数据通信原理与技术.ppt

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1、1,数据通信的基本原理与技术 网络的功能是依靠数据的传输来实现的,本章将介绍数据通信的基础知识,包括数据编码与传输、数据的交换技术、多路复用技术、差错控制等内容。2.1 数据传输基础2.1.1 数据传输系统 信息:是对客观事物全部或部分特性的描述。可以是事物的形态、大小、结构、性能,还可以是相互关系等的描述。存在形式有多种,如文字、声音、图象等。数据:数字化的信息称为数据。数据是信息的载体,信息是数据的内涵。,2,模拟数据:具有连续值的数据称为模拟数据。如声音的强度、灯光的强度等。数字数据:其值是离散的数据称为数字数据。如成绩、名次等。信号:是数据的电编码或电磁编码。模拟数据的编码是模拟信号,

2、是连续变化的电磁波;数字数据的编码是数字信号,是一串电压脉冲序列。两种信号可以互相转换。信号可以在传输媒体(介质)上传输。如双绞线、同轴电缆、光缆等。目前构成计算机网络的计算机与终端设备都是数字式的,它们之间交换的信息均属于离,3,散的数字序列(例如0101101)的形式。数据通信系统所要传输的数据信息(包括控制信息)就是这些二进制序列。而在通信线路上既可以传输模拟信号,也可以传输数字信号。数据传输系统的模型如图2.1.1所示。,4,两端的计算机(终端)是信息源或信息宿。编(译)码器是将计算机的并行数据转换成适合线路传送的串行数据序列,或将串行数据序列转换成并行数据。有时为了适应控制规程还需要

3、加入其他代码。信号变换器是将编(译)码器输出的编码信号转换成适合于信道传输的模拟信号,或将信道传输的模拟信号变换为待译码信号,信号变换器通常为调制解调器。2.1.2 信道 信道(channel):是通信中传输信息的通道,它由相应的发送信息和接受信息的设备以及传输介质组成。同一传输介质可有多个信道。,5,信道分类:按信号类型可分为模拟信道、数字信道;按用途分可分为专用信道(租用)和公共信道;按传输介质可分为有线信道、无线信道。1信道带宽(band)信道带宽是指信道上能传送信号的最大频率(每秒钟信号变化的周期数),单位以Hz(赫兹)表示。(注意:频率、周期、波长的关系)大家知道,电信号都是以光速传

4、输,即3108ms。对于一个方波信号而言,如果其宽度为3108m,那么每秒钟只能传输一个二进制比特。如果信号的宽度为100m,那么每秒钟能传输3108100=3106个二进制比特。如果带宽为4000Hz,表示该信道最多,6,可以以 每秒4000次的速率发送信号,见图2.1.2。,又如电话信道的带宽是300Hz3400Hz。,7,2信道容量(Capacity)信道容量是指单位时间内信道上所能传输的最大比特数,单位用bps(或b/s)表示。噪声:干扰信号即为噪声。噪声有四种:(1)热噪声:在通信设备和介质中电子的热震动引起的噪声,也称为白色高斯噪声,其值为n0kT,k为玻耳兹曼常数1.380710

5、-23焦/开,T为温度,开(开氏温标,绝对温标,0273.15开)。(2)内调制杂音:同一信道中,两个频率的信号和与第三个信号的频率相近或相同,将干扰第三个信号。(3)串扰:由电耦合产生。(4)脉冲噪声:意外的电磁干扰。,8,任何信道都存在噪声,因此信道带宽的增加,不能无限增加信道的容量。香农(Shannon)在1948年给出了著名的香农定理,指出了信道带宽与容量之间的关系。CW log2(1+S/N)(bps)C:信道容量,W:信道带宽,SN:信噪比,S:信号功率,N:噪声功率。(1)信噪比S/N一般用分贝dB表示,dBl0logl0(S/N)。若信噪比为10dB,则l0 log10(S/N

6、)10,S/N10;若信噪比为20dB,则l0 log10(S/N)20,S/N102;若信噪比为30dB,则l0 log10(S/N)30,S/N103;,9,提高信噪比能提高信道容量。(2)当噪声功率N0时,信道容量,此时每秒所能传输的最大比特数D由奈奎斯特(Nyquist)定理决定。D2W log2 K(bps)K为传输系统所采用的逻辑值数,如使用二值逻辑(0,1),K2,D2W。(3)在有噪声的情况下,增加信道带宽不能无限增大信道容量。当噪声为白色高斯噪声时,其噪声功率NW n0(n0为单位功率密度,与温度有关)。从而使得limClimWlog2(1+S/(n0W)(S/n0)log2

