數(shù)據通信技術基礎-第1章計算機基礎知識詳細

1、PAGE 50計算機網絡實用技術PAGE 49第2章 數(shù)據通信技術基礎 數(shù)據通信技術基礎第2章數(shù)據通信技術的發(fā)展與計算機網絡技術密切相關,是促進計算機網絡技術發(fā)展的重要因素之一.因此,學習計算機網絡,必然涉及許多關于數(shù)據通信的問題,數(shù)據通信的任務是利用通信媒體傳輸信息.數(shù)據通信是兩實體間的數(shù)據傳輸和交換,在計算機網絡中占有十分重要的地位,它是通過各種不同的方式和傳輸介質,把處在不同地理位置的終端與主計算機或計算機與計算機連接起來,從而完成數(shù)據傳輸、信息交換和通信處理等任務.本章重點介紹與計算機網絡有關的數(shù)據通信的基本概念、數(shù)據傳輸方式、多路復用技術、數(shù)據交換技術和差錯控制技術等內容,主要是為計

2、算機網絡的學習和實踐打好基礎.2.1 數(shù)據通信的基本概念數(shù)據通信就是指計算機與計算機之間交換數(shù)據的過程.數(shù)據通信系統(tǒng)就是指以計算機為中心,用通信線路連接分布在各地的數(shù)據終端設備而執(zhí)行數(shù)據傳輸功能的系統(tǒng).2.1.1 簡單的通信模型通信系統(tǒng)的基本作用是在發(fā)送方(信源)和接收方(信宿)之間傳遞和交換信息.數(shù)據通信系統(tǒng)的基本組成有3個要素:信源、信宿和信道,如圖2-1所示,它就是一個簡單的數(shù)據通信系統(tǒng)模型.圖2-1 簡單的數(shù)據通信系統(tǒng)模型1信源和信宿信源就是信息的發(fā)送端,是發(fā)出待傳送信息的設備;信宿就是信息的接收端,是接收所傳送信息的設備.大部分信源和信宿設備都是計算機或其他數(shù)據終端設備.2信號變換器

3、信號變換器的作用是將信源發(fā)出的信息變換成適合在信道上傳輸?shù)男盘?如圖2-2所示.圖2-2 信號變換器的作用對應不同的信源和信宿,信號變換器有不同的組成和變換功能.發(fā)送端的信號變換器可以是編碼器或調制器,接收端的信號變換器相對應的就是譯碼器或解調器.編碼器的功能是把信源或其他設備輸入的信息作相應的變換,使之成為適合在通信信道上傳輸?shù)男盘?譯碼器的功能是在接收端完成編碼的反過程.信源輸入的信息可以是離散變化的數(shù)字信號也可以是連續(xù)變化的模擬信號.調制器的作用是把信源輸入的二進制脈沖信號變換(調制)成模擬信號,以便在模擬信道上進行遠距離傳輸;解調器的作用是反調制,即把接收端接收的模擬信號還原成二進制脈

4、沖數(shù)字信號.由于網絡中絕大多數(shù)信息都是雙向傳輸?shù)?所以在大多數(shù)情況下,信源也作為信宿,信宿也作為信源;編碼器也具有譯碼功能,譯碼器也能編碼,因此統(tǒng)稱為編碼譯碼器;同樣調制器也能解調,解調器也能調制,因此統(tǒng)稱為調制解調器.2.1.2 數(shù)據、信息和信號1數(shù)據與信息數(shù)據是由數(shù)字、字符和符號等組成的,可以用來描述任何概念和事物,是傳送信息的載體.數(shù)據中的各種數(shù)字、字符和符號等在沒有被定義前,是沒有實際意義的,因此,數(shù)據是尚未組織起來的事實的集合,是抽象的.信息則是數(shù)據的具體內容和解釋,有具體的意義.信息是數(shù)據經過加工處理后所得到的,即信息是按一定要求以一定格式組織起來的、具有一定意義的數(shù)據.信息必須依

5、賴于各種載體才有意義,才能被傳遞.數(shù)據是信息的表示形式,是信息的載體,信息是數(shù)據形式的內涵,即數(shù)據是信息傳送的形式,信息是數(shù)據表達的內涵.2信號為了使數(shù)據可以在傳輸介質中傳輸,必須把數(shù)據變換成某種信號(電信號或光信號)的形式.信號是數(shù)據的具體物理表示,具有確定的物理描述,是數(shù)據的電編碼、電磁編碼或其他編碼等.信號可以分為模擬信號和數(shù)字信號.3數(shù)字數(shù)據與模擬數(shù)據表達數(shù)據的方式與承載數(shù)據的媒體是緊密相關的,不同的媒體能夠表達數(shù)據的方式是有限的.有兩種基本的表達數(shù)據的方式,這就是模擬數(shù)據和數(shù)字數(shù)據.當數(shù)據采用離散的電信號表示時,這樣的數(shù)據就是數(shù)字數(shù)據.數(shù)字數(shù)據是指有限個離散值,如字符串、整數(shù)數(shù)列.當

6、數(shù)據采用電波表示時,這樣的數(shù)據就是模擬數(shù)據.模擬數(shù)據是指在某個區(qū)間產生的連續(xù)值,如聲音、視頻、溫度、壓力.4模擬信號和數(shù)字信號模擬信號是在一定范圍內可以連續(xù)取值的信號,是一種連續(xù)變化的電信號,它可以以不同的頻率在介質上傳輸,如正弦波信號,如圖2-3所示.圖2-3 正弦波信號數(shù)字信號是一種離散的脈沖序列信號,它的取值是有限個數(shù),它用恒定的正電壓負電壓或正電壓0電壓來表示“1”/“0”,它可以以不同的位速率在介質上傳輸,如脈沖信號,如圖2-4所示.圖2-4 脈沖信號2.1.3 數(shù)據通信的主要技術指標衡量和評價一個系統(tǒng)的好壞,必須要涉及到系統(tǒng)的主要性能指標問題.數(shù)據通信的主要技術指標是衡量數(shù)據傳輸?shù)?/p>

7、有效性和可靠性的參數(shù).有效性主要由數(shù)據傳輸?shù)臄?shù)據速率、調制速度、傳輸延遲、信道帶寬和信道容量等指標來衡量;可靠性一般由數(shù)據傳輸?shù)恼`碼率指標來衡量.常用的數(shù)據通信的技術指標有以下幾種.1信道帶寬和信道容量信道是通信雙方以傳輸介質為基礎的傳輸信息的通道,它是建立在通信線路及其附屬設備(如收發(fā)設備)上的.表面上看,信道與傳輸介質好像差不多,但信道又不能等同于傳輸介質,同一條傳輸介質可以同時存在多條信號通道,即一條通信介質構成的線路上往往包含了多個信道.與信號的分類相似,信道也可分為傳送模擬信號的模擬信道和傳送數(shù)字信號的數(shù)字信道兩大類.但數(shù)字信號經過數(shù)模變換后就可以在模擬信道上進行傳送,而模擬信號經過

