基本介紹
- 中文名：數據通信
- 外文名：data communication
- 分類：有線數據通信和無線數據通信
- 領域：信息科學
介紹,發展,歷史人物,數據通信歷史,分類,按信息分,按調製分,按傳輸信號特徵分,傳輸手段,電纜通信,微波中繼通信,光纖通信,衛星通信,移動通信,通信系統,脫機數據傳輸,遠程批處理,在線上數據收集,互動式系統,實時系統,基礎理論,頻譜與頻寬,截止頻率與頻寬,總結,同步方式,相關雜誌,特點,關鍵技術,數據傳輸,數據交換及通信協定,套用,發展趨勢,收錄情況/影響力,
介紹
發展
第三階段：印刷。（擴大信息傳播範圍）
通信（Communication)作為電信（Telecommunication)是從19世紀30年代開始的。1831年法拉第發現電磁感應。1837年莫爾斯發明電報。1873年馬克斯韋爾的電磁場理論。1876年貝爾發明電話。 1895年馬可尼發明無線電。開闢了電信（Telecommunication)的新紀元。 1906年發明電子管，從而模擬通信得到發展。1928年奈奎斯特準則和取樣定理。1948年香農定理。 20世紀50年代發明半導體，從而數字通信得到發展。20世紀60年代發明積體電路。 20世紀40年代提出靜止衛星概念，但無法實現。20世紀50年代航天技術。 1963年第一次實現同步衛星通信。20世紀60年代發明雷射，企圖用於通信，未成功。 20世紀70年代發明光導纖維，光纖通信得到發展。
歷史人物
馬可尼（1874－1937），義大利人，1894年，在父親的莊園試驗。1896年，去倫敦。1897年，建立無線電報公司。1899年，首次實現英法無線通信。1916年，實現短波無線電通信。1929年，建立世界性無線通信網。曾獲諾貝爾獎金。曾參加法西斯黨。
數據通信歷史
數據通信是從20世紀50年代初開始，隨著計算機的遠程信息處理套用的發展而發展起來的。早期的遠程信息處理系統大多是以一台或幾台計算機為中心，依靠數據通信手段連線大量的遠程終端，構成一個面向終端的集中式處理系統。60年代末，以美國的ARPA計算機網的誕生為起點，出現了以資源共享為目的的異機種計算機通信網，從而開闢了計算機技術的一個新領域——網路化與分布處理技術。70年代後，計算機網與分布處理技術獲得了迅速發展，從而也推動了數據通信的發展。1976年，CCITT正式公布了分組交換數據網的重要標準——X.25建議，其後又經多次的完善與修改，為公用與專用數據網的技術發展奠定了基礎。70年代末，國際標準化組織（ISO）為了推異機種系統的互連，提出了開放系統互連（OSI）參考模型，並於1984年正式通過，成為一項國際標準。此後，計算機網技術與套用的發展即按照這一模型來進行。
分類
按信息分
電話通信系統
按調製分
按傳輸信號特徵分
傳輸手段
電纜通信
雙絞線、同軸電纜等。市話和長途通信。 調製方式：SSB/FDM。基於同軸的PCM時分多路數字基帶傳輸技術。 光纖將逐漸取代同軸。
微波中繼通信
比較同軸電纜，易架設、投資小、周期短。模擬電話微波通信主要採用SSB/FM/FDM調製，通信容量6000路/頻道。數字微波採用BPSK、QPSK及QAM調製技術。採用64QAM、256QAM等多電平調製技術提高微波通信容量，可在40M頻道內傳送1920~7680路PCM數字電話。
光纖通信
是利用雷射在光纖中長距離傳輸的特性進行的，具有通信容量大、通信距離長及抗干擾性強的特點。用於本地、長途、幹線傳輸，並逐漸發展用戶光纖通信網。基於長波雷射器和單模光纖，每路光纖通話路數超過萬門，光纖本身的通信纖力非常巨大。幾十年來，光纖通信技術發展迅速，並有各種設備套用，接入設備、光電轉換設備、傳輸設備、交換設備、網路設備等。光纖通信設備有光電轉換單元和數位訊號處理單元兩部分組成。
