第2章数据通信技术基础

第二章数据通信技术基础本章基本内容：2.1工业数据通信系统的基本组成概念2.2数据的表示方式（编码技术）2.3信号的传输方式(基带传输、载波传输、频带传输）2.4数据通信方式2.5数据交换技术2.6传输介质2.7信道共享2.8差错控制技术2.1数据通信的基本概念

通信：通过各种介质将信息从一个地点、一个人或一台设备传送到另一个地点、另一个人或设备的过程。典型的通信系统如图所示。发送的一方称为信源，接收的一方称为信宿。信息：通信的目的是交换信息，信息的表达形式可以是数字、文字、语音、图象、图形等。广义地说，信息就是消息所包含的内容和解释。数据：是传递信息的载体，是事物的表示形式，可以是描述事物的数字、字母、符号及其组合，是信息数字化的结果。连续变化的数据称为模拟数据，具有离散值的数据称为数字数据。二进制代码是计算机中最常见的数字数据。

信号：是数据在传输过程中的表示形式。根据传输介质的不同，信号具有声、光、电等多种表现形式。如果信号是连续变化的，称为模拟信号；如果信号不是连续变化的，称为数字信号。模拟数据可以通过模拟信号传输，也可以通过数字信号传输；同样，数字数据可以通过模拟信号和数字信号两种方式传输。在每种方式中，数据对应的具体传输信号状态称为数据编码。

信号（模拟信号，数字信号）一般说来，模拟数据和数字数据都可以转换为模拟信号或数字信号。因此我们有以下四种情况： （1）模拟数据、模拟信号。 （2）模拟数据、数字信号。 （3）数字数据、模拟信号。 （4）数字数据、数字信号。下图给出了模拟的和数字的数据、信号的示意图。信号带宽：信号通常是以电磁波的形式传送的，信号电磁波的频率范围称为信号带宽。数字信号具有无限的带宽，但是，在数字信号中大部分能量都集中在某段频率上，这段频率也称为信号带宽或信号有效带宽。数据通信：依据通信协议，利用数据传输技术在两个功能单元之间传递数据叫做数据通信。数据通信的整个过程可以概括为：把数据以信号的形式从发射端传送到接收端，并在接收端还原成原来的数据。数据通信中传送的是数据（即字母、数字及其他符号），若信源本身发出的是数字信号，无论采用什么传输方式，都称为数据通信。基带信号：信源端原有信号所占据的频率范围叫做基本频带，简称基带。这种未经频率变换（调制）的原始信号，叫做基带信号。具体讲,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;矩形脉冲信号的固有频带称做基带,矩形脉冲信号就叫做基带信号;

信道：是信号传输的通路，也叫物理信道，由发送数据与接收数据的设备以及二者间的传输介质组成。在物理信道的基础上，只考虑发、送双方的通路关系，叫做逻辑信道。传送模拟信号的信道叫做模拟信道，传送数字信号的信道叫做数字信道。什么是信道带宽？指信道上能够传送信号的最大频率范围，也就是信道可传信号的最高频率与最低频率之差。例如：一条普通电话线路的带宽为300～3400Hz。当信号的带宽大于信道的带宽时，信号就不能在该信道上正确传送，或者传送出的信号将失真。要进一步理解带宽的概念，以人的听觉系统为例：人耳所能感受的声波频率范围是20～20000HZ，低于这个范围的叫次声波，高于这个范围的叫超声波，人的听觉系统无法将次声波或超声波传递到大脑，所以用20000HZ减去20HZ所得的值就好比是人的听觉系统的带宽。数据传输系统的信道传输的不是声波，而是电磁波，它的带宽就是所能传输电磁波的最大有效频率减去最小有效频率所得的值。信道容量：也叫信道的最大传信速率，与信道带宽一样，信道容量也是衡量信道通信能力的指标，它指一个信道在传输差错率趋于零的情况下可能传输最大信息量的能力，是一个理想的极限值，一般用单位时间内最大可传送信息的比特数表示。正确传输时，要求数据的传输速率不大于信道容量。信道容量--数据传输速率信道容量--数据传输速率★数据传输速率在数值上，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，bps；

