2011年軟件水平考試網(wǎng)絡(luò)工程師全面復(fù)習(xí)資料
四.數(shù)據(jù)通訊基本概念
數(shù)據(jù)(Data)：傳遞(攜帶)信息的實(shí)體。
信息(Information)：是數(shù)據(jù)的內(nèi)容或解釋。
信號(hào)(Signal)：數(shù)據(jù)的物理量編碼(通常為電編碼)，數(shù)據(jù)以信號(hào)的形式傳播。
模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)
基帶(Base band)與寬帶(Broad band)
信道(Channel)：傳送信息的線路(或通路)
比特(bit)：信息量的單位。比特率為每秒傳輸?shù)亩M(jìn)制位個(gè)數(shù)。
碼元(Code Cell)：時(shí)間軸上的一個(gè)信號(hào)編碼單元
同步脈沖：用于碼元的同步定時(shí)，識(shí)別碼元的開(kāi)始。同步脈沖也可位于碼元的中部，一個(gè)碼元也可有多個(gè)同步脈沖相對(duì)應(yīng)。
波特(Baud)：碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝?。波特率為每秒傳送的碼元數(shù)(即信號(hào)傳送速率)。 1 Baud = log2M (bit/s) 其中M是信號(hào)的編碼級(jí)數(shù)。也可以寫成:Rbit = Rbaud log2M 上式中：Rbit-比特率，Rbaud-波特率。一個(gè)信號(hào)往往可以攜帶多個(gè)二進(jìn)制位，所以在固定的信息傳輸速率下，比特率往往大于波特率。換句話說(shuō)，一個(gè)碼元中可以傳送多個(gè)比特。例如，M=16，波特率為9600時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸率為38.4kbit/s
誤碼率：信道傳輸可靠性指標(biāo)，是概率值信息編碼：將信息用二進(jìn)制數(shù)表示的方法。數(shù)據(jù)編碼：將數(shù)據(jù)用物理量表示的方法。例如：字符‘A’的ASCII編碼(是信息編碼的一種)為01000001
帶寬:帶寬是通信信道的寬度，是信道頻率上界與下界之間之差，是介質(zhì)傳輸能力的度量，在傳統(tǒng)的通信工程中通常以赫茲(Hz)為單位計(jì)量。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，一般使用每秒位數(shù)(b/s 或bps) 作為帶寬的計(jì)量單位。主要單位：Kb/s，Mb/s，Gb/s，一個(gè)以太局域網(wǎng)理論上每秒可以傳輸1千萬(wàn)比特，它的帶寬相應(yīng)為10Mb/s。
時(shí)延 △信息從網(wǎng)絡(luò)的一端傳送到另一端所需的時(shí)間 △時(shí)延之和=處理時(shí)延+排隊(duì)時(shí)延 +發(fā)送時(shí)延+傳播時(shí)延 △處理時(shí)延=分組首部和錯(cuò)誤校驗(yàn)等處理(微秒) △排隊(duì)時(shí)延=數(shù)據(jù)在中間結(jié)點(diǎn)等待轉(zhuǎn)發(fā)的延遲時(shí)間 △發(fā)送時(shí)延=數(shù)據(jù)位數(shù)/信道帶寬 △傳播時(shí)延=d/s(毫秒)d:距離 s:傳播速度≈光速
時(shí)延帶寬乘積：某一鏈路所能容納的比特?cái)?shù)。時(shí)延帶寬乘積=帶寬×傳播時(shí)延。例如，某鏈路的時(shí)延帶寬乘積為100萬(wàn)比特，這意味著***個(gè)比特到達(dá)目的端時(shí)，源端已發(fā)送了100萬(wàn)比特。
往返時(shí)延 (Round-Trip Time ，RTT) 從信源發(fā)送數(shù)據(jù)開(kāi)始，到信源收到信宿確認(rèn)所經(jīng)歷的時(shí)間RTT≈2×傳播時(shí)延，傳輸可靠性兩個(gè)含義： 1、數(shù)據(jù)能正確送達(dá) 2、數(shù)據(jù)能有序送達(dá)(當(dāng)采用分組交換時(shí))
信息通信系統(tǒng)傳輸
1、信道及其主要特征：數(shù)字信道和模擬信道
數(shù)字信道：以數(shù)字脈沖形式(離散信號(hào))傳輸數(shù)據(jù)的信道。
模擬信道：以連續(xù)模擬信號(hào)形式傳輸數(shù)據(jù)的信道。模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)
模擬信號(hào)：時(shí)間上連續(xù)，包含無(wú)窮多個(gè)信號(hào)值
數(shù)字信號(hào)：時(shí)間上離散，僅包含有限數(shù)目的信號(hào)值周期信號(hào)和非周期信號(hào)
