第二章  数据通信基础

考点初识

考点梳理

第一节  数据通信系统的基本概念

数据通信是两个实体间的数据传输和交换，在计算机网络中占有十分重要的地位，它是通过各种不同的方式和传输介质，把处在不同位置的终端和计算机，或计算机与计算机连接起来，从而完成数据传输、信息交换和通信处理等任务。

考点1：信息和数据

1.信息

信息（information）是对客观事物的反映，可以是对物质的形态、大小、结构和性能等全部或部分特性的描述，也可表示物质与外部的联系。

信息有各种存在形式，如数字、文本、图表、图像、声音、视频等。

2.数据

数据通常是指预先约定的具有某种含义的数字、符号和字母的组合，所以用数据表示的内容是非常广泛的，如我们在电脑和智能手机内储存的图片、视频、mp3、电子表格等。

信息可以用数字的形式来表示，数字化的信息称为数据。

数据（data）是信息的载体，信息则是数据的内在含义或解释。

数据、信息和数字三者的关系如下页图2-1所示。

3.数据的类型

数据分为模拟数据和数字数据两种。

（1）模拟数据（analog data）是取连续变化的值，例如：温度、压力，以及目前在电话、无线电和电视广播中的声音和图像，模拟数据通常用传感器收集。

（2）数字数据（digital data）则是模拟数据经量化后得到的离散的值，例如：在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频和视频数据。

样题精选

【例1】数据通信中内部传输的信息是（   ）。（2020年真题卷I题8）

A.二进制数    B.八进制数    C. 十进制数考点    D.十六进制数

考点2：信号和信道

1.信号（signal）概念

信号是数据在传输过程中的电磁波的表示形式，具有确定的物理描述，如电压、磁场强度等，数据是借助信号来传输的，是通信中传输的主体。

2.信号类型

根据数据的类型，可以将信号分为对应的数字信号和模拟信号。

（1）模拟信号：是一种连续变化的电脉冲序列，例如电话语音信号、电视信号等，它是随时间变化的函数曲线，如图2-2所示。

（2）数字信号：是离散的不连续的电信号，通常用”高”和”低”电平脉冲序列组成的编码来表示数据，如下页图2-3所示。

3.调制和解调

模拟数据可以编码为模拟信号和数字信号，同样的数字数据也可以编码为数字信号和模拟信号。如图2-4所示。

在图2-4中，PC1和PC2内部传输的是数字"0"和"1"构成的二进制比特流，电话交换网传输的是模拟信号，数字信号无法直接在模拟信道上传输，反过来模拟信号也无法将信号直接在数字信道上传输，因此PC1要给PC2，发送数据时需要先将数字信号经过调制解调器调制成模拟信号才能在电话交换网中传输，而接收端需要用调制解调器将模拟信号再解调成数字信号才能够传输到PC2中。

记忆法：记住图2-4中PC1发送信息给PC2，先有数字信号→模拟信号（调制），再有模拟信号→数字信号（解调），顺序刚好是调制解调器的名称。

4.信道（channel）：是传输信号的通道，分为物理信道和逻辑信道。

（1）物理信道是指用来传输信号或数据的物理通路，由传输介质及其附属设备组成，即在通信系统中，由物理实体构成的信道。

（2）逻辑信道也是只传输信息的一条通道，但在信号的收、发节点之间并不一定存在与之对应的物理传输介质，而是在物理信道基础上，由节点设备内部的连接来实现。

（3）物理信道可以按照以下不同标准对信道进行分类。

①按传输介质可分为有线信道和无线信道。

②按传输信号的种类可分为模拟信道和数字信道。

③按使用权限可分为专用信道和公用信道。

样题精选

【例2】当数据采用连续电波形式表示时，使用的是（   ）。（2019年真题卷Ⅰ题34）

A.数字信号         B. 编码信号

C.模拟信号         D.解码信号

【例3】（   ）将数字信号转换为模拟信号的过程称为调制，反之称为解调。（2019年真题卷I题50）

A. 正确            B. 错误

【例4】信道是传送信号的通道，可以分为物理信道和____________。（2019年真题卷I题67)

考点3：信道带宽与信息容量

1.信道带宽

信道带宽是指信道能传送的信号频率宽度。一般来说，信道的带宽越大，所能达到的传输速率就越大，所以信道的带宽是衡量传输系统的一个重要指标，通常用传输速率表示，如图 2-5所示。

（1）在模拟信道中，带宽指传输信道的最高频率和最低频率的差，单位为Hz。

（2）在数字信道中，常用数据传输速率（比特率）表示信道的传输能力（带宽），即每秒传输的比特数，单位为bps。

2.信道容量

信道容量是指信道传输信息的最大能力，通常用信息传输速率来表示，由信道的频带（带宽）、可使用的时间及能通过的信号功率和噪声功率决定，如图 2-6所示。信道容量越大，单位时间内传送的比特数越多，信息的传输能力也就越强。

1984年，香农（Shannon）用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率（香农公式）。信道容量可以用下式表示：