8、模數(shù)變換后也可以在數(shù)字信道上進行傳送.由有線傳輸介質(如雙絞線、同軸電纜、光纜等)構成的通信信道叫有線信道;由無線傳輸介質(如微波、衛(wèi)星)構成的通信信道叫無線信道.信道帶寬或信道容量是描述信道的主要指標之一,由信道的物理特性所決定.信道帶寬是指信道中能夠傳送的信號的頻率范圍.當信號的帶寬超過信道帶寬時,信號就不能在該信道上傳送,或者傳送的信號將會失真.為計算帶寬,需要在頻率范圍內用最高頻率減去最低頻率.例如:最高頻率為5000Hz,最低頻率為1000Hz,則帶寬即為4000Hz.信道容量是指單位時間內信道所能傳輸?shù)淖畲笮畔⒘?即一個信道能夠達到的最大的傳輸速率,它表示信道的傳輸能力.在通信領域

9、中,信道容量常指信道在單位時間內可傳輸?shù)淖畲蟠a元數(shù)(碼元是承載信息的基本信號單位,一個表示數(shù)據有效值狀態(tài)的脈沖信號就是一個碼元,其單位為波特),信道容量以碼元速率(或波特)來表示.由于數(shù)據通信主要是計算機與計算機之間內的數(shù)據傳輸,而這些數(shù)據最終又以二進制位的形式表示,因此,信道容量有時也表示為單位時間最多可傳輸?shù)亩M制的位數(shù)(也叫信道的數(shù)據傳輸速率),以位/秒(b/s)形式表示,簡稱為b/s.按信道頻率范圍的不同,通?？蓪⑿诺婪譃?類:窄帶信道(帶寬為0300Hz)、音頻信道(帶寬為3003400Hz)和寬帶信道(帶寬為3400 Hz以上).2傳輸速率(1)數(shù)據傳輸速率(Rate).數(shù)據傳輸速

10、率是指通信系統(tǒng)單位時間內傳送的二進制代碼的位(比特)數(shù),因此又稱比特率,單位用比特/秒表示,記為b/s或b/s.數(shù)據傳輸速率的高低,由每位數(shù)據所占的時間來決定,一位數(shù)據所占的時間寬度越小,其數(shù)據傳輸速率就越高.設T為傳輸?shù)碾娒}沖的寬度或周期,N為一個脈沖信號所有可能的狀態(tài)數(shù),則數(shù)據傳輸速率為:RS =log2 N (b/s)式中l(wèi)og2N是每個電脈沖信號所表示的二進制數(shù)據的位數(shù)(比特數(shù)).如電信號的狀態(tài)數(shù)N=2,即只有“0”和“1”兩個狀態(tài),則每個電信號只傳送1位二進制數(shù)據,此時,RS =1/T(2)調制速率 調制速率又稱波特速率或碼元速率,它是數(shù)字信號經過調制后的傳輸速率,表示每秒傳輸?shù)碾娦?/p>

11、號單元(碼元)數(shù),即調制后模擬電信號每秒鐘的變化次數(shù),它等于調制周期(即時間間隔)的倒數(shù),單位為波特(Baud).若用T(秒)表示調制周期,則調制速率為Rb=1/T (Baud),即1波特表示每秒鐘傳送一個碼元.顯然,上述兩個指標有如下的數(shù)量關系:RS =Rb log2 N (b/s),即在數(shù)值上“波特”單位等于“比特”的log2 N倍,只有當N=2(即雙值調制)時,兩個指標才在數(shù)值上相等.但是,在概念上兩者并不相同,Baud是碼元的傳輸速率單位,表示單位時間傳送的信號值(碼元)個數(shù),波特速率是調制速度,而b/s是單位時間內傳輸信息量的單位,表示單位時間傳送的二進制數(shù)的個數(shù).3誤碼率誤碼率是衡

12、量通信系統(tǒng)在正常情況下傳輸可靠性的指標.誤碼率是指二進制碼元在傳輸過程中被傳錯的概率.顯然,它就是錯誤接收的碼元數(shù)在所傳輸?shù)目偞a元數(shù)中所占的比例.誤碼率的計算公式為:Pe=Ne/N.式中Pe表示誤碼率,Ne表示被傳錯的碼元數(shù),N表示傳輸?shù)亩M制碼元總數(shù).上式只有在N取值很大時才有效.在計算機網絡通信系統(tǒng)中,要求誤碼率低于10-6.如果實際傳輸?shù)牟皇嵌M制碼元,需要折合成二進制碼元來計算.在通信系統(tǒng)中,系統(tǒng)對誤碼率的要求應權衡通信的可靠性和有效性兩方面的因素,誤碼率越低,設備要求就越高.需要指出的是:對于可靠性的要求,不同的通信系統(tǒng)要求是不同的.在實際應用中,常常由若干碼元構成一個碼字,所以可靠

13、性也常用誤字率來表示,誤字率就是碼字錯誤的概率.有時一個碼字中錯兩個或更多的碼元,這和錯一個碼元是一樣的,都會使這個碼字發(fā)生錯誤,所以,誤字率與誤碼率不是一定相等的.有時信息還用若干個碼字組成一組,所以還要有誤組率,它是傳輸中出現(xiàn)錯誤碼組的概率,但常使用的還是誤碼率.4傳輸延遲信道的帶寬是由硬件設備改變電信號的跳變響應時間決定的.盡管信號的傳輸速度為每秒300 000 千米,但由于發(fā)送和接收設備存在響應時間,特別是計算機網絡系統(tǒng)中的通信子網還存在中間轉發(fā)等待時間,以及計算機系統(tǒng)的發(fā)送和接收處理時間,所以,在系統(tǒng)的信息傳輸過程中存在著延遲(傳輸延遲).在計算機網絡中由于不同的通信子網和不同的網絡

14、體系結構采用不同的中轉控制方式,因此,在通信子網中存在的中轉延遲只能依據網絡狀態(tài)而定.由電信號響應帶來的延遲時間則是固定的.顯然,響應時間越小,延遲就越小.也就是說,信道的帶寬越大,延遲就越小.傳輸延遲是指由于各種原因的影響,使得系統(tǒng)信息在傳輸過程中存在著不同程度的延遲或滯后的現(xiàn)象.信息的傳輸延遲時間包括發(fā)送和接受處理時間、電信號響應時間、中間轉發(fā)時間和信道傳輸時間等.傳輸延遲通常又分為傳輸時延和傳播時延.傳輸時延:是指發(fā)送一組信息所用的時間,該時間與信息傳輸速率和信息格式有關.傳播時延:是指信號在物理媒體中傳輸一定距離所用的時間,它與信號傳播速度和距離有關.人們都知道,在理想的情況下,電磁波

15、的傳輸速率為每秒300 000 千米(即光速).通常認為電磁波在光纖、衛(wèi)星信道中的傳播速度可達到光速,而在一般電纜中的傳輸速度約為光速的2/3.用下面的例題來更好地理解傳輸時延和傳播時延.例:在相隔1000千米的兩地傳輸3kb 的數(shù)據,可以通過電纜以20kb/s的速率傳輸或通過衛(wèi)星信道以60kb/s的速率傳輸,問從發(fā)送方開始到接收方接收到全部數(shù)據用哪種方式時間較短？(假定信息在電纜中傳輸速度為200 000千米/s,而在衛(wèi)星信道中的傳輸速度是300 000千米/s,衛(wèi)星距離地面36 000千米).數(shù)據在電纜中的傳輸時延為3kb/20kb/s=150米s,而其傳播時延為1000千米/(2105