周期信號(hào)：信號(hào)由不斷重復(fù)的固定模式組成(如正弦波)
非周期信號(hào)：信號(hào)沒(méi)有固定的模式和波形循環(huán)(如語(yǔ)音的音波信號(hào))。
2、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸方式
基帶傳輸：不需調(diào)制，編碼后的數(shù)字脈沖信號(hào)直接在信道上傳送。例如：以太網(wǎng)
寬帶傳輸：數(shù)字信號(hào)需調(diào)制成頻帶模擬信號(hào)后再傳送，接收方需要解調(diào)。例如：通過(guò)電話模擬信道傳輸。例如：閉路電視的信號(hào)傳輸。
3、數(shù)據(jù)同步方式：目的是使接收端與發(fā)送端在時(shí)間基準(zhǔn)上一致 (包括開(kāi)始時(shí)間、位邊界、重復(fù)頻率等)。有三種同步方法：位同步、字符同步、幀同步。
位同步 目的是使接收端接收的每一位信息都與發(fā)送端保持同步，有下面兩種方式： △外同步——發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)同時(shí)發(fā)送同步時(shí)鐘信號(hào)，接收方用同步信號(hào)來(lái)鎖定自己的時(shí)鐘脈沖頻率。 △自同步——通過(guò)特殊編碼(如曼徹斯特編碼)，這些數(shù)據(jù)編碼信號(hào)包含了同步信號(hào)，接收方從中提取同步信號(hào)來(lái)鎖定自己的時(shí)鐘脈沖頻率。
字符同步 以字符為邊界實(shí)現(xiàn)字符的同步接收，也稱為起止式或異步制。每個(gè)字符的傳輸需要：1個(gè)起始位、5～8個(gè)數(shù)據(jù)位、1，1.5，2個(gè)停止位。
字符同步的性能評(píng)估： △頻率的漂移不會(huì)積累，每個(gè)字符開(kāi)始時(shí)都會(huì)重新同步。 △每?jī)蓚€(gè)字符之間的間隔時(shí)間不固定。 △增加了輔助位，所以效率低。例如，采用1個(gè)起始位、 8個(gè)數(shù)據(jù)位、 2個(gè)停止位時(shí)，其效率為8/11<72%。
幀同步 識(shí)別一個(gè)幀的起始和結(jié)束。 △幀(Frame)數(shù)據(jù)鏈路中的傳輸單位——包含數(shù)據(jù)和控制信息的數(shù)據(jù)塊。 △面向字符的——以同步字符(SYN，16H)來(lái)標(biāo)識(shí)一個(gè)幀的開(kāi)始，適用于數(shù)據(jù)為字符類型的幀。 △面向比特的——以特殊位序列(7EH，即01111110)來(lái)標(biāo)識(shí)一個(gè)幀的開(kāi)始，適用于任意數(shù)據(jù)類型的幀。
4、信道最大數(shù)據(jù)傳輸率
奈奎斯公式：用于理想低通信道 C = 2W×log2 M C = 數(shù)據(jù)傳輸率，單位bit/s W = 帶寬，單位Hz M = 信號(hào)編碼級(jí)數(shù)奈奎斯公式為估算已知帶寬信道的最高數(shù)據(jù)傳輸速率提供了依據(jù)。
非理想信道：實(shí)際的信道上存在損耗、延遲、噪聲。損耗引起信號(hào)強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致信噪比S/N降低。延遲會(huì)使接收端的信號(hào)產(chǎn)生畸變。噪聲會(huì)破壞信號(hào)，產(chǎn)生誤碼。持續(xù)時(shí)間0.01s的干擾會(huì)破壞約560個(gè)比特(56Kbit/s) △香農(nóng)公式：有限帶寬高斯噪聲干擾信道 C = W log2 (1+S/N) S/N: 信噪比例：信道帶寬W=3.1KHz，S/N=2000，則 C = 3100*log2(1+2000) ≈ 34Kbit/s 即該信道上的最大數(shù)據(jù)傳輸率不會(huì)大于34Kbit/s
奈奎斯公式和香農(nóng)公式的比較 △C = 2W log2M 數(shù)據(jù)傳輸率C隨信號(hào)編碼級(jí)數(shù)增加而增加。 △C = W log2(1+S/N) 無(wú)論采樣頻率多高，信號(hào)編碼分多少級(jí)，此公式給出了信道能達(dá)到的最高傳輸速率。原因：噪聲的存在將使編碼級(jí)數(shù)不可能無(wú)限增加。 5、數(shù)據(jù)編碼
編碼與調(diào)制的區(qū)別 △用數(shù)字信號(hào)承載數(shù)字或模擬數(shù)據(jù)——編碼 △用模擬信號(hào)承載數(shù)字或模擬數(shù)據(jù)——調(diào)制