★常用的数据传输速率单位有：Kbps、Mbps、Gbps与Tb/s，其中：

1Kbps=1×103bps1Mbps=1×106bps1Gbps=1×109bps1Tbps=1×1012bps★对于二进制数据，数据传输速率为

S=1/T(b/s)其中，T为发送每一比特所需要的时间。例如：如果在通信信道上发送一比特0、1信号所需要的时间是1ms，那么信道的数据传输速率为1000b/s。噪声：信号在传输过程中受到的干扰称为噪声，干扰可能来自外部，也可能由信号传输过程本身产生。噪声过大将影响被传送信号的准确性。模拟传输与数字传输：以模拟信号的形式在信道上传送数据称为模拟传输；以数字信号的形式传送数据称为数字传输。基带传输：在数字通信信道上直接传送数据基带信号的传输方法称为基带传输；频带传输：在进行远距离的数据传输时，通常将基带信号进行调制，再通过带通型模拟信道传输调制后的信号，接收方通过解调得到原来的基带信号，这种传输方式称为频带传输。调制解调（modem）是频带传输中最典型的通信设备。利用模拟信道传输数据信号的方法称为频带传输；但是随着技术的进步，尤其是光纤通信等技术的成熟，直接利用数字信道传送数据已经突破了原有基带传输的不足，可以适应更高的传输速度和更远的距离。传输速率：指单位时间内传输的信息量，是评价通信速度的重要指标传输效率：指整个传送的数据中有效的原始数据所占的比例，在同样的传输速率下，传输效率越高，意味着整个传输的信息量越大。什么是误码率?

误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率，它在数值上近似等于：Pe=Ne/N，其中N为传输的二进制码元总数，Ne为被传错的码元数；误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数之一；对于一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；实际数据传输系统，如果传输的不是二进制比特，要折合成二进制比特来计算；(8B6T编码方案）)差错的出现具有随机性，在实际测量一个数据传输系统时，只有被测量的传输二进制比特数越大，才会越接近于真正的误码率值。2.2数据的编码技术信源编码在数据通信系统的端设备中将原始的信息转换成用代码表示的数据的过程。信号编码(本课程讨论对象)

又叫做信道编码，是将数据的信源编码形式（或原始存在的数字形式）变换到某一种适合于信道传输的信号形式的过程。2.2.1模拟数据编码方法

典型的模拟通信信道是公用电话通信信道，它是专为传输语音信号设计的，但可以通过调制和解调（频带传输）传送数字信号。载波信号为U(t)=UmSIN(ωt+φ)，其信号特征包括振幅、频率和相角。分别对应三种不同的编码方法。

1.振幅键控ASK(amplitude-shiftkeying)对于载波函数:U(t)=UmSIN(ωt+φ)

U(t)=UmSIN(ωt+φ)数据1时

U(t)=0数据0时2.移频键控FSK（Frequency—ShiftKeying）U(t)=UmSIN(ωt+φ)数据0时：

U(t)=UmSIN(ω⒈t+φ)数据1时：

U(t)=UmSIN(ω⒉t+φ)ω⒈ω⒉ω⒉ω⒈ω⒈ω⒈3.移相键控PSK（Phase—ShiftKeying）

-----绝对移相键控U(t)=UmSIN(ωt+φ)数据0时：

U(t)=UmSIN(ωt+π)载波信号相位为π；数据1时：

U(t)=UmSIN(ωt)载波信号相位为0。3.移相键控PSK（Phase—ShiftKeying）

-----相对移相键控数据0，载波信号相位不变化；数据1，载波信号相位偏移π。

数字数据的模拟编码波形总结多相移相键控0011010010为例，数据每2位为一组，四种状态：u(t)=umsin（ωt+3π/2）二进制数字“11”umsin(ωt+π)二进制数字“10”umsin（ωt+π/2）二进制数字“01”umsin(ωt)二进制数字“00”2.2.2数字数据的数字编码