衛星通信
通信距離遠、傳輸容量大、覆蓋面積大、不受地域限制及高可靠性。成熟技術使用模擬調製、頻分多路及頻分多址。 數字衛星通信採用數字調製、時分多路及時分多址。
移動通信
(1) 空間系統
移動通信系統從20世紀80年代誕生以來，到2020年將大體經過5代的發展歷程，而且到2010年，將從第3代過渡到第4代(4G)。到4G，除蜂窩電話系統外，寬頻無線接入系統、毫米波LAN、智慧型傳輸系統(ITS)和同溫層平台(HAPS)系統將投入使用。未來幾代移動通信系統最明顯的趨勢是要求高數據速率、高機動性和無縫隙漫遊。實現這些要求在技術上將面臨更大的挑戰。此外，系統性能(如蜂窩規模和傳輸速率)在很大程度上將取決於頻率的高低。考慮到這些技術問題，有的系統將側重提供高數據速率，有的系統將側重增強機動性或擴大覆蓋範圍。
從用戶角度看，可以使用的接入技術包括：蜂窩移動無線系統，如3G；無繩系統，如DECT；近距離通信系統，如藍牙和DECT數據系統；無線區域網路(WLAN)系統；固定無線接入或無線本地環系統；衛星系統；廣播系統，如DAB和DVB-T；ADSL和Cable Modem。
通信系統
脫機數據傳輸
是簡單地利用電話或類似的鏈路來傳輸數據，不包括計算機系統。這樣一條鏈路兩端所使用的設備不是計算機的部件，或至少不是立刻把數據提供給計算機處理，即數據在傳送或接收時是脫機的。這種數據通信相對來說比較便宜和簡單。
遠程批處理
在線上數據收集
指的是用數據通信技術來向計算機即時提供剛產生的輸入數據這種方法。數據於是存儲在計算機里（比如磁碟上），並按預定時間間隔或者根據需要進行處理。
互動式系統
顧名思義，是為用戶提供從計算機提取信息的功能。詢問功能是被動的。也就是說，它不修改所存儲的信息。提問可以很簡單，例如：“檢索員工號碼為1234的記錄”也可以是複雜的。這類系統可能要使用能產生硬拷貝和（或）可視顯示的終端。
實時系統
是這樣一類系統，其中計算機系統是在動態情況下取得和處理信息，以便可使計算機採取動作來影響正在發生的事件（比如在過程控制套用中）或者可通過存儲在計算機里的準確且不斷更新的信息來影響人（操作員），比如在預售系統中。
基礎理論
頻譜與頻寬
信號是數據的電磁編碼，信號中包含了所要傳遞的數據。信號一般以時間為自變數，以表示訊息（或數據）的某個參量（振幅、頻率或相位）為因變數。信號按其自變數時間的取值是否連續，可分為連續信號和離散信號；按其因變數的取值是否連續，又可分為模擬信號和數位訊號。
信號具有時域和頻域兩種最基本的表現形式和特性。時域特性反映信號隨時間變化的情況。頻域特性不僅含有信號時域中相同的信息量，而且通過對信號的頻譜分析，還可以清楚地了解該信號的頻譜分布情況及所占有的頻頻寬度。為了得到所傳輸的信號對接收設備及信道的要求，只了解信號的時域特性是不夠的，還必須知道信號的頻譜分布情況。信號的時域特性表示出信號隨時間變化的情況。由於信號中的大部分能量都集中在一個相對較窄的頻帶範圍之內，因此我們將信號大部分能量集中的那段頻帶稱為有效頻寬，簡稱頻寬。任何信號都有頻寬。一般來說，信號的頻寬越大，利用這種信號傳送數據的速率就越高，要求傳輸介質的頻寬也越大。
下面我們將簡單介紹常見信號的頻譜和頻寬。聲音信號的頻譜大致在20 Hz～2000 kHz的範圍（低於20 Hz的信號為次聲波，高於2000 kHz的信號為超音波），但用一個窄得多的頻寬就能產生可接受話音的重現，因而話音信號的標準頻譜為300 Hz～3400 Hz，其頻寬為3 kHz。電視信號的頻譜為0～4 MHz，因此其頻寬為4 MHz。作為一個特殊的例子，單穩脈衝信號的頻寬為無窮大。而對於二進制信號，其頻寬一般依賴於 信號波形的確切形狀以及0、1的次序。信號的頻寬越大，它就越忠實地表示著數字序列。
