数据通信与广域网技术整.ppt

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1、第3章 数据通信与广域网技术,3.1 数据通信的基本概念 3.2 传输介质及主要特性3.3 无线与卫星通信 3.4 基带和频带传输技术 3.5 多路复用技术3.6 数据交换技术 3.7 差错控制方法,主 要 内 容,3.1 数据通信的基本概念,3.1.1 信息、数据和信号 3.1.2 数据传输类型与通信方式,3.1.1 信息、数据和信号,1信息的概念 数据通信的目的是交换信息（Information），信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像。为了传送信息，必须对信息中所包含的每一个字符进行编码。因此，用二进制代码来表示信息中的每一个字符就是编码。目前最常用的二进制编码标准为美国标准信息交

2、换码。ASCII码用7位二进制数来表示一个字母、数字、控制字符或符号。任何信息都可以用ASCII码来表示。数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制代码0、1比特序列的过程。,2数据 在二进制码代码的传输过程中，网络中所传输的二进制代码被称为数据（Data）。它是一种承载信息的实体，涉及到事物的具体形式。例如文字、声音和图像等。而信息是对数据的解释，是该数据的内容和含义。数据可分为模拟数据和数字数据两类。模拟数据:指在某个区间连续变化的物理量，例如声音的大小和温度的变化等。数字数据:指离散的不连续的量，例如文本信息和整数。它用有限的一系列符号代表信息。,3信号 信号（sign

3、al）是数据在传输过程中的电磁波表示形式。通常，将数据的表示方式分为数字信号和模拟信号两种。模拟信号是指一种连续变化的电信号，例如：电话线上传送的按照话音强弱幅度连续变化的电波信号。数字信号是指一种离散变化的电信号，例如计算机产生的电信号就是“0”和“1”的电压脉冲序列串。,4通信系统模型,信源：指在一次通信中产生和发送信息的一端；信宿：指接收信息的一端。信道：用来表示向某一个方向传送信息的媒体。信道带宽：某个信道能够传送电磁波的有效频率范围就是该信道的带宽。编码器：把数据转换成适合传输的信号，便于识别、纠错。调制器：是把信号转换成适合传输的形式。解码器：是把传输信号转换成原始数据。解调器：是

4、把接收波形转换成数字信号序列。,“数据通信”是专指信源和信宿中数据的形式是数字的，在信道中传输时，可根据需要采用模拟/数字传输。模拟传输是一种利用模拟信道，不考虑传输内容的模拟信号传输方式。其特点为：数据进入之前要经过调制，变换为模拟的调制信号。优点：信道利用率较高，且可利用已有线路获得更高的数据传输速率。缺点：当远距离传输时，经多次放大或存在累积误差。数字传输是一种利用数字信道，关心传输内容的数字信号传输形式。其特点为：可直接传输二进制数据或经过二进制编码的数据，也可传输数字化了的模拟信号。优点：当传输距离远时，不会产生累积误差；传输质量高；数字传输设备价格较便宜。缺点：信道利用率较低。,图

5、3-2 通信系统的任务,数据传输类型与通信方式,图3-3 网络中两台计算机HA和HB的通信过程,单工通信与双工通信 根据信号能够在信道上的传输方向和控制方式，信道可为单工信道、半双工信道和全双工信道，相应地在这三种信道上也就能进行单工、半双工和全双工的通信方式进行通信。单工（Simplex）在单工模式下，数据传输的流向仅允许单方向传输。如下图所示：,半双工（Half-Duplex；HDX）在半双工模式下，数据传输的流向允许做双向的传输，但在同一时间只有单一方向的数据可传输，也就是说，半双工无法在同一时间，做双向的数据传输。全双工（Full-Duplex；FDX）与前面两种模式相比，全双工模式可

