3.1 数据通信系统
随着计算机数据通信技术的普及，多媒体数据通信技术已成为信息时代公共服务的技术基础。因为：
（1）数据通信技术可将多媒体信息方便地传送到任何地方的任何终端；数据通信系统强大的路由功能，通过数据交换机、网络设备和相应的传输协议就可进行双向通信。
（2）当网络中任何一条通路或设备出现故障时，数据通信系统可自动检测、自动报警和自动纠错，绕开故障链路自动选择路由到冗余链路或备份设备。
（3）一对传输线路通过信道复用技术可同时传输很多路数据信息，互不干扰，节省了大量通信网络的投资和运行成本；数据通信系统具有很强的升级扩展能力。
（4）可实行交互式双向信号传输，实施远程监视（听）和控制。可在任何端口获得任何通道、站点的互传信息，异地共享优质信息资源。
3.1.1 数据通信系统的模型
图3-1是一个数据通信系统的模型。系统由三部分组成：源系统（发送端）、传输系统（传输网络）和目的系统（接收端）。
图3-1 数据通信系统模型
1.源站和发送器
源系统包括源站和发送器：
（1）源站。它是产生数据信号的源站设备。
（2）发送器。它把源站生成的数据信号，经发送器编码后生成可在传输系统中传输的数据流。
2.接收器和目的站
目的系统一般包括接收器和目的站：
（1）接收器。它把接收传输系统送来的数据流，并将其转换为能够被目的设备处理的信息。例如：把传输系统送来的编码数据流进行解码处理后送到目的站。
（2）目的站。它把接收器收到的信号放大后送给多媒体终端设备。
图3-1所示的数据通信系统，实际上也是一个计算机网络传输系统，它们的区别仅在于计算机网络传输系统把源站和目的站换成PC而已。
为让信号能适合不同类型的传输网络和便于信道复用，需要把模拟数据和数字数据进行数据转换和处理。一般来说，模拟数据或数字数据都可以转换为模拟信号或数字信号。图3-2是常见的模拟数据或数字数据转换成模拟信号或数字信号的方式。
图3-2 常见的模拟数据、模拟信号、数字数据和数字信号的转换方式
3.1.2 数据通信的信道概念
信道（Channel）是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。从双方信息交换的通信方式来看，可以有以下三种基本通信方式：
（1）单向通信。单向通信又称单工通信。即只允许一个方向的传送而不能进行反向传送。例如有线广播（一点对多点）、公共广播系统（PA）和闭路电视系统就属于这种类型。
（2）双向交替通信。双向交替通信又称半双工通信。即通信双方都可以发送也可以接收信息，但不能双方同时发送信息（当然也不能同时接收信息）。这种通信方式是一方发送另一方接收，通过收发切换再反过来。
（3）双向同时通信。双向同时通信又称全双工通信。即通信双方可以同时发送和接收信息。
单向通信或双向交替通信只需要一条信道，双向同时通信（双工通信）则需要两条通道，正如火车行驶的单轨铁路和双轨铁路那样。显然，双向同时通信的传输效率最高。
信道中传送的信号有基带（Base band）信号和宽带（Broad band）信号之分。简单地说，基带信号是将数字信号的0或1直接送到线路上去传输。宽带信号则是将基带信号进行某种调制后形成的、占有较宽频带的频谱分配复用模拟信号（简称频分复用系统），然后送到线路上去传输。这样做的目的是可以在一条通信线路上同时传送多路信号，提高了线路的利用率。
3.1.3 信道上码元的最高传输速率
为提高信号的传输速率，总是希望传输通道在单位时间内能够传输尽可能多的数字比特（bit）。但是受传输通道的带宽和传输距离衰减的限制，和各种外来干扰信号的影响，使输出端波形质量变差，直至很难判断出信号是1还是0，如图3-3所示。信道距离越长，信号受到的衰减越大，因此码流传输速率的上限值也就越低。
1948年，香农（Shannon）用信息理论推导出了受传输线路带宽的限制，而且存在高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率C可表达为
C=Wlog2（1+S/N） （3-1）
式中，C为信道的极限信息传输速率，单位为bit/s；W为信道的带宽，单位为Hz；S为信道内传输信号的平均功率，单位为mW；N为信道内部的白噪声功率，单位为mW。
图3-3 数字信号通过传输线路的实际输出波形
香农公式表明，信道的带宽W越宽、信道中信息的信噪比越高，则信道的极限传输速率也就越高。此外，公式还表明，只要信息的最高码率低于信道的极限传输速率，就一定可以找到无差错传输的方法。
由于香农公式还没有考虑信号传输过程中的各种电磁脉冲干扰和传输过程中产生的失真等因素，所以实际信道上传输的信息速率比式（3-1）计算出来的极限传输速率更低。例如：频响特性为300～3400Hz带宽的一个标准电话话路信道，在这个频带中，接近理想带宽的是中间一段，即W=2400Hz左右。如果要让传输系统输出信号的信噪比为30，那么按式（3-1）可计算出该话路的极限信息传输速率为
C=2100log2（1+30）=2100×log2（31）=8400bit/s（8.4kbit/s）
1942年奈奎斯特（Nyquist）推导出在理想矩形带通滤波器特性的信道中传输数据信号的最高传输速率为理想带通特性信道的最高数据传输速率=信道带宽（W） （3-2）
式中，电报传输速率单位为Baud（波特）；信道的带宽（W），单位为Hz；
Baud（波特）为每秒钟可传送多少个bit（比特），又称调制速率、波形速率或符号率。1个Baud（波特）可携带nbit的信息量。当n=1时，1Baud=1bit/s。要提高信息传输速率，必须设法使每个Baud（波特）能携带更多个bit（比特）的信息量（通过调制方法）。例如：上述话路信道如果采用调制方法将1Baud携带4bit的信息量，那么在上述带宽为2400Hz的电话信道中可传输的最高速率=2400Baud=2400×4bit=9600bit/s（9.6kbit/s）。提高Baud携带bit的信息量可采用图3-8所示的调幅、调频或调相等方法进行波形变换或者频谱变换。
例如我们要传送的基带信号是：101011000110111010…，如果希望1个波特要能携带3bit信息量，那么可把每3bit编为一组（简称码组）。3bit码组可表达8个不同的二进制数值，并把这些8个不同的二进制数值对一组正弦波信号进行调相φ，则可得到8个调相数值：（000）2=0（φ0），（001）2=1（φ1），（010）2=2（φ2），（011）2=3（φ3），（100）2=4（φ4），（101）2=5（φ5），（110）2=6（φ6），（111）2=7（φ7）。调相后的正弦波相位分别为：φ5（101），φ3（011），φ0（000），φ6（110）φ7（111），φ2（010），φ1（001），φ4（100）。也就是说如果基带信号不进行码组调相处理，那么，每个Baud（波特）只能携带1bit的信息量，发送8Baud（波特）的信息量为1bit×8=8bit/s。如果用3bit码组调相，每个波特码组携带3bit信息量，此时发送φ4φ5φ3φ0φ1φ6φ7φ2等8个波特的调相码组，就能发送的信息量为3bit×8=24bit/s。这样就可以提高数据的传输速率了。