數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼：把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成某種數(shù)字脈沖信號(hào)常見(jiàn)的有兩類：不歸零碼和曼徹斯特編碼。 △不歸零碼(NRZ，Non-Return to Zero)二進(jìn)制數(shù)字0、1分別用兩種電平來(lái)表示，常常用-5V表示1，+5V表示0。缺點(diǎn)：存在直流分量，傳輸中不能使用變壓器;不具備自同步機(jī)制，傳輸時(shí)必須使用外同步。 △曼徹斯特編碼(Manchester Code)用電壓的變化表示0和1，規(guī)定在每個(gè)碼元的中間發(fā)生跳變：高→低的跳變代表0，低→高的跳變代表1。每個(gè)碼元中間都要發(fā)生跳變，接收端可將此變化提取出來(lái)作為同步信號(hào)。這種編碼也稱為自同步碼(Self-Synchronizing Code)。缺點(diǎn)：需要雙倍的傳輸帶寬(即信號(hào)速率是數(shù)據(jù)速率的2倍)。 △差分曼徹斯特編碼(Differential ～)每個(gè)碼元的中間仍要發(fā)生跳變，用碼元開(kāi)始處有無(wú)跳變來(lái)表示0和1 ，有跳變代表0，無(wú)跳變代表1。
數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的調(diào)制編碼[三種常用的調(diào)制技術(shù)]： △幅移鍵控ASK (Amplitude Shift Keying) △頻移鍵控FSK (Frequency Shift Keying) △相移鍵控PSK (Phase Shift Keying) 基本原理：用數(shù)字信號(hào)對(duì)載波的不同參量進(jìn)行調(diào)制。載波 S(t) = Acos(ωt+ψ) S(t)的參量包括： 幅度A、頻率ω、初相位ψ，調(diào)制就是要使A、ω或ψ隨數(shù)字基帶信號(hào)的變化而變化。 △ASK：用載波的兩個(gè)不同振幅表示0和1。 △FSK：用載波的兩個(gè)不同頻率表示0和1。 △PSK：用載波的起始相位的變化表示0 和1。
模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼采樣定理：如果模擬信號(hào)的最高頻率為F，若以2F的采樣頻率對(duì)其采樣，則采樣得到的離散信號(hào)序列就能完整地恢復(fù)出原始信號(hào)。要轉(zhuǎn)換的模擬數(shù)據(jù)主要是電話語(yǔ)音信號(hào)，語(yǔ)音信號(hào)要在數(shù)字線路上傳輸，必須將語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。這需要經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟： △采樣：按一定間隔對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣 △量化：對(duì)每個(gè)樣本舍入到量化級(jí)別上 △編碼：對(duì)每個(gè)舍入后的樣本進(jìn)行編碼編碼后的信號(hào)稱為PCM信號(hào)
6、多路復(fù)用技術(shù)復(fù)用：多個(gè)信息源共享一個(gè)公共信道。為何要復(fù)用?——提高線路利用率。適用場(chǎng)合：當(dāng)信道的傳輸能力大于每個(gè)信源的平均傳輸需求時(shí)。復(fù)用類型 △頻分復(fù)用FDM (Frequency Division Multiplexing) △波分復(fù)用WDM (Wave Division Multiplexing) △時(shí)分復(fù)用TDM (Time Division Multiplexing)
頻分復(fù)用原理：整個(gè)傳輸頻帶被劃分為若干個(gè)頻率通道，每路信號(hào)占用一個(gè)頻率通道進(jìn)行傳輸。頻率通道之間留有防護(hù)頻帶以防相互干擾。
波分復(fù)用——光的頻分復(fù)用。原理：整個(gè)波長(zhǎng)頻帶被劃分為若干個(gè)波長(zhǎng)范圍，每路信號(hào)占用一個(gè)波長(zhǎng)范圍來(lái)進(jìn)行傳輸。
時(shí)分復(fù)用原理：把時(shí)間分割成小的時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片分為若干個(gè)時(shí)隙，每路數(shù)據(jù)占用一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行傳輸。由于每路數(shù)據(jù)總是使用每個(gè)時(shí)間片的固定時(shí)隙，所以這種時(shí)分復(fù)用也稱為同步時(shí)分復(fù)用。時(shí)分復(fù)用的典型例子：PCM信號(hào)的傳輸，把多個(gè)話路的PCM話音數(shù)據(jù)用TDM的方法裝成幀(幀中還包括了幀同步信息和信令信息)，每幀在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)發(fā)送，每個(gè)時(shí)隙承載一路PCM信號(hào)。
