计算机网络发展趋势

计算机网络发展趋势可概括为：一个目标、两个支撑、三个融合、四个热点。

1. 一个目标：面向21世纪计算机网路发展的总体目标就是要在各个国家、进而在全国建立完善的信息基础设施。

2. 两个支撑：即微电子技术和光技术。

3. 三个融合：支持全球建立完善的信息基础设施的最重要的技术是计算机、通信、信息内容这三个技术的融合。电信网、电视网、计算机网三网合一是当前网络发展的趋势。但三个技术的融合，三个网络的合一最重要的技术基础还是数字化。

4. 四个热点：

四个热点包括：多媒体、宽带网、移动通信和信息安全。

数据通信是计算机和通信系统结合的产物，是计算机网络的基础。它是把通信技术中的数据传输和计算机技术中的数据处理、存储等有机结合起来形成的一种通信方式，是继电报、电话之后的又一重要通信方式。数据通信主要研究计算机中数字数据的传输、交换、存储和处理的理论、方法与技术。学习计算机网络，必须了解相关的数据通信知识。本章主要讲解数据通信的一些基本原理和技术。

数据通信是两个实体间数据的传输和交换。数据传输是传播处理信号的数据通信，将源站的数据编码成信号，沿传输介质传播至目的站。数据传输的品质取决于被传输信号的品质和传输介质的品质。

通信系统的基本作用是在两个实体间交换数据。

1、通信： 通信是指把数据、信息从一个地方传送到另一个地方的过程。

2、通信系统： 通信系统是指实现通信过程的系统。它包含三大要素：信源、信宿、传输媒介。（如图1、2）

(1) 信源：信息产生和出现的发源地。

(2) 信宿：接收信息的目的地。

(3) 传输媒介：信息传输过程中承载信息的媒介。

2.2.1 时域概念

信号是时间的函数，可分为连续信号和离散信号两种。连续信号是指经过一段时间，信号的强度变化是平滑的。而离散信号是指一段时间信号强度保持某个常量值，然后到下一个时间又变化到另一个常量值的信号。

不管是连续信号还是离散信号，如果相同的信号形式能周期性地重复，则称为周期信号。

2.2.2 频域概念

信号可由多个频率成分组成如

它由频率f1和频率f3合成，频率f1是合成信号的基本频率成分，而信号周期也等于基本频率信号的周期，都等于T。

2.2.3 数据率与频带的关系

一个信号的频谱是它包含的频率范围，其绝对频谱是它的频谱的宽度，大部分的信号能量包含在相对窄的频带内，这个频带称为有效频带或频带。

如果一个信号的数据率为Wb/s，那么当带宽为2WHz时，它就可以很好地代表原信号。

数据率与带宽之间有着直接的关系：信号的数据率越高，其有效带宽就越宽；一个传输系统的带宽越宽，则此系统上能传输的数据率就越高。

奈奎斯特（Nyquist）就推导出在具有理想低通矩形特征的信道的情况下的最高码元传输速率的公式。这就是奈氏准则：

理想低通信道的最高码元传输速率=2W Baud

这里W是理想低通信道的带宽，单位为赫；Baud是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1码元。

香农容量公式：

其中 W为信道的带宽（以Hz为单位）；S为信道内所传的信号的平均功能；N为信道内部的高斯噪声功率。

香农公式表明，信道的带宽越大或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。但更重要的是，香农公式指出了：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输.

1、数据：数据是客观事物的符号表示。对计算机而言，数据是指所有能输入到计算机中并被计算机处理的符号的总称。很多不能被计算机直接处理的数据通过编码转换可以被计算机处理。

2、信息：信息是数据的内容和含义，是数据的解释。 数据是独立的，信息是结构化的数据，是有语义结构的数据。信息是由数据加工而成的。

3、信号：信号是数据的编码表示。在数据通信中，信号一般泛指电信号。

4、传输：指传播和处理信号的数据通信.

