数据通信基础

3．1．2　数据通信基础

1）数据通信系统

数据通信是计算机与计算机或计算机与终端之间的通信。它传送数据的目的不仅是为了交换数据，更主要的是为了利用计算机来处理数据。可以说它是将作为快速传输数据的通信技术和作为数据处理、加工及存储的计算机技术相结合，从而给用户提供及时准确的数据。

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。比较典型的数据通信系统主要由数据终端设备、数据电路、计算机系统三部分组成，如图3．1所示。

图3．1　数据通信系统组成

数据传输按信息传送的方向与时间可以分为单工、半双工、全双工三种传输方式。

（1）单工方式。数据传送是单向的，通信双方中一方固定为发送端，另一方则固定为接收端。单工方式的串行通信只需要1根数据线。

（2）半双工方式。数据传送是双向的，但同一时刻只能由其中一方发送，另一方接收数据。半双工方式可以使用1根数据线，也可以使用2根数据线。

（3）全双工方式。数据传送是双向的，可以同时发送和接收数据，因此需要2根数据线。

根据组成字符的各个二进制位是否同时传输，数据传输可分为并行通信和串行通信两种方式。并行通信时，数据各位能够同时传输，一次传送1个字节或多个字节数据。串行通信时，数据的各位按位串行排列成数据流，依次传输，发送方与接收方必须同步进行通信，否则将收到一串毫无意义的数据。

在数据以串行方式传输时，控制通信双方同步的方法分为同步方式和异步方式。

（1）异步通信。指通信双方进行数据传输时无严格的时钟同步关系，通信双方的同步关系是靠传输帧的起始位确定。异步通信规程是面向字符型的，它由1个起始位、多个数据位（如8个）、1个或0个奇偶校验位、1个或2个停止位组成传输的一帧。由于异步通信每一帧都是固定格式，通信双方只需按约定的帧格式来发送和接收数据，所以硬件结构比同步通信方式简单。此外，它还能利用校验位检测错误，所以异步通信方式应用较广泛。

（2）同步通信。在数据开始传送前用同步字符来表示（通常为1～2个），并由时钟来实现发送端和接收端同步，即检测到规定的同步字符后，就按顺序连续传送数据，直到通信告一段落。同步传送时，字符之间没有间隙，也不用起始位和停止位，所以其速度高于异步通信，但这种方式对硬件结构要求较高，只适用于实时性要求很高且数据量很大的场合。

在照明控制系统中，由于不需要很严格的时间同步响应特性，而且数据量并不是很大，因此系统选择异步通信方式，实现起来简单，可移植性强。

2）数据传输模式

数据传输有多种划分方法，在基于数据信号类型进行划分时可分为基带方式和宽带方式。基带方式用于数字信号传输，不需调制，编码后的数字脉冲直接在信道上传送。常用的传输媒体有双绞线或同轴电缆，例如以太网。宽带方式用于无线电频率范围内的模拟信号的传输，数字信号需调制成模拟信号后再传送，接收方需要解调，常用介质有同轴电缆，如通过电话模拟信道的信号传输和闭路电视的信号传输。

3）数字编码方式

基带数字通信系统的任务是传输数字信息。数字信息可能来自数据终端设备的原始数据信号，也可能来自模拟信号经数字化处理后的脉冲编码信号。在基带数字通信系统中，信道编码器输出的代码还需经过码型变换，变为适合传输的码型。常用的基带数字编码方式有:双极性不归零码、单极性不归零码、双极性归零码、单极性归零码和曼彻斯特码。

所谓“单极性”，是指用正脉冲和0分别代表数字信号1和0，没有负脉冲；所谓“双极性”，是指用正脉冲和负脉冲分别代表数字信号1和0。如图3．2所示。

图3．2　单极性和双极性脉冲

所谓“不归零”（Non Return to Zero，NRZ），代表第1个码元的脉冲过后紧接着是代表第2个码元的脉冲，两者之间没有时间间隔，即所谓“归零”；相反，“归零”（Return to Zero，RZ）是指在两个相邻码元之间有时间间隔。如图3．3所示。

