[科普中国]-数据通信

数据通信是通信技术和计算机技术相结合而产生的一种新的通信方式。要在两地间传输信息必须有传输信道，根据传输媒体的不同，有有线数据通信与无线数据通信之分。但它们都是通过传输信道将数据终端与计算机联结起来，而使不同地点的数据终端实现软、硬件和信息资源的共享。

介绍发展第一阶段：以语言为主，通过人力、马力、烽火等原始手段传递信息。

第二阶段：文字、邮政。（增加了信息传播的手段）

第三阶段：印刷。（扩大信息传播范围）

第四阶段：电报、电话、广播。（进入电器时代）

第五阶段：信息时代，除语言信息外，还有数据、图像历史

通信（Communication)作为电信（Telecommunication)是从19世纪30年代开始的。1831年法拉第发现电磁感应。1837年莫尔斯发明电报。1873年马克斯韦尔的电磁场理论。1876年贝尔发明电话。 1895年马可尼发明无线电。开辟了电信（Telecommunication)的新纪元。 1906年发明电子管，从而模拟通信得到发展。1928年奈奎斯特准则和取样定理。1948年香农定理。 20世纪50年代发明半导体，从而数字通信得到发展。20世纪60年代发明集成电路。 20世纪40年代提出静止卫星概念，但无法实现。20世纪50年代航天技术。 1963年第一次实现同步卫星通信。20世纪60年代发明激光，企图用于通信，未成功。 20世纪70年代发明光导纤维，光纤通信得到发展。

历史人物贝尔（1847－1922），英国人，1868年在伦敦工作。1871年，去波士顿工作。1873年，任波士顿大学教授。1875年，发明多路电报。1876年，发明电话。一生曾获许多专利。妻子是一位聋人。

马可尼（1874－1937），意大利人，1894年，在父亲的庄园试验。1896年，去伦敦。1897年，建立无线电报公司。1899年，首次实现英法无线通信。1916年，实现短波无线电通信。1929年，建立世界性无线通信网。曾获诺贝尔奖金。曾参加法西斯党。

数据通信历史数据通信是从20世纪50年代初开始，随着计算机的远程信息处理应用的发展而发展起来的。早期的远程信息处理系统大多是以一台或几台计算机为中心，依靠数据通信手段连接大量的远程终端，构成一个面向终端的集中式处理系统。60年代末，以美国的ARPA计算机网的诞生为起点，出现了以资源共享为目的的异机种计算机通信网，从而开辟了计算机技术的一个新领域——网路化与分布处理技术。70年代后，计算机网与分布处理技术获得了迅速发展，从而也推动了数据通信的发展。1976年，CCITT正式公布了分组交换数据网的重要标准——X.25建议，其后又经多次的完善与修改，为公用与专用数据网的技术发展奠定了基础。70年代末，国际标准化组织（ISO）为了推异机种系统的互连，提出了开放系统互连（OSI）参考模型，并于1984年正式通过，成为一项国际标准。此后，计算机网技术与应用的发展即按照这一模型来进行。

分类按信息分电话通信系统

数据通信系统

有线电视系统

按调制分基带传输

调制传输

按传输信号特征分模拟通信系统

数字通信系统

传输手段电缆通信双绞线、同轴电缆等。市话和长途通信。 调制方式：SSB/FDM。基于同轴的PCM时分多路数字基带传输技术。 光纤将逐渐取代同轴。

微波中继通信比较同轴电缆，易架设、投资小、周期短。模拟电话微波通信主要采用SSB/FM/FDM调制，通信容量6000路/频道。数字微波采用BPSK、QPSK及QAM调制技术。采用64QAM、256QAM等多电平调制技术提高微波通信容量，可在40M频道内传送1920~7680路PCM数字电话。

光纤通信是利用激光在光纤中长距离传输的特性进行的，具有通信容量大、通信距离长及抗干扰性强的特点。用于本地、长途、干线传输，并逐渐发展用户光纤通信网。基于长波激光器和单模光纤，每路光纤通话路数超过万门，光纤本身的通信纤力非常巨大。几十年来，光纤通信技术发展迅速，并有各种设备应用，接入设备、光电转换设备、传输设备、交换设备、网络设备等。光纤通信设备有光电转换单元和数字信号处理单元两部分组成。

