数据通信系统
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什么是数据通信系统[1]
数据通信系统是通过数据电路将分布在远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。
为了更好地理解数据通信系统和计算机网络的一些基本内容，明确常用的基本术语和基本概念是很有必要的。
数据：数据是对客观事实进行描述与记载的物理符号。它是信息的载体，可以是数字、文字、语言、图形和图像等。可以分为模拟数据和数字数据两种。
信息：信息是数据的集合、含义与解释。数据相对具体，信息相对抽象概括；两者相对存在，有时可以将二者等同起来。
信号：是数据传输过程中的表现形式，即信号是数据的电编码或电磁编码。可以分为模拟信号与数字信号两种。
模拟信号是随时间连续变化的信号，时间和幅值都是连线的。数字信号是离散信号，时间上离散，幅度上是经过量化的，仅包含有限数目的信号值，最常见的是二值信号。如图1所示。
信道：信道一般是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。信道和电路并不等同，一条通信电路通常包括一条或多条发送信道和接收信道。
信道可以分为模拟信道和数字信道两大类。只能传输模拟信号的信道是模拟信道；只能传输数字信号的信道是数字信道。
信道中传送的信号可以分为基带信号和宽带信号。基带信号是将数字比特“1”和“0”直接用两种不同的电压表示，然后直接送到线路上去传输。宽带信号是将基带信号进行调制后形成的复合的调制信号，然后再放到线路上进行传输。
数据通信系统的构成[3]
一、数据终端设备
数据终端设备(DTE)由数据输入设备(产生数据的数据源)、数据输出设备(接收数据的数据宿)和传输控制器组成。
数据输入输出设备的作用有点类似于电话与电报通信中的电话机和电传机，它在发送端把人们的数据信息变成以数字代码表示的数据信号，即将数据转换为数据信号；接收端完成相反的变换，即把数据信号还原为数据。
传输控制器的作用是完成各种传输控制，如差错控制、终端的接续控制、确认控制、传输顺序控制和切断控制等。
DTE是一个总称，根据实际需要采用不同的设备。例如，在发送数据中，DTE可以用键盘输入器；在接收数据中，它可以是屏幕显示设备(CRT)，也可以是激光打印机，等等。当然，具有一定处理功能的个人计算机也可称为DTE。
二、数据电路
数据电路位于DTE与计算机系统之间，它的作用是为数据通信提供传输通道。在数据电路两端收发的是二进制“1”或“0”的数据信号。数据传输电路要保证将DTE的数据信号送到计算机系统以及由计算机系统送回DTE。
数据电路由传输信道及其两端的数据电路终接设备(DCE)组成。
(1)传输信道
传输信道包括通信线路和通信设备。通信线路一般采用电缆、光缆、微波线路等；而通信设备可分为模拟通信设备和数字通信设备，从而使传输信道分为模拟传输信道和数字传输信道。另外，传输信道中还包括通过交换网的连接或是专用线路的固定连接。
(2)数据电路终接设备(DCE)
DCE是DTE与传输信道的接口设备。当数据信号采用不同的传输方式时，DCE的功能有所不同。
基带传输时，DCE是对将来自DTE的数据信号进行某些变换，使信号功率谱与信道相适应，即使数据信号适合在电缆信道中传输。
频带传输时，DCE具体是调制解调器(modem)，它是调制器和解调器的结合。发送时，调制器对数据信号进行调制，将其频带搬移到相应的载频频带(如话音频带)上进行传输(即将数据信号转换成适合于模拟信道上传输的模拟信号)；接收时，解调器进行解调，将模拟信号还原成数据信号。
当数据信号在数字信道上传输(数字数据传输)时，DCE是数据服务单元(Data Service Unit，DSU)，其功能是信号格式变换，即消除信号中的直流成分和防止长串零的编码、信号再生和定时，等等。
