本章将从通信技术入手，分别介绍与通信相关的交换技术、同步技术、多路复用技术，为后面章节的内容奠定基础。在本章后半部分，将介绍物理传输介质，即不同种类的通信线路。
【本章主要内容】
数据通信的理论基础，主要包括通信系统模型、数据通信和信道的技术指标。
数据传输技术，包括信号的调制、多路复用技术、数据交换技术和通信方式。
传输介质，包括双绞线、同轴电缆、光纤和无线介质。
2.1 数据通信基础知识
一台计算机是如何把信息传递给另一台计算机的？利用什么规则或技术？需要什么设备和线路？要解决什么问题？我们知道，电话系统中的信息以正弦或余弦波形的信号连续传输；然而我们也知道，根据计算机的基本原理，在计算机中数据是以0和1的形态存在的，是以脉冲信号传输的，那么计算机中发送的信号是如何通过电话线传递给远方的计算机呢？
2.1.1 数据和信号
1.数据
数据是对客观事物的描述，是把事物的某些属性规范化、抽象化后的表现形式，它能够被识别，也可以被描述，例如十进制数、二进制数、字符等。数据具有以下特性：
（1）数据不仅指狭义的数值数据，也是对客观事物的描述。它是信息的载体和具体表现形式。
（2）数据的表现形式多种多样，不仅有我们熟知的数字和文字，还有图形、图像和声音等形式。
（3）数据有模拟数据和数字数据两种形式，模拟数据是连续的，例如，正弦函数描述的数据是模拟的，整数是离散的数字数据。
2.信号
信号是数据的具体物理表现，具有确定的物理描述。例如电压、磁场强度等。数据传递总是依赖于一定的物理信号。例如，演奏笛子时，用嘴发出的声音其实是用声波信号传递的信息。当数据在计算机通信网络中传输时，通信线路上传输的是一个二进制值（0或1）的电压序列信号，如果用光纤传输的话，则是以光信号的形式传输数据。
信号有模拟信号和数字信号两种。利用载波仪器去检测，模拟信号是连续的波形，而数字信号是脉冲的波形。
3.信号与数据的编码分类
根据信号和数据的类型，存在四种编码分类：
（1）模拟数据利用模拟信号传输。例如，语音在电话网中传输。
（2）模拟数据利用数字信号传输。例如，语音在局域网中传输。
（3）数字数据利用模拟信号传输。例如，从计算机发送的数据在电话网中传输。
（4）数字数据利用数字信号传输。例如，局域网中一台计算机的数据传输到另一台计算机。
4.频带信号和基带信号
（1）计算机中的信号是脉冲式的数字信号，如果没有经过调制，则称为基带信号。这种信号的频率范围很小，一般在局域网中的信号都是基带信号。
（2）电话网中的信号是模拟信号，模拟信号频带范围分布较宽。
（3）为了在一条线路上传输更多通讯对（通讯的双方）的信号，通常的做法是将基带信号调制成不同频率范围的频带信号，即占用不同的“信道”。显然，频率范围越大，可以容纳的调制在不同区域的通讯对就越多。
（4）接收信号的一方将信号还原成基带信号，这个过程称为解调。
5.码元
在时间轴上信号的编码单元是码元。例如，如果在一个时间周期内，包括两个不同的编码状态，则码元为2。周期内码元的多少直接反映信号的变化频率，也反映传输信息的容量。
例如，一个周期内有8个状态，那么码元数为8，需要3位二进制（23）数才能描述出来；如果一个周期内有4个状态，码元数为4，需要两位二进制数就足够了。显然，两者之间存在传输位数的差异，后者在同样的时间内少传输一位，传输速度较慢。
可以说，码元的多少与传输速率成正比。码元的速率被称为波特率，将在后续章节中介绍。
2.1.2 通信系统模型和数据通信
1.通信系统模型
下面对其中的一些概念进行说明。
（1）信源
信源是产生原始数据信号的设备，例如计算机或电话机。
（2）信宿
信宿是将复原的原始信号转换成相应的数据的设备，例如计算机或电话机。
（3）发送设备
发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，将信源产生的原始信号（基带信号）变换成适合在信道中传输的信号。例如，将电话线以ADSL方式接入到互联网所使用的调制解调器。
（4）接收设备
接收设备的功能与发送设备相反，是用来进行解调、译码、解码的，它可从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始信号。
（5）信道