7、 e1.44(S/n0)W,10,(4)信道容量一定时,提高信噪比与提高带宽具有等价意义。由香农定理,我们可以推知:(1)近距离传输时,如果噪声较小,信号功率损耗低,可以采用未经调制的信号直接传输。此时所传输的信息量只与信号带宽有关。(2)远距离传输时,必须提高信噪比。除了选择好的信号调制方式外,更重要的一点就是提高信号功率,例如使用中继器。(3)当信道容量一定时,如果信号频率过低,则造成信道浪费,可使不同的信息源共享信道,即信道复用。,11,例1 一条带宽为3kHz,信噪比为30dB的信道,其信道容量为多少?如传输一幅画面,有2.25106个像素、256种颜色的图片,需要传输多长时间?解:(

8、1)根据香农定理 CW log2(1+SN)3l03 log2(1+1000)31033.32 log101001 29.9103bps(2)256色使用二进制数需要8位,因此一幅图片要传输的信息量为:2.25106818106比特 传输时间为:需要传输的信息量信道容量,12,18106(29.9103)6.02102秒10分2.1.3 传输速率 1波特 在数据系统中,每秒钟传送的脉冲数Nb即为波特,可用下式表示:Nb1Ts(波特)式中,Ts表示脉冲宽度,单位为s。2比特秒(bps)比特秒是信息系统每秒钟所传送的信息量,也称为数据传输速度或信息速度。若信息传送的是二进制码元,则波特与比特秒是相

9、同的。,13,2.2 数据传输方式 数据是信息的载体。在通信中,数据需要变成可在传输介质上传输的信号来发送,信号是数据的电或电磁的编码,分模拟和数字两种。数据的传输可采用不同的形式,本节将对各种通信方式进行简要的介绍。2.2.1 数字数据通信与模拟数据通信 数字数据通信:以数字信号在信道中传输数据称为数字数据通信。一般以高电平代表1,以低电平代表0,是一串电压脉冲方波序列。模拟数据通信:以模拟信号在信道中传输数据称为模拟数据通信。模拟信号采用载波信号传输,一般采用正弦波。参见图2.2.1。,14,图2.2.1 数字信号和模拟信号,15,信号在传输一定距离后,会由于波幅的衰减、噪声的介入而失真,

10、需要每隔一定距离将信号中继放大,但同时噪声也得到了放大,引起误差,且误差是沿途累加的。对于模拟信号,这种失真是不可避免的。而数字信号只要在信号还能辨认时还原,放大后再传送,信号的正确性将不受影响。但数字信号比模拟信号易衰减,且数字信号不能用卫星系统或微波系统发送。模拟信号和数字信号可以互相转换,因而可以用两种信号来传输。利用调制解调器(Modem),可以把数字数据转变成模拟信号来表示,调制解调器通过一个载波频率把一串二进制电压脉冲转换成模拟信号。大多数通用的调制解调器都用音频频谱来表示数字数据,因此能使,16,那些数据在普通的电话线上传播。在线路的另一端,调制解调器再把信号解调为原来的数据。模

11、拟数据也可以用数字信号来表示。与调制解调器的功能相反,对于声音数据来说,可用编码解码器(CODEC)来完成这种功能。实际上,编码解码器接收一个直接表示声音的模拟信号,然后用二进制位流近似地表示这个信号。在线路的另一端,二进制位流被重新构造成模拟数据。2.2.2 串行传输和并行传输 串行传输:一次传送一个二进制位(即一个比特),按照字符所包含的比特的顺序,依次传送,到达终点后,再由通信接收装置将其还原成字符。,17,并行传输:一次传送一个字节(即8个数据位)。因而并行传输要比串行传输快得多。并行传输在单位时间内传送的信息量比串行速度提高了很多倍。计算机网络中大多采用的是串行传输。为什么要采用串行

12、传输呢？这是因为并行数据传送要求在两台互相通信的设备之间安装一根至少含有8条数据线的电缆。在短距离的情况下,当速度要求高时,还可采用。对于长距离的数据传送来说,一般采用串行传输方式。串行传输时,计算机或终端的输出设备将8位的数据同时送到串行转换设备上,而这些数据位则被依次送到目的端点。因此,在发送端,并行数据位流必须经过变换变成串行数据位流,在接收端又通过变换变回到并行数据位流。通信链路需进行大量的工作,被,18,传送的数据在接收端才可以使用。串行数据线有以下三种不同配置:(1)单向(或单工)配置,只允许数据向一个方向流动;如图2.2.2所示。,19,(2)半双向(或半双工)配置,允许数据向两

