第2章 计算机网络基础知识课件

1、制作:铁新城 湛江师院1制作:铁新城 湛江师院2 2.1.1 模拟通信和数字通信基本术语:数据: 有意义的实体。分为模拟数据与数字数据两类。前者在某区间内是连续的，后者是离散的。信号: 数据的电子或电磁编码。也分为模拟与离散两种，前者是随时间变化的电流等，后者是离散电脉冲。信息: 数据的内容和解释。信源: 通信过程中产生和发送信息的设备或计算机信宿: 通信过程中接收和处理信息的设备或计算机信道: 是信源和信宿之间的通信线路。制作:铁新城 湛江师院3 模拟数据是时间的函数，占有一定的频率范围(频带)。可直接用相同频带的模拟信号表示。 数字数据也可用模拟信号表示，但需使用Modem将数字数据转换为

2、模拟信号。 模拟数据也可用数字信号来表示。如编码解码器(CODEC)将模拟的声音数据转换为数字数据。制作:铁新城 湛江师院42.模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值tta) 模拟信号b) 数字信号制作:铁新城 湛江师院5信息编码：信息编码：将信息用二进制数表示的方法将信息用二进制数表示的方法。数据编码：数据编码：将数据用物理量表示的规则将数据用物理量表示的规则。 例如：字母例如：字母A的的ASCII编码为编码为01000001，其数据编

3、码可能为，其数据编码可能为01000001t制作:铁新城 湛江师院6通信的三个要素：通信的三个要素：信源、信宿和信道信源、信宿和信道任何一个通信系统都可以抽象为以下模型：任何一个通信系统都可以抽象为以下模型：噪声信源编码调制信道解调解码信宿编码器：数据编码器：数据适合传输的信号适合传输的信号便于识别、纠错便于识别、纠错调制器：信号调制器：信号适合传输的形式适合传输的形式按频率、幅度、相位按频率、幅度、相位解码器：传输信号解码器：传输信号原始数据原始数据解调器：接收波形解调器：接收波形数字信号序列数字信号序列制作:铁新城 湛江师院7信息数据信号在介质上传输信号数据信息通信系统的任务通信系统的任务

4、 把携带信息的数据用物理信号形式通过介质传把携带信息的数据用物理信号形式通过介质传送到目的地。送到目的地。信息和数据（信息和数据（0、1比特）不能直接在介质上传输比特）不能直接在介质上传输。制作:铁新城 湛江师院8数据传输系统： 1）传输线路（包括传输介质和中继设备） 2）传输设备：调制解调器、多路复用器、交换机、路由器等数据处理系统：主要是指计算机。通信基本过程通信基本过程包含两项内容：数据传输和通信控制包含两项内容：数据传输和通信控制建立物理连接建立物理连接建立逻辑连接建立逻辑连接数据传送数据传送断开逻辑连断开逻辑连接接断开物理连接（对比：打电话的过程）断开物理连接（对比：打电话的过程）制

5、作:铁新城 湛江师院9 数据传输速率 指每秒能传输的二进制信息位数，单位为位/秒(bps, b/s) 式中为数字脉冲信号的宽度或重复周期。 一个数字脉冲也称为一个码元码元。N为一个码元所取的有效离散值的个数，一般为2的整数次方值。 一个码元可取N种离散值，则该码元便能携带log2N位二进制信息。 当N=2时，S= (1/T) 1S= log2N(bps) T制作:铁新城 湛江师院10 调制速率(或称码元速率，波特率)的定义 单位时间内通过信道传输的码元个数，即信号经调制后的传输速率。1 B = (Baud)T 其中T为信号码元的宽度。 调制速率与数据传输速率的关系S = B log2N(bps

6、)B = S / log2N(Baud)制作:铁新城 湛江师院11 信道容量 表征信道传输数据的能力。单位为位/秒(bps)。 信道容量表示信道的最大传输速率，而数据传输速率表示实际的数据传输速率。 无噪声时码元速率的极限限值与信道带宽的关系B = 2H(Baud) 其中H是信道的带宽。 Nyquist公式(表征信道的数据传输能力)C = 2 H log2N (bps) C为信道最大的数据传输能力。制作:铁新城 湛江师院12C = H log2 (1+SN)C = 传输率，单位b/sH = 带宽，单位HzS/NdB 信噪比（信噪比（dB分贝）的定义分贝）的定义S/NS/NdBdB = 10 l