信道是传输信息的通道，也是常说的传输线路。信道可以是有线的，也可以是无线的，甚至还可以包含连接信道的某些设备。前者称为物理信道，通常是指一条物理连接。为了提高效率将物理信道共享给多个通讯对，即每个通讯对与其他通信对共同使用某一信道，而不是独占。对于每个通讯对来说，这时的信道就是逻辑的信道。
（6）噪声源
噪声源是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其他各处噪声的集合，是产生数据传输错误的一个来源。
2.模拟通信系统
利用模拟信号传递消息的方式被称为模拟通信，普通的电话、广播、电视等都属于模拟通信，该系统由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及噪声源组成。在传输系统中，调制和解调设备是成对配备的。在模拟通信系统中，信道上所传输的信号是模拟信号。
调制器是用发送的消息对载波的某个参数进行调制的设备。例如对载波信号进行连续的振幅调制、频率调制或相位调制。解调器是实现上述过程可逆变换的设备。
3.数字基带传输系统
数字基带传输系统与模拟系统不同的是，信道上传输的是数字信号，是非连续的脉冲信号。基带信号形成器将非数字信号转换成数字信号，接收滤波器复原源信号。
2.1.3 通信与连接方式
1.并行通信方式
并行通信传输是同时在两个设备之间传输多个数据位。并行通信方式主要用于近距离通信，计算机内部的总线结构就是并行通信方式。这种方法的优点是传输速度快，信息处理简单。
发送设备在将数据位通过对应的数据线传送给接收设备的时候，还可附加一位数据校验位。接收设备可同时接收到这些数据，而且不需要做任何变换就可直接使用。
2.串行通信方式
串行数据传输时，数据是按位的方式在通信线上传输的。计算机内部在发送设备（网卡）端，就是先将内部并行数据转换成串行方式，逐位经传输线送到接收站的设备中，再在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用。
串行数据传输的速度要比并行传输慢得多，但对于覆盖面极其广阔的通信网络来说，具有更大的现实意义。
2.5 并行通信方式
3.串行通信的方向性结构
串行数据通信的方向性结构有三种，即单工、半双工和全双工三种方式。
（1）单工数据传输只支持数据在一个方向上传输。
（2）半双工数据传输允许数据在两个方向上传输，但是在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输。它实际上是一种切换方向的单工通信，例如对讲机的通信方式。
（3）全双工数据通信允许数据同时在两个方向上传输。因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合。它要求发送设备和接收设备都具有独立的接收和发送能力。这种方式正被广泛应用在语音等传输系统中。
2.1.4 数据同步技术
数据同步的目的是保证数据接收端与发送端数据保持一致，即保证接收端完全接收数据，而不丢失数据。目前主要的数据同步技术包括位同步、字符同步和帧同步三种形式。
1.位同步
位同步的目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步。具体做法是使用发送端发送的同步时钟信号，接收方则用同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率，按时钟接收数据。
这种方式适合范围小的数据传输，目前局域网络中使用的就是这种方式。例如曼彻斯特编码信号中每位传输周期的中间跳变，作为时钟信号，接收端从中提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。
2.字符同步
字符同步是以一个字符为发送单位实现字符同步的方式，也被称作“起止式”或“异步式”。每个字符的传输需要1个起始位、5～8个数据位和2个停止位。
3.帧同步方式
帧同步方式是以识别一个帧的一对标志域的方式实现同步的。帧（Frame）是数据链路（相邻两个结点之间的线路）中的传输单位，其中包含数据和控制信息等。
（1）面向字符的帧同步方式
面向字符的帧同步方式以同步字符（SYN，16H）标识一个帧的开始，适用于数据为字符的帧。
（2）面向位／比特的帧同步方式
