项目2-数据传输与差错控制教学文稿

项目2-数据传输与差错控制1.1.1数据通信的系统模型数据通信系统模型组成调制频率：信号‘1’：1270Hz正弦波信号‘0’：1070Hz正弦波调制解调数据通信网发送设备传输信道接收设备输入数据输出数据数据源数据宿21.1.2数据通信的基本概念1.信息、数据和信号2.信道及信道的分类31.信息、数据和信号

信息（Information）

通信传输过程中包含的内容

一般为数字、文字、语音和图像等数据

信息的载体，一般用二进制代码表示信号

数据在传输过程中的表示形式

分为模拟信号和数字信号两类模拟信号是连续变化的数字信号是分立离散的41.信息、数据和信号

信号抽取、干扰和恢复原有真实数据传输与信号间的组合模拟传输模拟传输数字传输数字传输编码译码器：模拟→数字、数字→模拟A/D、D/A转换器：模拟→数字、数字→模拟调制解调器：数字→模拟、模拟→数字52.信道及信道的分类信道：信号传输的通路(通信线路)信道分类：按传输信号类型：模拟信道、数字信道

原始、调制模拟信号、二进制数字信号按物理、逻辑性：物理信道、逻辑信道

传输介质、通信设备、信号逻辑径路按传输通路介质：有线信道、无线信道

有形介质(线、缆)、无形介质(空气、太空)按通路使用权限：专用信道、公用信道

固定、专线、大型公共信道61.1.3数据通信的传输媒体通信网络中使用的传输媒体(介质)

有电话线、双绞线、电缆线、光纤、架空明线﹑微波线路和卫星线路等。常用的是：电话线双绞线同轴电缆光纤71.1.3数据通信的传输媒体通信网络中使用的传输媒体(介质)

微波线路传输容量大直线传播和受环境条件的影响长途传输必须建立中继站必要时信号增强

81.1.3数据通信的传输媒体通信网络中使用的传输媒体(介质)

卫星线路微波传输一种，中继站点卫星不受地理环境和通信距离的限制有海量的带宽，具有广泛的应用市场

价格昂贵

91.1.3数据通信的传输媒体通信网络中使用的传输媒体(介质)

红外传输直线传播、距离有限(在视野内)速度快：100Mbps广泛用于家电遥控、计算机间数据交换101.1.4数据通信的接口和标准接口：通信中通信设备之间的连接接口标准：为求接口的通用性常用的接口标准RS-232USBRS-449X.21……111．RS-232接口

参数：传输距离：<50英尺

传输频率：≤19200bps接口类型：

25针

9针优点：实现简单缺点：带宽较窄、传输距离较近应用例：鼠标—主机（COM）12

2．RS-449接口

接口类型（RS-449）：37针电气标准： RS-422 RS-423

平衡电路 不平衡电路传输距离(英尺)：404000404000 传输频率(bps)：10M100K100K1200 优点：便于高速、远距离传送

缺点：实现相对比较困难、支持的外设少应用例：数字摄象机—主机133．USB接口

USB接口：通用串行总线接口接口类型：4针、可支持127个装置电气标准传输距离：≤5米最高传输频率：12Mbps

优点：周边设备连接标准化、单一化

支持热插拔缺点：支持的传输距离有限

应用例：调制解调器、打印机、扫描仪、相机141.1.5数据通信的主要技术指标主要有：传输速率差错率可靠性151.1.5数据通信的主要技术指标1．传输速率B2．差错率pe3．可靠性pr161．传输速率B

衡量传输能力的主要指标(比特率、波特率)比特率：数字信号的传输速率定义：单位时间内传输二进制代码有效位数单位：比特/秒（bps）千比特/秒（kbps）波特率：调制速率，又称为波形速率定义：线路中每秒传送的波形的个数单位：波特（baud） B=1/T换算：比特率=波特率*log2n

n为一个脉冲信号表示的有效状态数172．差错率pe

衡量传输质量的主要指标码元差错率(误码率)：定义：差错码元所占总数的比例(平均值)

pe=差错码元数/总码元数指标：要求＜10-6

比特差错率定义：差错的比特数占总数的比例（平均值）

peb=差错比特数/总比特数18

3．可靠性pr

衡量传输系统质量重要指标可靠度：定义：正常工作时间占全部工作时间百分比

pr=正常工作时间tr/全部工作时间Tr

191．2数据传输类型基带传输：数字信号方式频带传输：模拟信号方式201.2.1基带传输数字基带信号：直流开始未经调制的二进制脉冲数字信号数字信号基带传输：在通信线路上直接传输二进制脉冲“数字基带信号”特点：直流脉冲发送一次仅传输一个信号或信道、独占通信线路容量随距离增大而迅速衰减，中继器再生和放大信号必须先编码，用不同的电平代表信号“1”和“0”211.2.1基带传输

