1講授：張衛鋼通信原理與通信技術2024.8TEXTBOOK選用教材23微信公眾號09數據通信與通信網4問題：（1）隨著計算機和網絡技術的飛速發展，“數據通信”應運而生。什么是“數據通信”？它與模擬通信、數字通信有何異同點？（2）多用戶間的通信就構成了通信網，那么，什么是“通信網”？與之相關的知識有哪些？CONTENT目錄通信網現代通信網的支撐技術通信網的發展歷程9.29.39.49.1數據通信與數據通信系統5結語9.56數據通信與數據通信系統9.19.1.1數據通信的概念（1）從本質上講，

數據是客觀事物屬性的記錄表示。通常由數量有限的符號集構成，比如文字、阿拉伯數字、英文26個字母等。（2）從通信技術上看，

數據是消息的一種表現形式，是信息的一種形式載體。（3）從計算機技術上看，

數據是指能夠由計算機或數字終端設備進行處理并以某種方式編制成二進制碼（M進制碼）的數字、字母和符號的集合。7數據通信與數據通信系統9.19.1.1數據通信的概念數據信號：攜帶0、1數據并具有兩個或多個狀態的電脈沖序列。數據的理論形式是0、1碼序列，物理形式是二態或多態電脈沖串。據此，可定義：根據通信的定義，結合數據信號的概念，可定義：數據通信：通信雙方（或多方）按照一定協議（或規程），以數字（基帶

或調制）信號為數據載體，完成信息傳輸的過程或方法。通信協議：通信雙方為了有效和可靠地傳輸信息而制定的必須共同遵守的規則。協議包括交換信息的格式、含義、過程中的連接和信息交換節拍等。簡言之，數據通信就是用數字信號傳輸信息數據的過程或方法。8數據通信與數據通信系統9.19.1.1數據通信的概念

對于數據通信而言，最重要的協議應該是信息編、譯碼協議。最早的信息編碼實例或二進制的起源可能就是《周易》記載的伏羲八卦圖了，見圖9-2（a）。我們的先人用符號“─”和“--”表示“陽”和“陰”兩個元素，即“太極生二儀”；再用兩組陰陽符號構成四種組合，即“二儀生四象”；最后，用三組陰陽符號的八種不同組合構成八卦圖，即“四象生八卦”，并對“二儀”“四象”“八卦”賦予不同含義（信息編碼）。顯然，若用數據“1”替代“─”，“0”替代“--”，則“二儀”“四象”“八卦”分別可用1位、2位、3位二進制數表示，形成二進制碼的八卦信息編碼協議。不僅如此，八卦圖還代表了早期中國的哲學思想，影響涉及中醫、武術、音樂、數學等方面，是博大精深中國文化的重要組成部分。9數據通信與數據通信系統9.19.1.1數據通信的概念

最早的數據通信實例可以追溯到1837年莫爾斯發明的電報系統。莫爾斯將0~9十個數字、A~Z二十六個字母和常用標點符號用短電流脈沖（俗稱“點”，短音，念作“滴”）和長電流脈沖（俗稱“劃”，長音，念作“答”）的不同組合表示，即進行信息（數據）編碼，從而實現了“數據通信”。莫爾斯碼見圖9-2（c）（圖中未列出常用符號）。顯然，只要將莫爾斯碼中的符號“點”、“劃”用數據“0”、“1”代替，摩爾斯碼就變成了我們熟悉的二進制碼編碼協議。可見，莫爾斯碼與八卦碼有“異曲同工”之妙。在計算機技術中，常見的信息編碼協議是將常用的128個字符用一組7位二進制碼表示，形成的ASCII編碼表。圖9-2（b）給出二、十、十六進制ASCII編碼（部分）。10數據通信與數據通信系統9.19.1.1數據通信的概念11數據通信與數據通信系統9.19.1.1數據通信的概念數據通信與計算機密不可分，無論是大、中、小型機、PC機還是嵌入式系統，在它們內部或它們之間或它們與外部設備的連接中都存在著數據通信。因此，可以說數據通信是人與計算機或計算機與計算機之間的以數據信號進行的信息交換過程或方法，其標志是通信雙方至少有一方是計算機類數字設備。簡言之，數據通信也就是計算機通信。12數據通信與數據通信系統9.19.1.2數據通信與模擬通信和數字通信的異同點數據通信是基于模擬通信和數字通信技術發展起來的，三者之間有以下主要異同點。（1）信號定義不盡相同。模擬信號和數字信號是按照信號的表現形式定義的，而數據信號是根據攜帶消息的形式定義的。數據信號與模擬信號和數字信號不是一個范疇。（2）信號波形不盡相同。模擬信號是連續波形，數字和數據信號都是由計算機類終端設備產生的二進制脈沖序列。（3）信號攜帶信息方法不盡相同。模擬信號自帶模擬信息，信號與信息不可分離，比如話筒輸出的聲音信號、攝像機輸出的影像信號等；用于數字通信的數字信號攜帶的是經A/D轉換后的離散信息，如數字化的聲音信號和影像信號等；用于數據通信的數字信號，也就是數據信號需要按照編碼協議人為賦予離散信息，如數字化的聲音、影像、圖片、數字、符號和字母等信息，即“數據”。13數據通信與數據通信系統9.19.1.2數據通信與模擬通信和數字通信的異同點（4）信號強調內容不盡相同。數字信號強調信號外在變化形式，數據信號強調信號內涵消息形式，數字信號可認為是去掉信息內涵的數據信號。若用一列火車類比一個數字信號的話，那么一列客車/貨車就是一個數據信號。模擬信號“不分內外”，波形即信息。（5）信號傳輸方法不盡相同。模擬系統是“放大”信號，而數字系統和數據系統則是“再生”信號。若把以“放大”為主的信道稱為模擬信道，把以“再生”為主的信道稱為數字信道的話，那么，模擬通信系統就是以模擬信道傳輸模擬消息的系統，數字或數據通信系統就是以數字信道（有時還會有部分模擬信道）傳輸模擬消息或數據的系統。其信號與信息可分離，比如數據信號10110010可表示一個10進制數，也可代表一個字母，類似于一種載運工具可以裝載不同的貨物；而同一信息也可用不同的信號攜帶，比如“火警”電話，中國是“119”，新加坡是“995”，巴基斯坦是“16”，類似于一種貨物可以被裝載到不同的載運工具上。顯然，數據信號具有多義性。14數據通信與數據通信系統9.19.1.2數據通信與模擬通信和數字通信的異同點（6）通信任務不盡相同。因模擬信號本身就是需要傳輸的信息，所以，模擬通信系統只要盡量不失真地將信號從信源傳送到信宿即可完成通信任務。從傳輸角度上看，信宿接收的信號就是信源發出的信號，只不過有不同程度的變形（失真）；信號在傳輸過程中不能停頓，只有因電波傳輸而帶來的時延（可忽略）。因此，模擬通信是實時通信。

