數據通信系統

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目錄 1 什麼是數據通信系統[1] 2 數據通信系統的相關概念[2] 3 數據通信系統的構成[3] 4 數據通信系統的特點[4] 5 數據通信系統的模型[2] 6 數據通信系統網路結構[5] 7 數據通信系統的性能指標[6] 8 常見的數據通信系統[7] 9 參考文獻

　　數據通信系統是通過數據電路將分佈在遠地的數據終端設備與電腦系統連接起來，實現數據傳輸、交換、存儲和處理的系統。

　　為了更好地理解數據通信系統和電腦網路的一些基本內容，明確常用的基本術語和基本概念是很有必要的。

　　數據：數據是對客觀事實進行描述與記載的物理符號。它是信息的載體，可以是數字、文字、語言、圖形和圖像等。可以分為模擬數據和數字數據兩種。

　　信息：信息是數據的集合、含義與解釋。數據相對具體，信息相對抽象概括；兩者相對存在，有時可以將二者等同起來。

　　信號：是數據傳輸過程中的表現形式，即信號是數據的電編碼或電磁編碼。可以分為模擬信號與數字信號兩種。

　　模擬信號是隨時間連續變化的信號，時間和幅值都是連線的。數字信號是離散信號，時間上離散，幅度上是經過量化的，僅包含有限數目的信號值，最常見的是二值信號。如圖1所示。

　　通道：通道一般是用來表示向某一個方向傳送信息的媒體。通道和電路並不等同，一條通信電路通常包括一條或多條發送通道和接收通道。

　　通道可以分為模擬通道和數字通道兩大類。只能傳輸模擬信號的通道是模擬通道；只能傳輸數字信號的通道是數字通道。

　　通道中傳送的信號可以分為基帶信號和寬頻信號。基帶信號是將數字比特“1”和“0”直接用兩種不同的電壓表示，然後直接送到線路上去傳輸。寬頻信號是將基帶信號進行調製後形成的複合的調製信號，然後再放到線路上進行傳輸。

　　數據通信系統是通過數據電路將分佈在遠地的數據終端設備與電腦系統連接起來，實現數據傳輸、交換、存儲和處理的系統。數據通信系統的基本構成如圖2所示。

　　一、數據終端設備

　　數據終端設備(DTE)由數據輸入設備(產生數據的數據源)、數據輸出設備(接收數據的數據宿)和傳輸控制器組成。

　　數據輸入輸出設備的作用有點類似於電話與電報通信中的電話機和電傳機，它在發送端把人們的數據信息變成以數字代碼表示的數據信號，即將數據轉換為數據信號；接收端完成相反的變換，即把數據信號還原為數據。

　　傳輸控制器的作用是完成各種傳輸控制，如差錯控制、終端的接續控制、確認控制、傳輸順序控制和切斷控制等。

　　DTE是一個總稱，根據實際需要採用不同的設備。例如，在發送數據中，DTE可以用鍵盤輸入器；在接收數據中，它可以是屏幕顯示設備(CRT)，也可以是激光印表機，等等。當然，具有一定處理功能的個人電腦也可稱為DTE。

　　二、數據電路

　　數據電路位於DTE與電腦系統之間，它的作用是為數據通信提供傳輸通道。在數據電路兩端收發的是二進位“1”或“0”的數據信號。數據傳輸電路要保證將DTE的數據信號送到電腦系統以及由電腦系統送回DTE。

　　數據電路由傳輸通道及其兩端的數據電路終接設備(DCE)組成。

　　(1)傳輸通道

　　傳輸通道包括通信線路和通信設備。通信線路一般採用電纜、光纜、微波線路等；而通信設備可分為模擬通信設備和數字通信設備，從而使傳輸通道分為模擬傳輸通道和數字傳輸通道。另外，傳輸通道中還包括通過交換網的連接或是專用線路的固定連接。

　　(2)數據電路終接設備(DCE)

　　DCE是DTE與傳輸通道的介面設備。當數據信號採用不同的傳輸方式時，DCE的功能有所不同。

　　基帶傳輸時，DCE是對將來自DTE的數據信號進行某些變換，使信號功率譜與通道相適應，即使數據信號適合在電纜通道中傳輸。

　　頻帶傳輸時，DCE具體是數據機(modem)，它是調製器和解調器的結合。發送時，調製器對數據信號進行調製，將其頻帶搬移到相應的載頻頻帶(如話音頻帶)上進行傳輸(即將數據信號轉換成適合於模擬通道上傳輸的模擬信號)；接收時，解調器進行解調，將模擬信號還原成數據信號。