6、提供双向同时的数据传输。,串行通信与并行通信串行通讯（serial communication）在传送数据时，是依序送出或接收一个bit。并行通讯（parallel communication）在并行通讯中，数据是在同一时间内，由多条数据线传送与接收。,同步通信与异步通信 所谓同步，是指接收端要校准自己接收码元的频率和接收时间，在时间基准上与发送端取得一致，按照发送端发送码元的速率以及每个码元的起止时间连续地接收数据。因此同步目的是使接收端与发送端在时间基准上一致（包括开始时间、位边界、重复频率等）。A、位同步（Bit Synchronous）在数据通信过程中，首先要解决收发双方的时钟频率的一

7、致性问题。解决的基本方法是：要求接收端根据发送端发送数据的起止时间和时钟频率，来校正自己的时间基准与时钟频率，这个过程就叫做位同步。实现位同步的方法主要有以下两种。外同步法。内同步法。,B、字符同步（Character Synchronous）标准的ASCII字符是由8 bit二进制0、1组成。发送端以8 bit为一个字符单元来发送，接收端也以8 bit的字符单元来接收。保证收发双方正确传输字符的过程就叫做字符同步。异步制（Asynchronous）。采用异步方式进行数据传输称为异步传输（Asynchronous Transmission）。异步传输的特点是：每个字符作为一个独立的整体进行发送

8、，字符之间的时间间隔可以是任意的。,同步制（Synchronous）。采用同步方式进行数据传输称为同步传输（Synchronous Transmission）。同步传输将字符组织成组，以组为单位连续传送。每组字符之前加上一个或多个用于同步控制的同步字符SYN，每个数据字符内不加附加位。接收端接收到同步字符SYN后，根据SYN来确定数据字符的起始与终止，以实现同步传输的功能。,C、帧同步 两工作站以报文分组为单位传送信息时，必须将线路上的数据流划分成报文分组或HDLC（高级数据链路控制）规程的帧，以帧的格式进行传送。在HDLC通信规程中的帧标志为F（01111110），就是用它来标识帧的开始和结

9、束。通信开始时，当检测到帧标志F，即认为是帧的开始，然后在数据传输过程中一旦检测到标识F即表示帧结束。帧（Frame）包含数据和控制信息的数据块（包）。,3.2 传输介质及主要特性,3.2.1 传输介质的主要类型 3.2.2 双绞线的主要特性3.2.3 同轴电缆的主要特性3.2.4 光缆的主要特性,3.2.1 传输介质的主要类型,传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质有双绞线、同轴电缆、光纤电线和无线与卫星通信信道。传输介质的特性主要有以下几点：物理特性：对传输介质物理结构的描述。传输特性：传输介质允许传送数字或模拟信号，以及调制技术、传输容

10、量与传输的频率范围。连通特性：允许点点或多点连接。地理范围：传输介质的最大传输距离。抗干扰性：传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力。相对价格：包括器件、安装与维护费用。,3.2.2 双绞线的主要特性,1物理特性和传输特性 组建局域网络所用的双绞线是一种由4对线（即8根线）组成的，其中每根线的材质有铜线和铜包的钢线两类。双绞线分为屏蔽双绞线（STP，Shielded TwistedPair）和非屏蔽双绞线（UIP，UnShielded TwistedPair）。屏蔽双绞线由外部保护层、屏蔽层与多对双绞线组成。非屏蔽双绞线由外部保护层与多对双绞线组成。,图3-8 屏蔽双绞线与非屏蔽双绞线

11、的结构,目前，在局域网中常用到的双绞线是非屏蔽双绞线（UTP），它又分：3类、4类、5类、超5类、6类和7类。3类 适用速率小于16Mb/s的计算机网络，例如，10Mb/s以太网5类 支持快速以太网（100Mb/s）超5类 支持千兆以太网（1000Mb/s）双绞线的这8根线的引脚定义如下：,常规双绞线接法 错线双绞线接法,在局域网，双绞线主要是用来连接计算机网卡到集线器或通过集线器之间级联口的级联，有时也可直接用于两个网卡之间的连接或不通过集线器级联口之间的级联，但它们的接线方式各有不同。,2连通特性双绞线既可用于“点点”连接，也可用于多点连接。3地理范围连接距离较短，局域网中典型连接距离为1