16、千米/s)=5米s,因此使用電纜傳輸數(shù)據的總時延為150+5=155(米s);數(shù)據在衛(wèi)星中的傳輸時延為3kb/60kb/s=50米s,而其傳播時延為36 000千米2/(3105 千米/s)=240米s(注意:衛(wèi)星傳輸數(shù)據不是地面直接傳輸,而是要通過空中的衛(wèi)星轉發(fā)器轉發(fā),因此,衛(wèi)星傳輸?shù)木嚯x近似為衛(wèi)星距離地面高度的2倍);因此使用衛(wèi)星傳輸數(shù)據的總時延50+240=290(米s).因此本例使用電纜傳輸數(shù)據時間較短.2.1.4 網絡通信過程數(shù)據從信源發(fā)出到被信宿正確接收,這是一個完整的通信過程.通信過程中的每次通信都包括傳輸數(shù)據和通信控制兩方面的內容,其中,通信控制主要執(zhí)行各種輔助操作,并不傳輸數(shù)

17、據,但這種輔助操作對傳輸數(shù)據是必不可少的.一般,通信過程包括以下5個階段.1通信線路的建立在此階段,通信系統(tǒng)中的交換設備根據發(fā)送端提供的接收端的地址等信息建立通信雙方的物理通道,也稱此階段為建立物理連接階段(它類似于打電話時的“撥號”階段).2數(shù)據傳輸及控制鏈路的建立此階段是通過雙方確認同步關系的階段,它使雙方處于正確的發(fā)收狀態(tài),也稱此階段為建立邏輯連接階段(它類似于打電話時的“確認通話對象”階段).3數(shù)據及控制信息的傳輸 在此階段,通信雙方交換要傳輸?shù)臄?shù)據及控制信息,這才是通信的實質性階段(它類似于打電話時的雙方“通話”階段).4數(shù)據傳輸鏈路的拆除 在此階段,通信雙方通知和確認數(shù)據傳輸?shù)慕Y束

18、,即拆除邏輯連接(它類似于打電話時的“證實通話結束”階段).5通信線路的拆除 在此階段,由通信雙方之一通知系統(tǒng)中的交換設備拆除物理連接(它類似于打電話時的“掛機”階段).在上述5個階段中,第五階段與第一階段“互逆”,第四階段與第二階段“互逆”,第三階段是通信的實質性階段,是不可缺少的.其余各階段根據通信環(huán)境和通信方式的不同,有時可以“省掉”,如當采用專用通信線路時,則通信過程只包括通信線路的建立、數(shù)據傳輸、通信線路的釋放這3個階段.2.2 數(shù)據傳輸方式在數(shù)據通信系統(tǒng)中,通信信道為數(shù)據的傳輸提供了各種不同的通路.對應于不同類型的信道,數(shù)據傳輸采用不同的方式,如并行傳輸和串行傳輸方式;單工、半雙工

19、和全雙工通信方式,基帶傳輸和頻帶傳輸方式;異步傳輸和同步傳輸方式等.2.2.1 并行、串行傳輸在計算機內部各部件之間,計算機與各種外部設備之間以及計算機與計算機(或終端)之間都是以數(shù)據傳輸?shù)姆绞綄崿F(xiàn)通信的.依據傳輸線數(shù)目的多少,可以將數(shù)據傳輸方式分為并行傳輸和串行傳輸,并行傳輸用于短距離、高速率的通信,串行傳輸用于長距離、低速率的通信.1并行傳輸在并行傳輸中,一般至少有8個數(shù)據位同時在兩臺設備之間進行傳輸,如圖2-5所示.并行傳輸是指數(shù)字信號以成組的方式在多個并行信道上進行的傳輸,數(shù)據由多條數(shù)據線同時傳送與接收,每個比特使用單獨的一條線路.并行傳輸?shù)膬?yōu)點在于傳送速率快,發(fā)收雙方間不存在字符同步

20、的問題;缺點是需要多個并行信道,增加了設備的成本,而且并行線路的電平相互干擾也會影響傳輸質量,不適合做較長距離的通信.并行傳輸主要用于計算機內部或同一系統(tǒng)設備間的通信.常見的并行傳輸如計算機與打印機之間的數(shù)據傳輸.2串行傳輸并行傳輸需要8條以上的數(shù)據線,這對于近距離的數(shù)據傳輸來說,其費用還可以負擔,但當進行遠距離數(shù)據傳輸時,采用這種方式費用就太高了.所以,在數(shù)據通信系統(tǒng)中,較遠距離的通信采用的是另一種傳輸方式:串行傳輸方式.圖2-5 并行傳輸串行傳輸就是將比特流逐位在一條信道上進行傳送,如圖2-6所示,源數(shù)據站向目的數(shù)據站發(fā)出“0010100101001011”的串行比特流.發(fā)收兩端一次只能發(fā)

21、送或接收一個數(shù)據位,因此所需數(shù)據線的數(shù)目大大減少,各數(shù)據位依次串行地通過通信線路.由于在計算機內部總線上傳輸?shù)氖遣⑿袛?shù)據,要與外部設備進行串行通信,在發(fā)送端就需要把并行數(shù)據轉換成串行數(shù)據,在接收端還需將串行數(shù)據轉換成并行數(shù)據,計算機內部的串行通信適配器負責進行串行數(shù)據和并行數(shù)據的轉換.在計算機局域網中,計算機之間也是串行傳輸,網卡就負責串行數(shù)據和并行數(shù)據的轉換工作.圖2-6 串行傳輸相對于并行傳輸,串行傳輸?shù)男实?傳輸速率慢,但由于只有一條信道,減少了設備的成本,且易于實現(xiàn)和維護.串行傳輸適用于覆蓋面很廣的公共電話網絡系統(tǒng),所以在現(xiàn)行的計算機網絡通信中,串行通信應用非常廣泛.2.2.2 單工

22、、半雙工和全雙工通信1單工通信單工通信是指在兩個通信設備間,信息只能沿著一個方向被傳輸.采用單工通信時,在通信設備雙方中,一方為發(fā)送設備,另一方為接收設備,如圖2-7(a)所示.廣播和電視節(jié)目的傳送以及尋呼系統(tǒng)都屬于單工通信的例子.2半雙工通信半雙工通信是指兩個通信設備間的信息交換可以雙向進行,但不能同時進行.也就是說,在同一時刻僅能使信息在一個方向上傳輸,如圖2-7(b)所示.半雙工通信設備的兩端要求既要有發(fā)送設備,又要有接收設備,因此該方式需要具有信道轉換能力,通常用軟件控制換向,換向過程中存在換向的延遲時間問題,也可以采用人工操作機械開關的方法進行控制.典型的例子是對講機或計算機與終端的