1.非归零编码(NRZ，Non-ReturntoZero)

正电平代表“1”，负电平代表“0”发收保持同步：另一信道发送同步时钟信号信道中“0”/“1”连续时会产生直流分量使用例：计算机串行口和调制解调器之间221.2.1基带传输

2．曼彻斯特编码

编码规则：（1）每比特周期分为前后两部分（2）前半周期传送反码、后半周期传送原码比特中有一次电平跳跃（本地时钟）信号中1/0的个数相等，信道不含直流分量使用例：10Base以太网231.2.1基带传输

3．差分曼彻斯特编码

曼彻斯特编码的改进编码规则：周期分为前后两部分，中间的跳变仅起同步作用开始边界是否发生跳变来决定值：有跳变，为“0”无跳变，为“1”241.2.1基带传输25

1.2.2频带传输频带传输：利用模拟信道实现数字信号传输优点：不同频率载波共用信道，信道容量利用充分衰减缓慢，适合远距离传输传输过程：信道：采用某一频率的正（余）弦信号作为载波信源：载波调制(调制器数字信号→模拟信号)信宿：信号解调(解调器模拟信号→数字信号)26

1.2.2频带传输调制参数：振幅A

、角频率ω

、相位Ψ正弦载波信号幅度u

与调制参数的关系u(t)=A(t)sin(ωt+Ψ)

调制方式为：幅度调制

(振幅键控)：幅度随数字信号变化频率调制

(移频键控)：频率随数字信号变化相位调制

(移相键控)：相位随数字信号变化27

1.2.2频带传输数字信号幅度调制频率调制相位调制281.2.3调制解调器1.工作原理2.分类3.技术指标291.工作原理数字信号“1”对应的频率为f1=1270Hz数字信号“0”对应的频率为f1=1070Hz302.分类按连接方式分类内置式 外置式 无线调制解调器按功能分类数据调制解调器 FAX/Modem FAX/Voice/Modem按使用的通信线路分类一般调制解调器：电话网、传输速率可达56KbpsCableModem

：有线电视电缆网络、10-30MbpsADSLModem

：非对称数字用户环路、640K/7M313.技术指标

V.32标准

针对7200bps、12000bps和14400bps全双工调制解调器的标准V.32bis标准

对高于14400bps的带数据压缩和差错检验功能的全双工调制解调器的标准V.90标准

ITU(国际电信联盟)制定的一个56Kbps数据传输标准321.3数据传输模式数据通信的传输模式331.3.1数据通信的传输模式1.串行传输与并行传输2.异步传输与同步传输3.单工、双工与全双工通信341.串行传输与并行传输串行传输（图3-3-1b）一条线路，逐个地传送所有的比特优点：适用于长距离传输数据、造价便宜缺点：速度较慢并行传输（图3-3-1a）多条线路同时传输一组比特优点：适用于短距离传输数据缺点：速度较快352.异步传输与同步传输

异步传输（图3-3-2）比特被划分成小组独立传送发送的字符都有自己的开始位和停止位适用于数据传输速率要求不高的设备同步传输（图3-3-3）将发送字符组合为数据帧一起发送数据帧的具体组织形式随协议而定，一般包括：

