212數(shù)據(jù)通信中的主要技術(shù)指標(biāo)

$2.1.2數(shù)據(jù)通信的任務(wù)是傳輸數(shù)據(jù)信息,期望到達(dá)傳輸速度快、出錯(cuò)率低、信息量大、牢靠性高,并且既經(jīng)濟(jì)又便于使用維護(hù)。這些要求可以用以下技術(shù)指標(biāo)加以描述。數(shù)據(jù)傳輸速率所謂數(shù)據(jù)傳輸速率,是指每秒能傳輸?shù)亩M(jìn)制信息位數(shù),單位為位/秒(bitspersec-ond)bpsb/s,它可由下式確定:R=1/T·logN (bps)2式中T為一個(gè)數(shù)字脈沖信號(hào)的寬度(全寬碼狀況)或重復(fù)周期(歸零碼狀況),單位為秒。一個(gè)數(shù)字脈沖也稱為一個(gè)碼元,N為一個(gè)碼元所取的有效離散值個(gè)數(shù),也稱調(diào)制電平數(shù),N201值,則該碼元只能攜帶一位(bit)二進(jìn)制信息;假設(shè)一個(gè)碼元可00、01、10和11四種離散值,則該碼元就能攜帶兩位二進(jìn)制信息。以此類推,假設(shè)一個(gè)碼元可取N種離散值,則該碼元logN2當(dāng)一個(gè)碼元僅取兩種離散值時(shí),R=(1/T),表示數(shù)據(jù)傳輸速率等于碼元脈沖的重復(fù)頻率。由此,可以引出另一個(gè)技術(shù)(Baud)。信號(hào)傳輸速率表示單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)信道傳輸?shù)拇a元個(gè)數(shù),也就是信號(hào)經(jīng)調(diào)制后的傳輸速率。假設(shè)信TB=1/T (Baud)在有些調(diào)幅和調(diào)頻方式的調(diào)制解調(diào)器中,一個(gè)碼元對(duì)應(yīng)于一位二進(jìn)制信息,即一個(gè)碼元;,有兩種有效離散值,此時(shí)中,一個(gè)碼元對(duì)應(yīng)于兩位二進(jìn)制信息,即一個(gè)碼元有四種有效離散值,此時(shí)調(diào)制速率只是數(shù)據(jù)傳輸速率的一半。由以上兩式合并可得到調(diào)制速率和數(shù)據(jù)傳輸速率的對(duì)應(yīng)關(guān)系式:R=B·logN (bps)2B=R/logN(Baud)2一般在二元調(diào)制方式中,R和B都取同一值,習(xí)慣上二者是通用的。但在多元調(diào)制的狀況下,必需將它們區(qū)分開(kāi)來(lái)。例如承受四相調(diào)制方式,即N=4,且T=833×10-6秒,則可求出數(shù)據(jù)傳輸速率為:R=1/T·logN=1/(833×10-6)·log4=2400(bps)2 2而調(diào)制速率為：B=1/T=1/(833×10-6)=1200(Baud)通過(guò)上例可見(jiàn),雖然數(shù)據(jù)傳輸速率和調(diào)制速率都是描述通信速度的指標(biāo),但它們是完全不同的兩個(gè)概念。打個(gè)比方數(shù)據(jù)傳輸速率便是單位時(shí)間里經(jīng)過(guò)的卡車所裝運(yùn)的貨物箱數(shù)。假設(shè)一車裝一箱貨物,則單位時(shí)間經(jīng)過(guò)的卡車數(shù)與單位時(shí)間里卡車所裝運(yùn)的貨物箱數(shù)相等,如果一車裝多箱貨物,則單位時(shí)間經(jīng)過(guò)的卡車數(shù)便小于單位時(shí)間里卡車所裝運(yùn)的貨物箱數(shù)。信道容量信道容量表征一個(gè)信道傳輸數(shù)據(jù)的力氣,單位也用位/秒(bps道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率,是信道傳輸數(shù)據(jù)力氣的極限,而后者則表示實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸速率。這就像大路上的最大限速值與汽車實(shí)際速度之間的關(guān)系一樣,它們雖然承受一樣的單位;但表征的是不同的含義。奈奎斯特(Nyquist)首先給出了無(wú)噪聲狀況下碼元速率的極BHB=2·H (Baud)其中,H限頻率的差值,單位為HZ。