13、个方向的任一方向流动,但是,在每一时刻只能朝一个方向流动,如图2.2.3所示。,20,(3)全双向(或全双工)配置,它允许数据同时向两个方向传送,因此,全双向配置是一对单向配置,它要求两端的通信设备都具有完整和独立的发送和接收能力,如图2.2.4所示。,21,2.2.3 异步传输与同步传输 在串行数据传送中,接收方必须与发送方以相同的速率在相同的起止时间内接收数据,才能保证接收到的数据是准确的。相同的速率可以预先定义,相同的起止时间需要在发送时告知接收方,这样的措施称为同步。常用的同步方式有:异步方式和同步方式。1异步传输 异步传输:是一次传输一个字符(58位),在每个字符前加一个起始位,在结

14、尾加一个(1位或2位)停止位,用于对传输的字符进行同步。见图2.2.5(a),22,起始码为一位,编码为1(高电平),停止码为一位或两位(取决于数据的传输速率),编码为0(低电平)。平时,没有数据发时,线路一直处于停止位(低电平)状态,接收方根据从0到1的跳变来识别一个新字符的开始,并开始接收字符,按约定接收完规定位(58位)后,线路转为停止位状态,而后等待接收下一位。这种方式,每个字符所含位数是相同的,起始位,23,和停止位对字符起了同步作用,但字符间的间隔没有规定,因此对字符间来说是不同步的,所以称为异步传输。为了防止发送方和接收方的时钟漂移,它们的时钟必须同步。一种方法是在发送方和接收方

15、之间提供一条单独的时钟线。另一种方法是把时钟信息放入数据信号中,对于数字信号,可以用曼彻斯特编码完成,对于模拟信号,可以根据载波频率的相位与接收方同步。这种通信方式简单而费用低,但速率低。2同步传输 同步传输是在要传输的一组字符前和后加一个或,24,两个字符(称为同步字符,SYN),这样的传输称为同步传输。在前后SYN之间可以发送任意个字符,但为了避免漂移,在传输一定数量的字符(如几千个)后,需要再进行一下同步。见图2.2.5(b)。,同步传输的特点:由于消除了每个字符所带的同步位,因而传输,25,速度高;允许用户传送非8位组成的数据;能够与采用同步方式通信的大型机进行通信;由于同步通信的软、

16、硬件价格较高,所以目前只应用于商业上。同步传输与异步传输的区别:异步传输是以一个字节为单位发送的,对字符是同步的,但字符间是不同步的;同步传输则是以成块数据传送的,可以是多个字节,也可以是多个位,因此,可以传送文字、声音和图象。,26,2.2.4基带与宽带传输 基带传输采用数字信号发送,传输介质的全部频带被单个信号占用,是一种双向传输,适用于总线拓扑结构,可达几公里长度。宽带传输采用模拟信号发送,需要无线电频率调制,可采用FDMA频分调制技术,得到多个数据通道及音频、视频通道,是一种单向传输,适用于总线或树型拓扑,可达几十公里长度。电视信号使用的就是宽带传输,见图2.2.6。计算机局域网可采用

17、基带及宽带两种形式传输。基带传输系统结构简单,不需用调制解调器,价格便宜。宽带传输系统容量大,结构灵活,覆盖范围大,但安装复杂,需要调制解调器,价格高。,27,28,2.3 基带传输与频带(宽带)传输原理2.3.1 数字数据的传输 1基带传输 数字数据从原来的“0”或“1”的形式在信道上传输需要对数字信号进行一定的编码才能实现,常用的编码技术有以下几种:(1)不归零编码NRE(Non-Return to Zero):用正电位表示“1”,用负电位表示“0”,在一个二进制位的宽度电平上的表示不变,即中间没有跳变,见图2.3.1(a)。这是最容易的办法。但难以决定一位的开始与结束,需要有某种方法来使

18、发送器与接收器保持同步。,29,如果传输中1或0占优势的话,将会有累积的直流分量,会使连接点产生电腐蚀。(2)曼彻斯特(Manchester)编码:该码的每一位中间(1/2周期)都有一次跳变,该跳变既代表时钟,也代表数字信号的取值,当该跳变是由低电平向高电平跳变时,代表0,当该跳变是由高电平向低电平跳变时,代表1。曼彻斯特编码在需要时(如连续多个0或1)将在某位的开始边界进行一次跳变,为传输下一为作准备,该跳变既不代表时钟,也不代表信号,见图2.3.1(b)。(3)微分(差动)曼彻斯特编码:是改进的曼彻斯特编码,其特点是位中心的跳变仅提供时钟定时,用,30,每位开始时有无跳变表示数据,有跳变时