卫星通信通信距离远、传输容量大、覆盖面积大、不受地域限制及高可靠性。成熟技术使用模拟调制、频分多路及频分多址。 数字卫星通信采用数字调制、时分多路及时分多址。

移动通信移动通信(Mobile communication)是移动体之间的通信，或移动体与固定体之间的通信。移动体可以是人，也可以是汽车、火车、轮船、收音机等在移动状态中的物体。移动通信系统由两部分组成：

(1) 空间系统

(2)地面系统：①卫星移动无线电台和天线；②关口站、基站。

移动通信系统从20世纪80年代诞生以来，到2020年将大体经过5代的发展历程，而且到2010年，将从第3代过渡到第4代(4G)。到4G，除蜂窝电话系统外，宽带无线接入系统、毫米波LAN、智能传输系统(ITS)和同温层平台(HAPS)系统将投入使用。未来几代移动通信系统最明显的趋势是要求高数据速率、高机动性和无缝隙漫游。实现这些要求在技术上将面临更大的挑战。此外，系统性能(如蜂窝规模和传输速率)在很大程度上将取决于频率的高低。考虑到这些技术问题，有的系统将侧重提供高数据速率，有的系统将侧重增强机动性或扩大覆盖范围。

从用户角度看，可以使用的接入技术包括：蜂窝移动无线系统，如3G；无绳系统，如DECT；近距离通信系统，如蓝牙和DECT数据系统；无线局域网(WLAN)系统；固定无线接入或无线本地环系统；卫星系统；广播系统，如DAB和DVB-T；ADSL和Cable Modem。1

通信系统脱机数据传输是简单地利用电话或类似的链路来传输数据，不包括计算机系统。这样一条链路两端所使用的设备不是计算机的部件，或至少不是立刻把数据提供给计算机处理，即数据在发送或接收时是脱机的。这种数据通信相对来说比较便宜和简单。

远程批处理一词适用于这样一种方法：采用数据通信技术来使数据的输入和输出在地理上远离按批处理模式处理它们的计算机。

联机数据收集指的是用数据通信技术来向计算机即时提供刚产生的输入数据这种方法。数据于是存储在计算机里（比如磁盘上），并按预定时间间隔或者根据需要进行处理。

交互式系统顾名思义，是为用户提供从计算机提取信息的功能。询问功能是被动的。也就是说，它不修改所存储的信息。提问可以很简单，例如：“检索员工号码为1234的记录”也可以是复杂的。这类系统可能要使用能产生硬拷贝和（或）可视显示的终端。

实时系统是这样一类系统，其中计算机系统是在动态情况下取得和处理信息，以便可使计算机采取动作来影响正在发生的事件（比如在过程控制应用中）或者可通过存储在计算机里的准确且不断更新的信息来影响人（操作员），比如在预售系统中。2

基础理论频谱与带宽信号是数据的电磁编码，信号中包含了所要传递的数据。信号一般以时间为自变量，以表示消息（或数据）的某个参量（振幅、频率或相位）为因变量。信号按其自变量时间的取值是否连续，可分为连续信号和离散信号；按其因变量的取值是否连续，又可分为模拟信号和数字信号。

信号具有时域和频域两种最基本的表现形式和特性。时域特性反映信号随时间变化的情况。频域特性不仅含有信号时域中相同的信息量，而且通过对信号的频谱分析，还可以清楚地了解该信号的频谱分布情况及所占有的频带宽度。为了得到所传输的信号对接收设备及信道的要求，只了解信号的时域特性是不够的，还必须知道信号的频谱分布情况。信号的时域特性表示出信号随时间变化的情况。由于信号中的大部分能量都集中在一个相对较窄的频带范围之内，因此我们将信号大部分能量集中的那段频带称为有效带宽，简称带宽。任何信号都有带宽。一般来说，信号的带宽越大，利用这种信号传送数据的速率就越高，要求传输介质的带宽也越大。