截止頻率與頻寬
根據傅立葉級數我們知道，如果一個信號的所有頻率分量都能完全不變地通過信道傳輸到接收端，那么在接收端由這些頻率分量疊加起來而形成的信號則和傳送端的信號是完全一樣的，即接收端完全恢復了傳送端發出的信號。但現實世界上，沒有任何信道能毫無損耗地通過所有頻率分量。如果所有的傅立葉分量都被等量衰減，那么接收端接收到的信號雖然在振幅上有所衰減，但並沒有發生畸變。然而所有的傳輸信道和設備對不同的頻率分量的衰減程度是不同的，有些頻率分量幾乎沒有衰減，而有些頻率分量被衰減了一些，這就是說，信道也具有一定的振幅頻率特性，因而導致輸出信號發生畸變。通常情況是頻率為0到fc赫茲範圍內的諧波在信道傳輸過程中不發生衰減（或其衰減是一個非常小的常量），而在此fc頻率之上的所有諧波在傳輸過程中衰減很大，我們把信號在信道傳輸過程中某個分量的振幅衰減到原來的0.707（即輸出信號的功率降低了一半）時所對應的那個頻率稱為信道的截止頻率（cut-off frequency）。截止頻率反映了傳輸介質本身所固有的物理特性。另一些情況下，則是因為人們有意地線上路中安裝了濾波器以限制每個用戶使用的頻寬，如圖2-4a所示。有些時候，由於在信道中加入雙通濾波器，因而信道對應著兩個截止頻率f1和f2，它們分別被稱為下截止頻率和上截止頻率。而這兩個截止頻率之差f2-f1被稱作信道的頻寬。如果輸入信號的頻寬小於信道的頻寬，則輸入信號的全部頻率分量都能通過信道，因而信道輸出端得到的輸出波形將是不失真的。但如果輸入信號的頻寬大於信道的頻寬，則信號中某些頻率分量就不能通過信道，這樣輸出得到的信號將與傳送端傳送的信號有些不同，即產生了失真。為了保證數據傳輸的正確性，必須限制信號的頻寬。
2.2.3 信道的最大數據傳輸率單位時間內能傳輸的二進制位數稱為數據傳輸率。數據傳輸率的提高意味著每一位所占用的時間的減小，即二進制數字脈衝序列的周期時間會減小，當然脈衝寬度也會減小。前一節里我們已經知道，即使二進制數字脈衝信號通過頻寬有限的理想信道時也會產生波形失真，而且當輸入信號的頻寬一定時，信道的頻寬越小，輸出的波形失真就會越大。換個角度說，當信道的頻寬一定時，輸入信號的頻寬越大，輸出信號的失真就越大，因此當數據傳輸率提高到一定程度時（信號頻寬增大到一定程度），在信道輸出端上的信號接收器根本無法從已失真的輸出信號中恢復出所傳送的數字序列。這就是說，即使對於理想信道，有限的頻寬也限制了信道數據傳輸率。
早在1924年，H. Nyquist（奈奎斯特）就認識到這個基本限制的存在，並推導出表示無噪聲有限頻寬信道的最大數據傳輸率的公式。在1948年，C. Shannon（香農）把奈奎斯特的工作進一步擴展到了信道受到隨機噪聲干擾的情況。這裡我們不加證明地簡述這些視為經典的結果。奈奎斯特證明，任意連續信號f（t）通過一個無噪聲的頻寬為B的信道後，其輸出信號為一個頻寬為B的時間連續信號g（t）。如果要輸出數位訊號，還必須以一定的速率對g（t）進行等間隔的抽樣。抽樣速度高於每秒2B次是無意義的，因為信號中高於信道頻寬B以外的高頻分量已被信道衰減掉。如果g（t）由V個離散化的電平組成，即每次抽樣的可能結果為V個離散化電平之一，則該信道的最大的數據傳輸率Rmax 為：
Rmax = 2Blog 2V（比特/秒）
