《接口与通信》第七章 数据通信基础ok

1、1第七章 数据通信基础华北电力大学计算机系27.1 基本概念&1 通信的概念&指信息从某一地向另一地进行有效的传递。q在古代，人们通过驿站、飞鸽传书、烽火报警、符号、身体语言、眼神、触碰等方式进行信息传递。q今天，随着现代科学水平的飞速发展，相继出现了无线电、固定电话、移动电话、互联网甚至视频电话等各种通信方式。 &由于现代意义上的通信与计算机已密不可分了，它是人与计算机或计算机与计算机之间的信息交换过程。因此，我们可将通信定义为：利用电子等技术手段，借助电利用电子等技术手段，借助电(或光或光)信号实现从某一端信号实现从某一端(常称为信源端或发送端常称为信源端或发送端)向另一端向另一端(常称常

2、称为信宿端或接收端为信宿端或接收端)进行信息的有效传递和交换。进行信息的有效传递和交换。32 通信系统模型&具体通信系统中涉及大量具体设备，但所有通信系统可以具体通信系统中涉及大量具体设备，但所有通信系统可以抽象为一个通信模型，对一般点到点通信系统均包含以下抽象为一个通信模型，对一般点到点通信系统均包含以下五部分五部分:信源信源、变换器变换器、信道信道、反变换器反变换器、信宿信宿，基本模基本模型如图。型如图。发信息端，将各类消发信息端，将各类消息转换成信号。息转换成信号。收信息端，将接收到的收信息端，将接收到的信号还原成消息。信号还原成消息。信息传输通路，一般包括信息传输通路，一般包括传输媒介

3、及有关的设备如传输媒介及有关的设备如中继器等。中继器等。将信源产生的信号变换成将信源产生的信号变换成适合在信道传输的信号。适合在信道传输的信号。完成信号的反变换，将信号完成信号的反变换，将信号还原成信宿能接收的信号还原成信宿能接收的信号。噪声不是通信模型中的一部分，但实际噪声不是通信模型中的一部分，但实际系统中不可避免，传输的信号会被噪声系统中不可避免，传输的信号会被噪声所干扰，从而产生误码。所干扰，从而产生误码。信源输出的信号称为基带信号，即没有经过调制（频率搬移）的原始信号，其特点是频率较低。 4&基带传输基带传输q在数字信道中，二进制数字序列通常以方波（矩形波）形式进行传输，即“1”或“

4、0”分别用高（或低）电平表示，方波信号所固有的频带称为基带，未经调制的方波信号称为基带信号，在信道上不经调制直接传送数据的基带信号称为基带传输。基带传输也称为直流传输，基带信号容易发生畸变，传输距离受到限制，常见于LAN。&频带传输频带传输q将基带信号经调制转换为模拟信号（交流信号）在模拟信道上传输，称为频带传输。由于交流信号不含直流分量，所以信号畸变小，适用于长距离传输，常见于WAN。&宽带传输宽带传输q在具有较大带宽的电缆（如有线电视）上采用多路复用技术同时传输多路载波信号的方式称为宽带传输。经调制分割成的各个子频带可用于模拟信号或数字信号的传输。53. 通信系统的分类&按传输介质分：q

5、有线通信、无线通信&按工作频段分：q 长波通信、中波通信、短波通信、微波通信 &按调制方式分：q 基带传输、频带传输&按业务的不同分：q 电报、电话、传真、数据传输、可视电话、无线寻呼等&按收信者是否运动分：q 移动通信、固定通信 &按信道中所传信号的不同分：q 数字通信、模拟通信 6模拟信号与数字信号&模拟信号是指其幅度随时间而连续变化的信号。有两个主要参数：振幅A和频率f。&数字信号是指其幅度是时间的离散函数。7模拟通信系统&信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统。q基本特征是传输的信号具有随时间“连续”变化的特性。&由于模拟通信系统的信源端和信宿端的信号都是基带信号，而信道传输的信号为

6、模拟信号(即频带信号)，因此，在该系统中包含着两种重要变换。 q一种是将基带信号转换成适应模拟信道传输的频带信号，即调制变换调制变换，它由调制器完成。q另一种是在接收端将频带信号还原成对应的基带信号，即解解调变换调变换，它由解调器完成。模拟通信系统模型模拟通信系统模型8数字通信系统&信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统。信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统。q比如，计算机通信、数字电视或数字电话等都属于数字通信比如，计算机通信、数字电视或数字电话等都属于数字通信q基本特征是传输的信号具有随时间基本特征是传输的信号具有随时间“离散离散”或或“数字数字”变化的特变化的特性性&数字通信系统模

7、型如图数字通信系统模型如图译译信源编码器信源编码器的主要作用是实现的主要作用是实现模模/数转换。数转换。信源译码器信源译码器的作用的作用则是编码的逆过程，即实现数则是编码的逆过程，即实现数/模转换。模转换。信道编码器信道编码器和和译码器译码器的主要作用就是能够自动地检的主要作用就是能够自动地检测出信号错误或纠正错误。测出信号错误或纠正错误。信道编码器的输出和信道译码器的输入都是数字信号信道编码器的输出和信道译码器的输入都是数字信号(或称基带信号或称基带信号)，为，为充分利用信道带宽，通常将基带信号经过调制变换成与信道相匹配的频带充分利用信道带宽，通常将基带信号经过调制变换成与信道相匹配的频带信