由此可推出表征信道數(shù)據(jù)傳輸力氣的奈奎斯特公式:C=2·H·logN (bps)2此處,N照舊表示攜帶數(shù)據(jù)的碼元可能取的離散值的個(gè)數(shù),C即是該信道最大的數(shù)據(jù)傳輸速率。由以上兩式可見(jiàn),對(duì)于特定的信道,其碼元速率不行能超過(guò)信道帶寬的兩倍,但假設(shè)能提高每個(gè)碼元可能取的離散值路的帶寬約為3KHz,則其碼元速率的極限值為6kBaud個(gè)碼元可能取的離散值的個(gè)數(shù)為16(即N=16),則最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)C=2×3k×log16=24kbps。2實(shí)際的信道總要受到各種噪聲的干擾,香農(nóng)(Shannon)則進(jìn)一步爭(zhēng)論了受隨機(jī)噪聲干擾的信道的狀況,給出了計(jì)算信道容量的香農(nóng)舍式:C=H·log(1+S/N) (bps)2其中,S表示信號(hào)功率,N為噪聲功率,S/N則為信噪比。由于實(shí)際使用的信道的信噪比都要足夠大,故常表示成10log(S/N),以分貝(dB)為單位來(lái)計(jì)量,在使用時(shí)要特別注10意。例如,信噪比為30dB,帶寬為3kHZ的信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為:C=3k×log2(1+1030/10)=3k×log2(1+1001)=30kbps.由此可見(jiàn),只要提高信道的信噪比,便可提高信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。需要強(qiáng)調(diào)的是,上述兩個(gè)公式計(jì)算得到的只是信道數(shù)據(jù)傳輸速率的極限值,實(shí)際使用時(shí)必需留有充分的余地。誤碼率誤碼率是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)在正常工作狀況下的傳輸牢靠性的指標(biāo),它定義為二進(jìn)制數(shù)據(jù)位傳輸時(shí)出錯(cuò)的概率。設(shè)傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)據(jù)總數(shù)為NN,則誤e碼率表示為:P=N/Ne e計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中,一般要求誤碼率低于10-9,即平均每傳輸109位數(shù)據(jù)僅允許錯(cuò)一位?？杉僭O(shè)誤碼率達(dá)不到這個(gè)指標(biāo),可以通過(guò)過(guò)失把握方法進(jìn)展檢錯(cuò)和糾錯(cuò)。$2.1.3通信方式在計(jì)算機(jī)內(nèi)部各部件之間、計(jì)算機(jī)與各種外部設(shè)備之間及計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間都是以通信的方式傳遞交換數(shù)據(jù)信息的。通信有兩種根本方式,即串行方式和并行方式。通常狀況下,并行方式用于近距離通信,串行方式用于距離較并行通信方式在并行數(shù)據(jù)傳輸中有多個(gè)數(shù)據(jù)位,例如8個(gè)數(shù)據(jù)位(如圖2.3所示),同時(shí)在兩個(gè)設(shè)備之間傳輸。發(fā)送設(shè)備將8個(gè)數(shù)據(jù)位通過(guò)8條數(shù)據(jù)線傳送給接收設(shè)備,還可附加一位數(shù)據(jù)校驗(yàn)位。接收設(shè)備可同時(shí)接收到這些數(shù)據(jù),不需做任何變換就可直接使用。在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)通信通常以并行方式進(jìn)展。并行的881616位總線。并行數(shù)據(jù)總線的物理形式有好幾種,但功能都是一樣的,例如:計(jì)算機(jī)內(nèi)部直接用印刷電路板實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)總線、連接軟/硬盤驅(qū)動(dòng)器的扁平帶狀電纜、連接計(jì)算機(jī)外部設(shè)備的圓形多芯屏蔽電纜等。