例如，一個無噪聲頻寬為3000 Hz的信道不能傳送速率超過6000比特/秒的二進制數位訊號。前面我們僅僅考慮了無噪聲的理想信道。對於有噪聲的信道，情況將會迅速變壞。信道中熱噪聲用信號功率與噪聲功率之比來度量，信號功率與噪聲功率的比值稱為信噪比（Signal-to-Noise Ratio）。如果我們用S表示信號功率，用N表示噪聲功率，則信噪比應被表示為S/N。但人們通常不使用信噪比的絕對值，而是使用10 log10S/N來表示，單位是分貝（ dB）。對於S/N等於1 0的信道，則稱其信噪比為1 0 d B；同樣的道理，如果信道的S/N等於100，則稱其信噪比為20 dB；以此類推。香農關於有噪聲信道最大數據傳輸率的結論是：對於頻寬為BHz，信噪比為S/N的信道，其最大數據傳輸率Rmax為：
Rmax = Blog2 (1 + S/N）（比特/秒）
例如，對於一個頻寬為3 kHz，信噪比為30 dB的信道，無論其使用多少個量化電平，也不管採樣速度多快，其數據傳輸率不可能大於30 000比特/秒。香農的結論是根據資訊理論推導出來的，適用的範圍非常廣，要想超越這一結論就好比想要發明永動機一樣，幾乎是不可能的。值得注意的是，香農的結論僅僅給出了一個理論極限，而實際上，要接近這個極限也是相當困難的。
總結
信號是訊息（或數據）的一種電磁編碼，信號中包含了所要傳遞的訊息。信號按其因變數的取值是否連續，可分為模擬信號和數位訊號，相應的也可將通信分為模擬通信和數字通信。傅立葉已經證明：任何信號（不管是模擬信號還是數位訊號）都是由各種不同頻率的諧波組成的，任何信號都有相應的頻寬。而且任何信道在傳輸信號時都會對信號產生衰減，因此，任何信道在傳輸信號時都存在一個數據傳輸率的限制，這就是奈奎斯特定理和香農定理所要告訴我們的結論。
傳輸介質是計算機網路與通信的最基本的組成部分，它在整個計算機網路的成本中占有很大的比重。為了提高傳輸介質的利用率，我們可以使用多路復用技術。多路復用技術有頻分多路復用、波分多路復用和時分多路復用三種，它們用在不同的場合。數據交換技術包括電路交換、報文交換和分組交換三種，它們各自有優缺點。Modem是用於在模擬電話網上傳輸計算機的二進制數據的設備。Modem的調製方式有調幅、調頻、調相以及正交幅度調製，而且Modem還支持數據壓縮和差錯控制。
同步方式
數據通信同步主要包括位同步和字元同步。
位同步：目的是使接收方可以正確地接受各個二進制位。通常，分為自同步和外同步兩種方法。自同步方法是指接收方直接利用通信編碼的特點從數據塊中獲取同步信息，包括利用獨特的信號來激活接收動作，或者利用數據塊中的電平變換調整接收採樣脈衝。
外同步方法是指傳送方在傳送數據之前，先向接收方發出一串同步時鐘序列，接收方根據這一時鐘脈衝頻率和時序鎖定接收頻率，以便在接收數據過程中始終與傳送方保持同步。
字元同步也稱群同步，其目的是使接收方可以爭取地識別數據（常指一個字元），以構成完整信息。顯然字元同步是基於位同步的，僅當識別了獨特的同步模式後，才可是真正的數據接收。
相關雜誌
《數據通信》雜誌由信息產業部數據通信科學技術研究所主辦，雙月刊，主要內容涉及下一代網路技術、寬頻網路技術、多媒體通信、無線通信、網路與信息安全、數據處理、數據傳輸、測試與維護。
特點
數據通信具有許多不同於電報、電話通信的特點。它所實現的，主要是“人（通過終端）-機（計算機）”通信與“機-機”通信，但也包括“人（通過智慧型終端）-人”通信。在數據通信中所傳遞的信息均以二進制數據形式來表現。數據通信的另一個重要特點是它總是與遠程信息處理相聯繫的。這裡的信息處理是指包括科學計算、過程控制等廣義的信息處理。由於信息處理內容與處理方式的不同，對數據通信的要求也有很大差別。例如，根據系統的不同套用，即信息處理內容及處理方式的不同，對終端類型、傳輸代碼、傳輸速率、傳輸方式、系統回響時間、信息的安全性與準確性、系統的可靠性等方面的要求也不同。因而在實現數據通信時涉及的因素也比較複雜。