7、og = 10 log1010 (S/N) (S/N)例：信道带宽例：信道带宽W=3KHz，信噪比为，信噪比为30dB，则，则C=3000*log2(1+1000) 30Kbps SC = H log2(1+ ) NS = 10 N(S/N(S/NdBdB)/10)/10即:制作:铁新城 湛江师院13 误码率 Pe衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠靠性的指标。定义为二进制数据位传输时出错的概率。设传输的二进制数据总数为N，其中出错的位数为Ne，则误码率表示为 Ne Pe = N实际通信中要求误码率低于10-6。制作:铁新城 湛江师院14 并行传输： 发送设备将8个数据位通过8条数据线传

8、送给接收设备,还可附加一位数据校验位。接收设备可同时接收到这些数据，不需要做任何转换就可直接使用。并行的数据传送线也叫总线。 并行线可有8位、16位、32位等多种，功能都是一样的。 并行线主要用于近距离的传送，如局域网。计算机内部的数据多是并行传输。 串行传输： 每次由源到目的传输的数据只有1位，传输速度慢。 在发送方需将数据作并串转换，接收方则作串并转换后才能使用。它适用于距离较远的情况。 成本因素，远距离通信一般采用串行传输技术制作:铁新城 湛江师院1512367458校验发送设备接收设备数据线数据位87632541发送设备接收设备87632541串行到并行的转换并行到串行的转换并行数据传

9、输串行数据传输制作:铁新城 湛江师院16 单工、半双工和全双工。发方发方收方收方A方方A方方B方方B方方单 工半双工全双工制作:铁新城 湛江师院17 数字数据的模拟信号编码 数字数据的数字信号编码 模拟数据的数字信号编码 多路复用技术 异步传输和同步传输制作:铁新城 湛江师院18话音话音模拟传输模拟传输模拟模拟数字数字Modem模拟模拟模拟模拟CODEC数字数字数字数字数字编码数字编码数字数字模拟数据，模拟信号模拟数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，数字信号数字数据，数字信号模拟数据，数字信号模拟数据，数字信号10101010制作:铁新城 湛江师院19EncoderDe

10、coderModulatorDemodulator用数字信号承载数字或模拟数据用数字信号承载数字或模拟数据编码编码用模拟信号承载数字或模拟数据用模拟信号承载数字或模拟数据调制调制制作:铁新城 湛江师院20制作:铁新城 湛江师院21ASK：用载波的两个不同振幅表示：用载波的两个不同振幅表示0(0v)和和1(+5v)FSK：用载波的两个不同频率表示：用载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)和和1(2.4KHz)PSK：用载波的起始相位的变化表示：用载波的起始相位的变化表示0 (同相同相)和和1(反相反相)0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0制作:铁新城 湛江师院22 数据率数据率 = 信号

11、速率信号速率 log2 M M：调制级数：调制级数制作:铁新城 湛江师院2316-QAM(正交振幅调制) :使用振幅和相位的16种组合4590180270135315225制作:铁新城 湛江师院24不归零制(NRZ，Non-Return to Zero)二进制数字0、1分别用两种电平来表示。常用5V表示1，5V表示0。缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；不具备自同步机制，必须使用外同步。曼彻斯特编码(Manchester code)用电压的变化表示0和1。制作:铁新城 湛江师院25 规定在规定在每个码元的中间每个码元的中间发生跳变：发生跳变： 高高 低的跳变低的跳变0，低，低高的跳变高的

12、跳变1 每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。备的时钟保持一致。 曼彻斯特编码也称为曼彻斯特编码也称为自同步码（自同步码（Self-Synchronizing Code）。它具有自同步机制，无需外同步信号。它具有自同步机制，无需外同步信号。 缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的率的2倍）。倍）。制作:铁新城 湛江师院26与与曼彻斯特编码相同，曼彻斯特编码相同，在每个码元的中间在每个码元的中