數字通信系統傳輸的是攜帶A/D轉換信息的數字信號，與模擬系統相似，數字系統只要盡量按正確狀態將數字信號從信源傳送到信宿，再經D/A轉換，即可完成通信任務。信號在傳輸過程中一般也不停頓、不需要轉換協議。數字通信也可認為是實時通信。15數據通信與數據通信系統9.19.1.2數據通信與模擬通信和數字通信的異同點

數據通信系統傳輸的是攜帶編碼信息的數字信號，因此，數據系統只完成數字信號的正確傳輸還不夠，還必須正確完成信息傳輸，即需要準確完成信源編/譯碼協議和各種傳輸協議的轉換。因此，數據通信過程會有信號和信息的處理時延，需要轉換協議，實時性較差。

模擬通信注重信號波形變化對通信質量的影響，以信噪比和系統帶寬為主要性能指標；數字通信注重信號狀態變化對通信質量的影響，以誤碼/信率和系統帶寬為主要性能指標；數據通信注重通信過程中各種協議的轉換問題，也以誤碼/信率和系統帶寬為主要性能指標。

模擬通信和數字通信強調信號傳輸，研究對象是信號、電路和傳輸介質；而數據通信則強調信息傳輸，研究對象主要是各種協議。（7）實現條件不盡相同。模擬和數字通信系統基本上由純硬件實現；而數據通信系統則必須由硬件和軟件（協議及相關程序）共同實現。16數據通信與數據通信系統9.19.1.2數據通信與模擬通信和數字通信的異同點在了解了三種通信技術/系統的7大異同點之后，我們再詳細討論數據通信的特點。（1）數據通信過程可以分為上、下兩個層面：下層是信號傳輸層，即由硬件和傳輸介質構成的傳輸系統或網絡，負責信號傳輸；上層是信息傳輸層，即置于傳輸系統中或網絡節點和終端上的通信協議，負責信息傳輸。圖9-3給出了數據通信過程示意圖。17數據通信與數據通信系統9.19.1.2數據通信與模擬通信和數字通信的異同點需要作如下說明：①信號傳輸層和信息傳輸層還可細化，比如OSI模型分七層、TCP/IP模型分四層。②通信協議可分為兩類。一類是負責信息傳輸的協議，主要是編/譯碼協議；另一類是負責信號傳輸的協議，主要是信號的物理特性、幀格式，差錯控制、路由等協議。OSI模型中的下三層協議基本上都是信號傳輸協議，上三層基本上都是信息傳輸協議。理解數據通信過程可分為信號和信息傳輸兩個層面的概念，對學習“計算機網絡”知識大有裨益，因為該課程的主要內容就是討論各種協議。可以說，“計算機網絡”課程以介紹“信息傳輸”為己任，而信息的載體——信號傳輸則是“通信原理”課程的專利。（2）數據通信系統在通信過程中有兩個顯著特點，一是在信息傳輸層面上的“化整為零”處理方法。二是在信號傳輸層面上的“存儲-轉發”處理方法。18數據通信與數據通信系統9.19.1.2數據通信與模擬通信和數字通信的異同點

從信息傳輸角度上看，發信端要對信息作“化整為零”處理，即將欲傳輸的全部信息分割成若干個“子信息”，形成若干個小“信息包”（分割打包），這類似于在貨運站將一批蘋果分裝在若干個集裝箱內或在郵局把一本書拆開分裝在若干個信封里。由于每個信息包“體積”較小，傳輸起來更方便、靈活、快捷。而這正是數據通信的精髓所在。

這些信息包可以沿一條事先選定的鏈路依次傳到收信端（面向連接的服務），也可以經過不同鏈路分別到達收信端（面向非連接的服務）。收信端根據每個信息包上的原始拆分信息將各信息包重新整理，“組裝還原”成原始信息，從而完成一次信息傳輸過程。我愛你Iloveyou翻譯器19數據通信與數據通信系統9.19.1.2數據通信與模擬通信和數字通信的異同點

從信號傳輸角度上看，系統不但需要對信號進行物理加工處理（放大、整形、解析、再生、復用等），還需要對不同的協議進行轉換，因此，信號在每個傳輸節點都會有或多或少的停頓。正是這個“停頓”不但使數據通信達不到模擬通信那樣的實時性（盡管現在網絡可以提供視頻點播、電視會議等實時業務，但它們不是模擬通信的那種“真實時”，只是時延較小可以忽略罷了），而且還需要在每個節點上將數據“暫存”起來，等完成各種處理后再轉發出去，從而形成了“存儲轉發”的信號傳輸特點，見圖9-4（a）。因此，可用“分割打包—存儲轉發—封裝還原”三個步驟描述數據通信系統傳輸信號的全過程。