串行通信方式并行傳輸時(shí),需要一根至少有8條數(shù)據(jù)線(因一個(gè)字節(jié)是8的電纜將兩個(gè)通信設(shè)備連接起來(lái)。當(dāng)進(jìn)展近距離傳輸時(shí),這傳輸時(shí),這種方法的線路費(fèi)用就難以容忍了。這種狀況下,使用現(xiàn)成的線來(lái)進(jìn)展數(shù)據(jù)傳輸就經(jīng)濟(jì)得多了。用線進(jìn)數(shù)據(jù)是一位一位地在通信線上傳輸?shù)?與同時(shí)可傳輸好幾位數(shù)據(jù)的并行傳輸相比,串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣纫炔⑿袀鬏斅木W(wǎng)絡(luò),所以,使用現(xiàn)成的網(wǎng)以串行傳輸方式通信,對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)具有更大的現(xiàn)實(shí)意義。如2.4所示,串行數(shù)據(jù)傳輸時(shí),先由具有8內(nèi)的發(fā)送設(shè)備,將8行方式,再逐位經(jīng)傳輸線到達(dá)接收站的設(shè)備中,并在接收端將數(shù)據(jù)從串行方式重轉(zhuǎn)換成并行方式,以供接收方使用。串行通信的方向性構(gòu)造串行數(shù)據(jù)通信的方向性構(gòu)造有三種，單工，半雙工，全雙工單工數(shù)據(jù)傳輸只支持?jǐn)?shù)據(jù)在一個(gè)方向上傳輸；半雙工數(shù)據(jù)傳輸允許數(shù)據(jù)在兩個(gè)方向上傳輸，但是，在某一時(shí)刻，只允許數(shù)據(jù)在一個(gè)方向上傳輸，半雙工通信實(shí)際上是一種可切換方向的單工通信；全雙工數(shù)據(jù)通信允許數(shù)據(jù)同時(shí)在兩個(gè)方向上傳輸,因此全雙工通信是兩個(gè)單工通信方式的結(jié)合,它要求發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備都有獨(dú)立的接收和發(fā)送力氣。移動(dòng)通信依據(jù)通話狀態(tài)和頻率使用分單工，半雙工，全雙工。在無(wú)線工作方式下有單頻雙頻之分。除了模擬數(shù)據(jù)的模擬信號(hào)傳輸外，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號(hào)傳輸，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)傳輸和模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)傳輸，這三種方法都需要數(shù)據(jù)表述或者稱數(shù)據(jù)編碼。$2.2.1為了利用廉價(jià)的公共交換網(wǎng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間的遠(yuǎn)程通信,必需首先將發(fā)送端的數(shù)字信號(hào)變換成能夠在公共網(wǎng)上傳輸?shù)囊纛l信號(hào),經(jīng)傳輸后,再在接收端將音頻信號(hào)逆變換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)變換成音頻信號(hào)的過(guò)程稱調(diào)制(Modulate),音頻信號(hào)逆變換成對(duì)應(yīng)數(shù)字信號(hào)的過(guò)程稱解調(diào)(Demod1date接收數(shù)據(jù),所以總把調(diào)制和解調(diào)功能合做成一個(gè)設(shè)備,稱作調(diào)制解調(diào)器(MODulaterDEModulater,Modem)。為什么在公共交換網(wǎng)中傳輸數(shù)字信號(hào)必需使用調(diào)制解調(diào)器呢?由于公共交換網(wǎng)是一種頻帶模擬信道,它的頻帶范圍僅為300Hz~3400Hz,而數(shù)字信號(hào)由于所含的極其豐富的高次諧波成份使得頻寬范圍可從Ohz始終延長(zhǎng)達(dá)幾千兆hz,如不加任何措施利用模擬信道來(lái)傳輸數(shù)字信號(hào),必定必需將數(shù)字信號(hào)變換成網(wǎng)所允許的音頻頻帶范圍,即300Hz~3400Hz?？