　　當數據信號在數字通道上傳輸(數字數據傳輸)時，DCE是數據服務單元(Data Service Unit，DSU)，其功能是信號格式變換，即消除信號中的直流成分和防止長串零的編碼、信號再生和定時，等等。

　　三、中央電腦系統

　　中央電腦系統由通信控制器、主機及其外圍設備組成，具有處理從數據終端設備輸入的數據信息，並將處理結果向相應的數據終端設備輸出的功能。

　　1．通信控制器

　　通信控制器是數據電路和電腦系統的介面，控制與遠程數據終端設備連接的全部通信通道，接收遠端DTE發來的數據信號，並向遠端DTE發送數據信號。

　　通信控制器的主要功能，對遠程DTE一側來說，是差錯控制、終端的接續控制、確認控制、傳輸順序控制和切斷等控制；對電腦系統一側來說，其功能是將線路上來的串列比特信號變成並行比特信號，或將電腦輸出的並行比特信號變成串列比特信號。另外，在遠程DTE一側有時也有類似的通信控制功能(就是傳輸控制器)，但一般作為一塊通信控制板合併在DTE之中。

　　2．主機

　　主機又稱中央處理機，由中央處理單元(CPU)、主存儲器、輸入輸出設備以及其他外圍設備組成，其主要功能是進行數據處理。

　　以上介紹了數據通信系統的基本構成，從圖2中看到數據鏈路是由控制裝置(傳輸控制器和通信控制器)和數據電路所組成，控制裝置是按照雙方事先約定的規程進行控制的。一般來說，只有在建立起數據鏈路之後，通信雙方纔能真正有效、可靠地進行數據通信。

　　由於DTE和DCE之間傳送的是原始的二進位代碼，這種二進位代碼不適合長距離傳送。只有將其變換成能夠進行位同步、而且適合長距離傳送的代碼才行。為此，需要對這種二進位代碼進行數字編碼和模擬編碼。

　　(1)數字編碼。數字編碼有3種不同的方式(如圖3所示)。

　　①普通二進位編碼(又稱為非歸零編碼)。這種方式無法進行位同步，接收方無法判斷位的開始和結束，只有採用②和③的方式來代替。

　　②曼徹斯特編碼。這種方式通過下列方法保證發送方和接收方的位同步：在每一位周期的中間，使波形發生變化，如果由低電平變成高電平，則表示“0”：如果由高電平變成低電平，則表示“1”。

　　③差分曼徹斯特編碼。它是改進型的曼徹斯特編碼，其特點是在每一位周期的中間，波形都有變化，如果在兩位周期交界處電平沒有變化，則表示“1”：有變化，則表示“0”(在信號位中間總是將信號反相；在信號位開始時不改變信號極性，表示邏輯“1”：在信號位開始時改變信號極性，表示邏輯“0”)。

　　(2)模擬編碼。如果利用電話線作為通信子網，則在電話線上傳送的信息就是模擬信號。傳送模擬編碼的通道稱為模擬通道。可利用數據機把電腦發出的數字信號變換成模擬信號。

　　常用的調製方法有3種：幅度調製、頻率調製和相位調製。

　　如圖4所示，一個典型的數據通信系統可以劃分為三大部分，分別是發送系統、傳輸系統和接收系統。

　　發送系統一般由源系統和發送器系統兩部分組成。

　　源系統主要負責把用戶需要發送的信息內容進行採集和變換，形成電腦系統能夠識別和傳輸的數據。如把一幅圖像進行掃描後存儲到電腦中，產生傳輸中需要的數據比特流。

　　發送器系統主要功能有兩部分：其一是把源系統提供的數據比特流變換成一定規律的數據比特序列，減少出錯的可能性；其二是把變換後的數據比特序列轉換成能夠在通信介質中傳輸的信號，並通過通信介質傳輸給其他系統。