C=Blog(1+S/N)

式中，C是信道容量；

B是信道带宽，（以Hz为单位）；

S是接收端信号的平均功率；

N是信道内噪声的平均功率。

所谓信噪比（SNR）是通信系统中信号和噪声的功率之比。信噪比是没有单位的，但在实际应用中，常常以”分贝”为单位表示信噪比的大小。其关系可表达为：

SNR=10lg(S/N)

香农公式表明：信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。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。若信道带宽B或信噪比S/N没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率C也就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。

样题精选

【例5】在通信系统中，信道带宽越宽，数据传输速率（   ）。（2020年真题卷I题16）

A. 越高    B.越低    C. 不变    D.与宽带无关

【例6】网络术语"带宽"指的是（   ）。（2019年真题卷I题13）

A.计算速度        B. 网络规模

C.数据传输速率    D.数据传输宽度

【例7】带宽通常是指通过给定的通信线路发送的数据量。从技术的角度看，带宽是通信信道的宽度，模拟信道的带宽就是_____之差，单位为赫兹（Hz）。（2019年质检卷I题69）

考点4：码字和码元

1.码元：在数据传输中，把一个数字脉冲称为一个码元，它是构成信息编码的最小单位。

2.码字：由若干个码元序列表示的数据单元代码通常称为”码字”。

例如：在数字信道中一个"0"或"1"就表示一个码元或码位；二进制数字1000001是由7个码元组成的序列，就是一个码字，表示字母"A"。

【考点1】了解数据通信系统的基本概念

【知识梳理】

数据通信所实现的主要是“人（通过终端）-机（计算机）”通信和“机-机”通信，以及“人（通过智能终端）-人”通信。数据通信是以信息处理技术和计算机技术为基础的通信方式，在数据通信中所传递的信息均以二进制数据形式来表示。

数据通信的基本概念主要包括：

1.信息

通信的目的是交换信息。信息是人脑对客观物质的反映，可以是对物质的形态、大小、结构、性能等全部或部分特性的描述，也可表示物质与外部的联系。信息的载体可以是符号、数字、文字、声音、图形、动画和视频等。

2.数据

信息可以用数字的形式来表示，数字化的信息称为数据。

数据是信息的载体，信息则是数据的内在含义或解释。

数据分为模拟数据和数字数据。模拟数据是指用来描述在某个区间内连续变化量的数据。数字数据是指用来描述在某个区间内不连续变化的量。

信息、数字、数据三者之间的关系如图2-1所示。

3.信号            

信号是数据的具体的物理表现，且有确定的物理描述，如电压、磁场强度等。在计算机中，信息是用数据表示并转换成信号进行传送的，有模拟信号和数字信号两种形式，分别如图2-2和图2-3所示。

4.信道及信道类型

（1）信道：是传输信号的通道，分为物理信道和逻辑信道，还可以根据不同的标准进行划分。

①信道按传输介质可分为有线信道和无线信道。

②信道按传输信号的种类可分为模拟信道和数字信道。

③信道按使用权限可分为专用信道和公用信道。

物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路，由传输介质及其附属设备组成。

逻辑信道也是传输信息的一条通路，但在信号的收、发结点之间并不一定存在与之对应的物理传输介质，而是在物理信道基础上，由结点设备内部的连接来实现。

（2）信道容量：

①信道容量是指信道传输信息的最大能力，通常用信息传输速率来表示。

②信道容量越大，单位时间内传送的比特数越多，信息的传输能力也就越强。

③信道容量由信道的频带（带宽）、可使用的时间及能通过的信号功率和噪声功率决定。

④信道容量的表达式：

C=Blog（1+S/N）

式中：

C—信道容量

B—信道带宽

S—接收端信号的平均功率；

N—信道内噪声的平均功率。

5、模拟通信和数字通信

通信的任务是将表示消息的信号从信源（发送端）传递到信宿（接收端）。通信可分为模拟通信和数字通信。

模拟通信是指以模拟信号传输为基础的通信方式，它利用模拟信号来传递消息。

数字通信是指以数字信号传输为基础的通信方式，它利用数字信号来传递消息。

按传送模拟信号而设计的通信系统称为模拟通信系统，按传送数字信号而设计的通信系统称为数字通信系统。

6.码元和码字

（1）码元：是构成信息编码的最小单位。一个数字脉冲称为一个码元。在计算机网络中，1位二进制数字称为码元。

（2）码字：7个码元组成的二进制数字序列称为码字，如1000001

【基础知识】

计算机网络中传输的信息都是数字数据,所以计算机之间的通信是数据通信。数据通信就是以信息处理技术和计算机技术为基础的通信方式,具体地说,它主要研究的是对计算机中的二进制数据进行传输、交换和处理的理论、方法以及实现技术。数据通信技术为计算机网络的应用和发展提供了技术支持和可靠的通信环境。

