计算机网络通信技术原理是什么?

模拟数据通信和数字数据通信

1.几个术语的解释

1)数据－定义为有意义的实体。数据可分为模拟数据和数字数据。模拟数据是在某区间内连续变化的值；数字数据是离散的值。

2)信号－是数据的电子或电磁编码。信号可分为模拟信号和数字信号。模拟信号是随时间连续变化的电流、电压或电磁波；数字信号则是一系列离散的电脉冲。可选择适当的参量来表示要传输的数据。

3)信息－是数据的内容和解释。

4)信源－通信过程中产生和发送信息的设备或计算机。

5)信宿－通信过程中接收和处理信息的设备或计算机。

6)信道－信源和信宿之间的通信线路。

2.模拟信号和数字信号的表示

模拟信号和数字信号可通过参量(幅度)来表示：

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图2.1 模拟信号、数字信号的表示

3.模拟数据和数字数据的表示

模拟数据和数字数据都可以用模拟信号或数字信号来表示，因而无论信源产生的是模拟数据还是数字数据，在传输过程中都可以用适合于信道传输的某种信号形式来传输。

1)模拟数据可以用模拟信号来表示。模拟数据是时间的函数，并占有一定的频率范围，即频带。这种数据可以直接用占有相同频带的电信号，即对应的模拟信号来表示。模拟电话通信是它的一个应用模型。

2)数字数据可以用模拟信号来表示。如Modem可以把数字数据调制成模拟信号；也可以把模拟信号解调成数字数据。用Modem拨号上网是它的一个应用模型。

3)模拟数据也可以用数字信号来表示。对于声音数据来说，完成模拟数据和数字信号转换功能的设施是编码解码器CODEC。它将直接表示声音数据的模拟信号，编码转换成二进制流近似表示的数字信号;而在线路另一端的CODEC,则将二进制流码恢复成原来的模拟数据。数字电话通信是它的一个应用模型。

4)数字数据可以用数字信号来表示。数字数据可直接用二进制数字脉冲信号来表示，但为了改善其传播特性，一般先要对二进制数据进行编码。数字数据专线网DDN网络通信是它的一个应用模型。

4.数据通信的长距离传输及信号衰减的克服

1)模拟信号和数字信号都可以在合适的传输媒体上进行传输(如图2.2)；

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图2.2 模拟数据、数字数据的模拟信号、数字信号的传输表示

2)模拟信号无论表示模拟数据还是数字数据,在传输一定距离后都会衰减。克服的办法是用放大器来增强信号的能量，但噪音分量也会增强，以至引起信号畸变。

3)数字信号长距离传输也会衰减，克服的办法是使用中继器，把数字信号恢复为"0、1"的标准电平后继续传输。　数据通信中的主要技术指标

1.数据传输速率

1)数据传输速率–每秒传输二进制信息的位数，单位为位/秒，记作bps或b/s。

计算公式: S=1/T*log2N(bps)　…⑴

式中 T为一个数字脉冲信号的宽度(全宽码)或重复周期(归零码)单位为秒；

N为一个码元所取的离散值个数。

通常 N=2K，K为二进制信息的位数，K=log2N。

N=2时，S=1/T，表示数据传输速率等于码元脉冲的重复频率。

2)信号传输速率–单位时间内通过信道传输的码元数，单位为波特，记作Baud。

计算公式: B=1/T (Baud)　　 …⑵

式中 T为信号码元的宽度，单位为秒．

信号传输速率,也称码元速率、调制速率或波特率。

由⑴、⑵式得：　S=B*log2N　(bps)　　　　　 …⑶

或　B=S/log2N　(Baud)　　　　　…⑷

[例1]采用四相调制方式，即N=4，且T=833x10-6秒，则

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

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

2.信道容量

1)信道容量表示一个信道的最大数据传输速率，单位：位/秒(bps)

信道容量与数据传输速率的区别是，前者表示信道的最大数据传输速率，是信道传输数据能力的极限，而后者是实际的数据传输速率。像公路上的最大限速与汽车实际速度的关系一样。

2)离散的信道容量

奈奎斯特(Nyquist)无噪声下的码元速率极限值B与信道带宽H的关系：

B=2*H (Baud)　　　　　　　…⑸

奈奎斯特公式–无噪信道传输能力公式：

C=2Hlog2N (bps)　　　　　…⑹

式中 H为信道的带宽，即信道传输上、下限频率的差值，单位为Hz；

N为一个码元所取的离散值个数。

[例2]普通电话线路带宽约3kHz，则码元速率极限值B=2H=23k=6kBaud ；

若码元的离散值个数N=16，则最大数据传输速率C=23klog216=24kbps。

3)连续的信道容量

香农公式–带噪信道容量公式：

C=H*log2(1+S/N) (bps)　　 …⑺

式中 S为信号功率，

N为噪声功率，

S/N为信噪比，通常把信噪比表示成10lg(S/N)分贝(dB)。

[例3]已知信噪比为30dB，带宽为3kHz，求信道的最大数据传输速率。

∵ 10lg(S/N)=30 ∴ S/N=1030/10=1000

∴ C=3klog2(1+1000)≈30k bps

3.误码率–二进制数据位传输时出错的概率。

它是衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标。在计算机网络中，一般要求误码率低于10-6，若误码率达不到这个指标，可通过差错控制方法检错和纠错。

误码率公式：

Pe=Ne/N　　　　　　　　　 …⑻

式中 Ne为其中出错的位数；

N 为传输的数据总数。

通信方式

1.并行通信方式

并行通信传输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。发送设备将这些数据位通过对应的数据线传送给接收设备，还可附加一位数据校验位。接收设备可同时接收到这些数据，不需要做任何变换就可直接使用。并行方式主要用于近距离通信。计算机内的总线结构就是并行通信的例子。这种方法的优点是传输速度快，处理简单。

图2.3 并行数据传输

2.串行通信方式

串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备，将几位并行数据经并–串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用。串行数据传输的速度要比并行传输慢得多，但对于覆盖面极其广阔的公用电话系统来说具有更大的现实意义。

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图2.4 串行数据传输

3.串行通信的方向性结构

串行数据通信的方向性结构有三种，即单工、半双工和全双工。

图2.5 单工、半双工、全双工

单工数据传输只支持数据在一个方向上传输；

半双工数据传输允许数据在两个方向上传输，但是，在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种切换方向的单工通信；

全双工数据通信允许数据同时在两个方向上传输，因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。