同步位、控制位（包括源地址、目标地址、数据的实际字节数、序列号）、数据位、检验位、帧结束位363.单工、双工与全双工通信

单工通信通信只在一个方向上进行例：监视器、打印机、电视机等半双工通信可以发送信息、接收信息，但必须轮流进行例：双向无线电对讲设备等全双工通信可同时进行发送和接收信息例如大多数计算机终端、大多数调制解调器37任务2差错控制382.1概述按照噪声或干扰的变化规律，可把信道分为三类：随机信道：恒参高斯白噪声信道是典型的随机信道，其中差错的出现是随机的，而且错误之间是统计独立的。突发信道：具有脉冲干扰的信道，是典型的突发信道。错误是成串成群出现的，即在短时间内出现大量错误。混合信道391差错控制的基本工作方式前向纠错方式FEC发端发送能够纠正错误的码，收端收到信码后自动地纠正传输中的错误。特点是单向传输，实时性好，但译码设备较复杂。检错重发方式ARQ发端发送检错码，收端收到信码后能够检查出错误。混合纠错方式HEC是FEC和ARQ方式的结合。信息反馈方式IF收端将接收的消息原封不动地送回发端，由发端将反馈信息和原发送信息进行比较，发现错误进行重发，其优点是方法和设备简单，无需纠（检）错编译系统。402差错控制编码的分类按照差错控制编码的用途：检错码、纠错码和纠删码。按照信息码元和监督码元之间的函数关系：线性码和非线性码。按照对信息元处理方式的：分组码和卷积码。按照码组中信息码元在编码前后是否相同：系统码和非系统码。按照纠（检）错误的类型：纠（检）随机错误码、纠（检）突发错误码和既能纠（检）随机错误同时又能纠（检）突发错误码。按照每个码元的取值：二进码和多进码。413差错控制编码的基本原理差错编码的基本思想是在被传输信息中增加一些冗余码，利用附加码元和信息码元之间的约束关系加以校验，以检测和纠正错误，增加冗余码的个数可增加纠检错能力。424码长、码重、码距编码码组的码元总位数称为码组的长度，简称码长。码组中，“1”码元的数目称为码组的重量，简称码重。两个等长码组之间对应位上码元不同的数目称为这两个码组的距离，简称码距。435编码效率用差错控制编码提高通信系统的的可靠性，是以降低有效性为代价换来的。定义编码效率R来衡量有效性：R=k/n

其中，k是信息元的个数，n为码长。442.2常用的几种简单编码奇偶监督码奇偶监督码是在原信息码后面附加一个监督元，使得码组中“1”的个数是奇数或偶数，或者说，它是含一个监督元，码重为奇数或偶数的（n，n-1）系统分组码。奇偶监督码又分为奇监督码和偶监督码。行列监督码奇偶监督码不能发现偶数个错误。为了改善这种情况，引入行列监督码。这种码不仅对水平（行）方向的码元，而且对垂直（列）方向的码元实施奇偶监督。恒比码码字中1的数目与0的数目保持恒定比例的码称为恒比码。由于恒比码中，每个码组均含有相同数目的1和0，因此恒比码又称等重码，定1码。这种码在检测时，只要计算接收码元中1的个数是否与规定的相同，就可判断有无错误。452.3线性分组码线性分组码的定义和特点线性分组码，是指信息码元与监督码元之间的关系可以用一组线性方程来表示的分组码，即在（n，k）分组码中，每一个监督码元都是码组中某些信息码元按模2和而得到的，线性分组码是一类重要的纠错码，应用很广。462.4汉明码汉明码是一类常见的线性分组码，是一种能够纠正单个错误的完备码。要纠正码组中的单个错误，则要求与单个错误图样对应的伴随式各不相同，且不能为全零。若码长为n，监督码元的个数为r，则要求2r-1≥n。码组为汉明码时取等号。即用来纠正单个错误时，汉明码所用的监督码元个数最少，效率最高。472.5循环码循环码是另一类重要的线性分组码，它除了具有线性码的一般性质外，还具有循环性，即循环码组中任一码组循环移位所得的码组仍为该循环码中的一许用码组。48***差错校验与校正原因数据在传输过程中，会受到来自信道内外的干扰与噪声，从而产生差错方法通常可以采用抗干扰编码或纠错编码来提高抗干扰能力使用各种差错校验方法来检测错误常用差错校验方法奇偶校验方块校验循环冗余校差错控制机制49差错校验与校正1.奇偶校验2.方块校验3.循环冗余校验501.奇偶校验根据一组二进制位中1和0的个数进行校验的方法又称为垂直冗余校验