8、号信号(即模拟信号即模拟信号)。接收端再将接收到的频带信号转换为数字信号。接收端再将接收到的频带信号转换为数字信号。94. 数字通信系统的主要性能指标&通信系统的主要性能指标包括通信系统的主要性能指标包括q有效性有效性: 通信系统传输消息的通信系统传输消息的“效率效率”问题问题q可靠性可靠性: 信系统传输消息的信系统传输消息的“质量质量”问题问题q适应性适应性: 通信系统使用时的环境条件通信系统使用时的环境条件q经济性经济性: 系统的成本问题系统的成本问题q保密性保密性: 系统对所传信号的加密措施系统对所传信号的加密措施q标准性标准性: 系统的接口、各种结构及协议是否符合国家、国际标准。系统的

9、接口、各种结构及协议是否符合国家、国际标准。q维护性维护性: 系统是否维修方便系统是否维修方便&其中最主要的性能指标是其中最主要的性能指标是有效性有效性与与可靠性可靠性。q这两者既相互矛盾又相互联系，在一定的条件下可以相互转换。这两者既相互矛盾又相互联系，在一定的条件下可以相互转换。q通常只能要求在满足一定可靠性指标下，尽量提高通信系统的有通常只能要求在满足一定可靠性指标下，尽量提高通信系统的有效性。效性。10有效性&对于数字通信系统，有效性可用一定信道条件下信息速率信息速率来衡量。&若码元速率为Rs，信息速率为Rb，每个码元有N种可能采用的符号，则它们之间的关系为：&码元码元：数字信号中每一

10、位的通称。即可以用二进制表示，也可以用其它进制的数表示。&码元速率码元速率又称传码率或波特率:指每秒钟信号变化的次数指每秒钟信号变化的次数，也称调制速率，单位是波特（单位是波特（Baud）。&信息速率信息速率又称比特率：指每秒钟传送的二进制位数指每秒钟传送的二进制位数，单位是单位是b/s。&如当码元用八进制表示时，每个信号值可表示位二进制，则比特率是波特率的倍；当码元用二进制表示时，则比特率和波特率相同。或11可靠性&通信系统的可靠性可用通信系统的可靠性可用错误率错误率来衡量。错误率又分为来衡量。错误率又分为误比误比特率特率和和误码率误码率。&误比特率误比特率Pb是指错误接收的信息的比特数在传

11、输信息的总是指错误接收的信息的比特数在传输信息的总比特数中所占的比例。一般要求系统误比特率比特数中所占的比例。一般要求系统误比特率Pb108& & Pb= 100%&误码率误码率Pe意指错误接收的信息的码元数在传输信息的总码意指错误接收的信息的码元数在传输信息的总码元数中所占的比例。元数中所占的比例。& Pe= 100% 125.信道的带宽和传输速率&（一）信道（一）信道q通俗地说是指以传输媒介（质）为基础的信号通路。q信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路。q包括传输媒体和有关中间通信设备。&信道的作用是传输信号，习惯上，又把信道称之为线路。&分类：有线信道和无线信道q沿导体传播的信道常称

12、之为有线信道q在自由空间传播的信道常称之为无线信道13有线信道&有线信道以导线为传输媒质，信号沿导线进行传输，信号的能量集中在导线附近。q传输效率高，但是部署不够灵活。&这类信道除了传输媒体(导线)外，每隔一定距离需要设置增音器或中继器等放大设备。q有线信道的传输媒体有：架空明线、对称电缆、同轴电缆和光纤等。q有线信道是现代通信网中最常用的信道之一。如对称电缆（又称电话电缆）广泛应用于（市内）近程传输。 q近年来，由于光纤通信的发展，同轴电缆正在逐渐被光缆取代。具有容量大、中继距离远等优点，而且不怕电磁干扰，与同轴电缆相比可以大量节约有色金属和能源。14无线信道&电磁波在自由空间中传播，为了使

13、传播距离更远，常用频电磁波在自由空间中传播，为了使传播距离更远，常用频率很高的震荡波来发送，因此必须有一个高频发射机，产率很高的震荡波来发送，因此必须有一个高频发射机，产生高频震荡波，通过天线发送出去；在接收端，通过接收生高频震荡波，通过天线发送出去；在接收端，通过接收天线和接收机来接收之。天线和接收机来接收之。&发送机、接收机和天线就组成了无线通信。发送机、接收机和天线就组成了无线通信。q无线信道的传输特性没有有线信道的传输特性稳定和可靠。无线信道的传输特性没有有线信道的传输特性稳定和可靠。q但无线信道具有方便、灵活，通信者可移动等优点。但无线信道具有方便、灵活，通信者可移动等优点。& 无线

14、信道可分为：无线信道可分为：q长波：特种通信如海上通信等长波：特种通信如海上通信等q中波：电视广播等中波：电视广播等q短波：广泛用于移动通信短波：广泛用于移动通信q微波：国内长途电话和电视节目微波：国内长途电话和电视节目15（二）信道的带宽&信道是电信号通过的路径，有一定的容量，信道容量是指信道是电信号通过的路径，有一定的容量，信道容量是指信道信道传输信号频率的范围传输信号频率的范围，这个范围成为该信道的宽度，这个范围成为该信道的宽度，或称为带宽（或称为带宽（bandwidth）。）。&信道的容量主要取决于信道的带宽，信道的带宽是由传输信道的容量主要取决于信道的带宽，信道的带宽是由传输线路本身

15、的传输媒质和有关附加设备与信号的频率所共同线路本身的传输媒质和有关附加设备与信号的频率所共同决定的。决定的。&通常用一个信道的截止频率来衡量带宽。通常用一个信道的截止频率来衡量带宽。q若通过零到某个频率的信号时，对某个频率的信号产生较大若通过零到某个频率的信号时，对某个频率的信号产生较大衰减时的频率，称之为截止频率。此信道的带宽就是这个截衰减时的频率，称之为截止频率。此信道的带宽就是这个截止频率。止频率。&例如，一般电话线路的频率超过例如，一般电话线路的频率超过3000Hz时，通话就无法时，通话就无法进行，我们就说电话话频线路的带宽为进行，我们就说电话话频线路的带宽为3000Hz。16（三）传