12、00米。4抗干扰性抗干扰性一般。双绞线的抗干扰性取决于一束线中相邻线对的扭曲长度及适当的屏蔽。5相对价格成本低。双绞线的价格低于其他传输介质，并且安装、维护方便。,3.2.3 同轴电缆的主要特性,1物理特性内芯金属导体，用于传输数据绝缘层用于内芯与屏蔽层间的绝缘屏蔽层金属导体，用于屏蔽外部的干扰塑料外套用于保护电缆,2传输特性50，RG-8和RG-11（用于粗缆以太网）50，RG-58（用于细缆以太网）75，RG-59（用于宽带传输）典型基带同轴电缆的最大距离限制在几km内，宽带同轴电缆可达十几km。但是在10BASE5粗缆以太网中，传输距离最大为500m，在10BASE2细缆以太网中，传输距

13、离最大为185m。3连通特性同轴电缆既支持点点连接，也支持多点连接。4地理范围基带同轴电缆使用的最大距离限制在几千米范围内，丽宽带同轴电缆最大距离可达几十千米左右。5抗干扰性同轴电缆的结构使得它的抗干扰能力较强。6相对价格同轴电缆的造价介于双绞线与光缆之间，使用与维护方便。,3.2.4 光缆的主要特性,图3-10 光缆的结构图,光纤的折射方式,连通特性光纤最普遍的连接方法是点点方式，但是在某些实验系统中，也可以来用多点连接方式。地理范围光纤信号衰减极小，它可以在68千米的距离内，在不使用中继器的情况下，实现高速率的数据传输。抗干扰性光纤能在长距离、高速率的传输中保持低误码率。安全性与保密性都非

14、常好。相对价格目前，光纤价格要高于同轴电线与双绞线。,常用传输介质的比较,3.3 无线与卫星通信,3.3.1 无线通信 3.3.2 微波通信3.3.3 蜂窝无线通信3.3.4 卫星通信3.3.5 蓝牙技术,3.3.1 无线通信,图3-12 各通信类型使用的电磁波谱范围,在LF和MF波段内的无线电波可轻易地通过障碍物，主要应用于广播和中距离通信；在HF、VHF和UHF波段内的无线电波一般称为超短波。可进行远距离通信；现在的移动通信用的就是VHF，电视广播用的是UHF以下频段。,无线电频率与带宽的对应关系,3.3.2 微波通信,无线电数字微波的频率范围为0.3300 GHz。但主要是使用240 G

15、Hz 的频率范围。微波通信主要有两种方式：地面微波接力通信和卫星通信。,图3-14 地面微波接力通信示意图,3.3.3 蜂窝无线通信,美国的贝尔实验室最早在1947年就提出了蜂窝无线移动通信的概念，1958年它向美国联邦通信委员会FCC提出了建议，1977年完成了可行性技术论证，1978年完成了芝加哥先进移动电话系统AMPS的试验，并在1983年正式投入运营。早期的移动通信系统采用大区制的强覆盖区，即建立一个无线电台基站，架设很高的天线塔（般高于30 m），使用很大的发射功率（一般在50 W 200 W），覆盖范围可以达到30 km 50 km。大区制的优点是结构简单，不需要交换，但频道数量较

16、少，覆盖范围有限。,在每个小区设立一个（或多个）基站，它与若干个移动站建立无线通信链路。区群中各小区的基站之间可以通过电缆、光缆或微波链路与移动交换中心MSC连接。移动交换中心通过PCM电路与市话交换局连接，从而构成了个完整的蜂窝移动通信的网络结构。第一代蜂窝移动通信是模拟方式，这是指用户的语音信息的传输以模拟语音方式出现的。第二代蜂窝移动通信是数字方式，数字方式涉及语音信号的数字化与数字信息的处理、传输问题。,图3-15 蜂窝移动通信系统结构示意图,3.3.4 卫星通信,卫星通信就是利用位于3万6千千米高空的人造地球同步卫星作为太空无人值守的微波中继站的一种特殊形式的微波接力通信。优点:卫星

