第三节 数据通信基础
一、基本概念
数据通信技术是计算机网络技术发展的基础。数据通信是依照通信协议，利用数据传输技术（模拟
传输或数字传输）在两个功能单元之间传递数据信息，实现计算机与计算机、计算机与终端以及终端与
终端间的数据信息传递。它传输的对象是数据，采用的通信技术是数据通信技术。
（一）数据、信号与码元
1.数据
数据是指传送信息的载体。信息是数据所表示的内容和解释。计算机网络中传递的数据是二进制代
码比特序列，是离散的数字数据。
2.信号
信号是数据在传输过程中电信号的表示形式。数据借助信号传输，信号是数据的具体表现形式。信
号分为连续变化的模拟信号与离散变化的数字信号。
3.码元
码元是携带数据信息的信号单元。它是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），表示一位 k 进
制数字，代表不同离散数值的基本波形。这个时长内的信号称为 k 进制码元，而该时长称为码元宽度。
在数字通信中常常用时间间隔相同的信号波形来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为二
进制码元。当码元的离散状态有大于 2 时，此时码元为 M 进制码元。
1 码元可以携带多个比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表
0 状态，另一种代表 1 状态。
码元传输速率，又称为码元速率或传码率。其定义为每秒钟传送码元的数目，单位为“波特”，又
可以称为波特率，常用符号“Baud”表示，简写为"B"。
（二）信源、信道与信宿
计算机网络通信系统也称数据通信系统，是计算机与通信的结合，是指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。数据通信系统主要
由信源、信宿和信道等组成。
1.信源
信源是指数据的发送方。通常是通信过程中产生和发送信息的数据终端设备或计算机。
2.信宿
信宿是指数据的接收方。通常是通信过程中接收和处理信息的数据终端设备或计算机。
3.信道
信道是指在信源和信宿之间传送信号的物理通道，它在信源和信宿之间实现有效的数据传输。计算
机通信就是将一台计算机产生的数字信息通过通信信道传送给另一台计算机。
信道是以传输介质为基础的信号通路，信道不仅有传输介质，而且包括通信系统中的一些转换装置。
信道中的传输介质有双绞线、同轴电缆和光纤，转换装置有编码器、解码器、调制器、发转换器、收转
换器。
（三）数据通信模型
数据需要转换为信号才能进行传输。数据从信源发送通过信道到达信宿，中间需要发送器和接收器
实现数据到信号、信号到数据的变换。因此，一个数据通信模型包括信源、发送器、信道、接收器和信
宿等五部分，如下图所示。
数据通信系统模型
发送器是指将信源生成的数据进行编码并将其发送到传输系统中传输的设备。典型的发送器是调制
器，例如计算机的调制解调器中调制器部分，它能把计算机的数字信号翻译成可沿普通电话线传送的模
拟信号。
接收器是指接收传输系统传送过来的信号并把它转换成能够被目的设备处理的信息的设备。典型的
接收器就是解调器，例如计算机的调制解调器中解调部分，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，
提取出在信源（发送端）置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。
二、信道相关概念
（一）通信方式
按信道的数据传输方向分，有下面三种不同的通信方式。
1.单工通信
指传送的数据始终是一个方向，而不能进行与此相反方向的传送，好像单行线一样。即只能有一个
方向的通信而没有反方向的交互。
2.半双工通信
指传送的数据可以在两个方向传送，但不是同时两个方向传送。即通信的双方都可以发送信息，但
不能双方同时发送也不能同时接收。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后再反过来。又
称双向交替通信。
3.双工通信
指传送的数据可以同时在两个方向传送，即通信的双方可以同时发送和接收信息。
（二）同步方式
在通信过程中，发送方和接收方必须在时间上保持同步，才能准确地传送信息。
1.同步传输
同步传输是一种比特同步通信技术，要求发收双方具有同频同相的同步时钟信号，只需在传送报文
的最前面附加特定的同步字符，使发收双方建立同步，此后便在同步时钟的控制下逐位发送/接收。
同步通信的通信设备较复杂，效率高，可用于点对多点通信。
2.异步传输
异步传输是指不要求接收端和发送端的时钟同步，发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间
间隔再发送下一个字节。但必须在每一个字符的开始和结束的地方加上开始位和停止位，以便使接收端
能够正确地将每一个字符接收下来。
异步通信通信设备简单、便宜，但传输效率较低，适用于点对点通信。
（三）交换方式
在一个通信网络系统中，交换节点转发信息的方式可分为电路交换、报文交换和分组交换三种。如
下图所示。
2.频带传输