可見，數據通信系統與公路（鐵路）運輸和郵政系統非常相似。貨物/信紙可類比數據；集裝箱/信封或包裹可類比數據包；貨運站/郵局可類比節點；分揀、編組可類比解析、復用；貨車進站、出站可類比存儲、轉發。20數據通信與數據通信系統9.19.1.2數據通信與模擬通信和數字通信的異同點21數據通信與數據通信系統9.19.1.2數據通信與模擬通信和數字通信的異同點（3）數據通信與數字通信盡管是兩個不同概念，但在信號傳輸層面有許多共同之處，比如調制、信道編碼、差錯控制、同步、多路復用、存儲轉發、再生中繼等，顯然數據通信是以數字通信為基礎的。而在信息傳輸層面，數據通信過程通常存在更為復雜的協議轉換問題，因此，可以說具有信息協議轉換的數字通信就是數據通信。兩者的關系見圖9-4（b）。從宏觀上看，三種通信系統在信號傳輸方面的主要區別可用圖9-5說明。若用交通概念解釋的話，可認為模擬和數字通信就是先設計、建設路網和設計、制造車輛，然后保證車輛可以準確、可靠、高效、完好地到達路網中的任何一個目的地；而數據通信則是基于已有的路網和車輛，制訂和落實貨物運輸的各種方案（協議），比如選擇運輸路線、怎樣上下貨、如何轉運等，從而保證貨物可以準確、可靠、高效、完好地到達路網中的任何一個目的地。

三種通信的應用實例分別是普通電話（模擬）、數字電話（數字）和IP電話（數據）。所謂“IP電話”是一種利用互聯網進行話音傳輸的技術，也稱為網絡電話。目前大家經常使用的微信和QQ音視頻通話與IP電話原理相似，也是基于互聯網的數據通信實例。22數據通信與數據通信系統9.19.1.2數據通信與模擬通信和數字通信的異同點23總之，數據通信（系統）最重要的特點可用圖9-6描述并概括為：“分割打包”——“存儲轉發”——“協議轉換”——“封裝還原”。而計算機在其中的作用主要體現在“協議轉換”上。因此，從宏觀上看，可以認為數字通信負責信號傳輸，計算機負責信息（數據）傳輸。數據通信與數據通信系統9.19.1.2數據通信與模擬通信和數字通信的異同點24數據通信與數據通信系統9.19.1.3數據通信的特點數據通信主要有以下特點：（1）數據通信業務擁有比其他通信業務更為復雜、嚴格的通信協議。（2）數據通信業務比音視頻業務的實時性要求要低，可采用存-儲轉發方式傳輸信號。（3）數據通信業務比音視頻業務的差錯率要求要高，必須采用嚴格的差錯控制措施。（4）數據通信是進程間的通信，可在無人參與的情況下自動進行。25數據通信與數據通信系統9.1數據通信與傳統的話音通信相比，有以下主要特點：（1）以計算機為主。通常是人（通過終端設備）與計算機或計算機與計算機的通信。（2）傳輸的數據信息通常由計算機或數字終端設備產生、加工和處理。（3）為了進行信息傳遞，要有嚴格的通信協議，對信息傳輸的準確性和可靠性要求高。（4）通信速度較高，可以同時處理大量數據。（5）數據呼叫（一次完整的通信過程）具有突發性和持續時間短的特點。（6）可采用存儲-轉發方式工作，且一般多采用這種方式。（7）必須采用差錯控制措施。9.1.3數據通信的特點

目前，數據通信在各行各業已經發揮著越來越重要的作用且應用廣泛，如電子郵件、氣象預報、異地會診、遠程教育、智能交通、金融結算、股票交易、網絡游戲、電子商務、辦公自動化、農田耕作、軍事打擊、大數據、物聯網等。26數據通信與數據通信系統9.19.1.4數據通信系統一個數據通信系統由7個部分構成，它們是：（1）信源數據終端設備DTE（DataTerminalEquipment）；（2）信源數據終端設備和數據通信設備之間的接口；（3）信源的數據通信設備DCE（DataCommunicationEquipment）；（4）信源與信宿之間的傳輸信道（狹義信道）；（5）信宿的數據通信設備DCE；（6）信宿數據終端設備（DTE）和數據通信設備（DCE）之間的接口；（7）信宿數據終端設備（DTE）。數據通信系統：以數字信號傳輸信息數據的系統。27數據通信與數據通信系統9.1DTE是顯示器、電傳打字機、個人計算機、打印機、主機的前端處理機或者能發送和接收數據的其他設備；DCE對于模擬信道可以是調制解調器，對于數據信道可以是數據服務單元DSU；傳輸信道可以是電纜、雙絞線或光纖等；從形式上看，接口由DTE和DCE內部的輸入輸出電路以及連接它們的連接器和電纜組成。從功能上看，接口還應包含相應的協議標準，比如RS-232C接口除了規定計算機內部的輸入/輸出電路、D形插頭/插座和電纜參數外，還有相應的通信協議。9.1.4數據通信系統28數據通信與數據通信系統9.19.1.5數據通信系統的主要性能指標數據通信系統的技術性能指標。（1）帶寬。帶寬有信道帶寬和信號帶寬之分。一個信道（廣義信道）能夠傳送電磁波的有效頻率范圍就叫該信道的帶寬。對信號而言，信號所占據的頻率范圍就是信號的帶寬。（2）信號傳播速度。信號傳播速度是指信號在信道上每秒前進的距離，單位是m／s。由于我們所用的通信信號都是以電磁波的形式出現，所以其傳播速度約等于（3）數據傳輸速率（比特率）。數據傳輸速率是指每秒能夠傳輸多少位數據，單位是bps，它和第1章中的信息傳輸速率是一致的。（4）最大傳輸速率。信道數據傳輸速率的上限叫做最大傳輸速率，也就是信道容量。。29數據通信與數據通信系統9.1（5）碼元傳輸速率（波特率）。波特率一般小于等于比特率。（6）吞吐量。吞吐量是信道在單位時間內成功傳輸的信息量。單位為bps。（7）利用率。利用率是吞吐量和最大數據傳輸速率之比。（8）延遲。延遲指從發信端發送第一位數據開始，到收信端成功地收到最后一位數據為止，所經歷的時間。它又主要分為傳輸延遲、傳播延遲兩種。（9）抖動。延遲的實時變化叫做抖動（Jitter）。（10）差錯率（包括比特差錯率、碼元差錯率、分組差錯率）。差錯率是衡量通信系統可靠性的重要指標，在數據通信中常見的是比特差錯率和分組差錯率。9.1.5數據通信系統的主要性能指標30數據通信與數據通信系統9.1