13、间，信号都会发生跳变；不同之处在于：，信号都会发生跳变；不同之处在于： 用在码元开始处有无跳变来表示用在码元开始处有无跳变来表示0和和1 ： 码元开始处有跳变码元开始处有跳变0 码元开始处无跳变码元开始处无跳变1制作:铁新城 湛江师院27差分Manchester0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1制作:铁新城 湛江师院28奈奎斯特定理（采样定理）： 如果连续变化的模拟信号最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过三个步骤：换成数

14、字信号。这需要经过三个步骤： 1）采样）采样按一定间隔对语音信号进行采样按一定间隔对语音信号进行采样 2）量化）量化对每个样本舍入到量化级别上对每个样本舍入到量化级别上 3）编码）编码对每个舍入后的样本进行编码对每个舍入后的样本进行编码制作:铁新城 湛江师院29采样电路采样电路量化和编码量化和编码数字化声音-话音信道带宽话音信道带宽 2倍话音最大频率倍话音最大频率)-量化级数：量化级数：256级级 (8位二进制码表示位二进制码表示)-数据率：数据率：8000次次/s * 8bit = 64Kb/s 每路每路PCM信号的速率信号的速率 = 64000bps编码后的信号称为编码后的信号称为PCM（

15、Pulse Coded Modulation）信号（脉码调制）信号（脉码调制信号）信号）制作:铁新城 湛江师院30脉冲脉冲有量化误差)制作:铁新城 湛江师院31BACD采样电路采样电路量化和编码量化和编码制作:铁新城 湛江师院32公用电话交换网PSTN(Public Switched Telephone Network) -端到端的数据传输率：104 b/s -干线的数据传输率：1010 b/s -总体误码率：10-5 -通信干线采用光纤或微波数字传输系统。 优点：出错率低、可传输语音/数据/图像、速率高、成本低、维护容易制作:铁新城 湛江师院33DEMUX复用器复用器解复用器解复用器共享信道

16、MUXFDM (频分复用)lWDM (波分复用)lTDM (时分复用)复用类型制作:铁新城 湛江师院34CH2CH1CH3原带宽原带宽CH1CH2CH3移频后带宽移频后带宽MUXCH1 CH2 CH3带宽复用带宽复用f原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每个原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每个用户占用一个频率通道。频率通道之间留有防护频带用户占用一个频率通道。频率通道之间留有防护频带。适用于模拟信号传输适用于模拟信号传输 制作:铁新城 湛江师院35F2F1F3 光谱光谱F1F2F3共享光纤的光谱共享光纤的光谱光纤光纤2光纤光纤3光纤光纤1共享光纤共享光纤 采用无源设备，更可靠采

17、用无源设备，更可靠棱柱棱柱/衍射光栅衍射光栅原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每个用户占用一个波长范围来进行传输。每个用户占用一个波长范围来进行传输。制作:铁新城 湛江师院36原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个通道干个通道(时隙时隙)，每个用户占用一个通道传输数据。，每个用户占用一个通道传输数据。 A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后数据复用后数据时隙时隙1234D3D2D1适用于数字信号传输适用于数字信号传输 时间片时间片制作:铁新城 湛江师院37ABCD待发数据

18、待发数据t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2周期周期1周期周期2同步同步 TDM带宽浪费A1B1C2B2周期周期1周期周期2统计统计TDM可用带宽TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该通道，将会造的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该通道，将会造成带宽浪费。成带宽浪费。改进：统计时分多路复用（改进：统计时分多路复用（STDM），用户不固定占用某个通道，有空槽），用户不固定占用某个通道，有空槽就将数据放入。就将数据放入。制作:铁新城 湛江师院38为降低通信线路造价，大型网络主要采用部分为降低通信线路造价，大型网络主要采用部分连接的拓扑结构。连接的拓扑结构。两个端

19、节点之间的通信连接一般都要通过中间两个端节点之间的通信连接一般都要通过中间节点的转接，中间节点要在它所连接几条线路节点的转接，中间节点要在它所连接几条线路中选择一条进行接续。中选择一条进行接续。就像电话交换机为通话双方接续线路一样，这就像电话交换机为通话双方接续线路一样，这个过程被称为个过程被称为交换交换。 实现交换的方法主要有：实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换电路交换、报文交换、分组交换、分组交换。制作:铁新城 湛江师院39交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路的过程。的过程。(最早的电路交换连接是由电话接线员通过插塞建最早的电路交换连接是由