　　傳輸系統：負責把發送系統提供的數據信號準確、及時、可靠地傳輸給接收系統。傳輸系統可以是簡單的傳輸線路，也可以是由大量傳輸線路和傳輸設備構成的複雜系統。

　　接收系統一般也由兩部分組成，分別是接收器系統和終點系統。

　　接收器系統：與發送器系統對應，主要功能有兩部分。其一是把來自傳輸系統的信號變換為編碼後的數據比特序列；其二是把編碼後的數據比特序列變換為真實的傳輸數據比特序列。

　　終點系統：接收來自接收器系統的數據比特序列，變換輸出為有效的信息內容並提供給接收方用戶。如：把接收到數據比特序列還原為圖像並輸出給用戶。

　　電腦網路是數據通信技術的一個應用領域，以上數據通信系統的模型同樣適用與電腦網路。

　　為了把集散控制系統中的各個組成部分連接在一起，常常需要把整個通信系統的功能分成若幹個層次去實現，每一個層次就是一個通信子網，通信子網具有以下特征：

　　1)通信子網具有自己的地址結構。

　　2)通信子網相連可以採用自己的專用通信協議。

　　3)一個通信子網可以通過介面與其他網路相連，實現不同網路上的設備相互通信。

　　一般情況下，集散控制系統有以下幾種通信：

　　1)過程式控制制站中基本控制單元之間的通信。

　　2)中央控制室中的人機聯繫設備與電子設備室高層設備之間的通信。

　　3)現場設備和中央控制室設備之間的通信。

　　通信系統的結構確定後，要考慮的就是每個通信子網的網路拓撲結構問題。所謂通信網路的拓撲結構就是指通信網路中各個節點或站相互連接的方法。

　　在集散控制系統中應用較多的拓撲結構是星形、環形和匯流排型。

　　在星形結構中，每一個節點都通過一條鏈路連接到一個中央節點上去。任何兩個節點之間的通信都要經過中央節點。在中央節點中，有一個“智能”開關裝置來接通兩個節點之間的通信路徑。中央節點的構造是比較複雜的，一旦發生故障，整個通信系統就要癱瘓。因此，這種系統的可靠性比較低，在集散控制系統中應用較少。

　　在環形結構中，所有的節點通過鏈路組成一個環形。需要發送信息的節點將信息送到環上，信息在環上只能按某一確定的方向傳輸。當信息到達接收節點時，該節點識別信息中的目的地址與自己的地址相同，就將信息取出，並加上確認標記，以便由發送節點清除。

　　由於傳輸是單方向的，所以不存在確定信息傳輸路徑的問題，這可以簡化鏈路的控制。當某一節點發生故障時，可以將該節點旁路，以保證信息暢通無阻。為了進一步提高可靠性，在某些集散控制系統中採用雙環，或者在故障時支持雙向傳輸。環形結構的主要問題是在節點數量太多時會影響通信速度，另外，環是封閉的，不便於擴充。與星形和環形結構相比，匯流排型結構採用的是一種完全不同的方法。這時的通信網路僅僅是一種傳輸介質，它既不像星形網路中的中央節點那樣具有信息交換的功能，也不像環形網路中的節點那樣具有信息中繼的功能。所有的站都通過相應的硬體介面直接接到匯流排上。由於所有的節點都共用一條公用的傳輸線路，所以每次只能由一個節點發送信息，信息由發送它的節點向兩端擴散。這就如同廣播電臺發射的信號向空間擴散一樣。所以，這種結構的網路又稱為廣播式網路。某節點發送信息之前，必須保證匯流排上沒有其他信息正在傳輸。當這一條件滿足時，它才能把信息送上匯流排。在有用信息之前有一個詢問信息，詢問信息中包含著接收該信息的節點地址，匯流排上其他節點同時接收這些信息。當某個節點從詢問信息中鑒別出接收地址與自己的地址相符時，這個節點便做好準備，接收後面所傳送的信息。匯流排型結構突出的特點是結構簡單，便於擴充。另外，由於網路是無源的，所以當採取冗餘措施時並不增加系統的複雜性。匯流排型結構對匯流排的電氣性能要求很高，對匯流排的長度也有一定的限制。因此，它的通信距離不可能太長。

　　在集散控制系統中用的比較多的是後兩種結構。

　　數據通信系統可以使用數據傳輸速率、帶寬、碼元傳輸速率、誤碼率、吞吐量等性能指標，衡量數據傳輸的有效性和可靠性。其中有效性主要由數據傳輸速率、傳輸延遲、通道帶寬、通道容量等指標來衡量；而傳輸系統的可靠性一般用數據傳輸的誤碼率來衡量。