频带传输是一种采用调制、解调技术的传输形式。它先将基带信号变换（调制）成便于在模拟信道
中传输的、具有较高频率范围的模拟信号（称为频带信号），再将这种频带信号在模拟信道中传输。频
带传输常用于计算机网络的远距离通信。
基带信号与频带信号的转换是由调制解调技术完成的。在发送端，采用调制手段，对数字信号进行
某种变换，将代表数据的二进制“1”和“0”，变换成具有一定频带范围的模拟信号，以适应在模拟信
道上传输；在接收端，通过解调手段进行相反变换，把模拟的调制信号复原为“1”或“0”。
常用的调制方法有频率调制、振幅调制和相位调制。幅移键控（amplitude shift keying，ASK）、频
移键控（frequency shift keying，FSk）和相移键控（phase shift keying，PSK）是将数字数据调制为模拟
信号的常见三种调制方式或编码。如下表所示。
3.宽带传输
宽带（Broadband）传输是指将信道分成多个子信道，分别传送音频、视频和数字信号。宽带传输
是模拟信号传输。
宽带是比音频带宽更宽的频带，包括大部分电磁波频谱。它通过借助频带传输，可以将链路容量分
解成两个或更多的信道，每个信道可以携带不同的信号。因此，一个宽带信道能被划分为许多个逻辑信
道，在多个逻辑通道中用不同的信号传输数据，从而可以将各种声音、图像和数据信息传输综合在同一
物理信道中进行，使信道具有多种用途；实现多路复用，信道的容量大大增加；其传输的距离比基带远。
三、数据通信技术指标
（一）传输速率
传输速率是指数据在信道中传输的速度，表示单位时间内传输的数据量。它分为码元传输速率和信
息速率传输两种。
1.波特率
又称调制速率、波形速率或码元传输速率，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，单
位为波特（Baud）。1 波特即指每秒传输 1 个码元。
波特率是数据信号对载波的调制速率，表示单位时间内载波调制状态改变的次数，即每秒调制的符
号数，是传输通道频宽的指标。
2.比特率
又称信息传输速率，它表示单位时间内数字通信系统传输的二进制位数据量（即比特数），单位是
比特/秒（bit/s）。
（二）信道带宽
1.模拟信道带宽
模拟信道的带宽是指信号具有的频带宽度，单位是赫兹（Hz）。它是信道能够通过的最高频率与最
低频率之差，即：
W=f2-f1
其中 f2 是信道能够通过的最高频率，f1 是信道能够通过的最低频率，两者都是由信道的物理特性
决定的。
2.数字信道带宽
数字信道是一种离散信道，它只能传送离散值的数字信号。数字信道的带宽是指数字信道所能传送
的“最高数据传输速率”，常用来表示网络的通信线路传送数据的能力。其单位与传输速率的单位相同，
即比特/秒（bit/s）。
（三）误码率和误比特率
1.误码率
误码率是指码元在传输过程中，错误码元占总传输码元的概率。
2.误比特率
在二进制传输中，误码率也称为误比特率。
（四）最大传输速率计算
在网络传输中，奈奎斯特定理（Nyquist's Theorem）和香农定理（Shannon's Theorem）是关于传输
速率计算的两个基本定理。
1.奈奎斯特定理
奈奎斯特定理又称为奈氏准则，它指出在理想低通（没有噪声、带宽有限）的信道中，极限码元传
输率为 2W Baud。其中，W 是理想低通信道的带宽，单位为 Hz。如果被传输的信号包含了 M 个状态值，
那么 W 赫兹信道所能承载的最大数据传输速率（信道容量）Rb 是：
Rb = 2×W×log 2 M（bps）
速率的单位为 bps，是 bit per second 的缩写，即 b/s，表示比特每秒，表示每秒钟传输多少位信息。
假设带宽为 W 赫兹，信道中传输的信号是二进制信号（即 M=2），有 log 2 2 为 1，那么该信号所能承载
的最大数据传输速率可简化为 2W（bps）。
极限码元传输率就是波特率 RB，即 RB = 2W。如果已知波特率 RB，那么 RB 下所能承载的数据传
输速率（信道容量）Rb 是：
Rb = RB×log 2 M（bps）
在通信领域，常用的传输速率单位有 Kb/s（10 3 b/s）、Mb/s（10 6 b/s）、Gb/s（10 9 b/s）、Tb/s（10 12 b/s）、
Byte/s，其中 k 表示 10 3 、M 表示 10 6 、G 表示 10 9 、T 表示 10 12 ，1Byte=8b。在计算机领域，表示计算机
存储容量或文件大小时，K=2 10 =1024，M=2 20 ，G=2 30 ，T=2 40 ，与通信领域的单位不同。
2.香农定理
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，即在有随机噪声干扰的情况
计算信道最大数据传输速率。
香农定理定义为：
最大数据传输速率= W×log 2 （1+S/N）（bps）
式中，W 为信道的带宽，S 为信道所传输信号的平均功率，N 为信道内部的高斯噪声功率，S/N 表
示信噪比。
香农定理的结论可以定性的表达为：带宽一定的时候，信噪比越高，信息量越低。例如，对于一个
带宽为 3KHz，信噪比为 30dB（S/N 就是 1000）的话音信道，无论其使用多少个电平信号发送二进制数