20、电话接线员通过插塞建立的，现在则由计算机化的程控交换机实现。立的，现在则由计算机化的程控交换机实现。)特点特点: 数据传输前需要建立一条端到端的通路。数据传输前需要建立一条端到端的通路。 呼叫呼叫建立连接建立连接传输传输挂断挂断 优缺点：优缺点： 建立连接的时间长；建立连接的时间长； 一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；一旦建立连接就独占线路，线路利用率低； 无纠错机制；无纠错机制； 建立连接后，传输延迟小。建立连接后，传输延迟小。制作:铁新城 湛江师院40整个报文作为一个整体一起发送。整个报文作为一个整体一起发送。在交换过程中，交换设备将接收到的报文先在交换过程中，交换设备将接收到的报文先

21、存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中存储，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转，直到目的地。这种数据传输技术称为存储存储-转发转发。缺点：缺点：1）报文大小不一，造成缓冲区管理复杂。）报文大小不一，造成缓冲区管理复杂。2）大报文造成存储转发的延时过长；）大报文造成存储转发的延时过长；3）出错后整个报文全部重发。）出错后整个报文全部重发。制作:铁新城 湛江师院41将报文划分为若干个大小相等的分组将报文划分为若干个大小相等的分组(Packet)进行进行存储转发。存储转发。优点：优点：1）存储量要求较小，可以用内存来缓冲分组）存储量要求较小，可以用内存来缓冲分

22、组速度快速度快；2）转发延时小）转发延时小适用于交互式通信；适用于交互式通信；3）某个分组出错仅重发该分组）某个分组出错仅重发该分组效率高；效率高；4）各分组可通过不同路径传输，可靠性高。各分组可通过不同路径传输，可靠性高。特点：特点：1）数据传输前不需要建立一条端到端的通路。）数据传输前不需要建立一条端到端的通路。2）有强大的纠错机制、流量控制和路由选择功能。）有强大的纠错机制、流量控制和路由选择功能。制作:铁新城 湛江师院42呼叫请求呼叫应答数数据据ABCD分组分组1分组分组2分组分组3报文报文ABCDABCD寻路延迟排队延迟线路交换线路交换报文交换报文交换分组交换分组交换制作:铁新城 湛

23、江师院43 电路交换 数据传送开始前须设置专用的通路。线路释放之前，该通路被一对用户完全占用。 报文交换 采用“存储转发”方式，传送报文时，一个时刻仅占用一段通道。节点需要缓冲存储，不能满足实时通信的要求。 分组交换 与报文交换方式类似，但报文分成分组传送。在目的地需要重装报文。在虚电路分组交换中，数据传送之前须通过虚呼叫设置一条虚电路。制作:铁新城 湛江师院44 选择网络拓扑结构时应考虑的因素： 可靠性 尽可能高，系统的可维护性要好。 费用 考虑适合特定应用的信道费用和安装费用。 灵活性 系统在今后扩展或改动时，能容易地重新配置网络拓扑结构，能方便地处理原有节点的删除和新节点加入 响应时间

24、吞吐量制作:铁新城 湛江师院45CDBA1236745ABCFDE树形拓扑CDBEA环形拓扑ACEBD总线拓扑CDBEA网形拓扑ACDBEF星形拓扑混合型拓扑D67B123C45A制作:铁新城 湛江师院46 是是LAN拓扑，在其中网络的端点通拓扑，在其中网络的端点通过点到点链路连接到公共的中央交过点到点链路连接到公共的中央交换器。组织成星形的环形拓扑结构换器。组织成星形的环形拓扑结构实现单向的实现单向的闭环星形闭环星形结构，而不是结构，而不是点到点的链路点到点的链路。星型拓扑结构的主要优点是星型拓扑结构的主要优点是:可靠性高、故障检可靠性高、故障检测和隔离容易，网络容易管理和维护、可扩性好，测