　　一、數據傳輸速率

　　數據傳輸速率是每秒傳輸的二進位比特數，又稱為數據率或比特率，速率的單位是bit/s，或kbit／s，Mbit／s，Gbit/s等。習慣上在表示傳輸速率時(單位為biffs)，千、兆和吉分別用k(小寫)、M和G表示，分別代表10³、10⁶、10⁹。而在表示數據量時(單位為位元組B)，千、兆和吉一般分別用K(大寫)、M和G表示，分別代表2¹⁰(1024)、2²⁰(1048575)、2³⁰(1073741824)。

　　二、帶寬

　　在過去很長的一段時間，通信的主幹線路傳送的是模擬信號，因此表示通信線路允許通過的信號頻率範圍就稱為線路的帶寬。也就是說“帶寬”，是指信號具有的頻帶寬度，即可傳送的信號最高頻率與最低頻率之差，單位是赫茲(或千赫、兆赫、吉赫等)。例如，在傳統的通信線路上傳送的電話信號的標準帶寬是3．1kHz(從300Hz到3．4kHz，即話音的主要成分的頻率範圍)。

　　在電腦網路中，“帶寬”用來表示數字通道所能傳送的“最高數據率”，也就是一個通道的最大數據傳輸速率，單位是“比特每秒”，即bit／s，通常稱為“傳輸帶寬”，高帶寬則意味著系統的高處理能力。常用的單位有kbit／s(10³bit／s)、Mbit／s(10⁶bit／s)、Gbit／s(10⁹bit／s)、Tbit／s(10¹²bit／s)。

　　傳輸帶寬與數據傳輸速率是有區別的，前者表示通道的最大傳輸速率，是通道傳輸數據能力的極限；而後者是實際的數據傳輸速率，就像公路上的最大限速與汽車實際速度的關係一樣。

　　三、波特率

　　在通信系統中，把承載數據的基本信號單元稱為“碼元”，把每秒傳輸的碼元(符號)數稱為波特率，又稱為碼元傳輸速率，單位為波特，記作baud。波特率的計算式如下式所示。

　　B=1／T(baud)　　(1)

　　式中B表示波特率，T為信號碼元的時間寬度，單位為秒。

　　數據傳輸速率“比特／秒”與碼元的傳輸速率“波特”在數量上有一定的關係。例如，在電腦中，一個符號的含義為高低電平，分別代表邏輯“1”和邏輯“0”，所以每個符號所含的信息量剛好為1bit，此時比特率等於波特率。

　　在條件允許的情況下，可以採用多進位編碼方式，以達到一個碼元可以承載多個比特的信息，這樣可以達到更高的數據傳輸速率。對於一個M進位碼元，所包含的信息量為I=log₂M(bit)，所以數據傳輸速率的計算式如下式所示。

　　C=BI=B×log₂M(bit／s)　　(2)

　　式中C為比特率，B代表波特率，M是一個碼元表示的有效狀態數。

　　例如，對於波特率B=2000baud，若M分別為2、4和8，則比特率C分別為2000bit／s、4000bit／s、6000bit／s。

　　需要註意的是，並不總是比特率大於或等於波特率，在有的情況下，比特率可能小於波特率。例如，在曼徹斯特編碼中，由於要用兩個碼元表示一個比特的信息，在這個時候比特率就只有波特率的一半，數據傳輸的效率減少了一半。

　　四、時延

　　時延是指一個報文或分組從一個網路(或一條鏈路)的一端傳送到另一端所需的時間。一般來說，網路的時延越小越好。網路中的時延是由以下幾個不同的部分組成的。

　　1．發送時延

　　發送時延是節點在發送數據時使數據塊從節點進入到傳輸介質所需要的時間，也就是從數據塊的第一比特開始發送算起，到最後一比特發送完畢所需的時間，又稱傳輸時延。發送時延的計算式如下式所示。

　　發送時延=數據塊長度(bit)÷通道帶寬(bit／s)　　(3)