下面我们将简单介绍常见信号的频谱和带宽。声音信号的频谱大致在20 Hz～2000 kHz的范围（低于20 Hz的信号为次声波，高于2000 kHz的信号为超声波），但用一个窄得多的带宽就能产生可接受话音的重现，因而话音信号的标准频谱为300 Hz～3400 Hz，其带宽为3 kHz。电视信号的频谱为0～4 MHz，因此其带宽为4 MHz。作为一个特殊的例子，单稳脉冲信号的带宽为无穷大。而对于二进制信号，其带宽一般依赖于 信号波形的确切形状以及0、1的次序。信号的带宽越大，它就越忠实地表示着数字序列。

截止频率与带宽根据傅立叶级数我们知道，如果一个信号的所有频率分量都能完全不变地通过信道传输到接收端，那么在接收端由这些频率分量叠加起来而形成的信号则和发送端的信号是完全一样的，即接收端完全恢复了发送端发出的信号。但现实世界上，没有任何信道能毫无损耗地通过所有频率分量。如果所有的傅立叶分量都被等量衰减，那么接收端接收到的信号虽然在振幅上有所衰减，但并没有发生畸变。然而所有的传输信道和设备对不同的频率分量的衰减程度是不同的，有些频率分量几乎没有衰减，而有些频率分量被衰减了一些，这就是说，信道也具有一定的振幅频率特性，因而导致输出信号发生畸变。通常情况是频率为0到fc赫兹范围内的谐波在信道传输过程中不发生衰减（或其衰减是一个非常小的常量），而在此fc频率之上的所有谐波在传输过程中衰减很大，我们把信号在信道传输过程中某个分量的振幅衰减到原来的0.707（即输出信号的功率降低了一半）时所对应的那个频率称为信道的截止频率（cut-off frequency）。截止频率反映了传输介质本身所固有的物理特性。另一些情况下，则是因为人们有意地在线路中安装了滤波器以限制每个用户使用的带宽，如图2-4a所示。有些时候，由于在信道中加入双通滤波器，因而信道对应着两个截止频率f1和f2，它们分别被称为下截止频率和上截止频率。而这两个截止频率之差f2-f1被称作信道的带宽。如果输入信号的带宽小于信道的带宽，则输入信号的全部频率分量都能通过信道，因而信道输出端得到的输出波形将是不失真的。但如果输入信号的带宽大于信道的带宽，则信号中某些频率分量就不能通过信道，这样输出得到的信号将与发送端发送的信号有些不同，即产生了失真。为了保证数据传输的正确性，必须限制信号的带宽。

2.2.3 信道的最大数据传输率单位时间内能传输的二进制位数称为数据传输率。数据传输率的提高意味着每一位所占用的时间的减小，即二进制数字脉冲序列的周期时间会减小，当然脉冲宽度也会减小。前一节里我们已经知道，即使二进制数字脉冲信号通过带宽有限的理想信道时也会产生波形失真，而且当输入信号的带宽一定时，信道的带宽越小，输出的波形失真就会越大。换个角度说，当信道的带宽一定时，输入信号的带宽越大，输出信号的失真就越大，因此当数据传输率提高到一定程度时（信号带宽增大到一定程度），在信道输出端上的信号接收器根本无法从已失真的输出信号中恢复出所发送的数字序列。这就是说，即使对于理想信道，有限的带宽也限制了信道数据传输率。

早在1924年，H. Nyquist（奈奎斯特）就认识到这个基本限制的存在，并推导出表示无噪声有限带宽信道的最大数据传输率的公式。在1948年，C. Shannon（香农）把奈奎斯特的工作进一步扩展到了信道受到随机噪声干扰的情况。这里我们不加证明地简述这些视为经典的结果。奈奎斯特证明，任意连续信号f（t）通过一个无噪声的带宽为B的信道后，其输出信号为一个带宽为B的时间连续信号g（t）。如果要输出数字信号，还必须以一定的速率对g（t）进行等间隔的抽样。抽样速度高于每秒2B次是无意义的，因为信号中高于信道带宽B以外的高频分量已被信道衰减掉。如果g（t）由V个离散化的电平组成，即每次抽样的可能结果为V个离散化电平之一，则该信道的最大的数据传输率Rmax 为：