25、和隔离容易，网络容易管理和维护、可扩性好，配置灵活、传输速率高。配置灵活、传输速率高。星型拓扑结构的主要缺点是：线缆使用量大；星型拓扑结构的主要缺点是：线缆使用量大；布线、安装工作量大；网络可靠性依赖于中央节布线、安装工作量大；网络可靠性依赖于中央节点。点。ACDBEF星形拓扑制作:铁新城 湛江师院47 总线形局域网结构，从总线形局域网结构，从网络站点发送的信息传网络站点发送的信息传送到介质长度所及之处，送到介质长度所及之处，并被其它所有站点接收。并被其它所有站点接收。总线型拓扑结构的主要优点是总线型拓扑结构的主要优点是: 布线容易、增布线容易、增删容易、节约线缆、可靠性高。删容易、节约线缆、

26、可靠性高。总线型拓扑结构的主要缺点是：总线成为整个总线型拓扑结构的主要缺点是：总线成为整个网络的瓶颈、计算机接入总线的接口硬件发生网络的瓶颈、计算机接入总线的接口硬件发生故障影响很大、当网络发生故障时，故障诊断故障影响很大、当网络发生故障时，故障诊断困难，故障隔离更困难。困难，故障隔离更困难。ACEBD总线拓扑制作:铁新城 湛江师院48 由一系列通过单向传输线路彼由一系列通过单向传输线路彼此相连的中继器构成一个简单此相连的中继器构成一个简单的闭环。网络上每台工作站通的闭环。网络上每台工作站通过中继器与网络相连。虽然逻过中继器与网络相连。虽然逻辑上是一个环，但是环路拓扑辑上是一个环，但是环路拓扑

27、通常组合在一个通常组合在一个闭环星型闭环星型网中。网中。环型拓扑结构的主要优点是；适于光纤连接、环型拓扑结构的主要优点是；适于光纤连接、传输距离远、故障诊断比较容易定位、初始安装传输距离远、故障诊断比较容易定位、初始安装容易，线缆用量少。容易，线缆用量少。环型拓扑结构的主要缺点是：可靠性差、网络环型拓扑结构的主要缺点是：可靠性差、网络的管理比较复杂，投资费用较高、重新配置困难。的管理比较复杂，投资费用较高、重新配置困难。CDBEA环形拓扑制作:铁新城 湛江师院49 像一棵倒置的树，有根结点和分支结点。其特点大多与总线拓扑结构的特点相同。主要优点：易于扩展。可延伸出很多分支和子分支，这些新节点和

28、新分支都能容易地加入网内。故障隔离较容易。若某一分支的节点或线路出现故障，很容易将故障分支与整个系统隔离开来。缺点：各节点对根的依赖性太大。若根节点出现故障，则全网不能正常工作。ABCFDE树形拓扑制作:铁新城 湛江师院50 将以上某两种的结构混合起来，取两者的优点构成的拓扑结构。优点：故障诊断和隔离较为方便。易于扩展。安装方便。缺点：需要选用带智能的集中器。集中器到各个节点的电缆安装长度会增加。CDBA1236745D67B123C45A制作:铁新城 湛江师院51 各节点之间有许多条路径相连，可以为数据流的传输选择适当的路由，从而绕过失效的部件或过忙的节点。CDBEA网形拓扑优点不受网络瓶颈

29、问题和失效问题的影响可靠性高缺点结构复杂成本高制作:铁新城 湛江师院52 传输媒体的特性(对网络数据通信质量有很大影响)物理特性说明传输媒体的特征传输特性包括信号形式、调制技术、传输速率及频宽等连通性点到点连接，多点连接地理范围网上各点之间的最大距离抗干扰性防噪音、电磁干扰对数据传输影响的能力相对价格以元件、安装和维护的价格为基础制作:铁新城 湛江师院53屏蔽网外保护层内绝缘层铜芯玻璃封套塑料外套玻璃内芯玻璃内芯塑料外套玻璃封套外壳内导体芯线内导体芯线绝缘绝缘箔屏蔽箔屏蔽铜屏蔽铜屏蔽外套外套制作:铁新城 湛江师院54 物理特性: 有良好的传导率 传输特性: 可传输模拟和数字信号。带宽达268k