17、通信的频带比微波接力通信更宽，通信容量更大，信号所受到的干扰也较小，误码率也较小，通信比较稳定可靠。缺点：传播时延较长。,图3-16 卫星通信,通信卫星按运行轨道分为同步轨道通信卫星和低轨道通信卫星。同步卫星在地球同步轨道上运行，即与地球的运转同步，所以在地面上任何一点看到的通信卫星都是相对静止的。低轨道卫星一般距地面1000 KM，空间传输损耗较少。卫星形成的覆盖小区在地球表面快速移动，绕地球一周约需2小时。VSAT卫星通信VSAT（Very Small Aperture Terminal，甚小口径地球终端）网通常由一个卫星转发器、一个大型主站和大量的VSAT小站组成，能单双向传输数据、语音

18、、图像、视频等多媒体综合业务。VSAT具有很多优点，如：设备简单、体积小、耗电少、组网灵活、安装维护简便、通信效率高等。,3.3.5 蓝牙技术,1蓝牙出现的背景 1998年5月，爱立信联合诺基亚（Nokia）、英特尔（Intel）、IBM、东芝（Toshiba）这4家公司一起成立了蓝牙特殊利益集团（Special Interest Group，SIG），负责蓝牙技术标准的制定、产品测试，并协调各国蓝牙的具体使用。自蓝牙规范1.0版推出后，蓝牙技术的推广与应用得到了迅猛发展。蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连

19、接。其程序写在一个99 mm的微芯片中。,2蓝牙中的主要技术及其特点“蓝牙”技术的作用是简化小型网络设备（如移动PC、掌上电脑、手机）之间以及这些设备与Internet之间的通信。蓝牙技术的特点可归纳为如下几点：全球范围适用。同时可传输语音和数据。可以建立临时性的对等连接（Ad-hoc Connection）。具有很好的抗干扰能力。蓝牙模块体积很小、便于集成。低功耗。开放的接口标准。成本低。,3蓝牙系统的组成 天线单元。链路控制（固件）单元。链路管理（软件）单元。链路管理（LM）软件模块携带了链路的数据设置、鉴权、链路硬件配置和其他一些协议。LM能够发现其他远端LM并通过LMP（键路管理协议）

20、与之通信。蓝牙软件（协议栈）单元。蓝牙规范包括两部分：第一部分为核心（Core）部分，用以规定诸如射频、基带、连接管理、业务搜寻（service discovery）、传输层以及与不同通信协议间的互用、互操作性等组件；第二部分为协议子集（Profile）部分，用以规定不同蓝牙应用（也称使用模式）所需的协议和过程。,3.4 基带和频带传输技术,3.4.1 基带传输的定义3.4.2 通信信道带宽对基带传输的影响3.4.3 数据传输速率的定义 3.4.4 频带传输的定义 3.4.5 调制解调器的基本工作原理3.4.6 调制解调器的功能3.4.7 波特率与比特率,3.4.1 基带传输的定义,在数据通信

21、中，表示计算机二进制的比特序列的数字数据信号是典型的矩形脉冲信号。人们把矩形脉冲信号的固有频带称做基本频带（简称为基带）。这种矩形脉冲信号就叫做基带信号。在数字通信信道上，直接传送基带信号的方法称为基带传输。一般情况下，基带传输的过程为：发送端要将信源的数据有编码器进行变换，转化为适于直接传输的数字基带信号，然后通过数字通信信道传送到接收端，接收端再由译码器进行解码，恢复发送端发送的数据并送给信宿。,3.4.2 通信信道带宽对基带传输的影响,在通信技术中，观察与分析电信号的基本方法有两种。时域方法。时域方法是以时间T为自变量，观察电信号（电压或电流）随时间变化的情况。频域方法。频域方法通过傅里