面向位／比特的帧同步方式以特殊位序列（例如7EH，即01111110）标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧。其特点是：帧检验域包括地址、控制和信息域，信息域的大小是可变的，一对标志域标志一个完整的帧。这种方式被广泛使用在大型或复杂的网络中。
2.1.5 信号调制解调技术
在2.1.1小节中，介绍了信号有模拟和数字两种类型，在信号传输之前要进行调制，以保证信号传输的质量。这种基带信号和频带信号之间的转换技术，就被称为信号的调制和解调技术。
1.数字信号与频带信号
任何载波信号都有三个特征：振幅（A）、频率（f）和相位（P）。把数字信号转换成模拟信号有三种基本技术：振幅调制（ASK）、频率调制（FSK）和相位调制（PSK）。
2.基带信号的编码
局域网的信号编码方式是数字的，信号从计算机输出的未经过调制的信号被称为基带信号。基带传输是在线路中直接传送数字信号的电脉冲，这是一种最简单的传输方式，局域网是近距离通信，采用基带传输。
基带传输需要解决数字数据的数字信号表示以及收发两端之间的信号同步问题。基带信号的编码有以下几种常用形式。
（1）不归零编码
对于传输数字信号来说，最简单的方法是用不同的电压电平表示两个二进制数字，即数字信号是由矩形脉冲组成的。
根据信号是否归零，可以划分为归零码和不归零码，归零码码元中间的信号回归到0电平，而不归零码遇到1电平翻转，0时不变。不归零码在传输中难以确定一位的结束和另一位的开始，需要用某种方法在信号发送器和接收器之间进行定时或同步。
按数字编码方式，可以划分为单极性码和双极性码。
①单极性不归零码，无电压时（也就是无电流）表示“0”，恒定的正电压用来表示“1”。
每一个码元时间的中间点是采样时间，判决门限为半幅度电平（0.5）。如果接收信号的值为0.5～1.0，判为“1”码，如果值为0～0.5，则判为“0”码。
②双极性不归零码，“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。
不归零码在传输中难以确定一位结束和另一位开始，需要用某种方法使发送器和接收器之间进行定时或同步。
（2）曼彻斯特编码
曼彻斯特编码常被用于局域网传输。其特点是：
①每个比特周期中间有一次电平跳变，两次电平跳变的时间间隔可以是1／2周期或1个周期，位中间的跳变作为时钟信号，利用电平跳变去产生收发双方的同步信号。
②曼彻斯特编码信号又被称作“自含钟编码”信号，发送曼彻斯特编码信号时无需另外发同步信号。
③电位从低跳到高表示“1”，电位从高位跳到低位表示“0”。
（3）差分或微分曼彻斯特编码
差分或微分曼彻斯特编码有以下特点。
①在每位中间的跳变仅被用作时钟。
②用每位开始时有无跳变去表示“0”或“1”，有跳变为“0”，无跳变为“1”。
两种曼彻斯特编码是将时钟和数据包含在数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到对方，每位编码中有一跳变，因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。
3.模拟数据与数字信号
模拟数据数字化的主要方法是脉冲编码调制法（Pulse Code Modulation，PCM），最典型的应用是语音信号的数字化。
该方法以香农（Shannon）的采样定理为理论依据，即若对连续变化的模拟信号进行周期性采样，只要采样频率大于等于有效信号最高频率或其带宽两倍时，采样值便可以包含原始信号的全部信息，利用低通滤波器可以从这些采样中重新构造出原始信号。对此需要了解的概念如下。
（1）采样
采样是指按固定间隔的采样周期读取模拟信号对应的电平数值。
（2）量化
量化是指将采样所得到的信号值按照一定的分级标度定位到最接近的量化值上。这样就把连续的模拟信号转换成离散的脉冲信号，其振幅值对应于采样时刻信号的数值。
（3）编码
编码是指通过处理使离散的量化值成为合适的二进制码组。在二进制码中，由n 位代码可组成2n个不同的码字，表示量化信号可有2n个不同的数值。
2.1.6 多路复用技术
当一条物理链路有丰富的带宽和高速度时，多路复用技术就能够有效地提高通信线路利用率，能够利用一个通信信道传输更多通信对的信号。多路复用有以下几种常用方法。