单极性编码:

用0电平表示二进制“0”，用正电平表示二进制“1”

，也可反之。2.2.2数字数据的数字编码

1)非归零编码NRZ-L:

用负电平表示二进制“1”，用正电平表示二进制“0”

非归零反向编码NRZI:用电平的是否跳变表示邻接的数据，电平发生跳变表示邻接的数据为“1”，

电平不跳变表示邻接的数据为“0”

。

2）信号交替反转码（AMI）和伪三元码

两种编码都是双极码，即用三个电平表示二进制的数据。

信号交替反转码AMI中:

“0”用无电压状态表示，

“1”由极性上交替进行的正脉冲或负脉冲表示伪三元码中:

“1”用无电压状态表示，

“0”由交替的正、负脉冲表示。

3)曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码无论是曼彻斯特编码还是差分曼彻斯特编码,数据位的中间位置都出现电平的跳变曼彻斯特编码:数据位中间的跳变由正电平到负电平的跳变表示“0”;

由负电平到正电平的跳变表示“1”差分曼彻斯特编码:每一位数据的中间电平的跳变不表示数据在数据位开始边界发生跳变表示“0”，在数据位开始边界不发生跳变表示“1”，几种数字编码

PCM操作包括：采样、量化与编码3部分。

1.采样:每隔一定的时间间隔对连续的模拟信号采样,这样模拟信号就成为离散的模拟信号,用它来近似的代表原信号。根据采样定理，采样频率f为f≥2fmax，式中fmax为原信号的最高频率。

2.量化：量化是将采样获得的样本幅度按量化级决定取值的过程。经过量化后的样本幅度为离散的量级值，已不是连续值。这依据精度要求决定。

3.编码：编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级。如果有K个量化级，则二进制的位数为㏒2K2.2.3模拟数据的数字信号编码2.3数据通信方式网络通信系统设计中几个基本问题：数据传输类型模拟通信数字通信数据通信方式串行通信、并行通信单工通信、半双工或全双工通信同步方式同步通信异步通信2.3.1串行通信与并行通信

串行通信是指数据流以串行方式在一条信道上传输。并行通信是指数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输，由选通锁存信号作双方的同步之用。2.3数据通信方式2.3.2异步传输和同步传输

在串行通信中，发送方和接收方步调不一致很容易导致“漂移”现象，从而使数据传输出现差错。异步传输和同步传输是两种常见的同步方式。1）异步传输

数据传输的单位是字符，每个字符作为一个独立的整体进行发送。在一个字符的传输过程中，收发双方基本保持同步，所谓异步只是指字符间间隔的不确定性。2）同步传输数据传输的单位是帧，帧由多个字符组成,字符间没有间隙,字符前后也没有起始位和停止位。位同步 每一位都要求同步，对应的传输叫做同步传输，包括外同步和自同步。帧同步帧同步是在每个帧的开始和结束部位都附加标志序列，接收端通过检测这些标志实现与发送端帧级别上的同步。2.3.3单工、半双工与全双工通信

2.4

数据的基带传输和频带传输

2.4.1基带传输基带传输直接传输数字信号，良好的基带传输性能意味着矩形信号通过信道后产生较小的失真。1）基带传输信号的傅里叶分析任何信号都有时域、频域两种表现形式，二者之间满足傅里叶变换。