16、输速率&表征一个信道传输数字信号能力的指标为数据速率，是以表征一个信道传输数字信号能力的指标为数据速率，是以信道信道每秒钟所能传送的比特每秒钟所能传送的比特为单位的。为单位的。q比特就是计算机中常用的二进制位。上述单位我们常称为比比特就是计算机中常用的二进制位。上述单位我们常称为比特秒或者位秒，有时也简记为特秒或者位秒，有时也简记为bs或者或者bps。&信道的最大传输数据速率是受信道的带宽限制的，对于无信道的最大传输数据速率是受信道的带宽限制的，对于无噪声的信道，下面的奈奎斯特公式给出了这种限制关系：噪声的信道，下面的奈奎斯特公式给出了这种限制关系：qH：低通信道的带宽，：低通信道的带宽，Hz

17、 ；qL：某时刻数字信号可能取的离散值的个数：某时刻数字信号可能取的离散值的个数qC：该信道的最大数据速率，：该信道的最大数据速率，bps &例如，一个无噪声带宽为例如，一个无噪声带宽为2000 Hz的信道不能传送速率超的信道不能传送速率超过过4000 b/s的二进制数字信号。的二进制数字信号。17（三）传输速率&香农（香农（Shannon）则进一步研究了受随机噪声干扰信道）则进一步研究了受随机噪声干扰信道的情况，并给出了香农公式：的情况，并给出了香农公式：&S:信号功率信号功率(kW)，N:噪声功率噪声功率(kW) ; S/N信噪比信噪比&由于实际使用的信道，信噪比都要足够大，常用由于实际使

18、用的信道，信噪比都要足够大，常用10lg (S/N)表示，单位是分贝（表示，单位是分贝（dB），在使用公式时要特别注意。），在使用公式时要特别注意。&例如，对于一个带宽为例如，对于一个带宽为6 kHz，信噪比为，信噪比为35 dB的信道。的信道。根据香农定理，无论其使用多少个量化电平，也不管抽样根据香农定理，无论其使用多少个量化电平，也不管抽样速率多快，其数据传输率不可能大于速率多快，其数据传输率不可能大于7104b/s.10lg (S/N)=35S/N=103.5=3162Cmax=6000log2(1+3162) 600011.63=69780 b/s香农的结论是根据信息论推导出来的，适用

19、范围非常广。但是，它仅仅给出了一个理论极限。在实际应用中，要接近这个极限是相当困难的。 186. 数字调制与解调技术&数据通信传输的是数字信号，它要求传送线的频带很宽，数据通信传输的是数字信号，它要求传送线的频带很宽，为降低传输成本，在长途通信中通常将数字数据转换为模为降低传输成本，在长途通信中通常将数字数据转换为模拟信号进行传输，即选择一种载波拟信号进行传输，即选择一种载波连续的正弦波，经连续的正弦波，经调制后以波形的变化来表示数据调制后以波形的变化来表示数据“1”或或“0”。q数字信号在进行远程数据通信时，往往借用现有的公用电话网数字信号在进行远程数据通信时，往往借用现有的公用电话网&电话

20、网络模拟信号，计算机数字信号。电话网络模拟信号，计算机数字信号。&远距离通信时需要通过普通电话网络传输远距离通信时需要通过普通电话网络传输q要使数字信号在电话网络上传输，需要进行信号变换要使数字信号在电话网络上传输，需要进行信号变换把数字信把数字信号承载到模拟信号上传输号承载到模拟信号上传输，这个模拟信号称为载波信号这个模拟信号称为载波信号。&调制调制把数字信号承载到载波信号上把数字信号承载到载波信号上&解调解调从载波信号中恢复出数字信号从载波信号中恢复出数字信号&调制解调器：实现调制与解调的设备调制解调器：实现调制与解调的设备q发送时将二进制数据调制成音频模拟信号发送时将二进制数据调制成音频

21、模拟信号;q接收时对音频模拟信号进行解调还原成数字信号接收时对音频模拟信号进行解调还原成数字信号19&调制调制 调制就是进行波形变换。或者说进行频谱变换，即将基带调制就是进行波形变换。或者说进行频谱变换，即将基带数字信号的频谱变换成适合于在模拟信道中传输的频谱。数字信号的频谱变换成适合于在模拟信道中传输的频谱。&实现：实现： 调制器调制器(Modulator)(Modulator): :波形变换器波形变换器, , 将数字基带的波形变换将数字基带的波形变换成适合于模拟信道传输的波形。成适合于模拟信道传输的波形。 解调器解调器(Demodulator)(Demodulator): :波形识别器波形

22、识别器, ,将模拟信号恢复成原来将模拟信号恢复成原来的数字信号。的数字信号。调制器调制器解调器解调器010010010010调制20通信系统模型21调制方式根据载波 Acos(t + )的三个参数：幅度、频率、相位，产生常用的三种调制技术：q幅移键控法 Amplitude-Shift Keying (ASK)q频移键控法 Frequency-Shift Keying (FSK)q相移键控法 Phase-Shift Keying (PSK) &ASK (调幅) 用载波信号的不同幅度代表1和0&FSK (调频) 用载波信号的不同频率代表1和0&PSK (调相) 用载波信号的相位变化代表1和0（有变