三、中央计算机系统
中央计算机系统由通信控制器、主机及其外围设备组成，具有处理从数据终端设备输入的数据信息，并将处理结果向相应的数据终端设备输出的功能。
1．通信控制器
通信控制器是数据电路和计算机系统的接口，控制与远程数据终端设备连接的全部通信信道，接收远端DTE发来的数据信号，并向远端DTE发送数据信号。
通信控制器的主要功能，对远程DTE一侧来说，是差错控制、终端的接续控制、确认控制、传输顺序控制和切断等控制；对计算机系统一侧来说，其功能是将线路上来的串行比特信号变成并行比特信号，或将计算机输出的并行比特信号变成串行比特信号。另外，在远程DTE一侧有时也有类似的通信控制功能(就是传输控制器)，但一般作为一块通信控制板合并在DTE之中。
2．主机
主机又称中央处理机，由中央处理单元(CPU)、主存储器、输入输出设备以及其他外围设备组成，其主要功能是进行数据处理。
以上介绍了数据通信系统的基本构成，从图2中看到数据链路是由控制装置(传输控制器和通信控制器)和数据电路所组成，控制装置是按照双方事先约定的规程进行控制的。一般来说，只有在建立起数据链路之后，通信双方才能真正有效、可靠地进行数据通信。
数据通信系统的特点[4]
由于DTE和DCE之间传送的是原始的二进制代码，这种二进制代码不适合长距离传送。只有将其变换成能够进行位同步、而且适合长距离传送的代码才行。为此，需要对这种二进制代码进行数字编码和模拟编码。
(1)数字编码。数字编码有3种不同的方式(如图3所示)。
①普通二进制编码(又称为非归零编码)。这种方式无法进行位同步，接收方无法判断位的开始和结束，只有采用②和③的方式来代替。
②曼彻斯特编码。这种方式通过下列方法保证发送方和接收方的位同步：在每一位周期的中间，使波形发生变化，如果由低电平变成高电平，则表示“0”：如果由高电平变成低电平，则表示“1”。
③差分曼彻斯特编码。它是改进型的曼彻斯特编码，其特点是在每一位周期的中间，波形都有变化，如果在两位周期交界处电平没有变化，则表示“1”：有变化，则表示“0”(在信号位中间总是将信号反相；在信号位开始时不改变信号极性，表示逻辑“1”：在信号位开始时改变信号极性，表示逻辑“0”)。
(2)模拟编码。如果利用电话线作为通信子网，则在电话线上传送的信息就是模拟信号。传送模拟编码的信道称为模拟信道。可利用调制解调器把计算机发出的数字信号变换成模拟信号。
常用的调制方法有3种：幅度调制、频率调制和相位调制。
数据通信系统的模型[2]
发送系统一般由源系统和发送器系统两部分组成。
源系统主要负责把用户需要发送的信息内容进行采集和变换，形成计算机系统能够识别和传输的数据。如把一幅图像进行扫描后存储到计算机中，产生传输中需要的数据比特流。
发送器系统主要功能有两部分：其一是把源系统提供的数据比特流变换成一定规律的数据比特序列，减少出错的可能性；其二是把变换后的数据比特序列转换成能够在通信介质中传输的信号，并通过通信介质传输给其他系统。
传输系统：负责把发送系统提供的数据信号准确、及时、可靠地传输给接收系统。传输系统可以是简单的传输线路，也可以是由大量传输线路和传输设备构成的复杂系统。
接收系统一般也由两部分组成，分别是接收器系统和终点系统。
接收器系统：与发送器系统对应，主要功能有两部分。其一是把来自传输系统的信号变换为编码后的数据比特序列；其二是把编码后的数据比特序列变换为真实的传输数据比特序列。
终点系统：接收来自接收器系统的数据比特序列，变换输出为有效的信息内容并提供给接收方用户。如：把接收到数据比特序列还原为图像并输出给用户。
计算机网络是数据通信技术的一个应用领域，以上数据通信系统的模型同样适用与计算机网络。
数据通信系统网络结构[5]
为了把集散控制系统中的各个组成部分连接在一起，常常需要把整个通信系统的功能分成若干个层次去实现，每一个层次就是一个通信子网，通信子网具有以下特征：