　　由此可見，對於一定的網路，發送時延與發送的數據塊長度成正比，與通道帶寬成反比。

　　2．傳播時延

　　傳播時延是信號在通道中傳輸一定距離需要花費的時間，它與信號傳播速度和距離有關。傳播時延的計算式如下式所示。

　　傳播時延=通道長寬(m)÷電磁波在通道上的傳播速率(m／s)　　(4)

　　電磁波在自由空間的傳播速率是光速，即3．0×10⁵km／s。電磁波在網路傳輸介質中的傳播速率比在自由空間要略低一些，在銅線電纜中的傳播速率約為2．3×10⁵km／s，在光纖中的傳播速率約為2．0×10⁵km／s。例如，1000km長的光纖線路產生的傳播時延大約為5ms。

　　3．處理時延

　　節點在收到分組時要花費一定的時間進行處理，如分析分組的首部、從分組中提取數據部分、進行差錯檢驗或查找適當的路由等，這就產生了處理時延。

　　4．排隊時延

　　分組在經過網路傳輸時，要經過許多的路由器。分組在進入路由器後要先在輸入隊列中排隊等待處理。在路由器確定了轉發介面後，還要在輸出隊列中排隊等待轉發。這就產生了排隊時延。排隊時延的長短取決於網路當時的通信量，當網路的通信量很大時，還會產生分組溢出，這相當於排隊時延為無窮大。

　　這樣，數據在網路中經歷的總時延就是以上4種時延之和，即

　　總時延=發送時延+傳播時延+處理時延+排隊時延　　(5)

　　必須指出，在總時延中，究竟哪種時延占主導地位，必須具體分析。

　　例如，一個長度為100MB數據塊在帶寬為1Mbit／s通道上，用光纖傳送到1000km和1km遠的目的電腦所需的時間是多少呢?根據式(3)可以得到：發送時延=100×210×8(數據塊長度，因為1MB=1024Byte=2¹⁰=1024×8bit)/10⁶(通道帶寬，因為1Mbit／s=10⁶bit／s)=838．9s。根據式(4)1000km的傳播時延=1000(km)／200000(光纖通道的傳播速率)=0．005s=5ms，而1km的傳播時延會減小到原來的千分之一。由於ms(毫秒)級時間相對於838．9s來說非常小，幾乎可以忽略，所以在這種情況下，總時延的數值基本上是由發送時延來決定的。

　　又如在帶寬分別是1Mbit／s和1Gbit／s的情況下，用同樣的方法可以計算出光纖傳送一位元組(1Byte)的數據到1000km遠的目的電腦上所需的時間。在1Mbit／s的通道上，發送時延=8(一位元組的數據塊長度)／106(通道帶寬，因為1Mbit／s=10⁶bit／s)=8μs，“傳播時延”仍為上面的5ms，此時在5．008ms的總時延中“傳播時延”反而占了主要位置。即使將通道的帶寬提高到1Gbit／s，也只是在“發送時延”微秒級的基礎上減少(發送時延=8／10⁹=0．0008μs)，因為此時的傳播時延級數達到了ms，所以儘管發送時延有了大幅降低，但總時延仍不會有太多減少。可見，在此情況下，總時延的數值是由傳播時延決定的。

　　基於上述計算，可以得出以上“發送時延”和“傳播時延”在總時延中哪個占主導決定作用還要結合具體數據通信過程中傳輸的數據長度和帶寬綜合考慮。經常聽到的諸如“在高速鏈路(或高帶寬鏈路)上，比特流傳輸速度更快”和“光纖通道的傳輸速率高”之類的說法都是錯誤的。因為對於高速網路鏈路，提高的僅僅是數據的發送速率，而不是比特流在鏈路上的傳播速率。也就是說，提高鏈路帶寬只是減少了數據的發送時延，至於傳播時延還要通過通道傳輸速率和傳輸距離而定。同時光纖通道發送數據的速率可以很高，而光纖通道的傳播速率實際比銅線的傳播速率還略低些。

　　數據發送速率的單位是每秒發送多少比特，是指某個點或某個埠上的發送速率；而傳播速率的單位是每秒傳播多少距離，是指傳輸線路上比特的傳播速率。

　　五、時延帶寬積

　　“時延帶寬積”為某一鏈路所能容納的比特數。例如，某鏈路的時延帶寬積為100萬比特，這意味著第一比特到達目的端時，源端已發送了100萬比特。時延帶寬積的計算式如式(2．6)所示。