23、通信.3全雙工通信全雙工通信是指兩個通信設備間可以同時進行兩個方向上的信息傳輸,如圖2-7(c)所示.通信雙方應同時具有發(fā)送和接收的功能,與通信站相接的傳輸設備和傳輸控制協(xié)議必須提供全雙工的工作方式,同時還應對緩存器作特殊的考慮,如想進行同時讀寫就要求在緩存器中也能同時釋放和分配存儲器.平時使用的手機類似于全雙工通信.圖2-7 3種通信方式2.2.3 異步傳輸與同步傳輸在數(shù)據通信中,有一個問題是必須要解決的,那就是同步問題.同步問題就是發(fā)送方發(fā)出數(shù)據后,接收方如何從接收到的連續(xù)不斷的信號中識別出數(shù)據從哪開始到哪結束.目前在串行傳輸中所采用的同步方式有兩種:一是異步傳輸方式,二是同步傳輸方式.1

24、異步傳輸方式異步傳輸方式又稱為起止式同步方式,它是以字符為單位進行傳輸?shù)?即每個字符都獨立傳輸,且每一字符的起始時刻可以為任意.每個字符在傳輸時都在字符前加上起始位和在字符后加上結束位,以表示一個字符的開始和結束.一般起始位信號的長度規(guī)定為1位的寬度,極性為“0”,結束位信號可以為1位、1.5位或2位的寬度,極性為“1”,其長度的選取與所采用的傳輸代碼類型有關.起始位和結束位的作用是實現(xiàn)字符的同步,字符之間的間距是任意的,但發(fā)送一個字符時,每個字符包含的位數(shù)都是相同的,且每一位占用的時間長度是雙方約定好的,并且保持各位都恒定不變,如圖2-8所示.在異步傳輸方式中字符可以被單獨發(fā)送或連續(xù)發(fā)送,字

25、符與字符的間隔期間可以連續(xù)發(fā)送“1”狀態(tài),當不傳字符時,不要求收發(fā)時鐘同步,僅在傳輸字符時,收發(fā)時鐘才需要在字符的每一位上同步.同步的具體過程是:若發(fā)送端有信息要發(fā)送時,即將信號從不發(fā)送信息的“1”狀態(tài)轉到起始態(tài)“0”,接收端檢測出這種信號狀態(tài)的改變時,就利用該信號的反轉啟動接收時鐘,以實現(xiàn)收、發(fā)時鐘的同步.同理,接收端一旦收到結束位,就將定時器復位以準備接收下一個字符.異步傳輸方式的優(yōu)點是每一個字符本身就包括了本字符的同步信息,不需要在線路兩端設置專門的同步設備;缺點是每發(fā)送一個字符就要添加一對起止信號,從而線路的開銷增加,傳輸效率低.異步傳輸方式常用于1200b/s的低速率數(shù)據傳輸中,目前

26、仍在廣泛使用.圖2-8 異步傳輸方式2同步傳輸方式同步傳輸方式是以固定的時鐘節(jié)拍來連續(xù)串行發(fā)送數(shù)字信號的一種方法.在數(shù)字信息流中,各位的寬度相同,且字符順序相連,字符之間沒有間隙.為使接收方能夠從連續(xù)不斷的數(shù)據流中正確區(qū)分出每一位(比特),則需要先建立收發(fā)雙方的同步時鐘.實際上,在同步傳輸方式中,不管是否傳送信息,要求收發(fā)兩端的時鐘都必須在每一位上保持一致.因此,同步傳輸方式又常被稱為比特或位同步.在同步傳輸中,數(shù)據的發(fā)送一般是以一組字符或比特流為單位進行發(fā)送的.為了使接收方容易確定數(shù)據組的開始和結束,需要在每組數(shù)據的前后加上特定字符作為起始和結束標志,同時還可以用這些標志來區(qū)分和隔離連續(xù)傳輸

27、的數(shù)據.特定標志字符一般隨不同的規(guī)程而有所不同.例如,在面向比特的高級數(shù)據鏈路控制規(guī)程HDLC中,采用比特串“01111110”作為起始和結束標志,如圖2-9所示.在暫時沒有信息傳輸時,連續(xù)發(fā)送“01111110”使接收端可以一直保持和發(fā)送端同步.圖2-9 HDLC中的同步傳輸方式實現(xiàn)同步傳輸方式中的收發(fā)時鐘同步的方法有兩種:外同步法和自同步法.外同步法就是在傳輸線中增加一根時鐘信號線以連接到接收設備的時鐘上,在發(fā)送數(shù)據信號前,先向接收端發(fā)一串同步時鐘脈沖,接收端則按照這個頻率來調整自己的內部時鐘,并把接收時鐘重復頻率鎖定在同步頻率上,該方法適用于近距離傳輸.自同步法是讓接收方從接收的數(shù)據流中

28、直接提取同步信號,以獲得與發(fā)送時鐘完全相同的接收時鐘,該方法常用于遠距離傳輸.同步傳輸克服了異步傳輸方式中的每一個字符都要附加起始和結束信號的缺點,具有較高的效率,但實現(xiàn)較為復雜,常用于大于2400b/s速率的傳輸.2.2.4 基帶傳輸與數(shù)字信號編碼1基帶傳輸在數(shù)據通信中,由計算機或終端等數(shù)字設備產生的、未經調制的數(shù)字數(shù)據相對應的電脈沖信號通常呈矩形波形式,即表示計算機中二進制數(shù)據比特序列的數(shù)據信號是典型的矩形脈沖信號,這個矩形脈沖信號就是基帶信號.基帶信號所占有(固有)的頻率范圍稱為基本頻帶,簡稱基帶.在通信信道中直接傳輸這種基帶信號的傳輸方式就是基帶傳輸,它將占用線路的全部帶寬,也稱為數(shù)字

29、基帶傳輸.2數(shù)字數(shù)據的數(shù)字信號編碼數(shù)字數(shù)據的數(shù)字信號編碼問題就是要解決數(shù)字數(shù)據的數(shù)字信號表示問題,數(shù)字數(shù)據可以由多種不同形式的電脈沖信號的波形來表示,數(shù)字信號是離散的電壓或電流的脈沖序列,每個脈沖代表一個信號單元(或稱碼元).最普遍且最容易的方法是用兩種碼元分別表示二進制數(shù)字符號“0”和“1”,每位二進制符號和一個碼元相對應.表示二進制數(shù)字的碼元的形式不同,產生的編碼方法也不同,這里主要介紹單極性全寬碼和歸零碼、雙極性全寬碼和歸零碼、曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼.(1)單極性全寬碼和歸零碼單極性全寬碼是指在每一個碼元時間間隔內,有電流發(fā)出表示二進制“1”,無電流發(fā)出表示二進制“0”.如圖2-

30、10(a)所示.每個碼元的1/2間隔為取樣時間,每個碼元的1/2幅度(即0.5)為判決門限,接收端對收到的每個脈沖信號進行判決,在取樣時刻,若該信號值在0至0.5之間就判為“0”碼,在0.5至1之間就判為“1”碼.全寬碼的信號波形占一個碼元的全部時間間隔,而歸零碼是指一個碼元的信號波形占一個碼元的部分時間間隔,其余時間信號波形幅度為“0”,如圖2-10(b)所示的就是單極性歸零碼.在每個碼元時間間隔內,當為“1”時,發(fā)出正電流,但發(fā)出電流的時間短于一個碼元時間,只發(fā)一個窄脈沖;當為“0”時,仍然不發(fā)出電流.由于為“1”時就有一部分時間不發(fā)出電流,幅度“歸零”,所以稱這種碼為歸零碼.圖2-10表