1)通信子网具有自己的地址结构。
2)通信子网相连可以采用自己的专用通信协议。
3)一个通信子网可以通过接口与其他网络相连，实现不同网络上的设备相互通信。
一般情况下，集散控制系统有以下几种通信：
1)过程控制站中基本控制单元之间的通信。
2)中央控制室中的人机联系设备与电子设备室高层设备之间的通信。
3)现场设备和中央控制室设备之间的通信。
通信系统的结构确定后，要考虑的就是每个通信子网的网络拓扑结构问题。所谓通信网络的拓扑结构就是指通信网络中各个节点或站相互连接的方法。
在集散控制系统中应用较多的拓扑结构是星形、环形和总线型。
在星形结构中，每一个节点都通过一条链路连接到一个中央节点上去。任何两个节点之间的通信都要经过中央节点。在中央节点中，有一个“智能”开关装置来接通两个节点之间的通信路径。中央节点的构造是比较复杂的，一旦发生故障，整个通信系统就要瘫痪。因此，这种系统的可靠性比较低，在集散控制系统中应用较少。
在环形结构中，所有的节点通过链路组成一个环形。需要发送信息的节点将信息送到环上，信息在环上只能按某一确定的方向传输。当信息到达接收节点时，该节点识别信息中的目的地址与自己的地址相同，就将信息取出，并加上确认标记，以便由发送节点清除。
由于传输是单方向的，所以不存在确定信息传输路径的问题，这可以简化链路的控制。当某一节点发生故障时，可以将该节点旁路，以保证信息畅通无阻。为了进一步提高可靠性，在某些集散控制系统中采用双环，或者在故障时支持双向传输。环形结构的主要问题是在节点数量太多时会影响通信速度，另外，环是封闭的，不便于扩充。与星形和环形结构相比，总线型结构采用的是一种完全不同的方法。这时的通信网络仅仅是一种传输介质，它既不像星形网络中的中央节点那样具有信息交换的功能，也不像环形网络中的节点那样具有信息中继的功能。所有的站都通过相应的硬件接口直接接到总线上。由于所有的节点都共享一条公用的传输线路，所以每次只能由一个节点发送信息，信息由发送它的节点向两端扩散。这就如同广播电台发射的信号向空间扩散一样。所以，这种结构的网络又称为广播式网络。某节点发送信息之前，必须保证总线上没有其他信息正在传输。当这一条件满足时，它才能把信息送上总线。在有用信息之前有一个询问信息，询问信息中包含着接收该信息的节点地址，总线上其他节点同时接收这些信息。当某个节点从询问信息中鉴别出接收地址与自己的地址相符时，这个节点便做好准备，接收后面所传送的信息。总线型结构突出的特点是结构简单，便于扩充。另外，由于网络是无源的，所以当采取冗余措施时并不增加系统的复杂性。总线型结构对总线的电气性能要求很高，对总线的长度也有一定的限制。因此，它的通信距离不可能太长。
在集散控制系统中用的比较多的是后两种结构。
数据通信系统的性能指标[6]
数据通信系统可以使用数据传输速率、带宽、码元传输速率、误码率、吞吐量等性能指标，衡量数据传输的有效性和可靠性。其中有效性主要由数据传输速率、传输延迟、信道带宽、信道容量等指标来衡量；而传输系统的可靠性一般用数据传输的误码率来衡量。
一、数据传输速率
数据传输速率是每秒传输的二进制比特数，又称为数据率或比特率，速率的单位是bit/s，或kbit／s，Mbit／s，Gbit/s等。习惯上在表示传输速率时(单位为biffs)，千、兆和吉分别用k(小写)、M和G表示，分别代表103、106、109。而在表示数据量时(单位为字节B)，千、兆和吉一般分别用K(大写)、M和G表示，分别代表210(1024)、220(1048575)、230(1073741824)。
二、带宽
在过去很长的一段时间，通信的主干线路传送的是模拟信号，因此表示通信线路允许通过的信号频率范围就称为线路的带宽。也就是说“带宽”，是指信号具有的频带宽度，即可传送的信号最高频率与最低频率之差，单位是赫兹(或千赫、兆赫、吉赫等)。例如，在传统的通信线路上传送的电话信号的标准带宽是3．1kHz(从300Hz到3．4kHz，即话音的主要成分的频率范围)。