图3．3　不归零编码与归零编码

（1）单极性不归零码

在这种编码中，无电流表示“0”，恒定正电流表示“1”，每个码元时间的中间点是采样时间，判决门限为半幅电平。

（2）双极性不归零码

在这种编码中，“1”码和“0”码都有电流，“1”为正电流，“0”为负电流，正和负的幅度相等，判决门限为零电平。

（3）单极性归零码

在这种编码中，在每一码元时间间隔内，有一半的时间发出正电流，而另一半时间则不发出电流表示二进制数“1”。整个码元时间间隔内无电流发出表示二进制数“0”。

（4）双极性归零码

在这种编码中，在每一码元时间间隔内，当发“1”时，发出正向窄脉冲:当发“0”时，则发出负向窄脉冲。两个码元的时间间隔可以大于每一个窄脉冲的宽度，取样时间是对准脉冲的中心。

单极性和双极性归零码如图3．4所示。

图3．4　两种编码方式的比较

（5）曼彻斯特（Manchester）编码

在曼彻斯特编码中，每个二进制位（码元）的中间都有电压跳变。用电压的正跳变表示“0”，电压的负跳变表示“1”。由于跳变都发生在每一个码元的中间位置（半个周期），接收端可以方便地利用它作为同步时钟，因此这种曼彻斯特编码又称为自同步曼彻斯特编码。目前最广泛应用的以太局域网，在数据传输时就采用这种数字编码方式。

曼彻斯特编码是以半个符号宽的先正后负（1，0）的脉冲代表数字信号1，而以半个符号的先负后正的脉冲（0，1）代表数字信号0。双极性不归零码中，如果0和1出现的概率相同，正负电压正好抵消，无直流分量，因而对传输有利且有较强的抗干扰能力。

（6）微分曼彻斯特编码

曼彻斯特编码是以半个符号宽的先正后负（1，0）的脉冲代表数字信号1，以半个符号的先负后正的脉冲（0，1）代表数字信号0。微分曼彻斯特编码是曼彻斯特编码的一种修改形式，其不同之处是:用每一位的起始处有无跳变来表示“0”和“1”，有跳变则为“0”，无跳变则为“1”；而每一位中间的跳变只用来作为同步的时钟信号，所以它也是一个自同步编码。曼彻斯特编码和微分曼彻斯特编码的每一位都是用不同电平的2个半位来表示的，因此始终保持直流的平衡，不会造成直流的累积。

不归零编码、曼彻斯特编码和微分曼彻斯特编码的码形图对比如图3．5所示。

图3．5　不归零码、曼彻斯特编码和微分曼彻斯特编码的码形图对比

曼彻斯特编码的规律是:每位中间有一个电平跳变，从高到低的跳变表示“0”，从低到高的跳变表示“1”。差分曼彻斯特编码的规律是:每位的中间也有一个电平跳变，但不用这个跳变来表示数据，而是利用每个码元开始时有无跳变来表示“0”或“1”，有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。

4）数据交换方式

通信子网由传输线路和中间节点组成。当信源（源节点）和信宿（目的节点）间没有线路直接相连时，信源发出的数据先到达与之相连的中间节点，再从该中间节点传到下一个中间节点，直至到信宿，这个过程称为交换。

在数据通信中，数据交换方式主要有电路交换和存储交换两类。其中存储交换又分为报文交换和分组交换两种。

所谓存储交换是指数据交换前先通过缓冲存储器进行缓存，然后按队列进行处理。

电路交换又称为线路交换，是一种面向连接的服务。两台计算机通过通信子网进行数据电路交换之前，首先要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接。最普通的电路交换的例子是电话系统。电路交换是根据交换机结构原理实现数据交换的。其主要任务是把要求通信的输入端与被叫的输出端接通，即由交换机负责在两者之间建立起一条物理通路。在完成接续任务之后，双方通信的内容和格式等均不受交换机的制约。电路交换方式的主要特点就是要求在通信的双方之间建立一条实际的物理通路，并且在整个通信过程中，这条通路被独占。

报文交换的基本思想是先将用户的报文存储在交换机的存储器中，当所需要的输出电路空闲时，再将该报文发向接收交换机或用户终端。所以，报文交换系统又称存储－转发系统。报文交换适合公众电报等。

分组交换与报文交换类似，但规定了交换机处理和传输的数据长度（称之为分组），不同用户的数据分组可以交织地在网络中的物理链路上传输。分组交换是目前应用最广的交换技术，它结合了线路交换和报文交换两者的优点，使其性能达到最优。