任何一个物理可以实现的信道都具有有限的频带宽度，所以要达到矩形脉冲信号的绝对无失真传输是不可能的。

脉冲信号频谱的第一个零点

脉冲信号频谱的第一个零点与矩形脉冲的脉宽τ成反比，可见脉冲越窄，要求信道的带宽就越宽。2）信道对数据传输速率的影响

奈奎斯特第一准则和香农定理进一步揭示了信道对数据传输速率的影响。信息传输速率：每秒传输二进制数据代码的比特数，单位为比特/秒（bps）,简称数据传输速率或比特率。调制速率：是指每秒钟传输信号码元的数目，又叫码元速率或波特率，单位是1/S，称为波特（baud）。对于数字信号，一个数字脉冲电平就是一个码元，波特率是每秒钟传输数字脉冲电平个数；对于模拟信号，一种载波调制状态是一个码元，波特率是调制解调器的调制速率。非理想信道实际的信道上存在三类损耗：衰减、延迟、噪声。a）衰减

信道的损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。b）延迟信号中的各种频率成分在信道上的延迟时间各不相同，在接收端会产生信号畸变。c）噪声

热噪声：由导体内的热扰动引起，又称为白噪声。

串扰：信道间产生的不必要的耦合。例：多对双绞线

脉冲噪声：非连续、随机、振幅较大。多由外部电磁干扰造成（闪电、大功率电机启动等）。噪声将破坏信号，产生误码。持续时间0.01s的干扰可以破坏约560个比特（56Kbps）。Shannel公式：高斯噪声干扰信道S/N信噪比（dB分贝）C=Wlog2(1+SN)S/NdB=10log10S/N例：信道带宽W=3KHz，信噪比为30dB，则

C=3000*log2(1+1000)≈30KbpsNyquist公式和Shannel公式的比较●C=2Wlog2M

此公式说明数据传输率C随信号编码级数增加而增加。M为编码级数.●C=Wlog2(1+S/N)

无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信道能达到的最高传输速率。原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。2.4.2频带传输

频带传输是利用模拟通信信道进行数据通信的方式。1.调制解调器的工作原理

（1）调制（2）解调

实际的传输中要求通信的双方都需要同时具备发送和接收受的能力，这时可以通过上下两个频带来解决。Bell103标准规定了FSKmodem上下频带的编码规则：上频带：下频带：

2modem

按照不同的分类方式，modem可分为多个种类，如按介质，可分为有线modem和无线modem；按外型，可分为外接modem、内插modem和袖珍modem；按数据传输速率，可分为低速modem、中速modem和高速modem；按通信线路，可分为拨号modem和专线modem；按操作状态，可分为异步modem和同步modem；另外，还可以按调制方式、数据压缩方式等多种分类方式。

2.5数据交换技术

数据交换技术主要是讨论通信双方如何通过子网有序地交换数据，大体上可分为线路交换方式和存储转发交换方式。存储转发交换方式包括报文交换和分组交换。2.5.1线路交换方式

双方在通信时在通信子网中具有一个实际的物理连接，这一物理连接是二者间的专用通信线路。

线路交换方式工作原理图节点１节点２节点３节点４2.5.2存储转发方式

发送的数据与目的地址、源地址、控制信息按一定格式组成数据单元进入子网。通信控制处理机实现接收、差错校验、存储、路选和转发功能。优点：共享通信信道，线路利用率高； 动态得到最佳路径，平滑网络通信量；可以差错控制，提高了可靠性；可以对不同通信速率、不同代码格式进行交换。 缺点：较大的传输延迟；增加了通信设备的开销。存储转发交换方式可以分为两类：报文交换（messageswitching）与报文分组交换（packetswitching）。报文交换与报文分组交换结构

如下所示：1）报文交换

不管数据量多少，所有交换的数据都打成一个数据包，这样有利于保证一次传输的数据完整性，但不同大小的数据包给网络中的通信设备增加了负担，而且增加了传输延迟的不确定性。2）报文分组交换

限制数据包的最大长度，将一个长报文分成多个报文分组。便于交换机中的存储和处理，传输时延较小且变化范围不大，提高了存储转发方式的实时性能。另外，一旦出现传输错误，只需要重传对应的报文分组，不必重新传输整个报文。