可以通過對一個信道的描述說明上述概念：有一條帶寬3000Hz的信道，最大傳輸速率可以達到30Kbps，實際速率為28.8Kbps；信號的波特率為2400bps；其吞吐量為14Kbps，所以利用率約等于50%；延遲約為100ms；由于環境穩定，所以抖動很小，可忽略不計。9.1.5數據通信系統的主要性能指標31數據通信與數據通信系統9.19.1.6同步同步：使通信雙方或多方在相應的通信操作上保持步調一致的過程或方法。

同步是保證通信系統有序、準確、可靠地傳輸或交換信息的前提。同步模塊性能的好壞將直接影響通信系統的通信質量。因此，同步技術是實現數字/數據通信的關鍵所在。

在通信過程中保持同步的主要目的有二：（1）正確解調原始信號。例如，對2PSK、DSB、SSB等信號進行相干（同步）解調時，都需要在收信端產生一個同步載波（本地載波）。注意：這里的同步指收信端要產生一個與發信端載波同頻、同相的載波（本地載波）。

可以用一個交通實例類比同步解調過程。比如一列客運火車在中途過站時不停頓，而是飛馳而過，那么如何使乘客下車呢？可以在中途站也開出一輛同向同速的接客火車與運客火車并行，乘客即可轉移到接客車上，然后接客火車停下來，從而完成下客任務。如果失步，解調將無法完成，通信任務也就失敗了。329.1.6同步數據通信與數據通信系統9.1（2）正確接收碼元、碼字和數據幀（包）。在數字/數據通信系統（無論是基帶還是調制系統）的接收機中，因為接收的信號都是數字信號（多是具有高、低電平的碼元序列），所以都需要利用一個位定時脈沖序列對接收到的碼元序列進行抽樣判決，實現“位同步”，保證接收序列與發送序列在時間上的一致性；在位同步基礎上，還需要進行群（幀）同步，以正確區分每一碼字、群（幀）的起止時刻，保證數據的正確性和完整性；此外，在有多個用戶的通信網內，還必須實現網同步，以保證網內各用戶之間可靠地進行數據傳輸和交換。簡言之，同步的目的就是要保證通信過程的準確無誤。如果失步，攜帶在數字信號中的信息將無法正確解讀。339.1.6同步數據通信與數據通信系統9.1

在通信系統中，主要有以下幾種同步方法。（1）載波同步：指相干解調器獲取本地載波的過程或方法，又稱為“載波提取”。主要有外同步和自同步兩種實現方法。

外同步法：由發信端發送專門的同步信號（也稱為導頻信號），收信端把這個導頻信號提取出來作為同步信號。

自同步法：收信端從接收信號中直接提取同步信號或信息的方法。與外同步法相比，自同步是比較理想的同步方法，因為它不需要發信端額外發送導頻信號，即可以把發送功率和帶寬全部分配給有用信號的傳輸。

這種方法需要在接收端設置一個載波恢復或提取電路，利用硬件從接收信號中提取載波。比如在ASK、PSK、FSK解調中所使用的平方環和科斯塔斯環等。349.1.6同步數據通信與數據通信系統9.1（2）位同步：指數字系統收信端獲取碼元定時脈沖序列的過程或方法，又稱為“位定時”或“碼元同步”。數字信號的基本構成是“位”或“碼元”。為正確恢復發信端發送的碼元序列，收信端需要知道每個碼元的起止時刻，以便在恰當的時刻對碼元進行抽樣判決。這就要求收信端必須產生一個位定時脈沖序列（頻率和相位與發送碼元的一致）才能正確恢復碼元序列。（3）群同步：指收信端產生與發信端的數據組、幀或群的起止時刻相一致的定時脈沖序列的過程或方法。群同步是字（符）同步、分路同步和幀同步的統稱。359.1.6同步數據通信與數據通信系統9.1

在數字通信中，信息碼（數據）是以“分組”“幀”或“包”的形式傳輸的，即信碼流（攜帶信息的二進制脈沖序列）是被組織成一個個包含規定比特數的脈沖群進行傳輸的。因此，在接收這些數字信息時，必須知道每個群的起止時刻，否則，收信端就無法正確恢復信息。例如，在PCM30/32電話系統中，各路信碼都安排在指定的時隙內傳送（形成幀結構）并且周期性地在TS0（同步時隙）插入一組特殊比特作為每幀的起止標記，收信端若能識別出這一標志，就可實現幀同步。