23、化为1，无变化为0）“1”“1”对应有载波对应有载波, , “ “0” 0” 对应无对应无载波载波 “ “0”0”对应对应”f1”, “1”f1”, “1”对应对应“f2”f2”22三种调制方式的调制波形图 移幅键控法（移幅键控法（ASK）抗干扰性能力较差，容易受到外界影响，是一种）抗干扰性能力较差，容易受到外界影响，是一种效率较低的编码技术。效率较低的编码技术。 移频键控法（移频键控法（FSK）的抗干扰性比移幅键控法稍强，在话音线路上的）的抗干扰性比移幅键控法稍强，在话音线路上的典型数据速率为典型数据速率为1200bps。 移相键控法（移相键控法（PSK）占用频带较窄，抗干扰性能较强，在话音

24、线路上）占用频带较窄，抗干扰性能较强，在话音线路上的典型数据速率为的典型数据速率为9600bps，具有更高的数据传输率。，具有更高的数据传输率。237. 多路复用&多路复用是指多路复用是指多路独立信号同时利用同一个信道进行传输多路独立信号同时利用同一个信道进行传输。它对于提高线路利用率、充分发挥传输系统的功能是十分它对于提高线路利用率、充分发挥传输系统的功能是十分重要的。重要的。&常用的多路复用技术主要有：常用的多路复用技术主要有：q频分多路复用（频分多路复用（FDM）q时分多路复用（时分多路复用（TDM）&频分多路复用（频分多路复用（FDM）&指指各路信号同时在同一个信道中传输时占用不同的频

25、带各路信号同时在同一个信道中传输时占用不同的频带。即把各路信号通过调制把它们搬到各自不同的频段，然后即把各路信号通过调制把它们搬到各自不同的频段，然后在同一个信道上同时传输。在同一个信道上同时传输。24频分制多路复用FDM&其原理是把具有较大带宽的传输线路的频率划分成若干个较小的频率范围，它们之间没有重叠，由此构成多个带宽较小的信道f1，f2，fn，分别分配给多对用户进行通信传输。每一路信号经调制变成不同的载波频率，并经频分多路复用器将各路信号组成一个合成信号进行传输。如图所示。频分制多路复用常用于模拟信号的传输频分制多路复用常用于模拟信号的传输，如收音机、电视机等。25频分制多路复用FDM&

26、电话系统是频分多路复用的典型例子。电话线带宽为250 K Hz，音频信号的有效范围为300 - 3400 Hz，4K Hz 的带宽足以传输音频信号。根据CCITT标准，将60K - 108 K Hz的带宽分配给电话音频线路，可分成12路音频载波信道。如图处理后的信号经高速线路传送，接收端通过解调、滤波等处理即可还原源信号。26时分制多路复用TDM&时分多路复用是指各路信号同时在同一信道中传输时占有各路信号同时在同一信道中传输时占有不同的时间间隔不同的时间间隔。&实现原理：将一条物理的传输线路按时间分成若干时间片，将每路信号分配在不同的时间间隔内传输。为达到各路信号互相分开的目的，这种方法的信号

27、分割参量是信号占用的时间，要求复用的各路信号在时间上互不重叠，从而实现信道的多路复用。27时分制多路复用TDM&时分制多路复用常用于数字信号的传输。时分制多路复用常用于数字信号的传输。 时分制多路复用对于每一个输入端均会分配一个时槽，传输速度为各传输设备速率的总和，而不论其是否传输数据，如图。287.2 通信协议&通信协议，也叫通信控制规程q通信双方要遵从的一组约定和规则的集合q定义了数据格式、同步方式、传输速度、检错纠错方式、控制字符定义等&在数据通信中，传输的对象是一系列的二进制“0”或“1”位串，但在不同的位置可能有不同的含义：q有的只是用于同步q有的代表了通信双方的地址q有的是一些控制

28、信息q有些是为了差错检测或纠正而加上去的冗余位q但大多数是要传输的数据本身&这些都是在通信协议中事先约定好的。29信息的传输方式&并行数据传输并行数据传输q多位同时传输；多根传输线多位同时传输；多根传输线q计算机内部数据传递采用并行传输方式计算机内部数据传递采用并行传输方式&串行数据传输串行数据传输q一位一位的传输数据；一根传输线；一位一位的传输数据；一根传输线；q网络中大多采用串行传输方式；网络中大多采用串行传输方式；301 串行通信 &在串行通信中，在串行通信中，传送信息只占用一条传输线传送信息只占用一条传输线，是一种广泛应用的传输，是一种广泛应用的传输方式。方式。q这种传输方式的优点是这

29、种传输方式的优点是线路成本低线路成本低、架设维护方便架设维护方便，适合远距离适合远距离传输传输，常见于广域网；缺点是，常见于广域网；缺点是传输速率较慢传输速率较慢。&在串行通信中，根据对数据流的分界、定时及同步方式的不同，有两在串行通信中，根据对数据流的分界、定时及同步方式的不同，有两种最基本的通信方式种最基本的通信方式：q异步串行通信异步串行通信v以字符为信息单位传送。每个字符作为一个独立的信息单位以字符为信息单位传送。每个字符作为一个独立的信息单位（1帧数据），可以随机出现在数据流中，帧数据），可以随机出现在数据流中，“异步异步”主要体现主要体现在字符与字符之间的通信没有严格的定时要求。在

30、字符与字符之间的通信没有严格的定时要求。q同步串行通信同步串行通信v以数据块（字符块）为信息单位传送，传送一旦开始，要求每以数据块（字符块）为信息单位传送，传送一旦开始，要求每帧信息内部的每一位都要同步，同步串行通信不仅字符内部的帧信息内部的每一位都要同步，同步串行通信不仅字符内部的位传送是同步的，字符与字符之间的传送也是同步的。位传送是同步的，字符与字符之间的传送也是同步的。&数据收发的同步方式是指接收端需要按照发送端所发送信号的起止时数据收发的同步方式是指接收端需要按照发送端所发送信号的起止时间和间隔时间接收数据，使得发送与接收在步调上一致，否则将造成间和间隔时间接收数据，使得发送与接收在