Rmax = 2Blog 2V（比特/秒）

例如，一个无噪声带宽为3000 Hz的信道不能传送速率超过6000比特/秒的二进制数字信号。前面我们仅仅考虑了无噪声的理想信道。对于有噪声的信道，情况将会迅速变坏。信道中热噪声用信号功率与噪声功率之比来度量，信号功率与噪声功率的比值称为信噪比（Signal-to-Noise Ratio）。如果我们用S表示信号功率，用N表示噪声功率，则信噪比应被表示为S/N。但人们通常不使用信噪比的绝对值，而是使用10 log10S/N来表示，单位是分贝（ dB）。对于S/N等于1 0的信道，则称其信噪比为1 0 d B；同样的道理，如果信道的S/N等于100，则称其信噪比为20 dB；以此类推。香农关于有噪声信道最大数据传输率的结论是：对于带宽为BHz，信噪比为S/N的信道，其最大数据传输率Rmax为：

Rmax = Blog2 (1 + S/N）（比特/秒）

例如，对于一个带宽为3 kHz，信噪比为30 dB的信道，无论其使用多少个量化电平，也不管采样速度多快，其数据传输率不可能大于30 000比特/秒。香农的结论是根据信息论推导出来的，适用的范围非常广，要想超越这一结论就好比想要发明永动机一样，几乎是不可能的。值得注意的是，香农的结论仅仅给出了一个理论极限，而实际上，要接近这个极限也是相当困难的。

总结信号是消息（或数据）的一种电磁编码，信号中包含了所要传递的消息。信号按其因变量的取值是否连续，可分为模拟信号和数字信号，相应的也可将通信分为模拟通信和数字通信。傅立叶已经证明：任何信号（不管是模拟信号还是数字信号）都是由各种不同频率的谐波组成的，任何信号都有相应的带宽。而且任何信道在传输信号时都会对信号产生衰减，因此，任何信道在传输信号时都存在一个数据传输率的限制，这就是奈奎斯特定理和香农定理所要告诉我们的结论。

传输介质是计算机网络与通信的最基本的组成部分，它在整个计算机网络的成本中占有很大的比重。为了提高传输介质的利用率，我们可以使用多路复用技术。多路复用技术有频分多路复用、波分多路复用和时分多路复用三种，它们用在不同的场合。数据交换技术包括电路交换、报文交换和分组交换三种，它们各自有优缺点。Modem是用于在模拟电话网上传输计算机的二进制数据的设备。Modem的调制方式有调幅、调频、调相以及正交幅度调制，而且Modem还支持数据压缩和差错控制。3

同步方式数据通信同步主要包括位同步和字符同步。

位同步：目的是使接收方可以正确地接受各个二进制位。通常，分为自同步和外同步两种方法。自同步方法是指接收方直接利用通信编码的特点从数据块中获取同步信息，包括利用独特的信号来激活接收动作，或者利用数据块中的电平变换调整接收采样脉冲。

外同步方法是指发送方在发送数据之前，先向接收方发出一串同步时钟序列，接收方根据这一时钟脉冲频率和时序锁定接收频率，以便在接收数据过程中始终与发送方保持同步。

字符同步也称群同步，其目的是使接收方可以争取地识别数据（常指一个字符），以构成完整信息。显然字符同步是基于位同步的，仅当识别了独特的同步模式后，才可是真正的数据接收。

相关杂志《数据通信》杂志由信息产业部数据通信科学技术研究所主办，双月刊，主要内容涉及下一代网络技术、宽带网络技术、多媒体通信、无线通信、网络与信息安全、数据处理、数据传输、测试与维护。

特点数据通信具有许多不同于电报、电话通信的特点。它所实现的，主要是“人（通过终端）-机（计算机）”通信与“机-机”通信，但也包括“人（通过智能终端）-人”通信。在数据通信中所传递的信息均以二进制数据形式来表现。数据通信的另一个重要特点是它总是与远程信息处理相联系的。这里的信息处理是指包括科学计算、过程控制等广义的信息处理。由于信息处理内容与处理方式的不同，对数据通信的要求也有很大差别。例如，根据系统的不同应用，即信息处理内容及处理方式的不同，对终端类型、传输代码、传输速率、传输方式、系统响应时间、信息的安全性与准确性、系统的可靠性等方面的要求也不同。因而在实现数据通信时涉及的因素也比较复杂。