报文分组交换技术在实际应用中又分为两类：数据报（DG，datagram）方式与虚电路（VC，virtualcircuit）方式。

数据报方式对于每个数据包的存储、处理、转发都是独立发送的，每个分组中都必须有目的地址和源地址，同一报文的不同报文分组可以通过不同的路径，那就有可能在到达目的节点时出现报文分组的乱序、重复、丢失。 数据报技术较为灵活，可以躲开某一区域网络的拥塞，提高了传输的可靠性；不必预先呼叫，报文较少时效率高。数据报方式工作原理示意图

虚电路方式虚电路方式将数据报与线路交换方式相结合，在报文分组发送之前，必须建立一条预定的路由连接（逻辑连接），之后报文分组都沿着这条路由传递，由于报文分组走同一条虚电路，所以除呼叫外其它分组不必带目的地址、源地址，只需差错控制，不必路由选择，延迟较小，到达时不会丢失、重复、乱序。而且，与线路交换不同点在于每个节点可以建立多条虚电路。虚电路方式工作原理示意图2.5.3不同交换技术的比较

线路交换适合于高负荷持续通信，尤其是会话式通信、语音通信、图象通信，不适合突发性通信；报文交换适合于长报文、无实时要求的通信，不适合会话式通信；数据报适合于灵活的突发短报文传输，不适合会话和有实时性要求的通信；虚电路适合实时、固定对象、长报文通信，也适合会话式通信和语音、动态图象及图形通信要求。2.6传输介质

传输介质大致可分为有线介质和无线介质，常用的有线介质有双绞线、同轴电缆、光纤等；无线介质指在空间传播的电磁波，常用的方法有：地面微波、卫星微波、红外通信、蜂窝通信等。介质的特性主要有： （1）物理特性：物理结构 （2）传输特性：信号，调制技术、容量、频率范围 （3）连通特性：点—点，多点连接 （4）地理范围：最大传输距离 （5）抗干扰性：抗电磁等干扰能力 （6）价格：器件，安装与维护2.6.1双绞线

分为非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线两种。双绞线由两根相互绝缘的铜导线按一定的规则螺旋绞合在一起构成，这种结构可以减弱电磁干扰。

保护套双绞线对图2-9UTP电缆2.6.2同轴电缆

同轴电缆由内导体铜质芯线、内绝缘层、屏蔽层、外绝缘层、塑料保护层五部分构成。

50Ω同轴电缆又称为基带同轴电缆，分为粗缆和细缆。

75Ω同轴电缆是宽带同轴电缆。

同轴电缆的联接2.6.3光纤光传输系统三个组成部分

光纤是一种传输光信号的传输媒介，其从中心到外面分别为纤芯、包层、保护层。纤芯是由石英、玻璃或塑料制成的光导纤维。有效光信号能在从纤芯到包层的界面上发生全反射，从而保证光信号低衰减、长距离传输。光纤可分为突变多模光纤、渐变多模光纤和单模光纤，其中单模光纤性能最好，突变多模光纤最差。2.6.4无线传输

在一些无法使用有线通信情况下，无线通信就成为必要的通信手段。常用的无线通信方式有地面微波、卫星微波、红外通信和蜂窝传输等。地面微波利用微波的直线传输特性，通信受地表曲率的影响，可采用“接力”的办法，微波的频率范围为2GHz-40GHz。卫星微波通信是用地球同步通信卫星作为微波通信的中继站。红外通信一般用于室内和较近距离。蜂窝传输中，将整个服务区划分为一个个蜂窝单元，每个单元都由一个基站控制。2.7信道共享

