單位為秒；

N為一個碼元所取的離散值個數。

通常 N=2K，K為二進制信息的位數，K=log2N。

N=2時，S=1/T，表示數據傳輸速率等于碼元脈沖的重復頻率。

2)信號傳輸速率--單位時間內通過信道傳輸的碼元數，單位為波特，記作Baud。

計算公式: B=1/T (Baud)　　 ......⑵

式中 T為信號碼元的寬度，單位為秒．

信號傳輸速率,也稱碼元速率、調制速率或波特率。

由⑴、⑵式得：　S=B*log2N　(bps)　　　　　 ......⑶

或　B=S/log2N　(Baud)　　　　　......⑷

[例1]采用四相調制方式，即N=4，且T=833x10-6秒，則

S=1/T*log2N=1/(833x10-6)*log24=2400 (bps)

B=1/T=1/(833x10-6)=1200 (Baud)

2.信道容量

1)信道容量表示一個信道的最大數據傳輸速率，單位：位/秒(bps)

信道容量與數據傳輸速率的區別是，前者表示信道的最大數據傳輸速率，是信道傳輸數據能力的極限，而后者是實際的數據傳輸速率。像公路上的最大限速與汽車實際速度的關系一樣。

2)離散的信道容量

奈奎斯特(Nyquist)無噪聲下的碼元速率極限值B與信道帶寬H的關系：

B=2*H (Baud)　　　　　　　......⑸

奈奎斯特公式--無噪信道傳輸能力公式：

C=2*H*log2N (bps)　　　　　......⑹

式中 H為信道的帶寬，即信道傳輸上、下限頻率的差值，單位為Hz；

N為一個碼元所取的離散值個數。

[例2]普通電話線路帶寬約3kHz，則碼元速率極限值B=2*H=2*3k=6kBaud ；

若碼元的離散值個數N=16，則最大數據傳輸速率C=2*3k*log216=24kbps。

3)連續的信道容量

香農公式--帶噪信道容量公式：

C=H*log2(1+S/N) (bps)　　 ......⑺

式中 S為信號功率，

N為噪聲功率，

S/N為信噪比，通常把信噪比表示成10lg(S/N)分貝(dB)。

[例3]已知信噪比為30dB，帶寬為3kHz，求信道的最大數據傳輸速率。

∵ 10lg(S/N)=30 ∴ S/N=1030/10=1000　

∴ C=3klog2(1+1000)≈30k bps

3.誤碼率--二進制數據位傳輸時出錯的概率。

它是衡量數據通信系統在正常工作情況下的傳輸可靠性的指標。在計算機網絡中，一般要求誤碼率低于10-6，若誤碼率達不到這個指標，可通過差錯控制方法檢錯和糾錯。

誤碼率公式：

Pe=Ne/N　　　　　　　　　 ......⑻

式中 Ne為其中出錯的位數；

N 為傳輸的數據總數。

通信方式

1.并行通信方式

并行通信傳輸中有多個數據位，同時在兩個設備之間傳輸。發送設備將這些數據位通過對應的數據線傳送給接收設備，還可附加一位數據校驗位。接收設備可同時接收到這些數據，不需要做任何變換就可直接使用。并行方式主要用于近距離通信。計算機內的總線結構就是并行通信的例子。這種方法的優點是傳輸速度快，處理簡單。

圖2.3 并行數據傳輸

2.串行通信方式

串行數據傳輸時，數據是一位一位地在通信線上傳輸的，先由具有幾位總線的計算機內的發送設備，將幾位并行數據經并--串轉換硬件轉換成串行方式，再逐位經傳輸線到達接收站的設備中，并在接收端將數據從串行方式重新轉換成并行方式，以供接收方使用。串行數據傳輸的速度要比并行傳輸慢得多，但對于覆蓋面極其廣闊的公用電話系統來說具有更大的現實意義。

圖2.4 串行數據傳輸

3.串行通信的方向性結構

串行數據通信的方向性結構有三種，即單工、半雙工和全雙工。

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圖2.5 單工、半雙工、全雙工

單工數據傳輸只支持數據在一個方向上傳輸；

半雙工數據傳輸允許數據在兩個方向上傳輸，但是，在某一時刻，只允許數據在一個方向上傳輸，它實際上是一種切換方向的單工通信；

全雙工數據通信允許數據同時在兩個方向上傳輸，因此，全雙工通信是兩個單工通信方式的結合，它要求發送設備和接收設備都有獨立的接收和發送能力。