2.3.2 模拟数据和数字数据

1、模拟数据，数字数据

模拟数据是指取值连续的数据，如电压。

数字数据是指取离散值的数据，如整数。

2、模拟信号，数字信号

模拟信号(图1)是指随时间连续变化的信号，在通信中，一般用这种信号的某种参量（如振幅、频率、相位）来表示要传递的数据。如电话机送话器输出的语音信号就是模拟信号。

数字信号(图2)是只取有限值（或状态）的信号，在通信中，是以某一瞬间的状态来表示传送的信息。

3、模拟数据与数字数据，模拟信号与数字信号间的关系

在实际中，模拟数据和数字数据可相互转换。在数据通信中，模拟信号和数字信号也可以相互转换，模拟信号可用数字信号来表示；反之，数字数字信号也可用模拟模拟信号来表示。

4、模拟传输和数字传输的特点及适用领域

（1）模拟传输是一种不考虑内容的传输模拟信号的方法，而数字传输与信号的内容有关，其中信号可以表示模拟数据或表示数字信号。

（2）无论哪种传输方式，信号在传输一定距离之后都将衰减，而且数字传输比模拟传输衰减得更厉害。为了实现长距离传输，模拟传输系统用放大器来使信号中的能量得到增加，但噪音也同样放大。而数字传输系统通过中继器，先把信号再生然后重新传输这种新信号。

（3）对于远程通信，数字信号发送不像模拟信号发送那样用途广泛和实用。例如，数字传输不可能用卫星系统和微波系统。然而，无论在价格方面还是在质量方面，数字传输都比模拟传输优越，因此，远程通信系统正在使声音数据和数字数据逐步采用数字传输。

数据调制与编码

调制是载波信号的某些特征根据输入信号而变化的过程，无论是模拟数据还是数字数据，原始输入数据经过调制就作为模拟信号通过传输介质发送出去，并将在接收端进行解调，再变成原来的形式。

编码是将模拟数据或数字数据变换成数字信号，以便通过数字传输介质传输出去。再接收端数字信号将变成原来形式。前一种变换称编码，后一种变换称解码。

2.4.1 数字数据，数字信号

（1）开关信号编码（单极性脉冲编码）

二进制的0与零电平相对应，二进制的1与正（负）极性的脉冲相对应。0和1都各占一个码元宽度。这是最简单，最基本的一种编码。其特点是含有较大的直流分量。接收端的检测门限一般设为脉冲电平的一半；接收端检测时如没有设置固定门限，则不能适应信道传输特性的漂移变化。

（2）双极性信号编码

二进制的1用一个码元宽度的正脉冲表示，二进制的0用一个码元宽度的负脉冲表示。其特点是不含直流分量，为了克服信道漂移特性的影响，可增大0，1信号的电平幅度差值。

（3）归零信号编码

归零是指一个码元有半个宽度为零电平。其包括单极性归零和双极性归零两种方式。

a.单极性归零码：二进制的1用半个码元宽度的正脉冲表示，其与半个码元用0电平表示；二进制的0用0电平表示。

b.双极性归零码：二进制的1用半个码元宽度的正脉冲表示，其与半个码元用0电平表示；二进制的0用半个码元宽度的负脉冲表示，其与半个码元用0电平表示。

2.4.1 数字数据，数字信号

（4）曼彻斯特编码(又称相位分离编码-split-phase)

二进制的1用半个码元宽度的正脉冲表示，半个码元的负脉冲组合来表示；二进制的0用半个码元宽度的负脉冲表示，和半个码元宽度的正脉冲来组合来表示。反之亦可。

这种编码完全抑制了直流成分，不必考虑0，1的统计特性。同时这中编码还包含了同步信号，可用于自同步方式中。（图1）

（5）差分曼彻斯特编码

所谓差分是指用电平的变换代表1，电平不变换代表0；反之亦可。对差分曼切斯特编码，0指相对于前一电平发生了变化，1指相对于前一电平未发生变化。（图2）

2.4.2 模拟数据，数字信号

模拟数据的数字信号编码最典型的例子为PCM编码，本节将主要介绍PCM调制原理和过程。

PCM(Pulse code modual)是脉冲编码调制的英文缩写，一般称为脉码调制，它实现了一个把模拟信号转换为二进制数码脉冲序列的过程。该过程由三个重要步骤：采样、量化、编码。