31、步调上一致，否则将造成误码率增加，甚至完全不能进行通信。误码率增加，甚至完全不能进行通信。作为串行通信，这两种方式都需要给传输的数据加上必要的作为串行通信，这两种方式都需要给传输的数据加上必要的成帧信号，供接收端进行识别，才能完成正确地接收。成帧信号，供接收端进行识别，才能完成正确地接收。31（1）异步通信方式&异步通信方式是以字符为单位（以字符为单位（1帧数据）进行传输。&特点：特点：q字符随机出现在数据流中，不需要接收端作出同步接收字符随机出现在数据流中，不需要接收端作出同步接收准备。准备。q字符之间有不定长的空闲位（以高电位填充）。字符之间有不定长的空闲位（以高电位填充）。q靠起始位和停

32、止位定界靠起始位和停止位定界1帧数据。帧数据。q信息位的长度可根据需要规定，在信息位和停止位之间信息位的长度可根据需要规定，在信息位和停止位之间还可以插入奇偶校验位。还可以插入奇偶校验位。32异步通信的帧格式帧格式：帧格式：起始位起始位:1:1位位, ,低电平低电平数据位数据位:5:58 8位位, ,先低位后高位先低位后高位校验位校验位:1:1位位/0/0位位, ,奇偶校验奇偶校验停止位停止位:1:1位、位、1.51.5位或位或2 2位位, ,高电平高电平起起/ /止位的作用止位的作用定界一帧数据；定界一帧数据；建立收发双方同步；建立收发双方同步； 起始位标志一帧的开始起始位标志一帧的开始,

33、,停止位标志着结束停止位标志着结束空闲空闲 位位停止位停止位奇偶奇偶校验校验数据位数据位(58位位)起始起始位位不限不限有有/无无(先低后高位先低后高位)1位位0/101110/10/10/10/10/10LSBLSBMSBMSB第第n n个字符个字符第第n+1n+1个字个字符符7 71212位位字符总是以起始位开始（字符总是以起始位开始（“0”0”），以停止位（），以停止位（“1”1”）结束）结束; ;字符之间没有时间间隔要求字符之间没有时间间隔要求; ;字符后可加一位校验位（也可没有）字符后可加一位校验位（也可没有）数据传输方向数据传输方向330示例&假定要传送一个字符M（ASCII码为4

34、DH，数据位7位），采用异步串行通信方式，并采用偶校验。 要求：画出传送波形。&分析：4DH=01001101，偶校验位为0&注意：传送时先低位后高位。传送波形如图：异步传输方式的优点是控制简单，如果传输出错只需重发异步传输方式的优点是控制简单，如果传输出错只需重发这个字符，但因为每个字符都带有附加信息，故传输效率这个字符，但因为每个字符都带有附加信息，故传输效率低、速度较慢。低、速度较慢。34（2）同步通信方式&在同步传输模式下，传送以数据块为单位，因此又称为区块传输。每个数据块称为一个记录。对于同一个记录，收发双方应具有准确的同步时钟。q在记录的开始加有成帧同步(SYN)字符，使收发双方同

35、步；q同步字符的格式和同步字符的个数可以根据需要而定;q而在记录的末尾加有一定的差错检验字符。&帧格式如图所示。同步字符被接收器用来确定数据字符的起始界限。记录末尾的校验字符同步字符被接收器用来确定数据字符的起始界限。记录末尾的校验字符用来校验整个记录在传送过程中是否出现差错，但不包括同步字符。用来校验整个记录在传送过程中是否出现差错，但不包括同步字符。同步通信协议分为：同步通信协议分为：面向字符的同步通信协议面向字符的同步通信协议 面向比特的同步通信协议面向比特的同步通信协议35 这种数据格式的典型代表是IBM公司的二进制同步通信协议（BSC）。特点：一次传送若干个字符组成的数据块，并且规定

36、了10个特殊字符作为这个数据块的开头与结束标志以及整个传输过程的控制信息，也叫做通信控制字。 由于被传送的数据块是由字符组成的，故又被称为面向字符的数据格式。 数据格式（一帧）：数据格式（一帧）：SYN SYN SOH 标题标题STX数据块数据块 ETB/ETX块校验块校验序始字符同步字符文始字符组终/文终字符包括源地址，目的地址，路由指示等信息.面向字符的同步通信数据格式面向字符的同步通信数据格式36SYNSYN(Synchronous)(Synchronous) ：同步字符：同步字符, ,表示一帧的开始。加一个表示一帧的开始。加一个SYNSYN的称的称单同步，加两个单同步，加两个SYNSY

37、N的称双同步。的称双同步。SOHSOH(Start of Header)(Start of Header) ：序始字符：序始字符，表示标题的开始；，表示标题的开始； 标题：标题：包括源地址，目的地址，路由指示等信息。包括源地址，目的地址，路由指示等信息。STXSTX(Start of Text)(Start of Text) ：文始字符，表示正文文始字符，表示正文( (数据块数据块) )开始。开始。ETB(End of Block)/ETXETB(End of Block)/ETX(End of Text)(End of Text) ：组终组终/ /文终字符。文终字符。 其中其中ETBETB用

38、在正文很长，需要分成若干个分数据块，分别在不同帧中发用在正文很长，需要分成若干个分数据块，分别在不同帧中发送的场合，这时在每个分数据块后面用组终字符送的场合，这时在每个分数据块后面用组终字符ETBETB，而在最后一个分数，而在最后一个分数据块后面用文终字符据块后面用文终字符ETXETX。特点：特点：一次传送是一个数据块，传输效率提高了；一次传送是一个数据块，传输效率提高了；采用了一些传输控制字，增加了通信控制能力和校验能力；采用了一些传输控制字，增加了通信控制能力和校验能力；存在问题：存在问题：数据字符与特定字符可能代码相同数据字符与特定字符可能代码相同解决方法：解决方法：“字符填充字符填充”