19、表示“0”,无跳变时表示“1”,见图2.3.1(c)。微分曼彻斯特编码在每一位的中间必有一次跳变,该跳变仅代表时钟,不代表信号,而在位的开始是否有跳变才代表信号。上述两种编码的特点是:每一位时间间隔的中间有一次信号跳变。接收端可以利用这一跳变与发送端保持同步。由于时钟与数据均包含于信号数据流中,所以这种编码被称为自同步编码,。例如EIA电子业协会RS232C串口,用高电平表示0,低电平表示1,7个比特为一个字符。类似于NRZ码,其最大问题是当信号中出现一长串连续的1或连续的0信号时,接收方无法提取比特位同步信号。,31,32,2频带传输 为了将数字信号传输到较远的地方,必须对数字信号进行载波传

20、输。否则信号功率将衰减,使得信号变弱,接收方无法接收。这个过程称为调制,可采用调幅、调频、调相三种方式。经过调制的数字信号传输到接收端后,还要通过滤波器滤掉相应的载波信号与干扰,从而恢复原基带信号。这一过程叫解调。调制解调器(Modem)是计算机网络的远程连接设备,采用正弦波作为载波信号。大家知道,正弦波由如下的数学表达式表示:y=A*sin(2f t+0),33,其中,A、f、0分别表示正弦波的振幅、频率和相位(初相),改变这三个参数的值,即形成了三个基本调制方式:调幅、调频和调相。(1)ASK(AmplitudeShiftKeying)幅移键控法调幅 保持f、0不变,而改变A,即为调幅方式

21、的调制解调。当信号为1时,保持A不变,当信号为0时,A改变为0(全调幅)或A/2(半调幅)。见图2.3.2(a)。,34,这种调制方法可以把信号传输至几千甚至几万公里以外的地方。其实现起来成本低,因此在数字通信系统中大部分使用这种方法。(2)FSK(FrequencyShiftKeying)频移键控法调频 保持A、0不变,而改变f,即为调频方式的调制解调。当信号为1时,选择频率为f1,当信号为0时,选择频率为f2。一般f1取信道带宽的高频部分,f2取低频部分。见图2.3.2(b)。,35,这种调制方法抗干扰能力强,但频带利用率低,用于较低速传送,在音频线路上为1200bps,在无线电传输中为3

22、30Mbps,也可用于高频同轴电缆局域网LAN中。(3)PSK(PhaseShiftKeying)相移键控法调相保持A、f不变,而改变0,即正弦波在数字信号开始的边界改变初始相位,不同的初始相位代表不同的数字,此即调相方式的调制解调。根据0改变的大小,调相可分为:2相制:000,代表0,01800,代表1;见图2.3.2(c)。,36,4相制:000,代表00,0900,代表01,01800,代表10,02700,代表11。,37,8相制:000,代表000,0450,代表001,0900,代表010,01350,代表011,01800,代表100。02250,代表101,02700,代表11

23、0,03150,代表111。显然,4相制和8相制在不改变调制解调器速率的情况下,可以使传输速度提高2倍和4倍。PSK技术有较强的抗干扰能力,而且比FSK更有效。此外,为了提高传输速率,充分利用带宽,多采用上述三种基本调制方式相组合的方式,如调相调幅(如8相4幅)的调制解调。,38,2.3.2 模拟数据的数字传输 有些模拟数据,如声音,在接收端需转换为数字信号进行处理。有两种编码技术:脉冲码调制(PCM Pulse Code Modulate)和增量调制(DM Delta Modulate)。目前大量采用的是PCM,尤其在现代电话系统中。PCM编码是以采样定理为基础的。采样定理指出:如果在规则的

24、时间间隔内,以高于两倍最高有效信号频率的速率对信号进行采样的话,那么,这些采样值包含了原始信号的全部信息。声音数据限于4000Hz以下的频率,那么每秒8000次的采样可以完整地表示声音信号的特征。PCM包括三个步骤:采样、电平量化、编码,见图2.3.3,39,40,例2 若用8位二进制量化,对4000Hz音频信号每秒采样8000次,则8000采样每秒8位64000位每秒。即数据传输速率为64kbps,即一个话路PCM的信号速率。现在的数字传输系统都是采用PCM体制。由于历史上的原因,PCM有两种互不兼容的国际标准:北美的24路PCM(简称T1)标准与欧州的30路PCM(简称E1)标准。T1速率

25、为1.544Mbps,E1速率为2.048Mbps。我国采用的是E1标准。为了有效地利用传输线路,通常将多个话路的PCM信号采用时分多路复用的方法合成一高速信号后再往线路上传输。E1是由30个用户话路及两个发送控制信息的话路合成的一次群。因此El的数据速率为3264kbps2.048Mbps。,41,当需要更高的数据率时,可以采用复用一次群的方法合成二次群。二次群有4个一次群合成时,其速率比4个一次群的总和要多些,因为复用后还需要一些控制信号。如果信道带宽允许,还可以再合成三次群、四次群等。表2.3.1给出了北美和欧洲数字传输系统的高次话路数和数据率。,42,表231数字传输系统高次群标准,数

