数据通信之数据传输
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1、基带传输技术
基带，是指基本频带，即信源发出的没有经过调制的原始电信号所固有的频带（频率带宽）。基带传输是指在通信线路上原封不动地传输由计算机或终端产生的“0”或“1”数字脉冲信号。这样一个信号的基本频带可以从零（直流成分）到数兆赫兹，频带越宽，传输线路的电容、电感等对传输信号波形衰减的影响就越大。
基带传输是一种最简单的传输方式，近距离通信的局域网一般都采用这种方式。基带传输系统的优点是安装简单、成本低；缺点是传输距离较短（一般不超过 2km），传输介质的整个带宽都被基带信号占用，并且任何时候只能传输一路基带信号，信道利用率低。
2、频带传输技术
（1）频带传输的概念
频带传输也称为宽带传输，是指将数字信号调制成模拟信号后再发送和传输，到达接收端时再把模拟信号解调成原来的数字信号。将这种利用模拟信道传输数字信号的方法称为频带传输技术。
采用频带传输时，调制解调器（Modem）是最典型的通信设备，要求在发送和接收端都安装调制解调器。当调制解调器作为数据的发送端时，将计算机的数字信号转换成能在电话线上传输的模拟信号；当调制解调器作为数据的接收端时，将电话线上的模拟信号转换为能在计算机中识别的数字信号，如图1所示。这样不仅使数字信号可用电话线路传输，还可以实现多路复用，提高信道利用率。
图1 通过Modem传输数据
（2）调制解调器的基本功能
在频带传输中，计算机通过Modem与电话线连接。Modem主要有以下两个功能。
1）所谓调制功能，就是将计算机输出的“1”和“0”脉冲信号调制成相应的模拟信号，以便在电话线上传输。所谓解调功能，就是将电话线传输的模拟信号转化成计算机能识别的由“1”和“0”组成的脉冲信号。调制和解调的功能通常由一块DSP（数字信号处理）芯片来完成。
2）数据压缩和差错控制。为了提高Modem的传输速度和有效数据传输率，目前许多Modem都采用数据压缩和差错控制技术。数据压缩指的是发送端的Modem在发送数据以前先将数据压缩，接收端的Modem收到数据后再将数据还原，从而提高了Modem的有效数据传输率。差错控制指的是将数据传输中的某些错码检测出来，并采用某种方法纠正，以提高Modem的实际传输质量。
这些功能通常由一块控制芯片来完成。当这两部分功能都由固化在Modem中的硬件芯片来完成时，即Modem的所有功能都由硬件来完成，这种Modem称为硬Modem，也称为硬“猫”。当Modem的硬件芯片中只固化了DSP芯片，其协议控制部分由软件来完成时，这种Modem称为半软Modem；如果两部分功能都由软件来完成，这种Modem就称为全软Modem。
硬“猫”由于其硬件设备中有两块芯片，结构也复杂一些，价格自然比软“猫”要高。软“猫”的所有功能都由软件来实现，不需要买硬件，自然价格便宜，并且可以升级软件，但软“猫”要占用主机的系统资源，其缺少的芯片所担任的工作是靠主机CPU来完成的，并且完成的效果也不十分令人满意。
（3）调制解调器的分类与标准
1）调制解调器的分类。Modem有各种各样的分类方法，下面简单讨论其中有代表性的几种。
① 按接入Internet方式的不同进行分类，Modem可分为拨号Modem和专线Modem。拨号Modem主要用于公用电话网（Public Switched Telephone Network，PSTN）上传输数据，具有在性能指标较低的环境中进行有效操作的特殊性能。多数拨号Modem具备自动拨号、自动应答、自动建立连接和自动释放连接等功能。专线Modem主要用在专用线路或租用线路上，不必带有自动应答和自动释放连接功能。专线Modem的数据传输率比拨号Modem要高。
② 按数据传输方式进行分类，Modem可分为同步Modem和异步Modem。同步Modem能够按同步方式进行数据传输，速率较高，一般用在主机到主机的通信上。同步Modem需要同步电路，故设备复杂、造价昂贵。异步Modem是指能随机地以突发方式进行数据传输的Modem，所传输的数据以字符为单位，用起始位和停止位表示一个字符的起止。异步Modem主要用于终端到主机或其他低速通信的场合，故电路简单、造价低廉。目前市场上的大多数Modem都支持这两种数据传输方式。
③ 按通信方式进行分类，Modem可分为单工、半双工和全双工3种。单工Modem只能接收或发送数据。半双工Modem可收可发，但不能同时接收和发送数据。全双工Modem则可同时接收和发送数据。在这3类Modem中，只支持单工方式的Modem很少，而大多数Modem都支持半双工和全双工方式。全双工工作方式比半双工工作方式优越的地方在于不需要线路换向时间，因此响应速度快、延迟小。全双工的缺点是双向传输数据时需要占用共享线路的带宽，故设备复杂、价格昂贵。相对来说，支持半双工方式的Modem具有设备简单、造价低的优点。
④ 按接口类型进行分类，Modem可分为外置Modem、内置Modem、PC卡式移动Modem等。外置Modem的背面有与计算机、电话线等设备连接的接口和电源插口，安装、拆卸比较方便，可随时带走，也可接于任何地方的任何一台计算机。外置Modem的面板上有一排指示灯，根据指示灯的状态，可以很方便地判断Modem的工作状态和数据传输情况。内置Modem则是直接插入计算机的扩展插槽，不占空间，也不像外置Modem那样需要独立的电源，与计算机的连接是通过主板与总线。相对来讲，内置Modem的数据传输速度要高于外置的Modem，但是占用了计算机的扩展槽。
2）调制解调器的标准。Modem的品牌很多，每种Modem都有其遵循的标准，这些标准用来规定Modem采用的调制方式以及支持的数据传输率。Modem的标准有ITU（International Telecommunication Union，国际电信联盟）指定的V系列标准，主要表现在以下3个方面。