通信的目的就是传递信息，通信中产生和发送信息的一端叫做信源，接收信息的一端叫做信宿，信源和信宿之间的通信线路称为信道。信息在进入信道时要变换为适合信道传输的形式，在进入信宿时又要变换为适合信宿接收的形式。另外，信息在传输过程中可能会受到外界的干扰，这种干扰称为噪声。

2.1-1通信模型图

2.1.1 信息

通信的目的是交換信息。信息是人脑对客观物质的反映,既可以是对物质的形态、大小、结构、性能等特性的描述,也可以是物质与外部的联系。信息的载体可以是数字、文字、语音、图形和动画等。

2.1.2 数据

1）数据分类

数据是把事件的某些属性规范化后的表现形式。它能够被识别,也可以被描述。 数据有模拟数据和数字数据之分。模拟数据是指用来描述在某个区间内连续变化量的数据,因为模拟数据具有连续性的特点，所以它可以取无限多个数值。例如,温度、声音、压力等都是连续变化的值。数字数据是指用来描述在某个区间内不连续变化的量,即离散值的数据,只能取有限个数值。如文本信息和整数数列等。

2）数据与信息的区别

数据是独立的,是尚来组织起来的事实的集合,信息则是经过加工处理后的数据 。

2.1.3信号

1）信号定义

信号是数据的具体的物理表现,且有确定的物理描述,如电压、磁场强度等。在计算机中,信息是用数据表示并转換成信号进行传送的（信息、数据、信号的关系）。在计算机中一般采用二进制形式，只有“0”和“1”两个数值。在数据通信中，人们习惯将被传输的二进制代码的0、1称为码元。

2）信号分类

信号有模拟信号和数字信号两种形式。模拟信号是指时间上和空间上连续变化的信号,数字信号是指一系列在时间上离散的信号, 如图所示。

2.1-2 模拟信号和数字信号

2.1-1视频：模拟信号和数字信号

2.1.4 信道及信道类型

信道是传输信号的通道,主要包括通信设备和传输介质。传输介质可以是有形介质（如电缆、光纤）或无形介质（如传输电磁波的空间）。信道有物理信道和逻辑信道之分。物理信道指用来传送信号的一种物理通路，由传输介质及有关设备组成。逻辑信道在信号的发送端和接收端之间并不存在一条物理上的传输介质，而是在物理信道的基础上，通过节点设备内部的连接来实现的。

信道可以按多种不同的方法分类，如按照传输介质来分，信道可分为有线信道和无线信道；按照传输信号的种类，信道可分为模拟信道和数字信道；按照使用权限又可分为专用信道和公用信道等。

2.1.5 模拟通信和数字通信

通信的任务是将表示消息的信号从信源（发送端）传递到信宿（接收端）。信号有模拟信号和数字信号之分,那么通信也可分为模拟通信和数字通信。

模拟通信是指以模拟信号传输为基础的通信方式,它利用模拟信号来传递消息。按传送模拟信号而设计的通信系统称为模拟通信系统（电话、广播和电视等，易被干扰）。

数字通信是指以数字信号传输为基础的通信方法,它利用数字信号来传递消息 。按传送数字信号而设计的通信系统称为数字通信系统（计算机通信，数字电话、数字电视等，抗干扰能力强）。

2.1-3数字通信系统

2.1-4模拟通信系统

2.1数据通信的基本概念

1、信息

信息是对客观事物的运动状态和存在形式的反映，可以是客观事物的形态、大小、结构、性能等描述，也可以是客观事物与外部之间的联系。信息的载体可以是数字、文字、语音、图形和图像等。计算机及其外围设备产生和交换的信息都是由二进制代码表示的字母、数字或控制符号的组合。

2、数据

数据是传递信息的实体，是信息的一种表现形式。在计算机网络中，数据分为模拟数据和数字数据两种。其中，用于描述连续变化量的数据称为模拟数据，如声音、温度等；用于描述不连续变化量的数据称为数字数据，如文本信息、整数等。

提示：很多时候，数据和信息的概念并不加以区分，可认为是同一个概念。

3、信号

信号是携带信息的介质，是数据的一种电磁编码。信号一般以时间为自变量，以表示信息（或数据）的某个参量（振幅、频率或相位）为因变量。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。

模拟信号是指信号的因变量完全随连续消息的变化而变化的信号，其因变量一定是连续的，如图2-1（a）所示。例如，电视图像信号、语音信号、温度压力传感器的输出信号以及许多遥感遥测信号等都是模拟信号。

数字信号是指表示消息的因变量是离散的，其自变量时间的取值也是离散的信号，如图2-1（b）所示。数字信号的因变量的状态是有限的，例如计算机数据信号、数字电话信号和数字电视信号等都是数字信号。

虽然模拟信号与数字信号有着明显的差别，但它们在一定条件下也是可以相互转化的。模拟信号可以通过采样、量化、编码等步骤变成数字信号，而数字信号也可以通过解码、平滑等步骤变换为模拟信号。

信息、数据和信号三者的关系是：信息一般用数据来表示，而数据通常需要转变为信号进行传输。