22、叶分析，以频率f（或角频率）为自变量，观察电信号的频谱组成、振幅与相位，分析电信号通过某一通信信道后频谱分量的变化，最终给出电信号波形的变化及引起传输失真的情况。从实验技术的角度看，时域方法是用示波器去观察信号的波形，频域方法则是用频谱仪去观察信号的频谱。,图3-17 信道带宽对信号传输的影响,我们以连续发送一个8比特组成的字符B为例说明信道带宽对信号传输的影响。可以看出：通信信道带宽对数据信号传输中失真的影响很大，信道带宽越宽，信号传输的失真越小。,3.4.3 频带传输的定义,频带传输就是将代表数据的二进制“0”或“1”信号，通过调制解调器变换成一定频带范围内的模拟信号进行传输，到达接收端后

23、再把模拟信号解调还原成数字信号。在采用频带传输方式时，要求在发送端安装调制器，在接收端安装解调器；在实现全双工通信时，则要求两端都安装调制器和解调器，即调制解调器Modem。频带传输的优点：解决了利用电话系统传输数字信号的问题，可实现多路复用，以提高传输信道的利用率。,3.4.4 数据传输速率的定义,数据率或比特率S 又叫做数据率或比特率在数值上，等于每秒钟传输构成数据代码的二进制比特数，单位为比特/秒，记做b/s。S1/Tlog2N 其中N电脉冲信号所有可能的状态数，T传输的电脉冲信号的宽度或周期，log2N每个电脉冲信号所表示的二进制数据的位数。信道容量C物理信道上能够传输数据的最大能力(

24、数据传输率)，单位是b/s.Nyquist公式：C=2F log2NShannon公式：C=F log2(1+S/N)其中S/N称为信噪比：db(分贝)=10 log10(S/N)F是信道带宽。,3.4.5 调制解调器的基本工作原理,图3-18 计算机通过Modem实现远程通信的结构,1调制方式调幅AM（幅移键控法ASK）：用基带信号来控制载波的振幅变化；调频FM（频移键控法FSK）：用基带信号来控制载波的频率变化；调相PM（相移键控法PSK）：用基带信号来控制载波的相位变化。,图3-19 Modem的调制方式,2.Modem的基本工作原理,图3-20实现FSK方式的Modem工作原理,3.4

25、.6 调制解调器的功能,在频带传输中，计算机通过调制解调器（Modem）与电话线路连接。在发送端，Modem将计算机产生的数字信号转换成电话交换网可以传送的模拟数据信号（如ASK、FSK或PSK方式）；在接收端，Modem将接收到的模拟数据信号还原成数字信号传送给计算机。在全双工通信方式中，Modem具有同时发送与接收模拟数据信号的能力。,3.4.7 波特率与比特率,信号传输速率B（波特率）单位时间内所传送的波形单元数(Baud):S=Blog2NN为一个码元所取的有效离散值的个数，一般取2的方幂。,图3-21 比特率和波特率的区别,3.5 多路复用技术,3.5.1 多路复用技术的分类3.5.

26、2 频分多路复用技术（Frequency Division Multiplexing）3.5.3 波分多路复用技术（WDM）3.5.4 时分多路复用技术（TDM）3.5.5 码分多路复用技术（CDM）,3.5.1 多路复用技术的分类,多路复用（Multiplexing）是将若干个彼此无关的信号合并为一个在一个共用信道上传输的复合信息的方法，在信号的接收端必须可以将复合信号分离出来。所谓复用是指多个信息源共享一个公共信道。目前常用的多路复用技术有如下几种：频分多路复用FDM。波分多路复用WDM。时分多路复用TDM。码分多路复用CDM,3.5.2 频分多路复用技术（Frequency Divisi

27、on Multiplexing）,将多个信号调制在不同的载波频率上,图3-23 频分多路复用,3.5.3 波分多路复用技术（WDM）,不同波长的光载波同在一根光纤上传输，是光纤上的频分复用技术。,图3-25 波分多路复用,3.5.4 时分多路复用技术（TDM）,将传输时间划分为多个短而不重叠的时隙,图3-25 时分多路复用,异步时分多路复用（STDM）异步时分多路复用又称统计时分多路复用。其特点是：用户不固定占用某个通道，有空槽就将数据放入。数字载波标准 T-标准北美、日本等国采用。E-标准欧洲、中国、南美等国采用。在E1标准中，每帧时分为32个子信道（其中30个用来传输话音，2个用于传输控制