若用交通類比的話，位同步相當于正確識別每節車皮（車廂），不能把發送的第二節車皮，在接收站判為第三節。群同步是對多列火車的正確識別，對連續發送出的4列火車，接收站就必須準確判斷或識別出這4列火車各自的頭部和尾部，不能出現混淆，即不能把前一列車的后面幾節車皮和后一列車的前面幾節判斷成一列火車或根本識別不出來。

比如，你站在鐵路邊上，能正確數出剛才過去的一列火車有幾個車皮，就實現了位同步。正確數出頭尾相連幾列火車的列數，就實現了群同步。369.1.6同步數據通信與數據通信系統9.1（4）網同步：指在通信網中保證多用戶之間通信過程“步調一致”的過程或方法。

有了位同步和群同步，即可保證“點到點”數字基帶通信過程的準確可靠。而獲得了載波同步、位同步和群同步之后，“點到點”數字調制通信過程就可以有序、準確、可靠地進行了。但對于“多點到多點”的信息交換過程，即“網通信”而言，還必須實現網同步才能保證通信過程的準確和可靠。

具體地說，網同步是指通信網的時鐘同步。一個數字通信網由許多交換局、復接設備、連接線路和終端機構成。為了保證各種不同數碼率的數據流在同一通信網中進行正確的交換、復接、傳輸和接收，就必須使網內各節點的時鐘頻率與相位相互協調一致。

網同步可認為是全國鐵路網必須統一時間、統一調度，這樣才不至于出現鐵路閑置問題或撞車事故。379.1.6同步數據通信與數據通信系統9.1

雖然同步信號本身不包含人們所要傳送的信息，但只有收、發信兩端建立了同步機制后才能開始傳送信息。如果出現同步誤差或失步，就會導致通信系統性能下降或通信中斷。因此，同步系統應具有比信息傳輸系統更高的可靠性和質量指標才行，比如同步誤差要小、相位抖動要小、同步建立時間要短和同步保持時間要長等。

同步任務的完成要基于同步信息或信號的產生和獲取。發信端要設法將同步信息或信號直接發送或添加到欲傳輸的數據信號中去，而收信端則要設法接收或從接收到的數據信號中提取同步信息或信號。因此，同步技術的關鍵是產生、傳輸和提取同步信號或信息。同步的本質是“同時”！38數據通信與數據通信系統9.19.1.7數據通信方式串行通信：將數字基帶信號按碼元出現順序依次沿一條信道傳輸的過程或方法。

其優點是只需一條信道，通信線路簡單、成本低廉，一般用于較長距離的通信，比如工控領域利用計算機串口進行的數據采集和系統控制。缺點是傳輸速度較慢，為解決收、發雙方的碼組或字符同步問題，需要采取同步措施。并行通信：將數字基帶信號按碼元個數分成n路（通常n為一個字長），

同時從n條信道傳輸的過程或方法。其優點是傳輸速率快且不需要外加同步措施就可實現碼字或字符同步。缺點是需多條信道、通信線路復雜、成本較高。1．串行通信2．并行通信39數據通信與數據通信系統9.19.1.7數據通信方式

并行通信多用于短距離通信，比如計算機與打印機之間通過并行通信口的通信。

目前，生活中已經很難見到并行通信的應用了，并行通信更多地出現在計算機類設備內部。生活中常見的是串行通信應用，比如大家熟悉的USB通信。注意：“字節”與“碼字”在形式上一樣，都是若干位二進制數據串，比如，“10011010”可以是一個字節也可以是一個碼字。但在概念上不同，字節是描述計算機技術性能的術語，而碼字是描述編碼結構的術語。40數據通信與數據通信系統9.13．異步串行通信與同步串行通信

串行通信時，數據是逐位從信源傳到信宿，通常由若干個數據位組成一個字符，位與位之間、字符與字符之間沒有停頓（沒有時間間隙），這就給信宿在區分、確認字符時帶來很大的困難，即信宿雖然收到了一大串數據，但不知它們多少位是一個字符或哪幾位是一個字符，因此，這串數據對信宿來說毫無意義。為了解決這個問題，信源與信宿之間在通信時必須同步，也就是必須讓信宿知道多少位數據是一個字符或一個字符何時開始何時結束。

在實際通信中有一個控制過程（發生在網絡7層協議中的數據鏈路層）叫數據鏈路控制可實現兩點間的同步。該控制過程要求通信硬件或軟件給數據（位、字節、報文）加上同步信息，使得通信雙方的硬件時鐘保持一致，從而保證信宿正確地識別信源發過來的信息。9.1.7數據通信方式41數據通信與數據通信系統9.1根據同步信息添加方法的不同，串行通信可分成異步串行通信和同步串行通信兩種。

一個字符由若干數據位（碼元）組成，在異步串行通信中一般以一個字符為一個數據傳輸單位，而所謂的同步信息也是幾個數據位，把一個數據傳輸單位（一個字符）的數據位與同步信息的數據位結合起來就構成一個數據幀。數據幀有自己的格式稱為幀格式，通常由起始位、數據位、校驗位和停止位四部分組成。

要想成功地進行異步通信，除了收、發端采用相同的數據幀格式外，還必須統一傳輸速率。計算機通信中常采用的典型速率有：300、600、1200、2400、4800、9600bps等。9.1.7數據通信方式

異步串行通信：同步信息由硬件加在每一個字符上并形成數據幀的串行通信。異步通信是一種面向字符的傳輸方式，其主要優點是簡單、可靠、經濟，常用于計算機與終端之間的數據傳輸（比如RS-232C、USB串行通信）。其主要缺點是速率較低。