在计算机网络中，“带宽”用来表示数字信道所能传送的“最高数据率”，也就是一个信道的最大数据传输速率，单位是“比特每秒”，即bit／s，通常称为“传输带宽”，高带宽则意味着系统的高处理能力。常用的单位有kbit／s(103bit／s)、Mbit／s(106bit／s)、Gbit／s(109bit／s)、Tbit／s(1012bit／s)。
传输带宽与数据传输速率是有区别的，前者表示信道的最大传输速率，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，就像公路上的最大限速与汽车实际速度的关系一样。
三、波特率
在通信系统中，把承载数据的基本信号单元称为“码元”，把每秒传输的码元(符号)数称为波特率，又称为码元传输速率，单位为波特，记作baud。波特率的计算式如下式所示。
B=1／T(baud) (1)
式中B表示波特率，T为信号码元的时间宽度，单位为秒。
数据传输速率“比特／秒”与码元的传输速率“波特”在数量上有一定的关系。例如，在计算机中，一个符号的含义为高低电平，分别代表逻辑“1”和逻辑“0”，所以每个符号所含的信息量刚好为1bit，此时比特率等于波特率。
在条件允许的情况下，可以采用多进制编码方式，以达到一个码元可以承载多个比特的信息，这样可以达到更高的数据传输速率。对于一个M进制码元，所包含的信息量为I=log2M(bit)，所以数据传输速率的计算式如下式所示。
C=BI=B×log2M(bit／s) (2)
式中C为比特率，B代表波特率，M是一个码元表示的有效状态数。
例如，对于波特率B=2000baud，若M分别为2、4和8，则比特率C分别为2000bit／s、4000bit／s、6000bit／s。
需要注意的是，并不总是比特率大于或等于波特率，在有的情况下，比特率可能小于波特率。例如，在曼彻斯特编码中，由于要用两个码元表示一个比特的信息，在这个时候比特率就只有波特率的一半，数据传输的效率减少了一半。
四、时延
时延是指一个报文或分组从一个网络(或一条链路)的一端传送到另一端所需的时间。一般来说，网络的时延越小越好。网络中的时延是由以下几个不同的部分组成的。
1．发送时延
发送时延是节点在发送数据时使数据块从节点进入到传输介质所需要的时间，也就是从数据块的第一比特开始发送算起，到最后一比特发送完毕所需的时间，又称传输时延。发送时延的计算式如下式所示。
发送时延=数据块长度(bit)÷信道带宽(bit／s) (3)
由此可见，对于一定的网络，发送时延与发送的数据块长度成正比，与信道带宽成反比。
2．传播时延
传播时延是信号在信道中传输一定距离需要花费的时间，它与信号传播速度和距离有关。传播时延的计算式如下式所示。
传播时延=信道长宽(m)÷电磁波在信道上的传播速率(m／s) (4)
电磁波在自由空间的传播速率是光速，即3．0×105km／s。电磁波在网络传输介质中的传播速率比在自由空间要略低一些，在铜线电缆中的传播速率约为2．3×105km／s，在光纤中的传播速率约为2．0×105km／s。例如，1000km长的光纤线路产生的传播时延大约为5ms。
3．处理时延
节点在收到分组时要花费一定的时间进行处理，如分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等，这就产生了处理时延。
4．排队时延
分组在经过网络传输时，要经过许多的路由器。分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。在路由器确定了转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发。这就产生了排队时延。排队时延的长短取决于网络当时的通信量，当网络的通信量很大时，还会产生分组溢出，这相当于排队时延为无穷大。