当信道的传输能力高于两个通信设备间的要求时，可以让多个数据信道共享这一信道。2.7.1多路复用技术

1）频分多路复用（FDM） 将物理信道的总带宽划分为多条较小带宽的信道，各信道间还要略留一个保护频带。

2）时分多路复用（TDM）每个用户分得一个时间片，在这一时间片内用户使用全部带宽。

2.7.2竞争的介质访问方法竞争的介质访问方法是基带总线网络中常用的介质访问控制方法。在总线网络中不存在集中控制，节点平等争用发送时间，用户节点争用介质发送数据是随机的

1）ALOHA方法

纯ALOHA网中，任何节点只要有数据要发送就立即发送，然后等待一段时间。若在这段时间内发送节点收到接收节点的应答，即判断为发送成功。如果在这段时间内发送节点未收到接收节点应答，则认为传输出错，重发数据。

如果在一个节点发送数据的同时，其它节点也发送数据，就会出现冲突，接收节点不能正确接收数据，也就不回送应答。发现传输出错后，发送节点随机延时后重新发送，直到成功为止。纯ALOHA方式可以概括为：有数就发，发送后等待应答，无应答延时重发，直至返回应答成功。 2）时间片ALOHA方法

这种方法是将信道时间分成相等的时间片，每个时间片等于（或稍大于）一帧数据发送的时间，网上的所有节点都使用同一时钟，每个节点只能在每个时间片开始的时刻发起数据传输，冲突重发帧也必须如此，发生冲突后的处理方法与纯ALOHA方式相同。冲突只发生在时间片的开始处，避免了一个节点发送过程中，其它节点开始发送数据形成的冲突，提高了数据传输的成功率。3）载波侦听多路存取方法（CSMA）

每个节点在发送数据之前，首先要检测信道上是否有载波信号。测试信道为“空闲”时，才向总线上发送数据。如果同时有两个节点几乎在相同时刻判断总线空闲，并同时发送了数据，那就会产生冲突，造成发送失败。CSMA方法又可以分为三种不同的类型：

（1）非坚持型（Non-Persistent） 在非坚持型CSMA中，一旦监听到信道忙，则不再坚持监听，而是向后延迟一个随机时间段，时间延迟到后重新监听，若监听到总线空闲，立即发送。（2）1-坚持型（1-Persistent） 在1-坚持型的CSMA中，监听到信道忙，则继续侦听，直至空闲时立即发送数据。如果出现冲突，等待一个随机时间，重复前面的监听、发送过程。（3）P-坚持型（P-Persistent）

在P-坚持型的CSMA中，若信道空闲，则节点以P概率发送数据、以（1-P）概率推迟τ（τ是信道端到端的传播时延的倍数）时间发送；若发生冲突，则随机延迟一段时间重复上述过程。4）CSMA/CD带有冲突检测的载波监听多路存取方法

带有冲突检测的载波监听多路存取方法CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection）是在CSMA方法的基础上增加了发送数据过程中冲突检测。（1）数据发送流程

忙、闲状态侦听

网络中的每一个节点在准备利用信道发送数据时，首先要侦听信道的忙、闲状态。?冲突检测

由于信号在线路中传播需要时间，因此，冲突检测也需要一定的时间，对于基带总线而言，最坏的情况下检测到一个冲突的时间等于总线上信号最大传播时延的两倍。

信号最大传播时延=总线两点间最大距离/信号传播速度冲突处理

为了使每个节点都能及早正确地判断出冲突，CSMA/CD还采用了冲突加强措施，冲突加强一般采用4字节的阻塞（JAM）信号。这样做的目的是确保有足够的冲突持续时间，以使网中所有节点都知道。 如果发送过程中出现冲突，在完成“冲突加强”过程后，节点停止当前帧发送，进入重发状态。进入重发状态的第一步是计算重发次数。Ethernet协议规定一个帧最大重发次数为16。如果重发次数超过16次，则认为线路故障，系统进入“冲突过多”结束状态。如果发次数n≤16，则允许节点延迟后再重发。

