基本组成

数据通信系统是软硬件的结合体。

数据指对数字、字母以及其组合意义的一种表达。数据通信是两点或多点之间，借助某种传输介质以二进制形式进行信息交换的过程。

数据通信技术主要涉及通信协议、信号编码、接口、同步、数据交换、安全、通信控制与管理等。

广义数据通信模型

• 信源：待传输数据信息的产生者
• 发送器：将信息变换为适合在信道上传输的信号，接收器则相反
• 信道：发送器与接收器之间用于传输信号的物理介质
• 信宿：接收到的信号在这里转换成信息

发送设备、接收设备和传输介质属于硬件。

发送设备：匹配信息源和传输介质，即将信源产生的报文经过编码变换为便于传送的信号形式，送往传输介质。

通信软件

报文和通信协议都属于通信系统的软件。

报文：一般把需要传送的信息，包括文本、图像、参数、命令、声音等称为报文，它们是经过数字化后的信息。

通信协议：通信设备之间控制数据通信与理解通信数据意义的一组规则。要素如下：

• 语法：通信中的数据的结构、格式及数据表达的顺序
• 语义：通信帧的位流中的每个部分的含义
• 时序：数据发送时间和数据发送速率。收发双方通常以某种方式校对时钟周期，协调数据处理速度。

性能指标

有效性指标

数据传输速率：单位时间内传送的数据量。在数据通信中，常用时间间隔相同的波形来表示一位二进制数字。这个间隔称码元长度，这样的间隔内的信号称为二进制码元。

• 比特率：每秒传输数据的二进制位数。比特是数据信号的最小单位。
• 波特率：每秒传输码元的数目。每个码元可以包含一个或多个二进制位。

讨论传输频带宽度时，采用波特率；涉及实际的数据传输能力时，采用比特率。

频带利用率：每赫兹带宽所能实现的比特率。

通信效率：数据帧的传输时间和用于发送报文的所有时间之比。用于发送报文的时间包括竞用总线或等待令牌的排队时间、数据帧的传输时间、发送维护帧等。

可靠性指标

误码率：二进制码在数据传输系统中被传错的概率。

传输方式

串行传输和并行传输

串行

数据流以串行的方式逐位在一条信道上传输。每次发送一个数据位，发送方要明确先发送数据字节的高位还是低位，接收方要知道接收的字节的第一个数据位应在什么位置。

优点：易于实现、长距离传输中可靠性高。远距离数据通信，需要双方采取同步措施。

并行

数据以成组的形式在两条以上的并行通道上同时传输。需要的传输线多，在近距离的设备之间进行数据传输时采用。如：计算机和外围设备之间的通信。

串口类似于一条车道，而并口就是有8个车道同一时刻能传送8位（一个字节）数据。但并不是并口快，由于8位通道之间的互相干扰，传输时速度就受到了限制，而且当传输出错时，要同时重新传8个位的数据。串行接口没有干扰，传输出错后重发一位就可以了。故要比并口快。

同步传输和异步传输

数据通信系统中，处理工作总是在一定的时序脉冲控制下进行的。收发端工作的协调一致性就是数据通信系统的传输同步问题。串行通信中，发送和接收方都要用时钟信号，通过时钟决定什么时候发送和读取每一位数据。

同步传输和异步传输都是串行通信，只是使用时钟信号的方式不同。

同步传输

所有设备使用同一个时钟，这个时钟可以是参与通信的设备产生，也可以是外部提供。所有传输的数据位都和这个时钟信号同步，即传输的每个数据位只在时钟信号的上升沿或下降沿之后的一个规定时间内有效。接收方利用时钟跳变决定什么时候读入一个数据位。