28、信号及帧同步），每个子信道8位，总共数据速率为：E1速率=（328 bit）/125 ms=2.048 Mb/s E1-帧格式：0 1 2 16 31 帧同步 信令信道 30 路话音数据信道+2 路控制信道,3.5.5 码分多路复用技术（CDM）,码分多路复用访问技术是一种用于移动通信系统的新技术，个人数字助理PDA以及手提电脑HPC等移动计算机的联网通信将会大量用到码分多路复用技术。CDMA的复用原理是基于码型分割信道，每个用户分配有一个地址码，而这些码型相互独立、互不重叠，其特点是频率和时间资源均为共享。因此，在频率和时间资源紧缺的环境下，CDMA将独具魅力，这也是CDMA受到人们普遍关注

29、的缘故。W-CDMA宽带码分多路复用是第三代移动通信的重要无线接入技术，在移动网络、移动Internet及移动IP网中具有广泛的用途。,3.6 数据交换技术,3.6.1 线路交换方式 3.6.2 存储转发交换方式 3.6.3 数据报方式 3.6.4 虚电路方式 3.6.5 ATM交换方式,3.6.1 线路交换方式,三个步骤：建立电路数据传送切断电路,也叫电路交换，通信双方建立起实际的物理线路连接,3.6.2 存储转发交换方式,在交换过程中，交换设备将接收到的数据先存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。这种数据传输技术称为存储转发。存储转发交换（Store and Forwar

30、d Exchanging）方式与线路交换方式的主要区别表现在以下两个方面。发送的数据与目的地址、源地址、控制信息按照一定格式组成一个数据单元（报文或分组）进入通信子网。通信子网中的结点是通信控制处理机，它负责完成数据单元的接收、差错校验、存储、选路和转发功能。,1存储转发交换方式的优点 由于通信子网中的通信控制处理机可以存储报文（或分组），因此多个报文（或分组）可以共享通信信道，线路利用率高。通信子网中通信控制处理机具有选路功能，可以动态选择报文（或分组）通过通信子网的最传路径，同时可以平滑通信量，提高系统效率。报文（或分组）在通过通信子网中的每个通信控制处理机时，均要进行差错检查与纠错处理，

31、因此可以减少传输错误，提高系统可靠性。通过通信控制处理机，可以对不同通信速率的线路进行速率转换，也可以对不同的数据代码格式进行变换。,2存储转发交换方式的分类存储转发交换方式又可分为报文交换和分组交换两种。二者的主要区别是传输的数据单元不同。报文交换的数据单元是一个完整的报文，其长短没有限制，而分组交换对数据对数据单元的长度有明确规定，一般在1千至几千个比特。二者结构的区别如下：报文：报文号 目的地址 源地址 数据 校验 分组：报文号 分组号 目的地址 源地址 数据 校验分组交换技术在实际应用中，又可以分为以下两类。数据报方式（DG，Datagram）。虚电路方式（VC，Virtual Cir

32、cuit）。,3.6.3 数据报方式,数据报的特点：同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网。同一报文的不同分组到达目的结点时可能出现乱序、重复与丢失现象。每一个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地址，开销较大。数据报比较适合于传送小量零星报文，用于一般的电子邮件，特别适合于广播或组播服务。通信的双方不需要同时是活跃的（即处于激活状态）。当然，发送端进行发送时，它必须是活跃的，但这时接收端并一定要是活跃的，只有当接收端正在进行接收时，它才必须是活跃的。,3.6.4 虚电路方式,虚电路的特点：在每次分组发送之前，必须在发送方与接收方之间建立一条逻辑连接。这是因为不需要真正去建立一条