　　時延帶寬積=帶寬×傳播時延　　(6)

　　鏈路的“時延帶寬積”就是以比特為單位的鏈路長度。如設某段鏈路的傳播時延為20ms，帶寬為10Mbit／s，則時延帶寬積=20×10 _{− 3}×10×10⁶=2×10⁵bit。這表示，若發送端連續發送數據，則當發送的第一比特即將到達終點時，發送端就已經發送了20萬比特，而這20萬比特都正在鏈路上傳輸。

　　六、利用率

　　利用率有通道利用率和網路利用率兩種。通道利用率是指某通道有百分之幾的時間是被利用的(有數據通過)，完全空閑的通道的利用率是零。網路利用率則是全網路的通道利用率的加權平均值。

　　通道利用率並非越高越好，因為根據排隊論，當某通道的利用率增大時，該通道引起的時延也就迅速增加。這和高速公路的情況有些相似，當高速公路上的車流量很大時，由於在公路上的某些地方會出現堵塞，因此行車所需的時間就會增大。網路也有類似的情況，當網路的通信量很少時，網路產生的時延並不大；但在網路通信量不斷增大的情況下，由於分組在網路節點(路由器或交換機)進行處理時需要排隊等候，因此網路引起的時延就會增大。

　　如果令D₀表示網路空閑時的時延，D表示網路當前的時延，則在適當的假定條件下，可以用式(7)表示D、D₀和利用率U之間的關係，式中U是網路的利用率，數值在0到1之間。當網路的利用率達到其容量1／2時，時延就要加倍。

　　D=D₀÷(1-U)　　(7)

　　特別值得註意的是，當網路的利用率接近最大值1時，網路的時延就趨於無窮大。因此，必須有這樣的概念：通道或網路利用率過高會產生非常大的時延。圖5所示為上述概念的示意圖，因此一些擁有較大主幹網的ISP通常控制他們的通道利用率不超過50％，如果超過了就要準備擴容，增大線路的帶寬。

　　 　　七、誤碼率

　　誤碼率(P_e)是指二進位數據位傳輸時出錯的概率。它是衡量數據通信系統在正常工作情況下的傳輸可靠性的指標。根據概率統計理論，此概率近似等於被傳錯的碼元數與所傳送的碼元總數之比，如式(8)所示。

　　P_e=N_e÷N　　(8)

　　式中，N_e為被傳錯的碼元數，N為所傳送的碼元總數。如果實際傳輸的不是二進位碼元，需摺合成二進位碼元計算。

　　常見的通信系統包括模擬通信系統、數字頻帶傳輸系統、數字基帶傳輸系統和模擬信號數字化傳輸系統4類。

　　1．模擬通信系統

　　對於模擬通信系統，它主要包含兩種重要變換，即把連續消息變換成電信號和把電信號恢覆成最初的連續消息的過程。經過調製後的信號通常被稱為已調信號。模擬通信系統的組成如圖6所示。

　　已調信號有3個基本特性，一是攜帶有消息，二是適合在通道中傳輸，三是頻譜具有帶通形式，且中心頻率遠離零頻。因而已調信號又稱為頻帶信號。

　　2．數字頻帶傳輸通信系統

　　通常把有調製器／解調器的數字通信系統稱為數字頻帶傳輸通信系統。數字頻帶通信系統的模型如圖7所示。

　　說明：圖7中調製器／解調器、加密器／解密器、編碼器闢碼器等環節，在具體通信系統中是否全部採用，取決於具體設計條件和要求。但在一個系統中，如果發送端有調製／力口密／編碼設備，則接收端必須有解調／解密／解碼設備。

　　3．數字基帶傳輸通信系統

　　與數字頻帶傳輸通信系統相對應，把沒有調製器／解調器的數字通信系統稱為數字基帶傳輸通信系統如圖8所示。

　　圖8中基帶信號形成器可能包括編碼器、加密器、波形變換器等，接收濾波器可能包括解碼器、解密器等。

　　4．模擬信號數字化傳輸通信系統

　　要實現模擬信號在數字系統中的傳輸，則必須在發送端將模擬信號數字化，即進行刖D(Analog／Digital)轉換；在接收端需進行相反的轉換，即D／A(Digital／Analog)轉換。實現模擬信號數字化傳輸的系統如圖9所示。