30、Hz，可实现多个语音通道的复用。数字信号的传输率达1.544Mbps。 连通性: 普遍用于点到点连接，也可用于多点连接。性能稍差，支持站点较少。 地理范围: 15kM或更大范围，在100kbps速率下传输距离达1kM, 在100Mbps,100kbps速率时10100kHz时，抗干扰性比后者差。 价格: 比同轴电缆和光纤都要低很多。制作:铁新城 湛江师院55分基带和宽带两种。前者用于传输数字信号，后者对两种信号均可传输。 物理特性: 可在较宽的频率范围内工作。 传输特性: 基带的数字传输率达10Mbps。宽带对模拟信号带宽达300450MHz，可支持大量的视、音频通道。 连通性: 适用于点到点

31、连接。基带电缆支持几百台设备，宽带电缆支持数千台设备。但高数据传输率下，设备数目限制在2030台。 地理范围: 取决于传输信号的形式与传输速率。基带电缆最大为几公里。宽带电缆可达几十公里。粗缆传输距离较细缆长。 抗干扰性: 抗干扰性比双绞线强。 价格: 比双绞线贵，但比光纤便宜。制作:铁新城 湛江师院56 物理特性: 工作在3种波长范围，0.85mm为多模通信方式，1.55mm为单模通信方式，1.3mm两种方式均有。 传输特性: 数据传输率达Gbps级，传输距离达几十公里。 连通性: 普遍用于点到点通信。 地理范围: 可在68km范围内不用中继器传输。 抗干扰性: 不受电磁干扰或噪音影响的独有

32、特征，适宜在长距离内保持高数据传输率，提供很好的安全性。 价格: 比双绞线和同轴电缆均贵，但将来会大大下降。驱动器光 源光检测器放大器光信号(光纤)电信号电信号制作:铁新城 湛江师院57芯芯封套封套外套加强芯光纤光纤外鞘外鞘加强芯加强芯光纤束光纤束制作:铁新城 湛江师院58包括无线电波、微波、红外线和激光。其共同特点是： 使用电磁波或光波携带信息 无需物理连接 适用于长距离或不便布线的场合 易受干扰制作:铁新城 湛江师院59 两个地面站之间传送 距离：50 -100 km, 频率：2G40GHz 依赖于天气和频率 应用：长距离传输话音和电视信号；大厦之间LAN互连微波传送塔制作:铁新城 湛江师

33、院60 与地面站相对固定位置 使用3个卫星覆盖全球 传输延迟时间长制作:铁新城 湛江师院61传输媒体速率传输距离抗干扰性价格应用双绞线模拟:300-3400Hz数字:4Mbps23kM56kM可以很低模拟/数字传输50同轴电缆10Mb/s10kM内较好较低基带数字信号75同轴电缆300-450MHz100kM较好较高模拟传输电视、数据及音频光纤几十Gbps1090kM很好较高远距离传输短波 50MHz全球较差较低远程度低速通信地面微波接力2-40GHz几百kM好中等远程通信卫星500MHz18000kM很好与距离无关远程通信制作:铁新城 湛江师院62 2.5.1 差错的产生原因及其控制差错控制

34、是指在数据通信过程中能发现或纠正差错，将差错限制在尽可能小的允许范围内的技术和方法。引起差错的噪声有两大类：信道固有的、持续存在的随机热噪声 和 由外界特定的短暂原因所造成的冲击热噪声。热噪声引起的差错称为随机错，所引起的差错是孤立的。冲击噪声呈突发状，由其引起的错为突发错。它是传输过程中产生差错的主要原因。突发错的突发长度：从突发错误发生的第1个码元到有错的最后一个码元间的所有码元的个数。制作:铁新城 湛江师院63产生差错的原因：产生差错的原因：1）信道的电气特性引起信号幅度、频率、相）信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变；位的畸变；2）信号反射；）信号反射；3）串扰；）串扰；4）闪

35、电、大功率电机的启停等。）闪电、大功率电机的启停等。线路传输差错是不可避免的，但要尽量减小线路传输差错是不可避免的，但要尽量减小其影响。其影响。制作:铁新城 湛江师院64 向前纠错(FEC) 接收端不但能发现差错,而且能确定二进制码元发生错误的位置，从而加以纠正 差错控制编码又分为检错码和纠错码。ARQ方法只使用检错码，FEC方法必须使用纠错码。 FEC方法可不需要反向信道来传递请求重发的信息，发送端也不需要存放以备重发的数据缓冲区。 纠错码比检错码占用更多的冗余位，编码效率低，其相应的设备也复杂得多。 数据通信中更多的是ARQ差错控制方式。制作:铁新城 湛江师院65自动请求重传Automat