26、据率单位:Mbps,43,2.4 数据交换技术 图2.4.1给出了一个网络示例,其中方框部分是需要通信的设备,称为网络站(主机或终端),圆圈部分是提供通信的设备,称为节点。这些中间节点并不关心数据内容,只是提供一个交换设备,通过交换设备把数据从一个节点传到另一个节点,直到目的地。数据交换通常使用四种技术:线路交换、报文交换、分组交换、信元交换。,44,45,2.4.1 线路交换 线路交换(circuit switching)方式就是在需要通信的两个计算机之间实际建立一条物理通道,直接进行通信。这种交换方式和普通的电话系统是一样的。线路交换在通信时分三个阶段:链接,传输,拆除链接。特点:交换机只

27、负责各节点的链接,而不改变数据形式,也不存储,而直接传输。数据速度传送快,时间延迟小,一次链接可传输大量数据,适用于远程成批处理和发送大量数据的场合。,46,通信速度在一定范围内也可以是任选的。一旦建立连接,信道就为收发双方独占,通道可能空闲,线路利用率低。在图2.4.1中,为了把数据从A站发送到D站,可以通过AD这条路径来传输,也可以从AD这条路径传输,最经济的路径是后者。从A点到节点交换机,经过交换机的内部交换,从节点传送到节点,经过交换机的内部交换,然后从节点传送到节点,再经过节点的内部交换,最后传送到目的站D。在线路交换的网络中,每个节点是一台机电或电子的交换设备。,47,2.4.2

28、报文交换 报文交换(message switching)就是发送方把要发送的数据和接收方的地址(目的地址)等信息合并组成待发信息(称为报文,见图2.4.2)发送到下一个节点,下一个节点将接收全部报文,并等待链路空闲时,按照目的地址转发到下一个节点,直到传输到目的地址。这种方式称为报文交换,也称为存储转发。,48,特点:信道可以被许多报文同时共享,线路使用效率高;在网络通信量较大时,报文不会被拒收,而且当原报文不能通过网络时,报文被复制、编辑及存档;两个数据传输速率不同的站也可以通过节点连接起来;而且报文可以多址发送;不适合实时或交互通信,网络传输延迟时间较长。报文交换节点通常是一台通用的小型计

29、算机,它具有足够的存储容量来缓冲进入的报文。一个报文在每个节点的延迟时间等于接收报文所需的时间加上等待所需的排队时间。,49,2.4.3 分组交换 分组交换是发送方将发送的一个报文分割成若干规定长度的信息组(称为数据包,见图2.4.3),再把每个数据包按报文交换方式分别发送出去。每个数据包中需要加入分隔信息,接收方收到这些数据包后再将它们重新装配成完整的报文。,50,分组交换有两种方式:数据报,虚电路。1数据报 发送方按报文交换方式发送每个数据包,每个节点都将存储转发,并为每个数据包选择一次路径,即使多个数据包的目的地址相同,也将根据线路拥挤情况选择不同的路径。接收方接收到数据包的顺序也不一定

30、与分隔时的顺序相同,需根据数据包中的分隔信息恢复原数据。2虚电路 虚电路传输也需要三个阶段:(1)建立虚链接:发送方先发送一个“请求包”,请求包到达接收方(需要路径选择)所经过的路径便构成双方在网络中的一个逻辑链接。,51,(2)发送:发送方在收到对方应答后,按上述链接路径顺序发出各个数据包,各节点存储转发,不再进行路径选择,各数据包顺序到达接收方。(3)拆除虚链接:双方完成数据交换后,再以请求包的形式拆除虚电路。分组交换方式对用户来说,是以报文形式出现的,也即在接收端及发送端的信息是报文形式;而分组是面向网络的,是为方便传输采取的措施,无论是什么用户,在同一计算机网络中,其分组的格式是相同的

31、。由于将报文分成了小的信息数据组,各组同时可通过不同的节点分别发送,因此提高了发送的速率。它的主要应用领域是快速查询和应答,例如,信用核实、电子转账及显示股票牌价等。,52,2.4.4 信元交换 异步传输模式ATM采用信元交换。报文是一固定长度的分组,称为信元。长度为53个字节,其中信元头占5个字节,主要是信元网络路由,信息域占48个字节。关于信元交换以后将详细讨论。此外,还有帧中继。帧也是报文的一种,帧的长度是可变的,包含有帧标志、目的地址、源地址、数据、帧校验等。关于帧中继以后将详细讨论。实际上,信元交换、帧中继都是一种具体的报文,均采用虚电路方式传输数据。2.5 多路复用技术 为了充分利