39、，即在数据字符前插入转义字符，即在数据字符前插入转义字符DLEDLE，以示区别。以示区别。面向字符的同步通信数据格式面向字符的同步通信数据格式37面向比特的同步通信数据格式面向比特的同步通信数据格式 一帧由若干位组成一帧由若干位组成 靠约定位组合模式定界信息靠约定位组合模式定界信息 不依赖于任何编码集不依赖于任何编码集特点：特点：IBM的的SDLC同步数据链路控制规程同步数据链路控制规程 ISO的的HDLC高级数据链路控制规程高级数据链路控制规程 ANSI的的ADCCP先进数据通信控制规程先进数据通信控制规程只有只有细微细微差别差别38HDLC协议&是是ISO提出的适用于链路控制的通信协议。提

40、出的适用于链路控制的通信协议。&HDLC是基于在公共通信链路上，主站和一个或多个次站是基于在公共通信链路上，主站和一个或多个次站之间进行数据交换的协议。之间进行数据交换的协议。&三种类型的站：三种类型的站：q主站：负责链路的操作，主站发出的帧称为命令。主站：负责链路的操作，主站发出的帧称为命令。q次站：在主站的控制下进行操作，并作出响应回答。次站：在主站的控制下进行操作，并作出响应回答。 q组合站：组合了主站和次站的特性，既可发命令，也可发响应。组合站：组合了主站和次站的特性，既可发命令，也可发响应。&链路结构链路结构q非平衡结构非平衡结构v由一个主站和一个或多个次站组成由一个主站和一个或多个

41、次站组成v点点-点、点点、点-多点操作多点操作q平衡结构平衡结构v由两个组合站组成，适用于点由两个组合站组成，适用于点-点操作点操作39链路结构40 HDLC 的帧结构F:标志字段标志字段,01111110,定界定界;填充帧间空隙填充帧间空隙 A:地址地址字段字段,给出次站的地址给出次站的地址,SDLC中中8位位; HDLC中任意长度中任意长度,字节的第字节的第1位为位为0,后面仍为地址字节后面仍为地址字节;为为1,该字该字节为最后节为最后1个地址字节。全个地址字节。全1，广播；全，广播；全0，无效地址，用于测试无效地址，用于测试数据链路的状态。数据链路的状态。C:控制控制字段字段,传送命令传

42、送命令,SDLC中中8位位; HDLC中中8位或位或16位位,第第1个字节的第个字节的第1位为位为0,后面仍为控制字节后面仍为控制字节;为为1,只有只有1个控制字节个控制字节 I:信息信息字段字段,传送的数据传送的数据,长度长度 0 FCS:帧校验序列帧校验序列:16位位CRC校验校验,不包含不包含F及插入及插入“0”41面向比特的同步通信数据格式面向比特的同步通信数据格式异常结束异常结束( (失效失效) )ABORTABORT提前终止符：异常结束字符提前终止符：异常结束字符( (失效序列失效序列),),发送中出现发送中出现错误错误; ;如帧内断续如帧内断续, ,该帧作废该帧作废SDLC:8S

43、DLC:8个连续的个连续的“1” 1” HDLC:7HDLC:7个连续的个连续的“1”1”ABORTABORT数据透明的实现数据透明的实现(“0”(“0”位插入位插入/ /删除技术删除技术) )发送端发送端: :除除F F、ABORTABORT外外, ,发发5 5个连续个连续“1”,1”,自动插入自动插入1 1个个“0” 0” 接收端接收端: :删除删除5 5个连续个连续“1”1”后面的后面的“0”0”用零位插入和删除技术，既防止了标志序列在帧内出现，又用零位插入和删除技术，既防止了标志序列在帧内出现，又不影响帧内序列的完整。因此，整帧内代码是透明的。不影响帧内序列的完整。因此，整帧内代码是透

44、明的。硬件硬件 自动完成自动完成42零比特的填充与删除&HDLC 采用零比特填充法使一帧中两个 F 字段之间不会出现 6 个连续 1。&在发送端，当一串比特流数据中有 5 个连续 1 时，就立即填入一个 0。&在接收帧时，先找到 F 字段以确定帧的边界。接着再对比特流进行扫描。每当发现 5 个连续 1 时，就将其后的一个 0 删除，以还原成原来的比特流。43控制字段的格式&HDLC的许多重要功能要由控制字段来实现。根据其最前面二个比特位，可将HDLC帧分为三种：即信息帧信息帧I、管理管理帧帧S和无编号帧无编号帧U。44信息帧&信息帧：控制字段的第1位代码为“0”，这是信息帧特性。&信息帧也是一

45、种命令，因为它要求次站给予认可响应。&N（S）是信息帧发送顺序的编号）是信息帧发送顺序的编号，发送端在控制字段中插入此顺序号，用以区别不同的信息帧，允许接收端检查此帧信息是否失序或重复。&N（R）是接收顺序编号。）是接收顺序编号。此编号表明发送该信息帧的发送站所期望接收的下一帧的顺序编号。因此，N（R）也是对以前接收到的信息帧（顺序号小于N（R）的认可信号。&PF是询问中止位。是询问中止位。当主站发送命令时，PF=1为主站询问次站是否有数据要发；当次站发送时，PF=1，表示是对主站询问的响应。次站响应主站询问之后，开始向主站发送信息帧，并置所发信息帧的P/F比特为“0”，直至信息全部发完，才置