統(tǒng)計(jì)(異步)TDM——STDM TDM的缺點(diǎn)：某用戶無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送，其他用戶也不能占用該時(shí)隙，將會(huì)造成帶寬浪費(fèi)。改進(jìn)：用戶不固定占用某個(gè)時(shí)隙，有空時(shí)隙就將數(shù)據(jù)放入。
7、差錯(cuò)控制與語(yǔ)音、圖像傳輸不同，計(jì)算機(jī)通信要求極低的差錯(cuò)率。產(chǎn)生差錯(cuò)的原因： △信號(hào)衰減和熱噪聲 △信道的電氣特性引起信號(hào)幅度、頻率、相位的畸變; △信號(hào)反射，串?dāng)_; △沖擊噪聲，閃電、大功率電機(jī)的啟停等。差錯(cuò)控制的基本方法是：接收方進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)，并向發(fā)送方應(yīng)答，告知是否正確接收。
差錯(cuò)檢測(cè)主要有兩種方法：
奇偶校驗(yàn)(Parity Checking)在原始數(shù)據(jù)字節(jié)的最高位增加一個(gè)奇偶校驗(yàn)位，使結(jié)果中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)(奇校驗(yàn))或偶數(shù)(偶校驗(yàn))。例如1100010增加偶校驗(yàn)位后為11100010，若接收方收到的字節(jié)奇偶校驗(yàn)結(jié)果不正確，就可以知道傳輸中發(fā)生了錯(cuò)誤。此方法只能用于面向字符的通信協(xié)議中，只能檢測(cè)出奇數(shù)個(gè)比特位錯(cuò)。
循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC, Cyclic Redundancy Check) 差錯(cuò)檢測(cè)原理：將傳輸?shù)奈淮闯上禂?shù)為0或1的多項(xiàng)式。收發(fā)雙方約定一個(gè)生成多項(xiàng)式G(x)，發(fā)送方在幀的末尾加上校驗(yàn)和，使帶校驗(yàn)和的幀的多項(xiàng)式能被G(x)整除。接收方收到后，用G(x)除多項(xiàng)式，若有余數(shù)，則傳輸有錯(cuò)。校驗(yàn)和是16位或32位的位串，CRC校驗(yàn)的關(guān)鍵是如何計(jì)算校驗(yàn)和。
差錯(cuò)控制技術(shù) △自動(dòng)請(qǐng)求重傳Automatic Repeat Request (ARQ) △停等 ARQ △Go-back-N ARQ △選擇重傳 ARQ
附:
一.數(shù)據(jù)通信中的主要技術(shù)指標(biāo)
數(shù)據(jù)通信的任務(wù)是傳輸數(shù)據(jù)信息,希望達(dá)到傳輸速度快、出錯(cuò)率低、信息量大、可靠性高,并且既經(jīng)濟(jì)又便于使用維護(hù)。這些要求可以用下列技術(shù)指標(biāo)加以描述。
1.數(shù)據(jù)傳輸速率 所謂數(shù)據(jù)傳輸速率,是指每秒能傳輸?shù)亩M(jìn)制信息位數(shù),單位為位/秒(bits per sec-ond),記作bps或b/s,它可由下式確定: s=1/T?log2N (bps) 式中T為一個(gè)數(shù)字脈沖信號(hào)的寬度(全寬碼情況)或重復(fù)周期(歸零碼情況),單位為秒。一個(gè)數(shù)字脈沖也稱為一個(gè)碼元,N為一個(gè)碼元所取的有效離散值個(gè)數(shù),也稱調(diào)制電平數(shù),N一般取2的整數(shù)次方值。若一個(gè)碼元僅可取0和1兩種離散值,則該碼元只能攜帶一位(bit)二進(jìn)制信息;若一個(gè)碼元可取00、01、10和11四種離散值,則該碼元就能攜帶兩位二進(jìn)制信息。以此類推,若一個(gè)碼元可取N種離散值,則該碼元便能攜帶log2N位二進(jìn)制信息。 當(dāng)一個(gè)碼元僅取兩種離散值時(shí),S =(1/T),表示數(shù)據(jù)傳輸速率等于碼元脈沖的重復(fù)頻率。由此,可以引出另一個(gè)技術(shù)指標(biāo)一一'信號(hào)傳輸速率,也稱碼元速率、調(diào)制速率或波特率,單位為波特(Baud)。