32、用传输系统,人们希望同时携带多个,53,信号来高效率地使用传输介质,这就是多路复用(multiplexing)。它把许多单一的信号在一个信道上进行传输,其作用相当于把一个传输介质划分成多个信道,以实现通信信道的共享。目前有四种技术:频分多路复用(FDMA,frequency division multiplexing access)、时分多路复用(TDMA,time division multiplexing access)、码分多路复用(CDMA,code division multiplexing access)以及波分多路复用(WDMA,wavelength division multi

33、plexing access)。2.5.1 频分多路复用 频分多路复用技术是把信道的频谱分割成若干个互不重叠的小频段,每个小频段都可以看作是一个子信道,每个子信道传输一路信号。如图2.5.1所示。,54,55,从图中看出,每个频段是互不重叠的,而且相邻各频带之间留有一空闲频段,以保证数据在各频段间相互隔离并可靠地传输。采用频分多路复用技术时,数据在各个子信道上是以并行的方式传输的,也就是说通信信道上可以在各个子信道上同时传输不同的信息。传输信号的带宽与分配给每个子信道的带宽之间的转换是通过调制技术进行的。一个频分多路复用系统是由若干个并行通路组成的,每个通路均由调制器与相应的滤波器组成。由于各

34、个通道是独立的,所以一个通道发生故障不至于影响其他通道。各个子信道上的信号同时传送至通信信道上,从而实现多路信号共享一个公用的通信信道之目的。,56,电话系统采用的载波通信是频率复用的典型的例子。电话传输的信号大多数是人的语音,其频谱主要集中在0.33.4kHz。这就是说,如果采用了3.4kHz的带宽,语音信号不会有明显的失真。在载波电话系统中,用载波调制的方法实现频率的迁移,可以把若干路语音信号放置在频带的不同区段,用一条通信媒体送出。国际电报电话咨询委员会CCITT规定:一条电话线提供12条载波电话,每个话路4kHz,间隔为fg(1kHz5kHz),则总带宽为:f124kHz12fg即60

35、kHz108kHz。2.5.2 时分多路复用 时分多路复用的原理是把通信媒体上传输信号的时,57,域划分为许多等长的时间片。每一路信号每次占用一个时间片进行传输。使若干信号合用单一的通信媒体,而在时间域上互不重叠。在接收端就可根据信号在通信媒体上的传输时间作为分割信号的参量,把多路信号分割、复原,参见图2.5.2。,58,时分多路复用可分为同步时分多路复用(STDM)和异步时分多路复用(ATDM)两种。同步时分多路复用:就是按照固定的顺序把时间片分配给各路信号。比如,假定有n路信号,我们把第一个时间片分配给第一路信号,把第二个时间片分配给第二路,第n个时间片分配给第n路信号,然后又把第n+1个

36、时间片分配给第l路信号,第n2个时间片分配给第2路信号,如此循环不已。这样,在接收端只需采用严格同步的时间片分割、复原即可。同步时分多路复用技术有一个缺点,就是把时间片轮流分配给各路信号,而不论该路信号是否有数据要发送,这样会造成信道资源的浪费。,59,异步时分多路复用:对于需求量大的终端可动态分配给多个时间片,是“按需分配”。异步时分多路复用就是当某一路信道有数据要发送时,才把时间片分配给它。这样就可以避免通信信道资源浪费。但是随之而来的问题是,当这些数据到达接收端时,它们不是以固定的顺序出现。接收端就不知道应该将哪一个时间片的数据送到哪一个信道去。为了解决这个问题,异步时分多路复用要求将发

37、送站地址、接收端地址等作为附加信息随同数据一起发送,以便使接收站按地址分送数据,这是局域网中经常采用的技术。一个信道可分为多个信道,例如一个容量为2.048Mbps的传输信道,可分为32个(204864)个子信道。,60,频分多路复用适合于传输模拟信号,而时分多路复用适合于传输数字信号。时分多路复用和频分多路复用相比,技术上比较复杂,但却有许多优点。比如,数字信号抗干扰能力强,而且逐级再生整形,可以避免干扰的积累;数字信号比较容易实现自动转换,易于集成化等,因此在计算机通信中广泛使用时分多路复用技术。2.5.3 波分多路复用 波分多路复用主要用于全光纤网组成的通信系统,尤其目前已开始应用密集波

38、分多路复用(DWDM)作为Internet2主干网技术。它是未来主要发展方向。类似于FDMA,将波长划分为多个波段,见图2.5.3。,61,62,在WDMA网络中,每个共享信道的主机都分配有两个信道:控制信道与数据信道。控制信道较窄,其他主机与本主机联系时用;数据信道则用于本主机向其他主机发送数据帧。每个主机有两个发送器和两个接收器。(1)固定波长接收器:监听自己的控制信道,是否有其他主机欲与本主机联系。(2)可调波长接收器:选择一个数据发送器进行监听,接收其他主机发来的数据。(3)可调波长发送器:输出给其他主机控制信号。(4)固定波长发送器:输出数据帧。,63,2.5.4码分多路复用 频分多