以字符为单位进行校验低7位为信息字符，最高位为校验位奇校验：校验位使字符代码中的“1”的个数为奇数例：11010110偶校验校验位使字符代码中的“1”的个数为偶数例：01010110512.方块校验在奇偶校验的基础上，在一批字符之后，增加一个“方块校验字符”使每一纵向位代码中的“1”的个数为奇数或偶数523.循环冗余校验方法：生成多项式G(x)=(x+1)G1(x)使用发送数据作一个多项式F(x)的系数发送用F(x)/G(x)得到余数多项式系数(循环冗余校验位)接收端用同样的方法求得余数多项式,与传送的比较，若结果相同，则表示传输无误；否则表示传输有误例：盒式磁带机：CRC-16码软磁盘机：CRC-CCITT码上述两种码型可直接用CRC芯片（如MC8503）来实现533.差错控制机制

反馈重发方法停止等待方式：传输效率低发送→等待应答帧→(传输无误)→继续发送下一帧

(传输有误)→重新发送错误帧连续工作方式拉回式方式：

发现错误，回拉到错误帧重发选择重发方式：

发现错误，仅重发错误帧后继续发送54**数据多路复用技术和数据交换技术

使用多路服用技术以提高通信线路的利用率数据交换技术如何通过各种交换系统并最终到达目的地的554.1数据多路复用技术

1．频分多路复用

方法多路不同载波频率调制输入信号利用多路转换器（MUX）合成为一路信号传输接受端把不同的频率的载波调制信号分隔开解调复原出原来传输的数字信号实例：有线电视564.1数据多路复用技术

2．时分多路复用

方法分割成许多时间片轮流交替传送多路信号带宽均分实例：基带局域网574.2数据交换技术1.线路交换2.报文交换3.分组交换581．线路交换过程电路建立阶段数据传输阶段电路连接拆除阶段优点独占物理线路，可靠性高、实时响应好不受交换机约束，编码、格式和通信控制规程可由通信双方根据需要自行决定缺点建立线路有一定的时延独占线路，造成通信线路的资源浪费592．报文交换过程报文→交换设备IMP（接口信息处理机）交换设备存储报文选择一条合适的空闲线路将报文转发多次存储转发，直到报文最终到达目的地优点线路利用率高，信道可以为多个报文共享缺点实时性不好，不适用于实时通信和交互通信报文大小不受限制，过大时占用信道时间长不可进行交互式和实时通信603．分组交换过程报文分组（包含目的地址）分组独立发送到达目的地后重新组合优点线路利用率高，信道可以为多个报文共享限制分组大小，不长时间占用线路可进行交互式和实时通信缺点报文需要进行分组与重组有时会造成报文分组的丢失或失序613.5常用通信系统

公用电话系统蜂窝电话系统卫星通信系统综合业务数字网络ADSL与CABLEMODEM计算机网络625.1公用电话系统过程拨号→转换为代码→当地的交换中心解析拨入的电话号码，并判断出目的地线路交换方式，建立通道，发送响铃信号摘机通话、挂机结束连接交换系统由多级交换中心组成的层次结构组成同局直接连接，不同局通过上一级交换635.2蜂窝电话系统即移动通信，手持或车载电话进行通信将通信覆盖区域划分为多个区域(单元)网络交换中心（NSO）计算机控制所有的单元移动电话能够和单元站点进行双向无线电通信单元间的分界定义并不十分明确在NSO控制下，站点广播、监听响应站点把回答传给NSO，由NSO完成整个连接645.3卫星通信系统组成：卫星、地面站工作原理卫星在空中起中继站的作用

地面站是卫星系统与地面公众网的接口

地面用户通过地面站出入卫星系统形成链路

三颗相距120度的同步卫星就能覆盖整个赤道圆周通信频率范围：微波频段，即1-10GHZ开始使用新频段

如12GHZ，14GHZ，20GHZ及30GHZ频段等655.3卫星通信系统优点通信范围大受自然灾害影响的影响不大可以方便地实现广播和多址通信可以电路和话务量可灵活调整缺点

信号延迟（发、收方传播距离有72000KM）

10GHZ以上频带受降雨雪的影响

天线受太阳噪声的影响

665.3卫星通信系统频带宽度通信卫星：500MHZ转发器：36MHZ/72MHZ采用的多路通信技术频分多址时分多址码分多址675.4综合业务数字网络ISDN(