最典型的CSMA/CD后退延迟算法是截止二进制指数后退延迟（TruncatedBinaryExponentialBackoff）算法。该算法可以表示为：τ=2K×R×a式中：τ为节点重发应后退的延迟时间，K为冲突次数，a为冲突窗口时间，R为随机数，这个随机数R是网络初始化时根据节点的地址产生的。为了避免延迟过长，截止二进制指数后退算法限定了作为二进制指数K的范围，定义K=min(n,10)。所以最大延迟时间为

1024个时间片(R×a)。其中重发次数n≤16CSMA/CD方法中的数据发送流程可概括为：先听后发、边发边听、冲突停止、（随机）延迟再发。2.7.3确定型介质访问方法

1）令牌环:每一个节点通过电缆和干线耦合器接入物理环形网中，干线耦合器是一个转发器，转发从环路输入的比特流。耦合器在转发同时还对比特流分析，如果发现和本节点的地址一致，则转发的同时，也将数据复制；如果要发送数据且发现空闲令牌，则变为忙标志，即截获令牌，然后把耦合器的状态从转发状态变为发送状态，发送数据。令牌环的工作过程(由A向Ｃ节点发数据）空闲令牌ACBD忙令牌ACBDCBDA空闲令牌ACBD

２）令牌总线

令牌是一种特殊结构的控制帧，管理节点对总线的访问权。令牌总线虽然在物理连接上是总线结构，而在逻辑上构成一个环结构。总线上的每个节点都记录着本站地址（TS），前趋站地址（PS）和后继站地址（NS），这些地址首尾相接构成一个封闭的环。令牌总线中的节点可以从前趋站获得令牌，并在使用后交给后继站，任何一个节点只有在取得令牌后才能使用公共通信总线去发送数据。

令牌总线网结构简图2.8差错控制技术

在通信过程中，有效地检测出错误，并进行纠正，从而提高通信信道传输质量的方法叫差错控制。

如果发送方的发送数据速率高于接收方的数据接收速率，也会造成数据传输的差错和丢失，这种情况的处理一般称为流量控制。

传输差错产生过程2）噪声热噪声：由传输介质导体和电子器件中的电子热运动产生，比较小，白噪声，它引起的差错一般为随机错。交调噪声：当不同频率的信号共享同一传输介质时，产生的噪声叫交调噪声。串音：一般由相互靠近的双绞线或同轴电缆之间的电气耦合产生。冲激噪声：具有突发性，并且幅度也较大，它由不规则的脉冲或幅值较高的尖峰脉冲组成，外界电磁干扰是引起这类噪声的主要原因。它引起的差错一般为突发错.在通信过程中产生的传输差错，是由随机差错与突发差错共同构成的。2.8.1差错原因与类型

1）传输衰耗与延迟畸变

信号的强度随着通过传输介质距离的增加而下降，传输衰减随着频率的增加而增加。传输的信号由多种频率成分组成，信号的不同频率成分传输速度不同,到达接收器的时刻不同，由此产生的畸变称为延迟畸变。2.8.2差错控制中的编码技术

差错控制编码的目的是使用一些方法发现差错并加以纠正，通常采用在信息码元的基础上增加冗余码元，冗余码元与信息码元之间存在一定的关系，传输时，将信息码元与冗余码元组成码组（码字）一起传输。不同的码字长度影响了编码的差错检测能力。码字长度长,差错检测能力强。两个等长码之间对应位不同的数目称为这两个码组的明距离，简称码距。差错控制的编码方式基本上有两类：纠错、检错重发编码效率 信息位k位，冗余位r位，码字长度n=k+r，效率R=k/n检错码:

分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息；接收端能够发现出错，但不能确定哪位是错的，并且自己不能纠正传输差错。纠错码：每个传输的分组带上足够的冗余信息；接收端能发现并自动纠正传输差错。差错控制中的编码技术分为两类：检错码11）水平和垂直奇校验例子：字符ASCII水平奇校验H10010001a11000010m11011010g11001110n11011100c11000111o11011110垂直奇校验01111101检错码22）循环冗余码