（1）采样

PCM在编码过程中，每隔一定的时间对连续模拟信号进行信号采样，这样处理后，连续的模拟信号就变为“离散化”的脉冲信号序列。为了使得离散化后的脉冲信号序列的频谱与原模拟信号的频谱一致，采样必须遵循采样定理。根据采样定理，采样间隔越大，即采样频率越小，当采样频率F小于模拟信号最高频率2Fmax时，“离散化”的脉冲信号序列便不能恢复出原有的模拟信号。明显地减小采样间隔，会使得信息量增大，增加采样转换编码计算量，而且作用不大。

（2）量化

把采样得到的“离散化”脉冲信号序列按量级比较，进行“取整”，得到数字型的脉冲信号序列。

（3）编码

把量化后的脉冲信号序列对应的量化值，用给定位数的二进制表示。如量化级数为N，则所需的二进制位数为log2N。

脉码调制在实现时，可用A/D、D/A转换器实现，在发送端，使用A/D转换器，在接受端，使用D/A转换器。

数字数据，模拟信号

（1）振幅键控ASK(Amplitude-Shift Keying)，又称调幅

在这种方法下，用载波的两个不同的振幅来表示二进制数据0、1；某些情况下，用振幅恒定的载波的存在与否来表示，有载波表示1，无载波表示0；反之亦可。这种方式的一大缺点是，当通信受到干扰时，容易发生错误。

（2）移频键控FSK(Frequency-Shift Keying)，又称调频

在这种方式下，用载波的两个不同频率来表示二进制数据0、1。这种编码方式一般用于高频无线电传输。

（3）移相键控PSK(Phase-Shift Keying)，又称调相

在这种方式下，用载波信号的不同相位来表示二进制数据0、1；有两相制，四相制，8相制等。这种方式的编码抗干扰能力较强。

模拟数据，模拟信号

模拟数据经由模拟信号传输时不需要进行变换，但是，由于传输介质的传输频谱有限，频分复用等问题需要将数据在甚高频下进行调制。最常用的两个调制技术是幅度调制（AM）和频率调制（FM）。

幅度调制，它是一种载波的幅度会随着原始模拟数据的幅度变化而变化的，但载波的频率保持不变的技术。在接收端将信号进行解调，就可以恢复成原始模拟数据。

频率调制是一种高频载波的频率会随着原始模拟信号的幅度变换而变化的技术。载波频率会在整个调制过程中波动，而载波幅度保持不变。在接收端将信号进行解调，就可恢复成原始数据。

频分复用

频分多路复用FDM（Frequency Division Multiplexing）的基本原理是若干通信信道共用一传输线路的频谱。每个信道分别占用永久分配给它的一个频段；或者说是将一频带较宽的传输线路划分成若干频带较窄的通信信道。每个信道可以分配给一个用户。为防止信道之间的干扰，相邻两条信道间必须要用保护频带进行隔离，当然，每条信道的带宽必须比所传信号的带宽要宽。例如，在载波电话中，语音信号的频谱为300Hz ～3400Hz，因而，分配给每条语音话路4k的带宽。（左图）

若介质频宽为f，若均分为n给子信道，则每个信道的最大带宽为f/n。考虑保护带宽，则每个信道的可用带宽都小于f/n。信道1的频谱在0～f/n之间，信道2的频谱在f/n～2f/n之间，依次类推。

频分多路复用方式中，每个信道的数据是并行传输的，传输线路可以同时在每个信道上传输不同的信息。在实际应用中，采用频分多路复用方式，可以实现不同用户共享同一传输线路；也可以实现在通信双方同时传递各种不同信号，如在宽带同轴电缆中采用频分多路复用技术，可以在通信双方间同时传递电视视频信号、语音信号、以及模拟数据信号等