46、最后一个信息帧的P/F比特为“1”。45管理帧&管理帧的特性是第1、2两位为“10”。&用于监视和控制数据链路，完成信息帧的接收确认、重发请求、暂停发送请求等功能。管理帧共有四种，取决于第3-4位的取值。管理帧的名称和功能管理帧的名称和功能46无编号帧&无编号帧的特征是第特征是第1、2两位为两位为“11”。&它用于执行诸如链路的建立或拆除等功能。&也可以在序列出错之后使用，使链路置于初始状态，因此可以不受帧顺序编号检验的限制，其控制字段不包含帧顺序编号。&控制字段的M是各种命令和响应的编码，如置工作方式命令、拆线命令、非编号帧认可响应、已拆线响应、命令拒绝等等。比特传输的顺序比特传输的顺序 H

47、DLC规定：地址和控制字段发送时，先发送低位，规定：地址和控制字段发送时，先发送低位，而在发送帧校验序列而在发送帧校验序列FCS时，必须先发送高位。对于信息时，必须先发送高位。对于信息字段则没有规定发送顺序。字段则没有规定发送顺序。477.3 通信中的差错控制&数据通信系统的基本任务就是高效率和无差错的传送数据。信号在物理信道传输过程中，由于信道内干扰的存在，会造成传输信号的失真。&从而在数据通信中，造成接收端收到的二进制数位（或称为码元）和发送端发送的二进制数位不一致，由“0”变为“1”或由“1”变为“0”，即造成传输差错。噪声对传输数据的影响481. 差错类型&噪声是通信系统中对信号有影响

48、的所有干扰的集合，信号在传输中的差错都是由于噪声所引起的。&信道中的噪声一般分为两种：一种是白噪声；另一种是高斯噪声。q白噪声是指它的功率谱密度在整个频率域（-+）内是常数，即服从均匀分布。v长时间的存在于信道中，在任意传输速率上强度都相同；v白噪声只有较小的幅值，只要保证在信道中有足够大的信噪比，白噪声引起的差错就会很少。q高斯噪声是指它的概率密度函数服从高斯分布（即正态分布）的一类噪声。v它是由特定的短暂原因所造成的，它的幅度可以相当大，不可能靠提高信号幅度来避免其造成差错，它是传输中产生差错的重要原因。49随机差错和突发差错&随机差错随机差错：q错误的出现是随机的，一般而言错误出现的位置

49、是随机分布的，即各个码元是否发生错误是互相独立的，通常不是成片地出现错误。&突发差错突发差错：q错误的的出现是一连串出现的。通常在一个突发错误持续时间内，开头和末尾的码元总是错的，中间的某些码元可能错也可能对，但错误的码元相对较多。 &传输线路上产生的差错为突发差差错和随机差差错的混合。50误码率&误码率是衡量一个信道质量的重要参数，用Pe表示， 其定义为： &通常用10的负若干次方来标志信道的误码率。例如，在一条话频线路中，以数据速率2400bps传输数据时，误码率若为10-5，则意味着平均十万位中有一位出错。&差错控制最常用的方法就是信道编码差错控制最常用的方法就是信道编码，信道编码是为了

50、降低误码率，提高数字系统的可靠性而采取的编码。发生差错的码元数接收的总码元数512. 差错控制方式&常用的差错控制方式有三种：检错重发、前向纠错和混合纠错。52检错重发方式检错重发方式&检错重发方式检错重发方式&又称自动请求重传方式ARQ（Automatic Repeat Request）&原理：由发送端发出能够检测出错误的码组，接收端根据该码的编码规律判定传输中有无差错产生，如果发现错误，则通过反馈信道把判定结果告诉发送端，发送端把接收端认为是有错的信息再次重发，直到接收正确为止，从而达到正确传输的目的。这种方式称为检错重发。&特点：需要反馈信道，译码设备简单，对突发错误和信道干扰较严重时有

51、效，但实时性差，主要在计算机数据通信中得到应用。53ARQ方式&ARQ方式又可分为发送等待系统和连续工作系统。&发送等待系统发送等待系统&原理：在发完一组信息之后，发送端就等待接收端的反馈信息承认与否认，在无回答时也作为否认。q收到承认，则发下一组信息；q若是否认则重发该组信息；q以此类推，直到通信结束。&连续工作系统连续工作系统&原理：发送端在发送完一组信息后，不用等待反馈的判决原理：发送端在发送完一组信息后，不用等待反馈的判决信息，而是立即发送下一组信息。发送端在不断的发送同信息，而是立即发送下一组信息。发送端在不断的发送同时，也在不断的接收反馈信息。当接收端返回一个否认信时，也在不断的接

52、收反馈信息。当接收端返回一个否认信息时，必须加上信息组编号，则发送端可以从该组重发。息时，必须加上信息组编号，则发送端可以从该组重发。如果在重发时，只重发出错误的那一组信息，则这种方式如果在重发时，只重发出错误的那一组信息，则这种方式又称为又称为“选择重发选择重发”方式。方式。连续工作系统通常需要全双工的传输线路；连续工作系统通常需要全双工的传输线路；等待发送系统可以在一个半双工的传输线路上进行工作。等待发送系统可以在一个半双工的传输线路上进行工作。54检错重发的工作方式图55差错控制方式（续）&前向纠错方式前向纠错方式FEC（Forward Error Correction）q发送端发送能够