關鍵技術
數據傳輸
為了實現數據通信，必須進行數據傳輸，即將位於一地的數據源發出的數據信息通過傳輸信道傳送到另一地的數據接收設備。數據傳輸用的信道可以是實線基帶電路，也可以是頻分模擬電路或時分數字電路。由於電話網的發展歷史長，通信容量大，覆蓋面廣，因而利用它來提供數據傳輸信道在經濟上和技術上都是比較合適的，是一種常用的方式。但是利用電話電路作數據傳輸信道時，必須採取一定的措施使之適應傳輸數據信號的要求。
在一個數據通信系統中，僅有將一地產生的數據送往另一地的傳送功能往往還不能滿足要求。為了改善傳輸質量，降低差錯率，並使傳輸過程能有效地進行，系統中還必須具有數據鏈路控制規程（見數據鏈路）。在此類規程中對包括差錯控制在內的全部傳輸控制功能作了詳細規定。對實際的數據通信系統或計算機網規定有不同類型的數據鏈路控制規程，其中有的是符合國際標準的，也有的是國家或公司自己制訂的。
數據交換及通信協定
在數據通信系統或計算機網中，所用傳輸信道可以是固定的，也可以由交換網提供的。數據交換的方式主要有兩種：電路交換與分組交換，其中分組交換在實際的數據網中較多採用。在一個採用分組交換的數據網中，除了在相鄰交換節點之間需實現數據傳輸與數據鏈路控制規程所要求的各項功能外，在每一交換節點上尚需完成數據分組的存儲與轉發；路由選擇、流量控制、擁塞控制、用戶入網連線以及有關網路維護、管理等多方面的工作。與此相應，在與數據交換網相連線的端系統中也需實現某些相關的功能。所有這些與構成數據交換網相關的功能均以通信協定的形式來加以規定，它們也包括端系統與網的接口協定。所謂協定，就是通信雙方為準確有效地進行通信所必須遵循規則和約定。它們在數據通信中具有重要意義，上面提到的數據鏈路控制規程實際上也是一種數據通信協定。
數據通信協定可以分為兩類。一類是與數據通信網（從計算機網構成角度來講，有時也稱為通信子網）有關的協定，包括網內節點與節點間，以及網與端系統間的協定。它們是為了構成數據通信網和通過它實現端系統之間的數據通信所必需的協定。另一類是端系統與端系統之間的協定，它們是在前一類協定所實現的功能基礎上，為了實現端系統間的互通與達到一定的套用目的，或者確切地說，是為了在兩個端系統的套用進程之間進行通信所必需的協定。一個數據通信系統或計算機網的全部通信功能一般均按一定的層次結構來劃分與組織。數據通信協定實際上就是對每層功能的內容和實施規則所作的具體規定，因而它們一般也都是按層來制訂的。
套用
作為一種通信業務，數據通信為實現廣義的遠程信息處理提供服務。隨著計算機與各種具有處理功能的智慧型設備在各領域的日益廣泛使用，數據通信的套用範圍也日益擴大。其典型套用有：檔案傳輸、電子信箱、話音信箱、可視圖文、目錄查詞、智慧型用戶電報及遙測遙控等。對於每種具體套用，在遠程信息處理系統或計算機網內部均須相應地實現與該套用相關的通信功能，這些功能也都通過分層協定的形式來加以規定。
發展趨勢
數據通信的發展趨勢集中表現為：
1. 套用範圍與套用規模的擴大，新的套用業務如電子數據互換（EDI），多媒體通信等不斷湧現。
2. 隨著通信量增大，網路日益向高速、寬頻、數字傳輸與綜合利用的方向發展。例如光纖高速區域網路、城域網、寬頻綜合業務數字網、中繼、快速分組交換等許多新技術迅速發展，有的已進入實用化階段。
3. 與移動通信的發展相配合，移動式數據通信正獲得迅速發展。
4. 隨著網路與系統規模的不斷擴大，不同類型的網路與系統的互連（也包括對互連網路的操作與管理）的重要性日趨突出。
5. 通信協定標準大量增加，協定工程技術日益發展。
收錄情況/影響力
國家新聞出版總署收錄
信息部優秀科技期刊二、三等獎