36、ic Repeat reQuest (ARQ)l停等 ARQ发送方每发完一帧必须等接收方确认后才能发下一帧。lGo-back-N ARQ发送方可连续发送多帧。若前面某帧出错，从该帧以后的各帧都需重发(一般与流控结合使用) 。l选择重传 ARQ发送方可连续发送多帧。若前面某帧出错，只需重发该出错的帧。发送方需要缓存前面所有未被确认的帧。制作:铁新城 湛江师院66衡量编码性能好坏的一个重要参数是编码效率R，它是码字中信息位所占的比例。设码字中信息位为k位，编码时外加冗余位的r位，则编码后得到的码字长度为n=k+r位， 编码效率R为R = k / n = k / ( k + r )编码效率越高，即R

37、越大，信道中用来传递信息码元的有效利用率就越高。接收方进行接收方进行差错检测差错检测，并向发送方应答，告知是否正确接收。，并向发送方应答，告知是否正确接收。制作:铁新城 湛江师院67在原始数据字节的最高位增加一个附加比特位在原始数据字节的最高位增加一个附加比特位，使结果中，使结果中1的个数为奇数的个数为奇数(奇校验奇校验)或偶数或偶数(偶校偶校验验)。增加的位称为奇偶校验位。增加的位称为奇偶校验位。 例：原始数据例：原始数据=1100010，采用偶校验。，采用偶校验。 则增加校验位后的数据为则增加校验位后的数据为11100010若接收方收到的字节奇偶结果不正确，就可以若接收方收到的字节奇偶结果

38、不正确，就可以知道传输中发生了错误。知道传输中发生了错误。奇偶校验只能检测出奇数个比特位错，对偶数奇偶校验只能检测出奇数个比特位错，对偶数个比特位错则无能为力。个比特位错则无能为力。制作:铁新城 湛江师院68 1. 垂直奇偶校验信息块分为定长p位的若干段(q段)，每段后按“1”的个数为奇数或偶数的规律加上1位奇偶位。如右图，冗余位的编码规则I11 I12 I1qI21 I22 I2q M M MIp1 Ip2 Ipqr1 r2 rq信息位冗余位发送信号偶校验: ri = I1i + I2i +L + Ipi ( i = 1, 2, L, q )奇校验: ri = I1i + I2i +L +

39、Ipi +1( i = 1, 2, L, q )垂直奇偶校验方法的编码效率为R=p/(p+1), 设p=8, 则 R=8/9.垂直奇偶校验方法能检测出每列中的所有奇数位错，但会漏检偶数位错。因这两种出错的概率近于相等，因而对差错的漏检率接近于1/2。制作:铁新城 湛江师院69也称为横向奇偶校验。它是对各个信息段的相应位横向进行编码，产生一个奇偶校验冗余位。如右图，冗余位的编码规则是:I11 I12 I1q r1I21 I22 I2q r2 M M MIp1 Ip2 Ipq rp信息位冗余位发送顺序偶校验: ri = Ii1 + Ii2 +L + Iiq ( i = 1, 2, L, p )奇校

40、验: ri = Ii1 + Ii2 +L + Iiq +1( i = 1, 2, L, p )水平奇偶校验的编码效率为R=q/(q+1).水平奇偶校验不但可能检测出各段同一位上的奇数位错，还能检测出突发长度p的所有突发错误。因为这种错误必然分布在不同的行中, 且每行一位，可以检验出来。对差错的漏检率比垂直奇偶校验法低。但在收发双方都需要数据缓冲器。制作:铁新城 湛江师院70同时进行水平奇偶校验和垂直奇偶校验，也称为纵横奇偶校验。设均采用偶校验，其编码规则是:I11 I12 I1q r1,q+1I21 I22 I2q r2,q+1 M M MIp1 Ip2 Ipq rp,q+1rp+1,1 rp