关键技术数据传输为了实现数据通信，必须进行数据传输，即将位于一地的数据源发出的数据信息通过传输信道传送到另一地的数据接收设备。数据传输用的信道可以是实线基带电路，也可以是频分模拟电路或时分数字电路。由于电话网的发展历史长，通信容量大，覆盖面广，因而利用它来提供数据传输信道在经济上和技术上都是比较合适的，是一种常用的方式。但是利用电话电路作数据传输信道时，必须采取一定的措施使之适应传输数据信号的要求。

在一个数据通信系统中，仅有将一地产生的数据送往另一地的传送功能往往还不能满足要求。为了改善传输质量，降低差错率，并使传输过程能有效地进行，系统中还必须具有数据链路控制规程（见数据链路）。在此类规程中对包括差错控制在内的全部传输控制功能作了详细规定。对实际的数据通信系统或计算机网规定有不同类型的数据链路控制规程，其中有的是符合国际标准的，也有的是国家或公司自己制订的。

数据交换及通信协议在数据通信系统或计算机网中，所用传输信道可以是固定的，也可以由交换网提供的。数据交换的方式主要有两种：电路交换与分组交换，其中分组交换在实际的数据网中较多采用。在一个采用分组交换的数据网中，除了在相邻交换节点之间需实现数据传输与数据链路控制规程所要求的各项功能外，在每一交换节点上尚需完成数据分组的存储与转发；路由选择、流量控制、拥塞控制、用户入网连接以及有关网路维护、管理等多方面的工作。与此相应，在与数据交换网相连接的端系统中也需实现某些相关的功能。所有这些与构成数据交换网相关的功能均以通信协议的形式来加以规定，它们也包括端系统与网的接口协议。所谓协议，就是通信双方为准确有效地进行通信所必须遵循规则和约定。它们在数据通信中具有重要意义，上面提到的数据链路控制规程实际上也是一种数据通信协议。

数据通信协议可以分为两类。一类是与数据通信网（从计算机网构成角度来讲，有时也称为通信子网）有关的协议，包括网内节点与节点间，以及网与端系统间的协议。它们是为了构成数据通信网和通过它实现端系统之间的数据通信所必需的协议。另一类是端系统与端系统之间的协议，它们是在前一类协议所实现的功能基础上，为了实现端系统间的互通与达到一定的应用目的，或者确切地说，是为了在两个端系统的应用进程之间进行通信所必需的协议。一个数据通信系统或计算机网的全部通信功能一般均按一定的层次结构来划分与组织。数据通信协议实际上就是对每层功能的内容和实施规则所作的具体规定，因而它们一般也都是按层来制订的。4

应用作为一种通信业务，数据通信为实现广义的远程信息处理提供服务。随着计算机与各种具有处理功能的智能设备在各领域的日益广泛使用，数据通信的应用范围也日益扩大。其典型应用有：文件传输、电子信箱、话音信箱、可视图文、目录查词、智能用户电报及遥测遥控等。对于每种具体应用，在远程信息处理系统或计算机网内部均须相应地实现与该应用相关的通信功能，这些功能也都通过分层协议的形式来加以规定。

发展趋势数据通信的发展趋势集中表现为：

1. 应用范围与应用规模的扩大，新的应用业务如电子数据互换（EDI），多媒体通信等不断涌现。

2. 随着通信量增大，网路日益向高速、宽带、数字传输与综合利用的方向发展。例如光纤高速局域网、城域网、宽带综合业务数字网、《中继、快速分组交换等许多新技术迅速发展，有的已进入实用化阶段。

3. 与移动通信的发展相配合，移动式数据通信正获得迅速发展。

4. 随着网路与系统规模的不断扩大，不同类型的网路与系统的互连（也包括对互连网路的操作与管理）的重要性日趋突出。

5. 通信协议标准大量增加，协议工程技术日益发展。

收录情况/影响力国家新闻出版总署收录

信息部优秀科技期刊二、三等奖

本词条内容贡献者为:

李嘉骞 - 博士 - 同济大学