42數據通信與數據通信系統9.1

與異步通信不同，同步通信不是對每個字符單獨同步，而是以數據塊為傳輸單位并對其進行同步。每個數據塊的頭部和尾部都要附加一個特殊的字符或比特序列，以標志數據塊的開始與結束。所謂數據塊就是一批字符或二進制位串組成的數據。圖9-6（b）是其數據幀格式。

同步通信可分為面向字符和面向位流兩種傳輸方式。在面向字符的方式中，每個數據塊的頭部用一個或多個同步字符SYN來表示數據塊的開始；而尾部用另一個字符ETX代表數據塊的結束。在面向位流的傳輸方式中，每個數據塊的頭部和尾部都用一個特殊的比特序列（如01111110）來標記數據塊的開始與結束。

同步通信的特點是開銷少、效率高，適合于較高速率的數據傳輸；缺點是整個數據塊一旦有一位誤傳，就必須重傳整個數據塊。9.1.7數據通信方式同步串行通信：同步信息加在數據塊上并形成傳輸單位的串行通信。43數據通信與數據通信系統9.19.1.7數據通信方式44數據通信與數據通信系統9.1簡言之，開銷就是非信息碼的碼元集合。比如上述的“起始位”、“校驗位”和“停止位”等。9.1.7數據通信方式

注意：“字符”具有兩個含義，一個是只包含數據位（消息）的數據段，比如電報碼的五位字符、ASCII碼的七位字符和漢字碼的八位字符等；另一個是除數據位之外還包括起始位、停止位、校驗位等開銷碼在內的數據段，也就是異步通信中的一個傳輸單位或數據幀。開銷碼：為保證信息碼可靠準確傳輸而附加的其他功能碼元的集合。

一般地說，“幀”是一個或多個字符及開銷的一種碼元排列，主要用于描述一個數據傳輸單元中消息及開銷碼的構成形式。45通信網9.29.2.1通信網及其體系結構通信網：由多個通信終端、傳輸設備、交換設備、傳輸介質和信令或協議

構成的可實現各終端之間信息傳輸的系統。根據不同標準，通信網有多種分類。

（1）按業務類型可分為電話通信網（如PSTN、移動通信網等）、數據通信網（如X.25、互聯網、幀中繼網FR等）和廣播電視網等。

（2）按空間距離可分為廣域網WAN、城域網MAN、局域網LAN和個域網PAN。

（3）按信號傳輸方式可分為模擬通信網和數字（數據）通信網。

（4）按運營方式可分為公用通信網和專用通信網。顯然，點到點通信是通信網的基礎，通信網是多個互相連接的點到點通信支路的集合。46通信網9.29.2.1通信網及其體系結構

目前，傳統電話網、廣播電視網和以互聯網為代表的數據網正以不可逆轉之勢向著“三網合一”的目標演進，形成以數據通信為時代特征、無所不能的現代通信網。因此，可認為：現代通信網是指一種能夠提供各種人們所需通信服務的全球通信網絡。

現代通信網要能夠傳輸聲音、圖像、影像、文字、數字、符號等信息，通信范圍可覆蓋全球。顯然，互聯網技術是現代通信網的核心技術。（1）從信號傳輸技術上看，現代通信網主要由光纖通信、衛星通信和無線電通信技術支撐。（2）從信號傳輸方法上看，現代通信網的基本手段是分割打包、存儲轉發、分組交換、路由尋址、封裝還原。47通信網9.29.2.1通信網及其體系結構

計算機網絡可認為是由資源子網（由各種計算機終端組成）和通信子網（由傳輸介質和各種通信設備組成）共同組成的一種數據通信網，如圖9-11所示。

參照OSI七層網絡模型，可把通信網從下到上依次分為傳輸網、業務網和應用層三個層次，見圖9-12。其中，應用層表示各種信息應用；業務網表示傳送各種信息的業務網；傳輸網表示支持業務網的傳送手段和基礎設施；支撐網包括信令網、同步網和電信管理網，承擔三個層面的支持工作，提供保證網絡有效正常運行的各種控制和管理能力。

隨著技術的發展，現代通信網和支撐技術還會出現變化，如增加控制層等功能層。而網絡分層的變化將主要體現在應用層面和業務層面上，網絡的基礎層即傳輸網將保持相對穩定。48通信網9.29.2.2通信網拓撲結構拓撲結構：通信網中各終端和節點設備與傳輸介質相互連接而構成的幾何圖形。通信網的拓撲結構分為總線型、環型、星型、樹型、網狀型、網孔型和復合型7種，如圖9-13所示。49通信網9.2表9-2常用的網絡拓撲結構特性拓撲結構特性適用場合總線型具有良好的擴充性和可靠性，利于分布式控制，總線的故障將會對系統產生重要的影響。局域網星型便于擴充，利于集中式控制，中心節點的故障將會對系統產生致命的影響。局域網環型利于分布式控制和實時通信，介質訪問控制方法簡單，環路故障將會對系統產生致命的影響。局域網和城域網樹型具有良好的擴充性和可靠性，利于分布式控制，通信路徑選擇算法的好壞將直接影響通信的性能。廣域網網狀型可靠性高、靈活性大，利于分布式控制，管理復雜。廣域網復合型經濟性好、穩定性好廣域網9.2.2通信網拓撲結構從概念和結構上看，通信網的拓撲結構與計算機網絡拓撲基本上是一樣的。

顯然，每種拓撲結構各有千秋，在實際應用中，應該根據環境、條件、介質、要求和技術的不同選擇合適的拓撲結構。509.2.3通信網服務質量通信網9.2對通信網的服務質量一般用可訪問性、透明性和可靠性這三個方面的性能來衡量。