33、物理链路，连接发送方与接收方的物理链路已经存在。一次通信的所有分组都通过这条虚电路顺序传送，因此分组不必带目的地址、源地址等辅助信息。分组到达目的结点时不会出现丢失、重复与乱序的现象。分组通过虚电路上的每个结点时，结点只需要做差错检测，而不需要做路径选择。通信子网中每个结点可以和任何结点建立多条虚电路连接。,3.6.5 ATM交换方式,TM是一种高速分组交换技术，采用了以信元（cell）为单位的存储转发方式，故又称为信元交换。在ATM中，不再固定分配给某一特定的呼叫，只要时隙空闲，任何一个允许接入的呼叫都能占用空闲时隙。这可通过在输入端加缓冲器来实现。呼叫的信息先存入缓冲器中等待，以便时隙一空

34、闲就去占用，因此，相对于同步传输模式而言，特称这种交换方式为异步传输模式（ATM）。ATM采用统计时分复用技术。按时间分成一个个时间片（也称为帧），每帧长125s，每帧又包含多个时隙，一个信元占用一个时隙，时隙分配不固定。,3.7 差错控制方法,3.7.1 差错产生的原因与差错类型 3.7.2 误码率的定义 3.7.3 检错码与纠错码3.7.4 循环冗余编码3.7.5 差错控制机制,3.7.1 差错产生的原因与差错类型,所谓差错就是信号在物理信道上传输过程中，由于各种因素而造成的信号失真。通信信道的噪声分为热噪声和冲击噪声两类。热噪声是由传输介质导体的电子热运动产生的。热噪声的特点是：时刻存在

35、，幅度较小，强度与频率无关，但频谱很宽，是一类随机的噪声。由热噪声引起的差错是一类随机差错。冲击噪声是由外界电磁干扰引起的。冲击噪声幅度较大，是引起传输差错的主要原因。冲击噪声引起的传输差错为突发差错。,3.7.2 误码率的定义,误码率是信道传输的可靠性指标。误码率也称出错率，被定义为二进制位在传输中被传错的概率P。若传输的总位数为N，传错的位数为NE，则误码率为 P=NE/N 在理解误码率的定义时，我们应注意以下几个问题。对于个实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率越低越好，要根据实际传输要求提出误码率要求；在数据传输速率确定后，误码率越低，传输系统设备越复杂，造价越高。对于实际数据作输系统

36、，如果作输的不是二进制码元，要折合成二进制码元来计算。,3.7.3 检错码与纠错码,检错码：在发送每一组信息时发送一些附加位，接收端通过附加位对所接收的数据进行正错判断。如奇偶校验，循环冗余校验。纠错码：在发送每一组信息时发送一些附加位，接收端通过附加位对所接收的数据进行正错判断，并自动纠正错误。如海明码。差错控制方法：（1）自动请求发送（ARQ）：当接收端根据检错码发现差错时，通知发送端重发，直到收到正确的码字为止。（2）前向纠错（FEC）：接收端根据纠错码发现差错时，确定错误位置，加以纠正。编码效率：R=k/(k+r),3.7.4 循环冗余编码,（1）原理：将每个比特串看作一个多项式。通常

37、它将比特串bn-1bn-2bn-3b2b1b0解释成多项式bn-1xn-1+bn-2xn-2+bn-3xn-3+b2x2+b1x1+b0比如，比特串1 0 0 1 0 1 0 111 0被解释成x10+x7+x5+x3+x2+x1因为每个bi或者是0，或者是1，我们只写出bi为1的项，而不写出为0的项。1）给定一个比特串，在其尾部追加几个0（后面我们会确定是几个和为什么）并把它叫做B。让B(x)对应于B。2）将B(x）除以一事先约定的生成多项式G(x)(Generator Polynomial)，求出余式R(x)。3）定义T(x)=B(x)-R(x)。后面我们会说明T(x)/G(x)的余数为0

38、，并且减法运算可以通过用与R(x)对应的比特串替换成以前追加0的串而完成。4）传输与T(x)对应的比特串T。5）让T 代表接收方收到的比特流，T(x)为相应的多项式。接收方将T(x)除以G(x)。若余数为0，则接收方认为TT，(传输)未发生错误。否则，接收方认为(传输)发生了错误并要求重传。,(2)举例：假设要发送比特串为11 0 1 0 11，生成多项式为G(x)=x4+x3+1。第1步：在串尾加0。0的个数与生成多项式的次数一致(本例中为4)。这样，串就变成了10+x9+x7+x5+x4第2步：将B(x)除以G(x)。余式为R(x)=x3+x，或等价的比特串1 0 1 0。第3步：定义T(