31、示的就是二進制序列“10110101”的單極性全寬碼和歸零碼.采樣時間是對準脈沖中心的,判決門限為0.5.圖2-10 二進制序列“10110101”的單極性全寬碼和歸零碼(2)雙極性全寬碼和歸零碼雙極性全寬碼是指在一個碼元時間間隔內,發(fā)正電流表示二進制的“1”,發(fā)負電流表示二進制的“0”,正向幅度與負向幅度相等.這種情況下的判決門限定為0電平,在接收端對收到的每個脈沖信號進行判決,在取樣時刻,若該信號值在0電平以下就判為“0”碼,在0電平以上就判為“1”碼.雙極性歸零碼是在一個碼元時間間隔內,當為“1”時,發(fā)出正的窄脈沖;當為“0”時,發(fā)出負的窄脈沖.圖2-11表示的就是二進制序列101101

32、01的雙極性全寬碼和歸零碼.采樣時間是對準脈沖中心的,判決門限為0.圖2-11 二進制序列“10110101”的雙極性全寬碼和歸零碼(3)曼切斯特編碼和差分曼切斯特編碼曼切斯特編碼的編碼方法是將每一個碼元再分成兩個相等的間隔.當為“0”時,在間隔的中間時刻,從低電平變?yōu)楦唠娖?當為“1”時,在間隔的中間時刻,從高電平變?yōu)榈碗娖?這種編碼的特點就是在每一個碼元時間間隔內,都有一次電平的跳轉,對提取位同步信號非常有利.以太網中采用的就是這種編碼技術.差分曼切斯特編碼的編碼方法是在每一個碼元時間間隔內,無論為“0”或為“1”,在間隔的中間都有電平的跳轉.但為“0”時,間隔開始時刻有跳轉;當為“1”時

33、,間隔開始時刻無跳轉.與曼切斯特編碼的不同之處在于每位中間的跳轉作為同步時鐘信號,而取值是“0”還是“1”則根據每一位的起始處有沒有變化來判斷.令牌環(huán)網中采用的就是這種編碼.曼切斯特編碼和差分曼切斯特編碼分別如圖2-12(a)和圖2-12(b)所示.圖2-12 曼切斯特編碼和差分曼切斯特編碼2.2.5 頻帶傳輸與模擬信號編碼1頻帶傳輸由于基帶信號頻率很低,含有直流成分,在遠距離傳輸過程中信號功率的衰減或干擾將造成信號減弱,使得接收方無法接收,因此基帶傳輸不適合于遠距離傳輸;又因遠距離通信信道多為模擬信道,所以,在遠距離傳輸中不采用基帶傳輸而是采用頻帶傳輸.頻帶傳輸就是先將基帶信號(數(shù)字信號)進

34、行調制后變換成便于在模擬信道中傳輸?shù)?、具有較高頻率范圍的信號,這種信號稱為頻帶信號(也叫模擬信號),再將這種頻帶信號在信道中傳輸.在接收端再將該頻帶信號通過解調還原成基帶信號.基帶信號和頻帶信號的變換是由調制解調技術完成的,完成調制、解調的設備叫做調制解調器.計算機網絡系統(tǒng)的遠距離通信通常都是采用頻帶傳輸.2數(shù)字數(shù)據的模擬信號編碼我們已經知道,在計算機網絡的遠程通信中通常采用頻帶傳輸.若要將基帶信號進行遠程傳輸,要先將其變換為頻帶信號,再在模擬信道上進行傳輸,這個變換就是數(shù)字數(shù)據的模擬信號的編碼過程(即調制過程).所謂調制就是進行波形變換,利用基帶信號對高頻震蕩載波的參量進行修改.最常用的載波

35、是正弦波,假設振幅為1、頻率為f、初相位為,則對應的數(shù)學表達式為:u(t)sin(ft+).通過對載波的振幅、頻率和初相位進行修改,分別對應了3種最基本的調制方法:調幅、調頻和調相,如圖2-13所示.(1)調幅(A米).載波的振幅隨基帶數(shù)字信號的變化而變化,如“0”對應于無載波輸出,即振幅為0;而“1”對應于有載波輸出,即振幅為1,對應的數(shù)學表達式為:數(shù)1數(shù)0數(shù)0數(shù)1數(shù)1數(shù)0u(t)(2)調頻(F米).載波的頻率隨基帶數(shù)字信號的變化而變化,如“0”對應于頻率f1,而“1”對應于頻率f2,對應的數(shù)學表達式為:u(t)(3)調相(P米).載波的初相位隨基帶數(shù)字信號的變化而變化,如“0”對應于相位1

36、80,而“1”對應于相位0,對應的數(shù)學表達式為:u(t)圖2-13 基帶數(shù)字信號的3種調制波形2.2.6 模擬數(shù)據的數(shù)字信號編碼模擬數(shù)據的數(shù)字信號編碼常用的方法有脈沖編碼調制(P厘米)和增量調制(米),現(xiàn)以P厘米方法為例介紹.P厘米方法以取樣定理為基礎,將模擬數(shù)據數(shù)字化.例如對音頻信號進行數(shù)字化編碼,一般包括取樣、量化、和編碼3個過程.(1)取樣.取樣是指在每隔固定長度的時間點上抽取模擬數(shù)據的瞬時值,作為從這一次取樣到下一次取樣之間該模擬數(shù)據的代表值.根據取樣定理,當取樣的頻率F大于或等于模擬數(shù)據的頻帶寬度(模擬信號的最高變化頻率F米ax)的2倍(即F2F米ax)時,所得的離散信號可以無失真地

37、代表被取樣的模擬數(shù)據.取樣的結果是變連續(xù)的模擬信息為離散信息.取樣也可以稱為抽樣或采樣.(2)量化.量化就是把取樣得到的不同的離散幅值,按照一定的量化級轉換為對應的數(shù)據值,并取整數(shù),得到離散信號的具體數(shù)值.所取的量化級越高,表示離散信號的精度越高.(3)編碼.編碼是將量化后的離散值轉換為一定位數(shù)的二進制數(shù)值.通常,當量化級為N時,對應的二進制數(shù)為log2 N.2.3 多路復用技術在遠距離通信中,為了高效合理地利用傳輸介質,通常采用多路復用技術,人們把利用一條物理信道同時傳輸多路信號的過程稱為多路復用.多路復用技術是使多路數(shù)據信號共同使用一條線路進行傳輸?shù)募夹g,使多個計算機或終端設備共享信道資源