39、路复用FDMA与波分多路复用WDMA都是以独占频道而共享时间的方式,时分多路复用TDMA则是共享频道而独占时间。码分多路复用CDMA是移动通信系统使用的新技术。它的复用原理是以码型分割信道,每个用户分配一个地址码,这些码型互不重叠,其特点是频率、时间、资源均为共享,在频率与时间资源紧张的环境下,CDMA有很大优势。它在军事上已用几十年,在商业中刚开始使用。,64,2.6 差错控制技术 人们总是希望数据在通信线路中能够准确无误地传输,但由于来自信道内部和外部的干扰与噪声往往引起数据传输错误。噪声一般有:(1)热噪声:又称白噪声,是由分子热运动引起的,其特点是任何时刻都存在,而且强度分布在很宽的频

40、谱范围内。热噪声引起的差错具有随机性,即某个码元出错与它相邻的码元是否出错无关。(2)冲击噪声:一般来自脉动的电磁干扰,如触点电弧、电力线上的浪涌,汽车发动机点火等。这类尖峰脉冲的持续时间约为10ms数量级。对于传输速率为9600bps的信道,这就意味着有96比特的数据将受到,65,干扰,发生差错。通常把这种具有突发性质的差错称为突发差错。由热噪声引起的差错一般可用提高信噪比的方法(如每隔一段距离设置一个转换器)来解决。冲击噪声的误码可采用屏蔽措施和合理调制的方法来改善,但很难彻底消除。(3)衰减:因此经过一段距离的传输之后,信号(尤其是脉冲数字信号)的幅度会衰减,波形也会发生畸变,严重时会变

41、得不可识别,引起差错。(4)串扰:例如两条相互靠得很近的传输线之间会产生“串音”干扰,载波的振幅、相位、频率发生抖动引起的干扰等,都是引起差错的原因。由此可见,在实际的物理信道中,存在着许多,66,产生差错的因素,这些因素可以采用适当的措施加以改善,如选用通信质量比较好的媒体、选择调制方式、屏蔽、增设转发器等措施。但是要在物理传输层完全消除差错是不可能的。为了保证无差错的通信,需要由通信子网提供差错控制的手段。2.6.1 差错控制机理 常用的差错控制有两种方法。1自动重发纠错ARQ(AutomaticRequest)自动重发纠错的基本思想是:发送端根据定编码规则对信号进行编码,将能够发现差错的

42、编码通过信道进行传输,接收端根据制定的编码来判断传输中是否有错误产生,然后通过反馈信道把判定信号(承认,67,或否认)通知发送端。承认信号表示正确接收,通常用ACK表示;否认信号表示接收有错,通常用NAK表示。如发送端所接收到的判定信号是NAK,则将信息重新发送,直到接收端正确接收为止,如图2.6.1所示。,68,ARQ系统是目前经常采用的纠错方案。它必须具有一个反馈信道,反馈重发次数与信道干扰情况有关,如果干扰频繁;则系统重发次数也较频繁。2前向纠错FEC(Forward Error Control)前向纠错原理是发送端根据一定的编码规则对信息进行编码,然后沿通信信道进行传输,接收端接收到这

43、些信息后,通过译码器不仅能够发现错误,而且还能够自动纠正传输中的错误,并把纠正后的信息送至目的地。其原理如图26.2所示。,69,70,FEC系统的优点是不需要反馈信道,但译码设备比较复杂,目前应用最广泛的仍是ARQ方式。2.6.2 常用的抗干扰编码 常用的抗干扰编码有检错码和纠错码两种,检错码只能检查数据传输过程中是否正确。纠错码除了检验数据传输错误外,还具有纠错功能。常用的检错码为:奇偶校验及循环冗余校验;纠错码为海明码。1奇偶校验码 奇偶校验码是一种最简单的检错码,其编码规则是先将所需传输的数据码元分组,并且在每一组数据,71,后面附加一检验位,使得该组数据连同检验位在内的码中“1”的个

44、数为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)。在接收端,则按照同样的规则检查,如发现不符,就说明有差错,但不能确定差错的位置。设b1,b2,bm-1是在同一组内的各数据码元,bm为检验位,则偶检验时,b1b2 bm-1bm0而奇校验时,b1b2 bm-1bm1式中为模2加法,即“异或”运算符。在实际的数据传输中所有的奇偶检验码又可分为:,72,垂直奇偶校验、水平奇偶校验和水平垂直奇偶校验三种。(1)垂直奇偶校验:编码规则是在发送的字符数据位后附加一位校验位,该位取值由采用的校验方法和原数据块中“1”的个数来决定。例如,传输的数据信息为“1010001”,采用偶校验时,附加位为“1”,发送的数据信息为10