信號(hào)傳輸速率表示單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)信道傳輸?shù)拇a元個(gè)數(shù),也就是信號(hào)經(jīng)調(diào)制后的傳輸速率。若信號(hào)碼元的寬度為T秒,則碼元速率定義為: B=1/T (Baud) 在有些調(diào)幅和調(diào)頻方式的調(diào)制解調(diào)器中,一個(gè)碼元對(duì)應(yīng)于一位二進(jìn)制信息,即一個(gè)碼元;,有兩種有效離散值,此時(shí)調(diào)制速率和數(shù)據(jù)傳輸速率相等。但在調(diào)相的四相信號(hào)方式中,一個(gè)碼元對(duì)應(yīng)于兩位二進(jìn)制信息,即一個(gè)碼元有四種有效離散值,此時(shí)調(diào)制速率只是數(shù)據(jù)傳輸速率的一半。由以上兩式合并可得到調(diào)制速率和數(shù)據(jù)傳輸速率的對(duì)應(yīng)關(guān)系式: S =B ?log2N (bps) 或B =S/log2N(Baud) 一般在二元調(diào)制方式中,S和B都取同一值,習(xí)慣上二者是通用的。但在多元調(diào)制的情況下,必須將它們區(qū)別開(kāi)來(lái)。例如采用四相調(diào)制方式,即N=4,且T=833×10-6秒,則可求出數(shù)據(jù)傳輸速率為: S=1/T?log2N=1/(833×10-6)?log24=2400 (bps) 而調(diào)制速率為： B=1/T=1/(833×10-6)=1200 (Baud) 通過(guò)上例可見(jiàn),雖然數(shù)據(jù)傳輸速率和調(diào)制速率都是描述通信速度的指標(biāo),但它們是完全不同的兩個(gè)概念。打個(gè)比喻來(lái)說(shuō),假如調(diào)制速率是公路上單位時(shí)間經(jīng)過(guò)的卡車數(shù),那么數(shù)據(jù)傳輸速率便是單位時(shí)間里經(jīng)過(guò)的卡車所裝運(yùn)的貨物箱數(shù)。如果一車裝一箱貨物,則單位時(shí)間經(jīng)過(guò)的卡車數(shù)與單位時(shí)間里卡車所裝運(yùn)的貨物箱數(shù)相等,如果→車裝多箱貨物,則單位時(shí)間經(jīng)過(guò)的卡車數(shù)便小于單位時(shí)間里卡車所裝運(yùn)的貨物箱數(shù)。
2.信道容量 信道容量表征一個(gè)信道傳輸數(shù)據(jù)的能力,單位也用位/秒(bps)。信道容量與數(shù)據(jù)傳輸速率的區(qū)別在于,前者表示信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率,是信道傳輸數(shù)據(jù)能力的極限,而后者則表示實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸速率。這就像公路上的最大限速值與汽車實(shí)際速度之間的關(guān)系一樣,它們雖然采用相同的單位;但表征的是不同的含義。奈奎斯特(Nyquist)首先給出了無(wú)噪聲情況下碼元速率的極限值與信道帶寬的關(guān)系: B =2?H (Baud) 其中,H是信道的帶寬,也稱頻率范圍,即信道能傳輸?shù)纳稀⑾孪揞l率的差值,單位為HZ。由此可推出表征信道數(shù)據(jù)傳輸能力的奈奎斯特公式: C =2?H?log2N (bpe) 此處,N仍然表示攜帶數(shù)據(jù)的碼元可能取的離散值的個(gè)數(shù),C即是該信道最大的數(shù)據(jù)傳輸速率。 由以上兩式可見(jiàn),對(duì)于特定的信道,其碼元速率不可能超過(guò)信道帶寬的兩倍,但若能提高每個(gè)碼元可能取的離散值的個(gè)數(shù),則數(shù)據(jù)傳輸速率便可成倍提高。例如,普通電話線路的帶寬約為3KHz,則其碼元速率的極限值為6kBaud。若每個(gè)碼元可能取的離散值的個(gè)數(shù)為16(即N=16),則最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)C=2×3k×log216=24k bps。 實(shí)際的信道總要受到各種噪聲的干擾,香農(nóng)(Shannon)則進(jìn)一步研究了受隨機(jī)噪聲干擾的信道的情況,給出了計(jì)算信道容量的香農(nóng)舍式: C =H?log2(1+S/N) (bps) 其中,S表示信號(hào)功率,N為噪聲功率,S/N則為信噪比。由于實(shí)際使用的信道的信噪比都要足夠大,故常表示成10log10(S/N),以分貝(dB)為單位來(lái)計(jì)量,在使用時(shí)要特別注意。例如,信噪比為30dB,帶寬為3kHZ的信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為: C=3k×log2(1+1030/10)=3k×log2(1+1001)=30kbps. 由此可見(jiàn),只要提高信道的信噪比,便可提高信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。 需要強(qiáng)調(diào)的是,上述兩個(gè)公式計(jì)算得到的只是信道數(shù)據(jù)傳輸速率的極限值,實(shí)際使用時(shí)必須留有充足的余地。