38、,提高信道的利用率.特別是在遠距離傳輸時,可大大節(jié)省電纜的成本、安裝與維護費用.實現(xiàn)多路復用功能的設備是多路復用器.多路復用技術如圖2-14所示.圖2-14 多路復用技術多路復用技術通常有:頻分多路復用技術、時分多路復用技術、波分多路復用技術和碼分多路復用技術.2.3.1 頻分多路復用頻分多路復用技術(FD米)是按照不同的頻率來區(qū)分信號的一種方法,將傳輸頻帶劃分為若干個較窄的頻帶,每個頻帶傳送一路信號,形成一個子信道.一個具有一定帶寬的線路可以劃分為若干個頻率范圍,相互之間沒有重疊,同時,為了避免兩個相鄰頻段的相互干擾,頻段之間必須保留一定的縫隙,稱為保護頻帶.這樣,頻分復用的所有用戶在同樣的

39、時間內占用不同的頻帶資源.頻分多路復用技術如圖2-15所示.圖2-15 頻分多路復用技術頻分多路復用常用于模擬信號的傳輸,如收音機、電視機等,也用于寬帶網絡.載波電話通信系統(tǒng)是頻分多路復用的典型例子.2.3.2 時分多路復用時分多路復用技術(TD米)是將通信信道傳輸數(shù)據的時間劃分成等長的時分復用幀(即TD米幀),每一個TD米幀再劃分成若干等長的時間片,每一個時分復用的用戶在每個TD米幀中占用固定序號的時間片來使用公共線路,在其占用的時間片內,信號獨自使用信道的全部帶寬.時分多路復用技術如圖2-16所示.圖2-16 時分多路復用技術從圖上可以看出一個用戶所占用的時間片是周期出現(xiàn)的,這個周期就是一

40、個時分復用幀的長度.時分復用技術的優(yōu)點是技術比較成熟,缺點是不夠靈活,如當用戶在某一段時間暫時無數(shù)據傳輸時(例如用戶正在鍵盤上輸入數(shù)據或正在瀏覽屏幕上的信息),也只能讓已經分配到手的子信道空閑著,而其他用戶卻不能使用這個暫時空閑的信道資源.統(tǒng)計時分復用技術就是一種改進的時分復用技術,它能明顯地提高信道的利用率.統(tǒng)計時分復用(STD米)是使用STD米幀來傳輸數(shù)據的,但每一個STD米幀中劃分的時間片的數(shù)目要小于進行復用的用戶數(shù),每一幀中的時間片不再是固定分配給某個用戶,而是按需動態(tài)地給每個用戶分配時間片.統(tǒng)計時分多路復用技術如圖2-17所示.統(tǒng)計時分復用又稱為異步時分復用,而普通的時分復用則稱為同

41、步時分復用.需說明的是這里的幀與數(shù)據鏈路層的幀不是一個概念.圖2-17 統(tǒng)計時分多路復用技術時分多路復用技術通常用于數(shù)字信號的傳輸,也可用于模擬信號的傳輸.時分多路復用在任一時刻只傳送一種信號,多路信號分時的在信道中進行傳輸,而頻分多路復用是在任一時刻,同時傳送多路信號,各路信號占用的頻帶不同.2.3.3 波分多路復用波分多路復用技術(WD米)就是光的頻分復用,是把光波波長分割復用,在一根光纖中同時傳輸多波長的光信號的一種技術.波分多路復用技術的基本原理是在發(fā)送端將不同的光信號組合起來(也即是復用過程),然后耦合到光纜線路上,再用一根光纖進行傳輸;在接收端將組合波長的光信號區(qū)分開來(即解復用過

42、程),再通過進一步處理恢復出原信號后送入不同的終端.波分多路復用技術實質上是利用了光具有不同波長的特征.WD米的原理十分類似于FD米,不同的是它利用波分復用設備將不同信道的信號調制成不同波長的光,并復用到光纖信道上.在接收方,采用波分設備分離不同波長的光.相對于電多路復用器,WD米發(fā)送和接收端的器件分別稱為分波器和合波器.光波多路復用技術除WD米外,還有密集波分技術(DWD米),光纖的密集波分技術可極大地增加光纖信道的數(shù)量,從而充分利用光纖的潛在帶寬,是計算機網絡今后使用的重要技術.2.3.4 碼分多路復用碼分多路復用技術(CD米)是一種用于移動通信系統(tǒng)的新技術,筆記本電腦和掌上電腦等移動性計

43、算機的聯(lián)網通信將會大量使用碼分多路復用技術.碼分多路復用的基礎是微波擴頻通信,其特點是頻率和時間資源均為共享.因此,在頻率和時間資源緊缺的情況下,CD米技術將獨具魅力,越來越受到人們的關注.2.4 數(shù)據交換技術各種數(shù)據經過編碼后要在通信線路上進行傳輸,最簡單的形式是用傳輸介質將兩個端點直接連接起來進行數(shù)據傳輸.但是,每個通信系統(tǒng)都采用把收發(fā)兩端直接相連的形式是不可能的,一般要通過一個由多個節(jié)點組成的中間網絡來把數(shù)據從源節(jié)點轉發(fā)到目的節(jié)點,以此實現(xiàn)通信.這個中間網絡不關心所傳輸數(shù)據的內容,而只是為這些數(shù)據從一個節(jié)點到另一個節(jié)點直至到達目的節(jié)點提供交換的功能.數(shù)據交換是多節(jié)點網絡中實現(xiàn)數(shù)據傳輸?shù)挠?/p>

44、效手段.常用的數(shù)據交換方式有兩大類:電路交換和存儲轉發(fā)交換,存儲轉發(fā)交換又可分為報文交換和報文分組交換方式.2.4.1 電路交換電路交換也叫線路交換,是數(shù)據通信領域最早使用的交換方式.電路交換方式與電話交換方式基本相同,即在兩臺計算機通過通信子網進行數(shù)據交換之前,必須在通信子網中建立一個實際的物理線路連接.1電路交換的基本工作原理電路交換過程主要有3個階段:線路建立、數(shù)據傳輸和線路釋放.電路交換的基本工作原理如圖2-18所示.圖2-18 電路交換的基本工作原理(1)線路建立階段如果主機HA 要向主機HB傳輸數(shù)據,那么首先要通過通信子網在HA與HB之間建立線路連接.HA首先向通信子網節(jié)點A發(fā)送“

45、呼叫請求包”.“呼叫請求包”內含有需要建立線路連接的源主機地址和目的主機地址.節(jié)點A根據目的主機地址,啟動路由算法選擇下一個節(jié)點如果為B,則向節(jié)點B發(fā)送“呼叫請求包”;節(jié)點B收到呼叫請求后,同樣根據路選算法,如選擇下一個節(jié)點為C,節(jié)點B向節(jié)點C發(fā)送“呼叫請求包”;節(jié)點C收到呼叫請求后,也要根據路選算法,選擇下一個節(jié)點為D,節(jié)點C向節(jié)點D發(fā)送“呼叫請求包”;節(jié)點D收到呼叫請求后,向與其直接連接的HB發(fā)送“呼叫請求包”;HB如接受HA的呼叫連接請求,則通過已經建立的物理連接DCBA,向HA發(fā)送“呼叫應答包”.至此,從HAABCDHB的專用物理線路連接建立完成,該物理連接為此次HA與HB的數(shù)據交換提