45、100011;而采用奇校验时,附加位为“0”,发送的数据信息变为10100010。接收方只要根据校验方法即可知道接收的数据是否有错。(2)水平奇偶校验:将发送的数据块组成一个n列k行的比特矩阵,并对每一列的奇偶位分别计算,形成一个校验行,附加在矩阵的最后(即第k+1行),然后对矩阵进行发送。表2.6.1给出了水平偶校验的情形。,73,当数据块到达时,接收方检测所有的奇偶位,其中任何一个有错,就要重传整个数据块。,(3)水平垂直奇偶校验:把水平和垂直两个方向的奇偶校验结合起来,又称纵横奇偶校验。它可以查出除了互相补偿的偶数个数以外的所有差错。这里所渭,74,互相补偿的偶数个数是指有错的各行、各列

46、中出错位数的情况。奇偶校验的方法简单,易于硬件实现。这种方法的缺点是校验能力低,它只能校验出“1”或“0”有奇数位出错。要检验出有几位出错可以采用CRC循环冗余码。2校验和方法 许多计算机网络在数据帧协议中都包含有校验和(Checksum)域以便在数据帧中设置校验位,从而使接收方能根据校验和做出正确的判断。其原理是:把数据帧中所包含的数据信息按校验和所设置的位数(16位、32位等)划分后按顺序相加,进位放在字符串后起相加,相加结果放在数据帧中发送给接收方。接收,75,方收到数据帧后再对数据编码做一次加法。如果与发送方传过来的校验和相同,则确认无误;如果与发送方传过来的不同,则确认出错。表2.6

47、.2给出了字符串“Hello Friend”这13个ASCII码的校验和方式传输实例。为了计算校验和,ASCII码用16进制数表示,发送者把两个字节合在一起共16位,然后从He开始顺序相加。本例中进位为2。,76,使用校验和的优点是算法简单,传输校验和所占的校验位少,一般为16位或32位。但它的缺点是,如果两个数据出错,正好使校验和相同,则查不出错误。3CRC循环冗余校验 CRC循环冗余校验是目前通信系统中常用的一种编码法。代码格式如下:,77,CRC编码共有n位,其中k位为信息码(称为(n,k)码),校验码为nk位。校验码是由信息码产生的,校验码位数越长则校验能力越强。校验码的生成方法如下:

48、(1)信息码的权展开式(即以信息码为系数的多项式)乘以Xn-k,X为基数,用二进制表示时X2,该步执行也即信息码左移nk位。(2)给定一多项式,称为生成项式,其最高幂次为校验位的位数,最低幂为0。(3)第(1)步得到的多项式除以生成多项式,除法为模2运算,即进行除法时,每一位减法按位运算011,110,即“异或”运算,所得余数为校验位的展开式,其系数即为CRC校验位。,78,注:做除法时,只写两多项式的系数即可。例3 有一个(7,3)码,设生成多项式为x4+x3十x2十1,若信息码为10l,求校验位。解:(1)代码101左移734位,得1010000;(2)写出生成多项式所对应的二进制数 x4

49、+x3十x2十1 对应于 11101(3)1010000除以11101,79,80,得校验位为0011。则CRC码为1010011。以上算法可用软件方法实现,也可用硬件实现。用硬件实现时,信息位的权展开式是通过移位器移位来实现的,而除以生成多项式是靠除法电路实现的。校验方法:CRC码传到接收方后,接收方用CRC码除以生成多项式。若余数为0则传送正确,若不为0则传送错误。设p(x)为要发送的信息码的权展开式,q(x)为生成多项式,则 p(x)x n-k=m(x)q(x)+r(x)其中,m(x)为商,r(x)为余。,81,则CRC编码的权展开式h(x)为:h(x)p(x)x n-k+r(x)(m(

50、x)q(x)+r(x)+r(x)m(x)q(x)即h(x)能被q(x)整除。例如,例3的信息码为101,CRC编码为1010011,生成多项式对应的二进制数为11101,作除法为:,82,对生成多项式的要求:(1)当任意一位误传时,余数都不为0。(2)不同的位数发生错误,余数应各不相同。(3)对余数继续做模2除法,余数是循环的。,83,目前常用的生成多项式长13位,17位或33位。下面的生成多项式检错率很高:CRC-12:x12+x11+x3+x2+x1+1 CRC-16:x16+x15+x2+1 CRC-ITU:x16+x12+x5+1 CRC的特点为:任何一个CRC码循环右移一位,仍是CR