计算机网络 - 数字传输

简述

数据或信息可以通过模拟和数字两种方式存储。计算机要使用数据，它必须是离散的数字形式。与数据类似，信号也可以是模拟和数字形式。要以数字方式传输数据，首先需要将其转换为数字形式。

数数转换

本节说明如何将数字数据转换为数字信号。它可以通过两种方式完成，行编码和块编码。对于所有通信，线路编码是必需的，而块编码是可选的。

线路编码

将数字数据转换为数字信号的过程称为线路编码。数字数据以二进制格式存在。它在内部表示（存储）为一系列 1 和 0。

数字信号用离散信号表示，代表数字数据。有三种可用的线路编码方案：

单极编码

单极编码方案使用单一电压电平来表示数据。在这种情况下，表示二进制 1，传输高电压，表示 0，不传输电压。它也被称为单极不归零，因为没有静止条件，即它代表 1 或 0。

极地编码

极性编码方案使用多个电压电平来表示二进制值。Polar 编码有四种类型：

极地不归零（极地 NRZ）

它使用两个不同的电压电平来表示二进制值。一般正电压代表1，负值代表0。也就是NRZ，因为没有休息条件。

NRZ 方案有两种变体：NRZ-L 和 NRZ-I。

NRZ-L 在遇到不同位时改变电压电平，而 NRZ-I 在遇到 1 时改变电压。
归零 (RZ)

NRZ 的问题是，如果发送方和接收方的时钟不同步，接收方无法得出一个比特何时结束以及下一个比特何时开始的结论。

RZ 使用三个电压电平，正电压表示 1，负电压表示 0，零电压表示无。信号在位期间而不是位之间发生变化。
曼彻斯特

这种编码方案是 RZ 和 NRZ-L 的组合。位时间分为两半。它在位中间过渡并在遇到不同位时改变相位。
微分曼彻斯特

这种编码方案是 RZ 和 NRZ-I 的组合。它也在位的中间过渡，但仅在遇到 1 时才改变相位。

双极编码

双极编码使用三个电压电平，正、负和零。零电压表示二进制 0，位 1 通过改变正负电压来表示。

块编码

为了确保接收到的数据帧的准确性，使用了冗余位。例如，在偶校验中，添加一个奇偶校验位以使帧中 1 的计数为偶数。这样就增加了原始位数。它被称为块编码。

块编码用斜线符号表示，mB/nB。意思是，m-bit块用n-bit块代替，其中n>m。块编码涉及三个步骤：

分配，
替代
组合。

块编码完成后，进行线路编码传输。

模数转换

麦克风创建模拟语音，摄像头创建模拟视频，这些视频被视为模拟数据。为了通过数字信号传输这种模拟数据，我们需要模数转换。

模拟数据是波形的连续数据流，而数字数据是离散的。为了将模拟波转换为数字数据，我们使用脉冲编码调制 (PCM)。

PCM是将模拟数据转换为数字形式的最常用方法之一。它包括三个步骤：

采样
量化
编码。

采样

模拟信号每 T 间隔采样一次。采样中最重要的因素是模拟信号的采样率。根据奈奎斯特定理，采样率必须至少是信号最高频率的两倍。

量化

采样产生离散形式的连续模拟信号。每个离散模式都显示了该实例的模拟信号幅度。在最大幅度值和最小幅度值之间进行量化。量化是瞬时模拟值的近似值。

编码

在编码中，每个近似值随后被转换为二进制格式。

传输模式

传输模式决定了两台计算机之间如何传输数据。1 和 0 形式的二进制数据可以通过两种不同的模式发送：并行和串行。

并行传输

二进制位被组织成固定长度的组。发送器和接收器都以相同数量的数据线并联。两台计算机都区分高阶和低阶数据线。发送方一次在所有线路上发送所有位。由于数据线等于一组或数据帧中的位数，因此一次发送完整的一组位（数据帧）。并行传输的优点是速度快，缺点是电线成本，因为它等于并行发送的位数。

串行传输

在串行传输中，比特以队列的方式一个接一个地发送。串行传输只需要一个通信通道。

串行传输可以是异步的或同步的。

异步串行传输

之所以这样命名，是因为没有时间的重要性。数据位具有特定的模式，它们有助于接收器识别开始和结束数据位。例如，每个数据字节都以 0 为前缀，并在末尾添加一个或多个 1。

两个连续的数据帧（字节）之间可能有间隙。

同步串行传输

同步传输中的时序很重要，因为没有遵循识别开始和结束数据位的机制。没有模式或前缀/后缀方法。数据位以突发模式发送，而不保持字节之间的间隙（8 位）。单个数据位突发可能包含多个字节。因此，时机变得非常重要。

由接收方来识别比特并将其分离为字节。同步传输的优点是速度快，并且没有异步传输中额外的页眉和页脚位的开销。