46、供服務.(2)數(shù)據傳輸階段在HA與HB通過通信子網的物理線路建立連接以后,就可以通過該連接將數(shù)據從源站發(fā)往目的站了,線路連接是全雙工的,即數(shù)據可以在兩個方向進行傳輸.在整個數(shù)據傳輸過程中,所建立的連接必須始終保持連接狀態(tài).(3)線路釋放階段數(shù)據傳輸完成后,進入線路釋放階段.一般由HA向HB發(fā)送“釋放請求包”,HB同意結束傳輸、釋放線路后,將向節(jié)點D發(fā)送“釋放應答包”;建立的物理連接將由DCBA逐節(jié)點釋放,將線路的使用權交還給網絡,以供其他用戶使用,至此結束此次通信. 電路交換屬于電路資源預分配系統(tǒng),即每次通信時,通信雙方都要連接電路,且在一次連接中,電路被預分配給一對固定用戶.不管該電路上是否

47、有數(shù)據傳輸,其他用戶都不能使用該電路,直至通信雙方要求釋放此電路為止.2電路交換的特點電路交換方式的特點是在整個連接路徑中均采用物理連接,它具有以下的一些優(yōu)點:信息傳輸延遲(時延)小;電路是透明的;信息傳送的吞吐量大.采用電路交換方式傳送數(shù)據的缺點是:所占用的帶寬是固定的,造成網絡資源的利用率較低;由于通信的傳輸通路是專用的,采用電路交換方式進行數(shù)據通信的效率較低;通信雙方在信息傳輸速率、編碼格式、同步方式、通信規(guī)程等要完全兼容,不同速率和不同通信協(xié)議之間的用戶不能通信.采用電路交換方式進行的數(shù)據通信,可以用于公用交換網,即電話網,以及專線方式,如數(shù)字數(shù)據網DDN.電路交換適用于信息量大的場合

48、.2.4.2 報文交換報文交換采用“存儲-轉發(fā)”技術,將要發(fā)送的信息分成若干個報文正文,報文交換方式是以報文為單位來交換信息的.存儲轉發(fā)的原理是輸入的信息在交換設備控制下,先在存儲區(qū)暫存,并對存儲的信息進行處理,待指定輸出線空閑時,再分別將信息轉發(fā)出去.1報文交換的工作原理報文交換的過程是:發(fā)送方先把待傳送的信息分為多個報文正文,在報文正文上附加發(fā)送方和接收方的地址及其他控制信息,形成一份完整的報文;然后,以報文為單位在交換網絡的各個節(jié)點間進行傳送;節(jié)點在接收到整個報文后對報文進行緩存和必要的處理,等到指定輸出端的線路和下一個節(jié)點空閑時,再將報文轉發(fā)出去,直到目的節(jié)點;目的節(jié)點將收到的各份報文

49、按原來的順序進行組合,然后再將完整的信息交付給接收端計算機或終端.2報文交換的特點報文交換的優(yōu)點是:交換過程沒有電路連接,可以采用多路復用技術,從而提高線路的利用率;用戶不需要叫通對方就可以發(fā)送報文;容易實現(xiàn)不同類型的終端之間的通信.報文交換的缺點是:數(shù)據延遲較大,不利于實時通信;要求交換機有高速處理能力及大的存儲容量,因此增加了設備的開銷.2.4.3 分組交換分組交換采用的也是“存儲-轉發(fā)”技術,但它把報文分割成若干較短的按一定格式組成的報文分組(也叫包)來進行交換和傳輸.由于報文分組長度較短,傳輸差錯檢錯容易,出錯重發(fā)花費的時間較少,這樣有利于提高存儲-轉發(fā)節(jié)點存儲空間的利用率和傳輸效率,

50、因此分組交換(包交換)成為計算機網絡中使用最廣泛的一種交換技術.分組交換技術在實際應用中又分為兩類:虛電路分組交換和數(shù)據報分組交換.(1)虛電路分組交換虛電路分組交換是在傳送數(shù)據前必須在發(fā)送端和接收端之間建立一條邏輯連接,數(shù)據按照事先建好的路徑順序進行傳輸.傳送數(shù)據量較大時,通常采用虛電路方式.(2)數(shù)據報分組交換數(shù)據報分組交換中每個分組的大小有嚴格的限制,每個數(shù)據報自身攜帶足夠的地址信息.各數(shù)據報所走的路徑不一定相同,各數(shù)據報到達目的地的順序也可能不同,有的數(shù)據報甚至可能會丟失.(3)分組交換的特點分組交換的優(yōu)點是:采用“存儲-轉發(fā)”方式,不獨占信道;信息傳輸延遲較小;為不同通信規(guī)程的數(shù)據終

51、端間能相互通信提供了會話環(huán)境;可靠性高.分組交換的缺點是:技術實現(xiàn)復雜,軟件及硬件結構都較為復雜;網絡附加的信息較多.分組交換主要應用于計算機終端連網,這部分內容將在3.2.4節(jié)進行詳細介紹.2.4.4 交換技術的比較如圖2-19所示為電路交換、報文交換與分組交換的數(shù)據傳輸特點和主要區(qū)別,圖中A和D分別是源站點和目的站點,而B和C是中間節(jié)點.圖2-19 3種交換技術的比較從圖中可以看出,不同交換技術適用于不同場合.若要連續(xù)傳送大量的數(shù)據,而且傳送時間遠大于呼叫建立的時間,則采用在數(shù)據通信之前預先分配傳輸線路的電路交換較為合適.報文交換和分組交換不需要預先分配傳輸線路,在傳送突發(fā)數(shù)據時可提高整個

52、網絡的信道利用率.分組交換比報文交換的延遲小,但其節(jié)點交換機必須具有更強的處理能力.另外,當端到端的通路是由很多段鏈路組成時,采用分組交換傳送數(shù)據比用電路交換有一個好處,那就是采用電路交換時,只要整個通路中有一段鏈路不能用,則通信就不能進行,但分組交換可以將數(shù)據一段一段地像接力賽那樣傳過去.2.4.5 高速交換技術目前常用的數(shù)據交換方式主要是電路交換和分組交換,但近幾年又出現(xiàn)了綜合電路交換和分組交換的高速交換方式,也叫混合交換方式.混合交換方式采用動態(tài)時分復用技術,將一部分帶寬分配給電路交換用,而將另一部分帶寬分配給分組交換用,這兩種交換所占的帶寬比例也是動態(tài)可調的,以便使這兩種交換都能得到充

53、分利用,提供多媒體傳輸服務.典型的AT米(異步傳輸模式)、DQDB(分布式隊列雙總線)等均屬混合交換,它們同時提供等時電路交換和分組交換服務.FR(幀中繼)交換也是近年來發(fā)展起來的高速交換技術.2.5 差錯控制技術數(shù)據通信系統(tǒng)的基本任務是高效而無差錯地傳輸數(shù)據.為了減少傳輸差錯,保證通信系統(tǒng)的傳輸質量,通常采用兩種基本方法:一是改善線路質量,采用誤碼率低的線路,二是對系統(tǒng)進行差錯控制,即差錯檢測和糾正.差錯控制就是為防止由于各種噪聲干擾等因素引起的信息傳輸錯誤或將差錯限制在所允許的盡可能小的范圍內而采取的措施,這是一種主動式的防范措施.2.5.1 差錯產生的原因所謂“差錯”就是在通信接收端收到