① 数据传输速率标准。Modem数据传输速率方面的主要标准如下。
V.17：调制标准，数据传输速率最高可达14.4kbit/s，如果线路质量差，可能会降到12kbit/s。
V.21：全双工数据传输标准，传输速率为300 bit/s。
V.22：速率为600 bit/s和1.2kbit/s的全双工Modem的标准。
V.22bis：速率为2.4kbit/s的全双工Modem的标准。
V.32：速率为9.6kbit/s的全双工Modem的标准。
V.32bis：主要将V.32的标准提高到7.2kbit/s、12kbit/s或14.4kbit/s。
V.34：速率为28.8kbit/s、33.6kbit/s的Modem标准。
V.90：速率为56kbit/s的Modem标准。
值得注意的是，在V.90的56kbit/s国际标准出现之前，3COM公司提出了X2协议，Rockwell和Lucent公司提出了K56Flex协议，均支持56kbit/s，但是X2和K56Flex两者互不兼容。1998年，国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）将X2和K56Flex结合在一起，将56kbit/s Modem的国际标准统一为V.90。不仅可以向下兼容V.34和V.32bis等协议，其最大的优点还在于ISP（Internet服务供应商）和PSTN（公用电话网）的连接部分直接使用数字线路，减少了模拟信号和数字信号间转换对速度的影响。
② 差错控制标准。目前流行两种差错控制协议：MNP 和 LAPM。MNP 不是国际标准协议，是由Microcom公司制定的，一共分为5级，即MNP1～MNP5。其中，MNP1～MNP4属于差错控制协议，MNP5属于数据压缩协议。ITU将MNP4作为V.42差错控制标准的附件，而将高级数据链路控制协议HDLC的一个子集LAPM列入了正本。Modem通过差错控制协议来提高数据传输的可靠性。
③ 数据压缩标准。数据压缩协议是建立在差错控制协议基础之上的。数据压缩协议主要有 V.42bis和MNP5。ITU制定的V.42bis支持4∶1的压缩标准。例如，支持V.34（速率为28.8kbit/s）标准的Modem，若同时支持V.42bis标准，则Modem的传输速率可达到100kbit/s。MNP5可以实现2∶1的压缩比。
3、多路复用技术
多路复用是指在数据传输系统中，允许两个或多个数据源共享同一个传输介质，把若干彼此无关的信号合并为一个在一个共用信道上传输，就像每一个数据源都有自己的信道一样。也就是说，利用多路复用技术可以在一条高带宽的通信线路上同时传播声音、数据等多个有限带宽的信号，目的就是充分利用通信线路的带宽，减少不必要的铺设或架设其他传输介质的费用。
（1）多路复用技术的类型
多路复用一般可分为以下3种基本形式。
① 频分多路复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）。
② 时分多路复用（Time Division Multiplexing，TDM）。
③ 波分多路复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）。
（2）频分多路复用
任何信号都只占据一个宽度有限的频率，而信道可以被利用的频率比一个信号的频率宽得多，频分多路复用恰恰就是采用了这个优点，利用频率分割的方式来实现多路复用。
频分多路复用技术的工作原理是：多路数字信号被同时输入频分多路复用编码器中，经过调制后，每一路数字信号的频率分别被调制到不同的频带，但都在模拟线路的带宽范围内，并且相邻的信道间用“警戒频带”隔离，以防相互干扰。这样就可以将多路信号合起来放在一条信道上传输。接收方的频分多路复用解码器再将接收到的信号恢复成调制前的信号，如图2所示。
图2 频分多路复用原理
频分多路复用主要用于宽带模拟线路中。例如，有线电视系统中使用的传输介质是75Ω的粗同轴电缆，用于传输模拟信号，其带宽可达到 300～400MHz，并可划分为若干独立的信道。一般每一个 6MHz 的信道可以传输一路模拟电视信号，则该带宽的有线电视线路可划分为 50～80个独立的信道，同时传输50多个模拟电视信号。
（3）时分多路复用
频分多路复用是以信道频带作为分割对象，通过为多个信道分配互不重叠的频率范围的方法来实现多路复用，因而更适用于模拟信号的传输。时分多路复用则是以信道传输的时间作为分割对象，通过为多个信道分配互不重叠的时间片的方法来实现多路复用。因此，时分多路复用更适合于数字信号的传输。时分多路复用技术的工作原理是：将信道用于传输的时间划分为若干个时间片，每个用户占用一个时间片，在其占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽来传输数据，如图3所示。
图3 时分多路复用原理
（4）波分多路复用
在光纤信道上使用的频分多路复用的一个变种就是波分多路复用。图4所示就是一种在光纤上获得波分多路复用的原理。在这种方法中，两根光纤连到一个棱柱或衍射光栅，每根光纤里的光波处于不同的波段上，两束光通过棱柱或衍射光栅合到一根共享的光纤上，到达目的地后，再将两束光分解开来。
图4 波分多路复用原理
只要每个信道有各自的频率范围并且互不重叠，信号就能以波分多路复用的方式通过共享光纤进行远距离传输。波分多路复用与频分多路复用的区别在于：波分多路复用是在光学系统中利用衍射光栅来实现多路不同频率的光波信号的分解和合成，并且光栅是无源的，因而可靠性非常高。
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