3.誤碼率 誤碼率是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)在正常工作情況下的傳輸可靠性的指標(biāo),它定義為二進(jìn)制數(shù)據(jù)位傳輸時(shí)出錯(cuò)的概率。設(shè)傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)據(jù)總數(shù)為N位,其中出錯(cuò)的位數(shù)為風(fēng),則誤碼率表示為: Pe =Ne/N 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中,一般要求誤碼率低于10-6,即平均每傳輸106位數(shù)據(jù)僅允許錯(cuò)一位?？扇粽`碼率達(dá)不到這個(gè)指標(biāo),可以通過(guò)差錯(cuò)控制方法進(jìn)行檢錯(cuò)和糾錯(cuò)。
二.編碼技術(shù)
模擬信號(hào)：是指模擬數(shù)據(jù)在某個(gè)區(qū)間產(chǎn)生連續(xù)的值。例如，聲音和視頻就是強(qiáng)度 連續(xù)變化的信號(hào)。大多數(shù)用傳感器收集的數(shù)據(jù)，例如溫度和壓力都是連續(xù)值。
數(shù)字信號(hào)：是指數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)產(chǎn)生離散的值。例如，文本信息和整數(shù)。
調(diào)制解調(diào)：當(dāng)需要在只能傳輸模擬信號(hào)的線路上傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)(例如，通過(guò)一 條公用電話線將數(shù)據(jù)從一臺(tái)計(jì)算機(jī)傳輸?shù)搅硪慌_(tái)計(jì)算機(jī))，在發(fā)送方，數(shù)據(jù)開(kāi)始是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，但是由于電話線只能傳輸模擬信號(hào)，所以數(shù)據(jù)必須進(jìn)行數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換。這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程就叫作調(diào)制。在接收方需要進(jìn)行模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，使它還原為原來(lái)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)這個(gè)過(guò)程叫作解調(diào)。整個(gè)從數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)到模擬信號(hào)再到數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的過(guò)程稱作調(diào)制解調(diào)。
調(diào)制解調(diào)有三種基本形式：幅移鍵控法(AmplitudeShift Keying，ASK)、頻移鍵控法(Frequency Shift Keying，F(xiàn)SK)和相移鍵控法(PhaseShift Keying，PSK)。
不歸零(Non-Return to Zero，NRZ)編碼：在用數(shù)字信號(hào)傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)，信號(hào)的電平是根據(jù)它所代表的二進(jìn)制數(shù)值決定的。一個(gè)正電壓值代表1，而一個(gè)負(fù)電壓值代表0，因而信號(hào)的電平依賴于它所代表的數(shù)值。
曼徹斯特編碼：在曼徹斯特編碼中，每個(gè)比特中間引入跳變來(lái)同時(shí)代表不同數(shù)值 和同步信息。一個(gè)負(fù)電平到正電平的跳變代表0，而一個(gè)正電平到負(fù)電平的跳變則代表1。通過(guò)這種跳變使曼徹斯特編碼獲得了同步信息和數(shù)字編碼。