CRC码又称多项式码，是使用广泛的检错码，效率高。其原理是将信息码组中的全部M位数据当作一个从XM-1到X0的二进制多项式系数序列，例如11000001对应X7+X6+1，110110对应X5+X4+X2+X。在发送数据前，收发双方预先约定好一个多项式，称为生成多项式，通常生成多项式是多种标准多项式的一种。假设所选的生成多项式是一个K阶的多项式(K+1位的二进制数)，发送方将信息码组中的M位数据后添K个0，相应的信息码码多项式也就变成一个（M+K-1）阶多项式，将这一多项式与生成多项式相除,在这种运算过程中，二进制多项式的乘除运算与普通代数多项式的乘除运算一样，加减运算相当于对应系数的异或运算，相除求得一个（K-1）阶的余数多项式。接上页

将余数多项式的系数作为冗余数据加到原来的M位数据后，构成一个（M+K）位的码组，发送方将这一码组数据发出。在接收方接收到数据后，将数据作为多项式系数形成一个（M+K-1）阶的多项式，并用这一多项式与生成多项式相除，如果余数多项式的系数均为0,则说明传输正确；否则，认为传输出错。循环冗余编码工作原理

CRC检错方法举例数据为110011，生成多项式G（x）的系数为11001，求发送方发出的比特序列。（1）G（x）的系数为11001，说明多项式阶数K=4；（2）数据码后添加4个0，新多项式系数为1100110000；（3）多项式相除，求余数多项式系数，多项式的运算实际是系数间的运算：标准CRC生成多项式G（x）CRC-12G（x）=x12+x11+x3+x2+x+1CRC-16G（x）=x16+x15+x2+1CRC-CCITTG（x）=x16+x12+x5+1CRC-32G（x）=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10

+x8+x7+x5+x4+

x2+x+1CRC校验码的检错能力CRC校验码能检查出全部单个错；CRC校验码能检查出全部离散的二位错；CRC校验码能检查出全部奇数个错；CRC校验码能检查出全部长度小于等于K位的突发错；CRC校验码能以[1-（1/2）K-1]的概率检查出长度为（K+1）位的突发错；如果K=16，则该CRC校验码能全部检查出小于或等于16位的所有的突发差错，并能以1-（1/2）16-1=99.997％的概率检查出长度为17位的突发错，，漏检概率为0.003%。3）海明（Hamming）码

在海明码的编码过程中，冗余码从左至右依次填充到2j（j=0，1，…

，r-1）的位置上，码组中剩余位填充数据位。(*为数据，P为冗余检验位）

2021 22 23 P1P2*P3***

P4***

****

如果冗余码的位数为r，则存在这样一个（2r-1）行×r列的编码矩阵，矩阵元素等于0或1，并且每一行的元素所组成的二进制编码等于行数的二进制编码。对于海明纠错码，要求码组数据与这一矩阵相乘满足下列关系：⑴海明码码组位长度n，冗余位长度r，数据位长度k的关系⑵冗余码从左至右依次填充位置⑶如何求得冗余码⑷接受方如何判断出错，确定出错误位并纠错．2.8.3流量控制

通过差错控制技术中的编码技术可以解决在数据传输中编码码组中数据位的错误，但由于干扰原因或者发送方的数据发出速度大于接收方对数据的处理速度，会出现整个码组的丢失，从而造成传输出错。这时，就需要一系列技术保证发、收双方在发、收数据速度上的协调以及一旦出现差错后正确处理，一般称为流量控制和差错控制机制。1）停止等待流量控制

112312322NAK否定应答帧2）滑动窗口流量控制

（1）发送方窗口

为克服停止等待方式效率低的不足，可以在接