可靠性是指整個通信網連續、不間斷地穩定運行的能力，它一般由組成通信網的各系統、設備、部件等的可靠性來確定。網絡可靠性設計不是追求絕對可靠，而是在一定的經濟性、合理性前提下，滿足業務服務質量要求即可。

可訪問性是指網絡保證合法用戶隨時能夠快速、有保證地接入到網絡以獲得信息服務，并在規定的時延內傳遞信息的能力。它反映了網絡保證有效通信的能力。

透明性是指網絡保證用戶業務信息準確、無差錯傳送的能力。它反映了網絡保證用戶信息具有可靠傳輸質量的能力。實際中常用用戶滿意度和信號的傳輸質量來評定。51通信網9.2可靠性指標主要有以下幾種：（1）失效率：系統在單位時間內發生故障的概率，一般用表示。（2）平均故障間隔時間(MTBF)：相鄰兩個故障發生的間隔時間的平均值，MTBF＝1/。（3）平均修復時間(MTTR)：修復一個故障的平均處理時間，表示修復率，MTTR=1/。（4）系統不可利用度(U)：在規定的時間和條件內，系統喪失規定功能的概率。9.2.3通信網服務質量52通信網9.2對于我們熟悉的電話通信網，可以從以下三個方面定義服務質量要求。（1）接續質量：它反映的是電話網接續用戶通話的速度和難易程度，通常用接續損失(呼叫損失率，簡稱呼損)和接續時延來度量。（2）傳輸質量：它反映的是電話網傳輸話音信號的準確程度，通常用響度、清晰度、逼真度這三個指標來衡量。實際中對上述三個指標一般由用戶主觀來評定。

（3）穩定性質量：它反映電話網的可靠性，主要指標與上述一般通信網的可靠性指標相同，如平均故障間隔時間、平均修復時間、系統不可利用度等。數據網的服務質量與前面所述的“數據通信的主要性能指標”基本相同，不再贅述。9.2.3通信網服務質量53通信網9.29.2.4網絡服務性能保障機制在網絡運行中時常要面對以下問題：（1）數據傳輸中的差錯和丟失（2）網絡擁塞（3）交換節點和物理線路故障（1）差錯控制：差錯控制機制負責將信源端和信宿端之間傳送的數據所發生的丟失和損壞恢復過來。通常控制機制包括差錯檢測和差錯校正兩部分。（2）擁塞控制：擁塞一般發生在網絡傳輸的數據量開始接近網絡的數據處理能力時。擁塞控制的目標是將網絡中的數據量控制在一定水平之下，否則，網絡性能就會急劇惡化。“網絡擁塞”可以類比為“交通擁堵”。（3）路由選擇：該技術可幫助信號繞開發生故障或擁塞的節點，從而提高通信可靠性。（4）流量控制：流量控制是一種使目的端通信實體可以調節信源端通信實體發出的數據流量的協議機制，可以調節數據發送的數量和速率。“路由選擇”可以類比“交通指揮”和“路徑誘導”。目前網絡采用的服務性能保障機制主要有四類。54通信網9.29.2.4網絡服務性能保障機制

在電話通信網中，網絡體系結構保證通話雙方工作在同步方式下，并以恒定的速率交換數據，因而無需再提供流量控制機制。而在分組數據網中，必須進行流量控制，其原因是：①在信宿端必須對每個收到的分組頭部進行一定的協議處理，因為收發雙方工作在異步方式下，信源端可能試圖以比信宿端處理速度更快的速度發送分組。②信宿端也可能將收到的分組先緩存起來，然后重新在另一個I/O端口進行轉發，此時它可能需要限制進入的流量以便與轉發端口的流量相匹配。

與差錯控制一樣，流量控制也可以在多個協議層面實現。55現代通信網的支撐技術9.39.3.1應用層技術1.應用層業務

在現代通信網中，不管采用何種傳送網結構及業務網承載，最終目的是要為用戶提供各類通信服務，滿足他們對不同業務服務質量的需求。因此，應用層業務是直接面向用戶的，主要包括模擬與數字視音頻業務（如普通電話、智能網、IP電話、廣播電視業務等），數據通信業務（如網絡商務、電子郵件）和多媒體通信業務（如分配型業務和交互型業務）等。2.終端技術

終端設備是用戶與通信網之間的接口，具有3項主要功能：①完成信源或信宿信息與信號之間的相互轉換。②將信號與信道相匹配。③完成信令的產生和識別，即用來產生和識別網內所需的信令，以完成一系列控制功能或操作。56現代通信網的支撐技術9.3

終端技術主要包括以下幾種：

（1）音頻終端技術。音頻終端是通信系統中應用最為廣泛的一類通信終端，它可以是普通電話交換網絡PSTN中的普通模擬電話機、錄音電話機、投幣電話機、磁卡電話機、IC卡電話機，也可以是ISDN網絡中的數字電話機，以及移動通信網中的無線手機。（2）圖形圖像終端技術。圖形圖像終端，如傳真機，它是把紙介質所記錄的文字、圖表、照片等信息，通過光電掃描方法變為電信號，經公共電話交換網絡傳輸后，在接收端以硬拷貝的方式得到與發端相同（或相類似）的紙介質信息。

（3）視頻終端技術：視頻終端，如各種電視攝像機、多媒體計算機用攝像頭、視頻監視器以及計算機顯示器等。

（4）數據終端技術。數據終端，如調制解調器、ISDN終端設備、多媒體計算機終端、機頂盒、可視電話終端等。9.3.1應用層技術57現代通信網的支撐技術9.39.3.2業務網技術