差動(dòng)曼徹斯特編碼：在差動(dòng)曼徹斯特編碼中，用兩個(gè)比特之間的跳變來(lái)代表不同 的數(shù)值，在間隙中有跳變的代表0，沒(méi)有跳變的代表1。比特中間的跳變只用來(lái)表示同步信息，不同的數(shù)值通過(guò)在比特間隙是否跳變來(lái)表示。
三.數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)
多路復(fù)用：在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，當(dāng)傳輸介質(zhì)的能力超過(guò)傳輸單一信號(hào)的情況時(shí)， 為了有效地利用傳輸系統(tǒng)，希望一個(gè)信道能夠同時(shí)傳輸多路信號(hào)。多路復(fù)用，就是把許多信號(hào)在單一的傳輸線路上進(jìn)行傳輸。一般普遍使用三種多路復(fù)用技術(shù)，即頻分多路復(fù)用(FDM)、時(shí)分多路復(fù)用(TDM)和統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用(STDM)。
同步傳輸：是使接收端接收的每一位數(shù)據(jù)信息都要和發(fā)送端準(zhǔn)確地保持同步，中間沒(méi)有間斷，實(shí)現(xiàn)這種同步方法又有自同步法和外同步法。
異步傳輸：是基于字節(jié)的，每字節(jié)作為一個(gè)單位通過(guò)鏈路傳輸，因?yàn)闆](méi)有同步脈 沖，接收方不可能通過(guò)計(jì)時(shí)方式來(lái)預(yù)測(cè)下一個(gè)字節(jié)何時(shí)到達(dá)，因而在每個(gè)字節(jié)的開(kāi)頭都要附加一個(gè)0，通常稱為起始位，在每個(gè)字節(jié)尾部還加上一個(gè)或多個(gè)1，被稱為停止位。 單工通信：是指在通信鏈路上的兩個(gè)站點(diǎn)，只能一個(gè)發(fā)送信息，另一個(gè)接收。
半雙工通信：在通信鏈路上的兩個(gè)站點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信息，但是不能同時(shí)發(fā) 送和接收，當(dāng)其中一個(gè)站點(diǎn)在發(fā)送信息時(shí)，另一個(gè)站點(diǎn)只能接收，反之亦然。
全雙工通信：在通信鏈路上的兩個(gè)站點(diǎn)可以同時(shí)發(fā)送和接收信息，即一個(gè)站點(diǎn)發(fā) 送信息的同時(shí)也能接收信息。
四.差錯(cuò)控制方法
差錯(cuò)的產(chǎn)生原因及其控制差錯(cuò)控制是指在數(shù)據(jù)通信過(guò)程中能發(fā)現(xiàn)或糾正差錯(cuò),把差錯(cuò)限制在盡可能小的允許范圍內(nèi)的技術(shù)和方法。 信號(hào)在物理信道中傳輸時(shí)線路時(shí)，線路本身電氣特性造成的隨即噪聲、信號(hào)幅度的衰減、頻和相位的畸變、電氣信號(hào)在線路上產(chǎn)生反射造成的回音效應(yīng)、相鄰線路間的串?dāng)_以及各種外界因素(如大氣中的閃電、開(kāi)關(guān)的跳火、外界強(qiáng)電流磁場(chǎng)的變化、電源的波動(dòng)等)都會(huì)造成信號(hào)的失真。在數(shù)據(jù)通信中,將會(huì)使接收端收到的二進(jìn)制數(shù)位和發(fā)送端實(shí)際發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)位不一致,從而造成由"0"變成"1"或由"1"變成"0"的差錯(cuò)。
一般來(lái)說(shuō),傳輸中的差錯(cuò)都是由噪聲引起的。噪聲有兩大類,一類是信道固有的、持續(xù)存在的隨機(jī)熱噪聲;另一類是由外界特定的短暫原因所造成的沖擊噪聲。 熱噪聲引起的差錯(cuò)稱為隨機(jī)錯(cuò),所引起的某位碼元的差錯(cuò)是孤立的,與前后碼元沒(méi)有關(guān)系。由于物理信道在設(shè)計(jì)時(shí),總要保證達(dá)到相當(dāng)大的信噪比,以盡可能減少熱噪聲的影響,因而由它導(dǎo)致的隨機(jī)錯(cuò)通常較少。 沖擊噪聲呈突發(fā)狀,由其引起的差錯(cuò)稱為突發(fā)錯(cuò)。沖擊噪聲幅度可能相當(dāng)大,無(wú)法靠提高信號(hào)幅度來(lái)避免沖擊噪聲造成的差錯(cuò),它是傳輸中產(chǎn)生差錯(cuò)的主要原因。沖擊噪聲雖然持續(xù)時(shí)間很短,但在一定的數(shù)據(jù)速率條件下,仍然會(huì)影響到一串碼元。例如,一個(gè)沖擊噪聲(如一次電火花)持續(xù)時(shí)間為10ms,但對(duì)于4800bps的數(shù)據(jù)速率來(lái)說(shuō),就可能對(duì)連續(xù)48位數(shù)據(jù)造成影響,使它們發(fā)生差錯(cuò)。從突發(fā)錯(cuò)誤發(fā)生的***個(gè)碼元到有錯(cuò)的最后一個(gè)碼元間所有碼元的個(gè)數(shù),稱為該突發(fā)錯(cuò)的突發(fā)長(zhǎng)度。