这样，数据在网络中经历的总时延就是以上4种时延之和，即
总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延 (5)
必须指出，在总时延中，究竟哪种时延占主导地位，必须具体分析。
例如，一个长度为100MB数据块在带宽为1Mbit／s信道上，用光纤传送到1000km和1km远的目的计算机所需的时间是多少呢?根据式(3)可以得到：发送时延=100×210×8(数据块长度，因为1MB=1024Byte=210=1024×8bit)/106(信道带宽，因为1Mbit／s=106bit／s)=838．9s。根据式(4)1000km的传播时延=1000(km)／200000(光纤信道的传播速率)=0．005s=5ms，而1km的传播时延会减小到原来的千分之一。由于ms(毫秒)级时间相对于838．9s来说非常小，几乎可以忽略，所以在这种情况下，总时延的数值基本上是由发送时延来决定的。
又如在带宽分别是1Mbit／s和1Gbit／s的情况下，用同样的方法可以计算出光纤传送一字节(1Byte)的数据到1000km远的目的计算机上所需的时间。在1Mbit／s的信道上，发送时延=8(一字节的数据块长度)／106(信道带宽，因为1Mbit／s=106bit／s)=8μs，“传播时延”仍为上面的5ms，此时在5．008ms的总时延中“传播时延”反而占了主要位置。即使将信道的带宽提高到1Gbit／s，也只是在“发送时延”微秒级的基础上减少(发送时延=8／109=0．0008μs)，因为此时的传播时延级数达到了ms，所以尽管发送时延有了大幅降低，但总时延仍不会有太多减少。可见，在此情况下，总时延的数值是由传播时延决定的。
基于上述计算，可以得出以上“发送时延”和“传播时延”在总时延中哪个占主导决定作用还要结合具体数据通信过程中传输的数据长度和带宽综合考虑。经常听到的诸如“在高速链路(或高带宽链路)上，比特流传输速度更快”和“光纤信道的传输速率高”之类的说法都是错误的。因为对于高速网络链路，提高的仅仅是数据的发送速率，而不是比特流在链路上的传播速率。也就是说，提高链路带宽只是减少了数据的发送时延，至于传播时延还要通过信道传输速率和传输距离而定。同时光纤信道发送数据的速率可以很高，而光纤信道的传播速率实际比铜线的传播速率还略低些。
数据发送速率的单位是每秒发送多少比特，是指某个点或某个端口上的发送速率；而传播速率的单位是每秒传播多少距离，是指传输线路上比特的传播速率。
五、时延带宽积
“时延带宽积”为某一链路所能容纳的比特数。例如，某链路的时延带宽积为100万比特，这意味着第一比特到达目的端时，源端已发送了100万比特。时延带宽积的计算式如式(2．6)所示。
时延带宽积=带宽×传播时延 (6)
链路的“时延带宽积”就是以比特为单位的链路长度。如设某段链路的传播时延为20ms，带宽为10Mbit／s，则时延带宽积=20×10 − 3×10×106=2×105bit。这表示，若发送端连续发送数据，则当发送的第一比特即将到达终点时，发送端就已经发送了20万比特，而这20万比特都正在链路上传输。
六、利用率
利用率有信道利用率和网络利用率两种。信道利用率是指某信道有百分之几的时间是被利用的(有数据通过)，完全空闲的信道的利用率是零。网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。