在傳送網的節點上安裝不同類型的節點設備，就形成不同類型的業務網。業務節點設備主要包括各種交換機（電路交換、X.25、以太網、幀中繼、ATM等交換機）、路由器和數字交叉連接設備（DXC）等。DXC既可作為通信基礎網的節點設備，也可以作為DDN和各種非撥號專網的業務節點設備。

交換設備是構成業務網的核心要素，其基本功能是完成接入交換節點鏈路的匯集、轉接、接續和分配，實現一個呼叫終端（用戶）和它所要求的另一個或多個用戶終端之間的路由選擇和連接。交換設備的交換方式可以分為兩大類：電路交換方式和分組交換方式。業務網：向用戶提供電話、電報、傳真、數據、圖像等電信業務的網絡。58現代通信網的支撐技術9.31.電話網與電路交換技術

兩部電話之間的通信只需用一對導線將兩部話機直接相連即可。若有成千上萬部電話需要互相通話，就需要將每一部話機通過一對用戶線連到交換機上。交換機根據用戶信號（摘機、掛機、撥號等）自動進行話路的接通與拆除。通常，一個城市需建立多個電話分局，分局間使用局間中繼線互連。與用戶線不同，中繼線是由各用戶共用的。分局數量太多時，就需要建立匯接局，匯接局與所屬分局以星型連接，匯接局間是全互連的。分局間通話需經匯接局轉接。為了使不同城市用戶能互相通話，城市內還需建立長話局，長話局與市話分局（或市話匯接局）間以長市中繼線相連。不同城市的長話局、長話匯接局間用長途中繼線相連。9.3.2業務網技術59現代通信網的支撐技術9.32.數據網與分組交換技術

公共數據網指X.25分組交換網、幀中繼網（FR）、數字數據網（DDN）、智能網（IN）、綜合業務數字網（ISDN）、異步轉移模式（ATM）網等根據數據通信的突發性和允許一定時延的特點，采用存儲-轉發分組（包）交換技術的通信網。為了改變目前多種數據網并存的復雜局面，人們正試圖用以TCP／IP協議為核心的互聯網（Internet或IP網）一統天下。

3.智能網技術

智能網依靠先進的信令技術和大型集中數據庫技術，將網絡的交換與控制功能相分離，把電話網中原來位于各個端局交換機中的網絡智能集中到了業務控制點的大型計算機上，而原有的交換機僅完成基本的接續功能。未來的功能強大的智能網可配備有完善的業務生成環境，客戶可以根據自己的特殊需要定義自己的個人業務。這對電信業的發展無疑是一次革命。9.3.2業務網技術60現代通信網的支撐技術9.34.移動通信網技術

所謂移動通信是指通信雙方或至少有一方是在運動中的信息交換過程。例如，固定點與移動體（汽車、輪船、飛機）之間，移動體與移動體之間、人與人或人與移動體之間的通信，都屬于移動通信。顯然，移動通信必須使用無線信道，即靠無線電波傳送信息。

移動通信網依靠先進的移動通信技術可為用戶提供靈活的移動業務，如：蜂窩公用陸地移動通信、集群調度移動通信、無繩電話、無線電尋呼、衛星移動通信等系統。9.3.2業務網技術61

傳輸網：主要完成傳輸線路調度、故障切換、業務分離等任務的網絡。現代通信網的支撐技術9.39.3.3傳輸網技術傳輸網（傳送網）包括傳輸介質、傳輸系統和傳輸節點設備三部分。（1）傳輸系統：包括傳輸設備和復用設備。基帶信號一般不能直接在傳輸介質上傳輸，需要利用傳輸設備轉換為適合在傳輸介質上傳輸的信號。

傳輸設備主要有微波收發信機、衛星地面站收發信機和光端機等。為了提高信道利用率，需要用頻分復用（波分復用）、時分復用或碼分復用設備將多路信號進行復用傳輸。（2）傳輸節點設備：包括配線架、電分插復用器ADM、電交叉連接器DXC、光分插復用器OADM和光交叉連接器OXC等。（3）傳輸介質：主要是銅線、光纖和傳輸無線電波的大氣空間。

另外，不同類型的業務節點可以使用一個公共的用戶接入網實現由業務節點到用戶駐地網的信息傳送。因此，可將接入網看成傳輸網的一個組成部分。62現代通信網的支撐技術9.39.3.4支撐網技術支撐網內部傳送的是相應的控制和檢測信號。支撐網包括信令網、同步網和電信管理網。（1）信令網技術：在采用公共信道信令系統之后，除原有的用戶業務之外，還有一個起支撐作用的、專門傳送信令的網絡——信令網。信令網的功能是實現網絡節點間（包括交換局、網絡管理中心等）信令的傳輸和轉接。（2）同步網技術：實現數字傳輸后，在數字交換局之間、數字交換局和傳輸設備之間均需要實現信號時鐘的同步。同步網的功能就是實現這些設備之間的信號時鐘同步。（3）電信管理網技術：電信管理網是為提高全網質量和充分利用網絡設備而設置的。網絡管理是實時或準實時地監視電信網絡的運行，必要時采取控制措施，以達到任何情況下，最大限度地使用網絡中一切可以利用的設備，使盡可能多的通信業務得以實現。支撐網：能使業務網正常運行、增強功能、提供全網服務質量和滿足用戶要求的網絡。63通信網的發展歷程9.4

若將1878年第一臺交換機投入使用作為通信網發展起點的話，那么它已經有了近140年的歷史。這期間由于交換技術、信令技術、傳輸技術、業務實現方式的發展和變化，通信網大致經歷了三個發展階段。

第一階段（1880～1970年），是典型的模