39、x)=B(x)R(x)。既然减法是对应项的系数之差，我们就可以用与每个多项式对应的比特串之差来计算。本例中，有:11 0 1 0 110000 比特串B-1010 比特串R11 0 1 0 111010 比特串T比特串T=11 0 1 0 111010 就是要发送的码字。,第4步：若串T传输无误，那么将它除以G(x)，余数为0。若串T在传输中被损坏了,例如，中间4个比特变为0，到达串为11 0 0 0 0 0 1 0 1 0。接收方将它模2再除以G(x)，余数不为0，接收方就认为发生了错误。在局域网中，C R C被广泛采用，且有如下的标准多项式G(x):,海明码可以纠正一位差错的码，设信息位为

40、k位，冗余位为r位，则必须满足关系式：2rk+r+1 编码效率：R=k/(k+r)例：求信息码 0010 的海明码。k=4,r=3,三个校正因子：S2,S1,S0,a6a5a4a3a2a1a0,0 0 1 0?,S0监督：a6，a4，a3，a0，S0为1，这四位可能出错；S1监督：a6，a5，a3，a1，S1为1，这四位可能出错；S2监督：a6，a5，a4，a2，S2为1，这四位可能出错；S0=a6+a4+a3+a0 S1=a6+a5+a3+a1S2=a6+a5+a4+a2令S0=S1=S2=0；0=a6+a4+a3+a0 0=a6+a5+a3+a10=a6+a5+a4+a2,a0=a6+a4

41、+a3=0+1+0=1a1=a6+a5+a3=0+0+0=0a2=a6+a5+a4=0+0+1=1,监督关系式,求得海明码为：接收端的检验设接收的海明码为：按发送端同样的监督式计算：S0=a6+a4+a3+a0=0+1+0+1=0S1=a6+a5+a3+a1=0+0+0+0=0S2=a6+a5+a4+a2=0+0+1+0=1查表得知a2出错，因此只要将当前值求反就可获得a2的正确值。,a6a5a4a3a2a1a0,0 0 1 0 1 0 1,a6a5a4a3a2a1a0,0 0 1 0 0 0 1,3.7.5 差错控制机制,利用编码方法来进行差错控制的方式有两类：反馈重传和前向纠错。反馈重传：

42、发送端信源送出数据序列时，一方面经检错码编码器编码由发送机送入信道，另一方面把它存入存储器以备重传。接收端经检错码译码器对接收到的数据进行译码，判断是否有错。反馈重发纠错实现协议有停止等待ARQ和连续ARQ。停等ARQ的基本思想是：发送方每发完一帧必须等接收方确认后才能发下一帧。连续ARQ又分为Go-back-N ARQ和选择重传 ARQ。前向纠错：接收端不但能发现差错，而且能确定二进制错码元的位置，从而就可以加以纠错了（某一位二进制错码元为“0”，则正确码元就是“1”，反之亦然），然后再把已纠正的数据送给接收者。,练 习 题,1试举一个例子说明信息、数据与信号之间的关系。2多路复用技术主要有几种类型?它们各有什么特点?3如果我们在测试一个实际远程通信系统时，一次连续检测了4 000 Byte的数据未发现错误，那么我们能不能说这个系统的误码率为0?4常用的交换技术有哪几种？各自的特点是什么？5某一个数据通信系统采用CRC校验力式，并且生成多项式G(x)的二进制比特序列为11001，目的结点接收到的二进制比特序列为110111001（含CRC校验码）。请判断传输过程中是否出现了差错?为什么？6.训练小狗传递数据磁带。一盘磁带容量为24 GB，小狗奔跑速度为20 km/h。（1 GB=8 Gbit）问：在什么距离范围内，小狗的数据传输速率大于100 Mb/s。,