梢赃@么說(shuō),在最終實(shí)現(xiàn)稱作綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)(ISDN)的全球全數(shù)字通信系統(tǒng)之前,很大一局部遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)仍需要用調(diào)制解調(diào)器.圖2.6給出了使用調(diào)制解調(diào)器進(jìn)展遠(yuǎn)程通信的系統(tǒng)示意圖。這里,與調(diào)制解調(diào)器相連的工作站可以是計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程終端、外部設(shè)備甚至局域網(wǎng)。從圖中可看出調(diào)制解調(diào)器將數(shù)字信號(hào)調(diào)制成模擬信號(hào),傳輸?shù)綄?duì)方后又將模擬信號(hào)解調(diào)成數(shù)字信號(hào)的過(guò)程。模擬信號(hào)傳輸?shù)母资禽d波,載波具有三大要素,即幅度、頻率和相位,數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以針對(duì)載波的不同要素或它們的組合進(jìn)展調(diào)制。圖2.7給出了數(shù)字調(diào)制的三種根本形式,ASK(Amplitude-Shiftkeying)FSK(FrequencyShiftkeying)和移相鍵控法psk在移幅鍵控法ASK方式下,用載波的兩種不同幅度來(lái)表示二進(jìn)制值的兩種狀態(tài)。例如,用幅度恒定的載波的存在表示“1“,而用載波不存在來(lái)表示“0“。ASK方式簡(jiǎn)潔受增益變化的影響,是一種效率相當(dāng)?shù)偷恼{(diào)制技術(shù)。在線路上,通1200bps在移頻鍵控法FSK方式下,用載波頻率四周的兩種不同頻率表示二進(jìn)制的“0“和“1“。在線路上使用FSK可以實(shí)現(xiàn)全雙工操作,全雙工指的是可以同時(shí)在兩個(gè)方向傳輸數(shù)據(jù)。為了到達(dá)這個(gè)目的,可以將頻帶分為300~1700Hz和1700~3000HZ兩個(gè)子頻帶,其中一個(gè)用于發(fā)送,另一個(gè)用于接收。在一個(gè)方向上,調(diào)制解調(diào)器可以用1070Hz和1270Hz兩種頻率表示“0“和“1“;對(duì)于另一個(gè)方向,則可以用2025Hz和2225Hz兩種頻率表示“0“和“1“。由于兩套頻率相互之間不存在重疊,因此幾乎沒(méi)有什么干擾。在線路上,FSK通常1200bps在移相鍵控法PSK方式下,利用載波信號(hào)相位移動(dòng)來(lái)表示數(shù)據(jù)。圖2.7中是一個(gè)二相系統(tǒng)的例子,在這個(gè)系統(tǒng)中,用相移為0度的頻率表示“0“,用相移為180。(即反相)的頻率表示“1“。實(shí)際應(yīng)用中,PSK也可以使用多于二相的相移,例如4種、8種或更多種離散狀態(tài),由此使數(shù)據(jù)傳輸速率增加到原來(lái)的23倍或更多。將信號(hào)頻率分別移相四種不同角度的移相鍵控法稱為2DPSK,利用這種技術(shù),可以對(duì)傳輸速率起到加倍的作用,例如信號(hào)速率為6002DPSK的有效數(shù)據(jù)速率可為1200bps;將一個(gè)信號(hào)分別移相8種不同角度的移相鍵控法稱為3DPSK,這種技術(shù)假設(shè)使用在1600波特的調(diào)制解調(diào)器上,便可以獲得4800bps承受多相PSK可以有效地提高數(shù)據(jù)傳輸速率,但受實(shí)際傳輸網(wǎng)的限制,相移數(shù)已到達(dá)上限,再要提高數(shù)據(jù)傳輸速率,只能另尋它法。PSK和ASK技術(shù)的結(jié)合可以解決這個(gè)問(wèn)題,這種方式稱相位幅度調(diào)制PAM(PulseAmplitudeModulation)。例如承受12種相位,其中的4種相位每個(gè)信2種幅度,這樣就得到16種不同的相位幅度離散狀態(tài),4位二進(jìn)制數(shù)據(jù),從而大大提高了數(shù)