數(shù)據(jù)通信中不加任何差錯(cuò)控制措施,直接用信道來(lái)傳輸數(shù)據(jù)是不可靠的。最常用的差錯(cuò)控制方法是差錯(cuò)控制編碼。數(shù)據(jù)信息位在向信道發(fā)送之前,先按照某種關(guān)系附加上一定的冗余位,構(gòu)成一個(gè)碼字后再發(fā)送,這個(gè)過(guò)程稱為差錯(cuò)控制編碼過(guò)程。接收端收到該碼字后,檢查信息位和附加的冗余位之間的關(guān)系,以檢查傳輸過(guò)程中是否有差錯(cuò)發(fā)生,這個(gè)過(guò)程稱為校驗(yàn)過(guò)程。
利用差錯(cuò)控制編碼來(lái)進(jìn)行差錯(cuò)控制的方法基本上有兩類,一類是自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)ARQ(Automatic Repeat reQuest),另一類是前向糾錯(cuò)FEC(FOIW盯d Eπor Correction)。在ARQ方式中,接收端檢測(cè)出有差錯(cuò)時(shí),就設(shè)法通知發(fā)送端重發(fā),直到正確的碼字收到為止。在FEC方式中,接收端不但能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò),而且能確定二進(jìn)制碼元發(fā)生錯(cuò)誤的位置,從而加以糾正。因此,差錯(cuò)控制編碼又可分為檢錯(cuò)碼和糾錯(cuò)碼。檢錯(cuò)碼是指能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)的編碼,糾錯(cuò)碼是指不僅能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)而且能自動(dòng)糾正差錯(cuò)的編碼。 ARQ方式只使用檢錯(cuò)碼,但必須有雙向信道才可能將差錯(cuò)信息反饋至發(fā)送端。同時(shí),發(fā)送方要設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖區(qū),用以存放已發(fā)出去的數(shù)據(jù),以便知道出差錯(cuò)后可以調(diào)出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的內(nèi)容重新發(fā)送。FEC方式必須用糾錯(cuò)碼,但它可以不需要反向信道來(lái)傳遞請(qǐng)求重發(fā)的信息,發(fā)送端也不需要存放以備重發(fā)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。雖然FEC有上述優(yōu)點(diǎn),但由于糾錯(cuò)碼一般說(shuō)來(lái)要比檢錯(cuò)碼使用更多的冗余位,也就是說(shuō)編碼效率低,而且糾錯(cuò)設(shè)備也比檢錯(cuò)設(shè)備復(fù)雜得多,因而除非在單向傳輸或?qū)崟r(shí)要求特別高(FEe由于不需要重發(fā),實(shí)時(shí)性較好)等場(chǎng)合外,數(shù)據(jù)通信中使用更多的還是ARQ差錯(cuò)控制方式。有些場(chǎng)合也可以將上述兩者混合使用,即當(dāng)碼字中的差錯(cuò)個(gè)數(shù)在糾正能力以內(nèi)時(shí),直接進(jìn)行糾正;當(dāng)碼字中的差錯(cuò)個(gè)數(shù)超出糾正能力時(shí),則檢出差錯(cuò),使用重發(fā)方式來(lái)糾正差錯(cuò)。 衡量編碼性能好壞的一個(gè)重要參數(shù)是編碼效率R,它是碼字中信息位所占的比例。若碼字中信息位為k位,編碼時(shí)外加冗余位為r位,則編碼后得到的碼字長(zhǎng)度為n=k+r位,由此編碼效率R可表示為: R=k/n=k/(k+r) 顯然,編碼效率越高,即R越大,信道中用來(lái)傳送信息碼元的有效利用率就越高。
奇偶校驗(yàn)碼、循環(huán)冗余碼和海明碼是幾種最常用的差錯(cuò)控制編碼方法。 *
奇偶校驗(yàn)碼 奇偶校驗(yàn)碼是一種通過(guò)增加冗余位使得碼字中"1"的個(gè)數(shù)恒為奇數(shù)或偶數(shù)的編碼方法,它是一種檢錯(cuò)碼。在實(shí)際使用時(shí)又可分為垂直奇偶校驗(yàn)、水平奇偶校驗(yàn)和水平垂直奇偶校驗(yàn)等幾種。
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