41、+1,2 rq+1,q rp+1,q+1发送顺序ri,q+1 = Ii1 + Ii2 +L + Iiq ( i = 1, 2, L, p ) rp+1,j = I1j + I2j +L + Iqj ( j = 1, 2, L, q ) rp+1,q+1 = rp+1,1 + rp+1,2 +L + rq+1,q= r1,q+1 + r2,q+1 +L + rp,q+1 水平奇偶校验的编码效率为R=pq/(p+1)*(q+1)水平奇偶校验能检测所有3位或3位以下的错误，奇数位错，突发长度p+1的突发错以及很大一部分偶数位错。误码率下降至原来的1%0.01%。还可纠正部分差错。制作:铁新城 湛江师

42、院71一种通过多项式除法检测错误的方法。编码思想：将位串看成系数为0或1的多项式检错思想：收发双方约定一个生成多项式G(x) (其最高阶和最低阶系数必须为1)，发送方在帧的末尾加上校验和，使带校验和的帧的多项式能被G(x)整除。接收方收到后，用G(x)除多项式，若有余数，则传输有错。制作:铁新城 湛江师院721、码组与多项式系数序列的对应例 1 X4 + 0 X3 + 0 X2 + 1 X + 1代表 1 0 0 1 1 2、减法举例模2域内的多项式除法模2域内的减法与加法相同（异或）制作:铁新城 湛江师院73 若G(x)为r阶，原帧为k位，其多项式为K(x)，则在原帧后面添加r个0，帧成为n

43、=k+r位，相应多项式xr K(x) 按模2除法用对应于G(x)的位串去除对应于xr K(x) 的位串 按模2加法把xr K(x) 的位串与余数相加，结果就是要传送的带校验和的帧的多项式T(x)T(x) = xrK(x) + xrK(x) MOD2 G(x) 制作:铁新城 湛江师院74由信息位产生冗余位的的编码过程, 就是已知K(X)求R(X)的过程。R(X)是G(X)除xr *K(x)的余式，Q(X)为商式。即： xr K(x)=G(X) Q(X)+R(X)在信道上发送的码字多项式为T(X) = xr K(x)+R(X)若传输无错，则接收方收到的码字也对应此多项式：T(X) = xr K(X

44、) + R(X)= G(X) Q(X) + R(X) + R(X)= G(X) Q(X)也就是说T(X)能被G(X)整除。因此，当余式为0时认为传输无差错，否则为传输有差错。制作:铁新城 湛江师院75待校验数据：待校验数据：1101,0110,11 G(x) = x4+x+1 , 即即10011 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 01 0 0 1 11 0 0 1 1 / / 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 00 0 0 01 0 0 1 11 0 0 1 1 1 0 0 1 11 0 0 1

45、 1 1 0 0 1 11 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 00 0 0 0 1 0 1 1 01 0 0 1 11 0 0 1 1 1 0 1 0 01 0 1 0 0 1 0 0 1 11 0 0 1 1 1 1 1 01 1 1 0 余数余数传送序列传送序列T(x)=1101,0110,1111,10制作:铁新城 湛江师院76假设：信息位为k位，其多项式为(k-1)次多项式K(x)冗余位为r位，其多项式为(r-1)次多项式R(x)如果信息位为1011001，冗余位为1010，则 k=7，r=4对应的k-1次和r-1次多项式为：K(x) = x6+x4+x3+ 1R(x)

46、= x3+x发送信息码字为n=k+r,对应的n-1次多项式为： T(x) = xr*K(x)+R(x)= x4 *K(x)+R(x) = x10+x8+x7+x4+x3+x =10110011010制作:铁新城 湛江师院77由信息位产生冗余位的的编码过程, 就是已知K(X)求R(X)的过程。设G(X) = x4+x3+1 即11001则： xr K(x) = x4 K(x) = x10+x8+x7+x4 即10110010000由G(X) 去除xrK(x)得余数为1010冗余位R(X) = x3+x制作:铁新城 湛江师院78待校验数据待校验数据: 1011,0010,00 G(x) = x4+x3+1 , 即即11001 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 01 1 0 0 11 1 0 0 1 / / 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 01 1 0 0 11 1 0 0 1 1 1 1 1 01 1 1 1 0 1 1 0 0 11 1 0 0 1 1 1 1 1 01 1 1 1 01 1 0 0 11 1 0 0 1