54、的數(shù)據與發(fā)送端實際發(fā)出的數(shù)據不一致的現(xiàn)象.任何一條遠距離通信線路,都不可避免地存在一定程度的噪聲干擾,這些噪聲干擾的后果就可能導致差錯的產生.傳輸中的差錯主要是由熱噪聲引起的,熱噪聲有隨機熱噪聲和沖擊熱噪聲兩大類.隨機熱噪聲是通信信道上固有的、持續(xù)存在的熱噪聲,如線路本身電氣特性隨機產生的信號幅度、頻率、相位的畸變和衰減,電氣信號在線路上產生反射造成的回音效應,相鄰線路之間的串擾等,這種熱噪聲具有不固定性.沖擊熱噪聲是由外界某種原因突發(fā)產生的熱噪聲,如大氣中的閃電、電源開關的跳火、外界強電磁場的變化、電源的波動等.沖擊熱噪聲比隨機熱噪聲幅度大,是引起傳輸差錯的主要原因.由于熱噪聲會造成傳輸中的

55、數(shù)據信號失真,產生差錯,所以在傳輸中要盡量減少或避免由于熱噪聲的影響而產生的差錯,而在通信系統(tǒng)中,熱噪聲干擾是不可避免的.因此,沒有差錯控制的傳輸通常是不可靠的.如圖220所示的就是差錯產生的過程示意圖.當數(shù)據從信源發(fā)出,經過通信信道時,由于通信信道總是有一定的噪聲存在,在到達信宿時,接收信號是發(fā)送信號與噪聲的疊加.在接收端,接收電路在取樣時間判斷信號電平時,如果噪聲對信號疊加的結果在最后電平判決時出現(xiàn)錯誤,則就會引起傳輸數(shù)據的錯誤.圖2-20 差錯產生的過程示意圖2.5.2 常用的差錯控制編碼方法差錯控制編碼方法的基本思想是通過對信息序列進行某種變換,按一定規(guī)則增加一些冗余碼,使原來彼此獨立

56、的、沒有相關性的信息碼產生某種相關性,接收端據此來檢查和糾正傳輸信息序列中的差錯.這種以一定方式在信息序列中加入冗余碼的過程就是差錯控制編碼.常用的檢錯碼主要有奇偶校驗碼、循環(huán)冗余碼等.1奇偶校驗碼奇偶校驗碼是一種最常見的檢錯碼.在傳輸ASCII字符時,每個ASCII字符用7位來表示,最后加上一個奇偶校驗位,以便檢測差錯.在奇校驗中,在每一個字符上增加一個附加位,使得該字符中“1”的個數(shù)為奇數(shù),如果接收方接收的數(shù)據中“1”的個數(shù)是奇數(shù)時,就認為傳輸正確,否則就認為傳輸錯誤.在偶校驗中,也在每個字符上增加一個附加位,使得該字符中“1”的個數(shù)為偶數(shù),如果接收方接收的數(shù)據中“1”的個數(shù)是偶數(shù)時,就認

57、為傳輸正確,否則就認為傳輸錯誤.奇偶校驗方法非常簡單,但并不十分可靠,奇偶校驗一般只用于通信要求較低的環(huán)境.通常偶校驗用于異步傳輸或低速傳輸,奇校驗用于同步傳輸.2循環(huán)冗余碼(CRC)循環(huán)冗余碼又稱多項式碼.循環(huán)冗余碼校驗具有良好的數(shù)學結構,易于實現(xiàn),發(fā)送端編碼器和接收端檢測譯碼器的實現(xiàn)較為簡單,同時,具有十分強的檢錯能力,特別適合于檢測突發(fā)性的錯誤,在計算機網絡中得到了廣泛的應用.現(xiàn)將計算CRC碼的校驗序列碼的過程概括如下.(1)在發(fā)送端,設發(fā)送數(shù)據的二進制信息碼為米位,F(x)為這米位信息碼對應的多項式,即發(fā)送數(shù)據比特序列是多項式F(x)的系數(shù),G(x)為k階生成多項式(其對應的二進制碼為

58、k+1位),即k是生成多項式的最高次冪,G(x)是雙方預先約定的生成多項式,F(x)xk的意義就是數(shù)據比特序列左移k位,尾部加上k個“0”(用于存放下面計算出的余數(shù)R(x)對應的k位二進制碼).(2)CRC校驗碼采用二進制模2算法,即加法不進位,減法不借位,這是一種異或算法,也就是兩個數(shù)值相同取0,兩個數(shù)值不同取1.采用二進制模2算法將F(x)xk除以多項式G(x)得:(F(x)xk)/G(x)Q(x)R(x)/G(x)其中R(x)為余數(shù)多項式,R(x)對應的比特序列有k位,這k位二進制碼即是求得的CRC碼的校驗序列碼.(3)將F(x)xk R(x) 作為整體,從發(fā)送端通過通信信道傳送到接收端

59、,即實際發(fā)送的數(shù)據為:數(shù)據字段校驗碼字段F(x)xk R(x)(4)在接收端,若接收到的比特序列所對應的多項式能被G(x)整除,則說明接收的數(shù)據正確,否則認為接收的數(shù)據錯誤.確定數(shù)據接收正確后,把收到的編碼信息尾部的校驗序列碼去掉即可恢復與發(fā)送信息相同的信息.2.5.3 差錯控制機制1差錯控制方法檢錯法,是在要發(fā)送的數(shù)據塊上附加冗余位,使接收方知道有差錯發(fā)生,但不知道是什么樣的差錯,然后向發(fā)送方請求重傳,常用的是奇偶校驗碼和CRC循環(huán)冗余校驗碼.糾錯法,是在要發(fā)送的數(shù)據塊上附加足夠的冗余信息,使接收方能夠推導出已發(fā)出的數(shù)據應該是什么,常用的是海明校驗碼.2差錯控制基本方式差錯控制基本方式主要有

60、檢錯反饋重發(fā)、前向糾錯和混合糾錯3種.(1)檢錯反饋重發(fā)檢錯反饋重發(fā)又稱自動請求重發(fā),簡稱ARQ.工作原理:發(fā)送端對所發(fā)送的序列進行差錯控制編碼,接收端根據檢驗序列的編碼規(guī)則判決有無誤碼,若發(fā)現(xiàn)有誤碼,則利用反向信道要求發(fā)送端重發(fā)有錯的信息,直至接收端檢測認為無誤為止,從而達到糾正差錯的目的,它可以工作于半雙工鏈路和全雙工鏈路上.工作于半雙工鏈路上的又叫停止等待ARQ,發(fā)送端在發(fā)完一組信息后就停下來等待接收端由反饋信道送回的判決信號.如果送回的是“否認”(NAK)或收到的是“否認”信號,在計時器停止計時前則需重發(fā)該組信號.如收到“肯定”(ACK)信號,則繼續(xù)發(fā)送下一組.這種方式常用于面向字符的