53、纠正错误的码，接收端收到信码后自动地纠发送端发送能够纠正错误的码，接收端收到信码后自动地纠正传输中的错误。正传输中的错误。q特点是单向传输，实时性好，但译码设备较复杂。特点是单向传输，实时性好，但译码设备较复杂。&混合纠错方式记作混合纠错方式记作HEC（Hybrid Error Correction）q是是FEC 和和ARQ方式的结合方式的结合q发送端发送具有自动纠错同时又具有检错能力的码。接收端发送端发送具有自动纠错同时又具有检错能力的码。接收端收到信码后，检查差错情况：收到信码后，检查差错情况：v如果错误在码的纠错能力范围以内，则自动纠错；如果错误在码的纠错能力范围以内，则自动纠错；v如果

54、超过了码的纠错能力范围，但能检测出来，则通过反馈信如果超过了码的纠错能力范围，但能检测出来，则通过反馈信道请求发端重发。道请求发端重发。q具有自动纠错和检错重发的优点，可达到较低的误码率。具有自动纠错和检错重发的优点，可达到较低的误码率。563. 差错控制的原理&差错控制编码分类q根据编码功能可分为检错码和纠错码。根据编码功能可分为检错码和纠错码。v只能完成检错功能的编码叫检错码；v具有纠错能力的编码叫纠错码。q按照信息码元和附加的监督码元之间的检验关系可以分为线性码按照信息码元和附加的监督码元之间的检验关系可以分为线性码和非线性码和非线性码。v若信息码元与监督码元之间的关系为线性关系，即监督

55、码元是信息码元的线性组合，则称为线性码。v反之，若两者不存在线性关系，则称为非线性码。q按照信息码元和监督码元之间的约束方式可分为分组码和卷积码。按照信息码元和监督码元之间的约束方式可分为分组码和卷积码。v分组码的监督码元仅与本码组的信息码元有关。v卷积码的监督码元不仅与本码组的信息码元有关，而且与前面码组的信息码元有约束关系。q根据编码后信息码元是否保持原来的形式可分为系统码和非系统根据编码后信息码元是否保持原来的形式可分为系统码和非系统码码 q根据码元取值的不同可分为二进制码和多进制码。根据码元取值的不同可分为二进制码和多进制码。57二进制线性分组码&将信息码分组，每组信息码附加若干监督码

56、的编码，称为将信息码分组，每组信息码附加若干监督码的编码，称为分组码。分组码。q在分组码中，监督码元仅监督本码组的中的信息码元。在分组码中，监督码元仅监督本码组的中的信息码元。&分组码用（分组码用（n，k）表示，）表示，n码组长度，码组长度， k 信息位数，信息位数，n k = r 监督码位数。监督码位数。q分组码是对每段分组码是对每段k位长的信息组以一定的规则增加位长的信息组以一定的规则增加r个监督元，个监督元， 组组成长为成长为n的码字。的码字。q二进制下，共有二进制下，共有2k个不同的信息组，相应地可得到个不同的信息组，相应地可得到2k个不同的码字，个不同的码字，称为许用码组。其余称为许

57、用码组。其余 2n-2k个码字未被选用，称为禁用码组。个码字未被选用，称为禁用码组。&在分组码中，非零码元的数目称为在分组码中，非零码元的数目称为码字的汉明码字的汉明(Hamming)重量重量， 简称简称码重码重。例如，码字例如，码字 10110，码重，码重w=3。&两个等长码组之间相应位取值不同的数目称为这两个两个等长码组之间相应位取值不同的数目称为这两个码组码组的汉明的汉明(Hamming)距离距离， 简称简称码距码距。q例如例如 11000 与与 10011的码距的码距d=3。583. 差错控制的原理&码组集中任意两个码字之间距离的最小值称为最小码距最小码距，用d0表示。它是衡量码检错、

58、纠错能力的依据。它是衡量码检错、纠错能力的依据。&任一任一(n,k)分组码，若要在码字内分组码，若要在码字内: (1) 检测检测e个随机错误，则要求个随机错误，则要求d0e+1; (2) 纠正纠正t个随机错误，个随机错误， 则要求则要求d02t+1; (3) 纠正纠正t个同时检测个同时检测e(t)个随机错误，则个随机错误，则d0t+e+1。&用差错控制编码提高通信系统的可靠性， 是以降低有效性为代价换来的。 &编码效率：编码效率：R=k/n 其中其中, k是信息元的个数，是信息元的个数，n为码长为码长&对纠错码的基本要求是对纠错码的基本要求是: 检错和纠错能力尽量强；检错和纠错能力尽量强； 编

59、码效编码效率尽量高；编码规律尽量简单。率尽量高；编码规律尽量简单。59（一）奇偶校验码&奇偶校验码是通过增加冗余位来使得码字中“”的个数保持为奇数或偶数的编码方法，是一种检错码。q以字符为单位进行校验q发送方使发送的每个字节中1的个数为奇数或偶数；接收方检查收到的每个字节中1的个数是否符合双方的事先约定。q奇偶校验可以检查出一个字节中发生的单个错误。q奇偶校验不能自动纠错，发现错误后需“重传”。&在数据通信中使用时又可分为以下几种：q垂直奇偶校验垂直奇偶校验q水平奇偶校验水平奇偶校验q水平垂直奇偶校验水平垂直奇偶校验60奇偶校验码垂直奇偶校验码垂直奇偶校验码：是将整个发送的信息块分为定长位的若

60、干段（比如说段），每段后面按“”的个数为奇数或偶数的规律加上一位奇偶位。I 11I 12 I 1qI 21I 22 I 2q .I p1I p2 I p qr 1r 2 r q信息位信息位冗余位冗余位奇校验奇校验: ri=I 1i I 2i I pi 1偶校验偶校验: ri=I 1i I 2i I pi编码效率编码效率: R=p/(p+1)61奇偶校验码 水平奇偶校验码水平奇偶校验码：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。I 11I 12 I 1q r 1I 21I 22 I 2q r 2 . I p1I p2 I p qr q信息位信息位冗余位冗余位编码效率编码效率: :