优点：传输效率比异步高，适合高速传输。长距离的数据通信，同步传输的代价较高，要一条额外的线来传输时钟信号，并且容易受到噪声的干扰。

异步传输

每个通信节点必须在通信速率上保持一致，误差不超过一定范围。当传输一个字节时，通常会包括一个起始位来同步时钟，不要求在传送信号的每一数据位时收发两端都同步。

当需要传输数据时，从不传输数据的状态转到起始位状态时，接收端检测出电平极性状态改变，启动定时器，实现同步。接收端收到停止时，定时器复位，为后面接收数据做准备。

优点：实现简单容易，对线路和收发器的要求较低。

位同步、字符同步、帧同步

按传输数据的基本组织单位可以分为：

• 位同步：收发两端的时钟同步，即位同步，每个数据位必须在收发两端保持同步。接收端可以从接收信号提取位同步信号。
• 字符同步：将字符组织成组后连续传输，每组字符前必须将上一个或多个同步字符SYN。接收端接收同步字符，并根据它来确定字符的起始位置。
• 帧同步：按事先约定的数据信息组织成组的形式。

工作方式

1. 单工：数据传输只支持数据在一个方向上传输(收音机、遥控器)

2. 半双工：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；（对讲机）

3. 全双工：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有独立的接收和发送能力。（电话机）

   

差错检测

差错控制方式

接收端经过译码，能查出码中存在差错，但不知道差错的确切位置，称为检错译码；能判定差错位置并加以纠正，称为纠错译码。

1. 循环传送检错

   信号源的同一信息被周期性地循环发送。发送端由信道编码器对信息进行抗干扰编码后发送出去（可检错），接收端收到数码后经检错译码判断有无错码。若无，则该组数码可用；若有，则丢弃不用，等下次循环再接收该组数码信息。检错方式简单，容易实现，信道利用率不高。只需单向信道。

2. 前向纠错

   发送端由信道编码形成可纠错的码发出去，接收端将收到的数码经信道译码器进行纠错译码。

   优点：只需单向信道，可纠一定错，译码器复杂。

3. 自动要求重传

   发可检错码，接收端检错译码。判断有无错码，通过反馈信道把结果送到发送端。有错码，发送端要重传该数码，直到无错。要求有反馈信道，干扰严重时，重传数变多，影响通信的连贯性，传输效率低。编码译码比较简单。

4. 信息反馈

   接收端把收到的信息通过反馈信道原样送到发送端，发送端将反馈回来的信息与原来的信息进行比较，有错码，原信息再次传送。控制电路简单，需反馈信道，效率低。

5. 混合纠错

   前向纠错和自动重传的综合。发的数码可以检错和纠错。接收端首先进行纠错，错误码太多，超过其纠错能力，就要求发送端重发。

常用检错码

1. 奇偶校验

   奇偶指数码中的“1”的个数是奇数还是偶数。在数码后面加一位奇偶校验位，加上后形成的数码中使“1”的个数为偶数，就称偶校验；为奇，称奇校验。接收端检查“1”的位数就可以发现错误。只加一位奇偶校验位，编码效率高，就能检出所有奇数个差错。

2. 水平一致校验

   将信息序列以长度L分成小组，依次排成m列，得到L行m列的表格。对水平方向每行进行奇偶校验，得到一列校验码元，附在各列之后，按列发送。接收端译码时把收到的码元按L*m排列，检查每行是否满足奇偶检验规则。校验位有L位，能检测出长度不大于L（因为是按列发送的）的单个突发错误及其它错误情况。

3. 水平垂直一致校验

   在水平一致校验的基础上，对列的码元进行奇偶校验组成水平垂直一致校验码。发送时，可以按行，也可以按列。接收端译码时，检查每行每列是否满足校验规则。水平校验码L位，垂直校验码m位，能发现长度不大于L+1（按列发送）或m+1（按行发送）的单个突发错误及其它错误情况。

4. 校验和

   把m个长位l的数码做为二进制数，按模相加，形成校验和。将校验和附在m个信息组之后一起传送。接收端同样的方式按模相加，得到的校验和与收到的校验和相比，是否一致。按模运算只保留l位，将溢出舍弃。

5. 循环冗余校验

   • 多项式及其运算：n位二进制数，可用（n-1）阶多项式表示。多项式运算必须按照模2运算规则运算，即异或运算。
   • CRC算法
     
   • 求CRC字节的方法主要有软件直接求取和软件查表求取。
     • 软件运算直接求取，每处理一个字节要运算8次，较费时。
     • 查表法：一个字节可以有256种组合。把这256种组合所对应的CRC字节事先算好，存在flash的CRC字节表中，需要时查表，耗时短。空间换时间。