据，其数据传输速率不可能超过 30Kbps。
（五）其他性能指标
性能指标从不同的方面度量计算机网络的性能，其他性能指标如下表所述。
四、信道复用技术
“复用”是一种将若干个彼此独立的信号，合并为一个可在同一信道上同时传输的复合信号的方法。
复用技术通过共享信道，可以最大限度提高信道利用率。常用的信道复用技术有频分多路复用、时分多
路复用、波分多路复用三种方式。
（一）频分复用
频分多路复用（FDM，Frequency Division Multiplexing）是指载波带宽被划分为多种不同频带的子
信道，每个子信道可以并行传送一路信号的一种多路复用技术。
频分复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和，同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干
扰，需在各子信道之间设立隔离带，以保证各路信号互不干扰。频分复用技术的特点是所有子信道传输
的信号以并行的方式工作，每一路信号传输时可不考虑传输时延。其应用非常广泛。
（二）时分复用
时分多路复用（TDM，Time Division Multiplexing）是按传输信号的时间进行分割的，它使不同的
信号在不同的时间内传送，将整个传输时间分为若干时间片（简称时隙），每个时间片被一路信号占用。
因而，也叫同步时分复用。
时分复用技术的特点是时间片（时隙）需事先规划分配好且固定不变，其优点是时隙分配固定，便
于调节控制，适于数字信息的传输；缺点是当某信号源没有数据传输时，它所对应的信道会出现空闲，
而其他繁忙的信道无法占用这个空闲的信道，因此会降低线路的利用率。时分复用技术有着非常广泛的
应用，电话就是其中最经典的例子。
（三）波分复用
波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）是将一系列载有信息、但波长不同的光信号
合成一束，沿着单根光纤传输。在接收端再用某种方法，将各个不同波长的光信号分开的通信技术。
波分复用技术是在 1 根光纤上承载多个波长（信道）系统，将 1 根光纤转换为多条“虚拟”纤，当
然每条虚拟纤独立工作在不同波长上，这样极大地提高了光纤的传输容量。波分复用技术具有较好的经
济性与有效性，成为当前光纤通信网络扩容的主要手段。
五、信道传输介质
传输介质是指在信道中传输信息的载体。常用的传输介质分为有线传输介质和无线传输介质两大类，
相应的信道称为有线信道和无线信道。
（一）有线传输介质
有线传输介质是指在两个通信设备之间实现的物理连接部分，它能将信号从一方传输到另一方。有
线传输介质主要有双绞线、同轴电缆和光纤。双绞线和同轴电缆传输电信号，光纤传输光信号，光纤传
输性能最好。
（二）无线传输介质
无线传输介质突破有线网的限制，利用空间电磁波实现站点之间的通信。最常用的无线传输介质有
无线电波、微波、红外线、激光、蓝牙等。
六、常用网络设备
（一）有线网络设备
常用的有线网络设备有网卡、中继器、集线器、网桥、交换机、路由器。其中，工作在 OSI 参考模
型物理层的有中继器、集线器，工作在数据链路层的有网卡、网桥、交换机，工作在网络层有路由器，
以及可工作在网络层、传输层和应用层等三层的网关。
（二）无线网络设备
无线网络设备常见的有无线网卡、无线上网卡、无线接入点和无线路由器。
1.无线网卡
无线网卡即无线网络适配器，指具有无线连接功能的局域网卡。它不是通过有线连接，而是通过收
发无线信号进行连接的网卡。其作用与功能跟电脑网卡一样，用于计算机与网络的连接。它使用范围受
限，需要接收到外部无线路由等设备发出的信号后才可以上网。如果超出了无线局域网（WiFi）的使用
范围，将不能连接无线网络。无线网卡一般是笔记本电脑的内部设备。
2.无线上网卡
无线上网卡是指内部安装了 SIM 卡、通过相应拨号程序连接网络的无线上网设备，其作用与功能相
当于有线的调制解调器。它将计算机产生的数字信号转变成模拟的无线信号传播出去，可以在拥有无线
电信号覆盖的任何地方连接网络。无线上网卡一般是类似 U 盘的外部设备，内部装有 SIM 卡，利用 SIM
的数据流量即可进行上网。
3.无线接入点
无线接入点（Access Point）是使无线设备（如手机、笔记本电脑）用户进入有线网络的接入点。它
作为无线局域网的中心点，供其它装有无线网卡的计算机通过它接入该无线局域网。它也可以通过对有
线局域网络提供长距离无线连接，或对小型无线局域网络提供长距离有线连接，从而达到延伸网络范围
的目的。其典型距离覆盖几十米至上百米，也有可以用于远距离传送。无线接入点一般应用于大型公司，
从而实现大面积的无线网络覆盖。
4.无线路由器
无线路由器是用于用户上网、带有无线覆盖功能的路由器，是带有路由功能的无线接入点。它可以
看作是转发器，将宽带网络信号通过路由器天线发射无线电波转发给附近的无线网络设备（如笔记本电
脑、支持 wifi 的手机）。无线路由器信号范围一般为半径 50 米，部分无线路由器的信号范围达到了半径
300 米。无线路由器一般应用于家庭和 SOHO 环境网络，覆盖面积较小