信道利用率并非越高越好，因为根据排队论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。这和高速公路的情况有些相似，当高速公路上的车流量很大时，由于在公路上的某些地方会出现堵塞，因此行车所需的时间就会增大。网络也有类似的情况，当网络的通信量很少时，网络产生的时延并不大；但在网络通信量不断增大的情况下，由于分组在网络节点(路由器或交换机)进行处理时需要排队等候，因此网络引起的时延就会增大。
如果令D0表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延，则在适当的假定条件下，可以用式(7)表示D、D0和利用率U之间的关系，式中U是网络的利用率，数值在0到1之间。当网络的利用率达到其容量1／2时，时延就要加倍。
D=D0÷(1-U) (7)
特别值得注意的是，当网络的利用率接近最大值1时，网络的时延就趋于无穷大。因此，必须有这样的概念：信道或网络利用率过高会产生非常大的时延。图5所示为上述概念的示意图，因此一些拥有较大主干网的ISP通常控制他们的信道利用率不超过50％，如果超过了就要准备扩容，增大线路的带宽。
七、误码率
误码率(Pe)是指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。根据概率统计理论，此概率近似等于被传错的码元数与所传送的码元总数之比，如式(8)所示。
Pe=Ne÷N (8)
式中，Ne为被传错的码元数，N为所传送的码元总数。如果实际传输的不是二进制码元，需折合成二进制码元计算。
常见的数据通信系统[7]
常见的通信系统包括模拟通信系统、数字频带传输系统、数字基带传输系统和模拟信号数字化传输系统4类。
1．模拟通信系统
对于模拟通信系统，它主要包含两种重要变换，即把连续消息变换成电信号和把电信号恢复成最初的连续消息的过程。经过调制后的信号通常被称为已调信号。模拟通信系统的组成如图6所示。
已调信号有3个基本特性，一是携带有消息，二是适合在信道中传输，三是频谱具有带通形式，且中心频率远离零频。因而已调信号又称为频带信号。
2．数字频带传输通信系统
通常把有调制器／解调器的数字通信系统称为数字频带传输通信系统。数字频带通信系统的模型如图7所示。
说明：图7中调制器／解调器、加密器／解密器、编码器辟码器等环节，在具体通信系统中是否全部采用，取决于具体设计条件和要求。但在一个系统中，如果发送端有调制／力口密／编码设备，则接收端必须有解调／解密／译码设备。
3．数字基带传输通信系统
与数字频带传输通信系统相对应，把没有调制器／解调器的数字通信系统称为数字基带传输通信系统如图8所示。
图8中基带信号形成器可能包括编码器、加密器、波形变换器等，接收滤波器可能包括译码器、解密器等。
4．模拟信号数字化传输通信系统
要实现模拟信号在数字系统中的传输，则必须在发送端将模拟信号数字化，即进行刖D(Analog／Digital)转换；在接收端需进行相反的转换，即D／A(Digital／Analog)转换。实现模拟信号数字化传输的系统如图9所示。
- ↑ 张玉英,梁光华主编.第2章 数据通信技术 计算机网络（本科）.人民邮电出版社,2010.09.
- ↑ 2.0 2.1 何顶新,郑定富,胡晓娅,瞿坦编.2 物理层 计算机网络及应用第二版.化学工业出版社,2011.06.
- ↑ 毛京丽,董跃武,李文海编著.第一章 概述 数据通信原理.北京邮电大学出版社,2011.06.
- ↑ 第10章 微机网络硬件与通信技术基础 微机硬件技术基础（计算机类）全国普通本科规划教材.浙江科学技术出版社,2004.08.
- ↑ 刘国海主编.第二章 集散控制系统的控制算法 集散控制与现场总线.机械工业出版社,2011.07.
- ↑ 刘克成,郑珂主编.第二章 数据通信和物理层 计算机网络.人民邮电出版社,2011.09.
- ↑ 王建平主编.第2章 数据通信技术 计算机组网技术 基于Windows Server 2008.人民邮电出版社,2011.05.