數(shù)據(jù)通信的主要技術(shù)指標(biāo)
在數(shù)字通信中，我們一般使用比特率和誤碼率來分別描述數(shù)據(jù)信號傳輸速率的大小和傳輸質(zhì)量的好壞等；在模擬通信中，我們常使用帶寬和波特率來描述通信信道傳輸能力和數(shù)據(jù)信號對載波的調(diào)制速率。 1.帶寬
在模擬信道中，我們常用帶寬表示信道傳輸信息的能力，帶寬即傳輸信號的最高頻率與最低頻率之差。理論分析表明，模擬信道的帶寬或信噪比越大，信道的極限傳輸速率也越高。這也是為什么我們總是努力提高通信信道帶寬的原因。
2.比特率
在數(shù)字信道中，比特率是數(shù)字信號的傳輸速率，它用單位時間內(nèi)傳輸?shù)亩M(jìn)制代碼的有效位(bit)數(shù)來表示，其單位為每秒比特?cái)?shù)bit/s(bps)、每秒千比特?cái)?shù)(Kbps)或每秒兆比特?cái)?shù)(Mbps)來表示(此處K和M分別為1000和1000000，而不是涉及計(jì)算機(jī)存儲器容量時的1024和1048576)。
3.波特率
波特率指數(shù)據(jù)信號對載波的調(diào)制速率，它用單位時間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)改變次數(shù)來表示，其單位為波特(Baud)。 波特率與比特率的關(guān)系為：比特率=波特率X單個調(diào)制狀態(tài)對應(yīng)的二進(jìn)制位數(shù)。
顯然，兩相調(diào)制(單個調(diào)制狀態(tài)對應(yīng)1個二進(jìn)制位)的比特率等于波特率；四相調(diào)制(單個調(diào)制狀態(tài)對應(yīng)2個二進(jìn)制位)的比特率為波特率的兩倍；八相調(diào)制(單個調(diào)制狀態(tài)對應(yīng)3個二進(jìn)制位)的比特率為波特率的三倍；依次類推。
4.誤碼率
誤碼率指在數(shù)據(jù)傳輸中的錯誤率。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中一般要求數(shù)字信號誤碼率低于10^(-6)。
數(shù)據(jù)傳輸方式(Data Transmission Mode)
一、基帶信號與寬帶信號以及它們的傳輸
1.基帶信號與基帶傳輸
基帶信號(Baseband Signal)直接用兩種不同的電壓來表示數(shù)字信號1和0，因此我們將對應(yīng)矩形電脈沖信號的固有頻率稱為"基帶"，相應(yīng)的信號稱為基帶信號。
基帶傳輸(Baseband Transmission)指通過有線信道直接傳輸基帶信號，一般用于傳輸距離較近的數(shù)字通信系統(tǒng)，如基帶局域網(wǎng)系統(tǒng)。
2.寬帶信號
寬帶信號(Wideband Signal)用多組基帶信號1和0分別調(diào)制不同頻率的載波，并由這些分別占用不同頻段的調(diào)制載波組成。
3.多路復(fù)用
為了充分利用通信干線的通信能力，人們廣泛使用多路復(fù)用(Multiplex)技術(shù)，即讓多路通信信道同時共用一條線路。多路復(fù)用可分為頻分多路復(fù)用和時分多路復(fù)用。
·頻分多路復(fù)用
當(dāng)我們采用寬帶信號時，由于同一線路上不同頻率的各路信道互不干擾地同時傳輸各自的信號，我們稱之為頻分多路復(fù)用(Frequency -Division Multiplexing)。頻分多路復(fù)用常用于寬帶網(wǎng)絡(luò)中。
·時分多路復(fù)用
當(dāng)我們采用基帶信號時，如讓各路通信按時間順序瞬時地分別占有線路的整個頻帶，并周期性地重復(fù)此過程，該線路就按時間分隔成了多個邏輯信道，我們稱之為時分多路復(fù)用(Time Multiplexing)。其中，同步分時多路通信可以確定每個信道何時使用線路；反之則稱為異步分時多路通信。時分多路復(fù)用常用于基帶網(wǎng)絡(luò)中。
二、并行與串行方式(Parallel & Serial Mode)
根據(jù)一次傳輸數(shù)位的多少可將基帶傳輸分為并行(Parallel)方式和串行(Serial)方式，前者是通過一組傳輸線多位同時傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，后者是通過一對傳輸線逐位傳輸數(shù)字代碼。通常，計(jì)算機(jī)內(nèi)部以及計(jì)算機(jī)與并行打印機(jī)之間采用并行方式，而傳輸距離較遠(yuǎn)的數(shù)字通信系統(tǒng)多采用串行方式。
并行傳輸方式要求并行的各條線路同步，因此需要傳輸定時和控制信號，而并行的各路信號在經(jīng)過轉(zhuǎn)發(fā)與放大處理時，將引起不同的延遲與畸變，故較難實(shí)現(xiàn)并行同步。若采用更復(fù)雜的技術(shù)、設(shè)備與線路，其成本會顯著上升。故在遠(yuǎn)距離數(shù)字通信中一般不使用并行方式。 串行通信雙方常以數(shù)據(jù)幀為單位傳輸信息，但由于串行方式只能逐位傳輸數(shù)據(jù)，因此，在發(fā)送方需要進(jìn)行信號的并/串轉(zhuǎn)換，而接收方則需要進(jìn)行信號的串/并轉(zhuǎn)換。
三、單工、半雙工和全雙工方式(Simplex, Half Duplex & Full Duplex)
根據(jù)通信雙方的分工和信號傳輸方向可將通信分為三種方式：單工、半雙工與全雙工。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中主要采用雙工方式，其中：局域網(wǎng)采用半雙工方式，城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)采用全雙年方式。
1. 單工(Simplex)方式：通信雙方設(shè)備中發(fā)送器與接收器分工明確，只能在由發(fā)送器向接收器的單一固定方向上傳送數(shù)據(jù)。采用單工通信的典型發(fā)送設(shè)備如早期計(jì)算機(jī)的讀卡器，典型的接收設(shè)備如打印機(jī)。
2. 半雙工(Half Duplex)方式：通信雙方設(shè)備既是發(fā)送器，也是接收器，兩臺設(shè)備可以相互傳送數(shù)據(jù)，但某一時刻則只能向一個方向傳送數(shù)據(jù)。例如，步話機(jī)是半雙工設(shè)備，因?yàn)樵谝粋�時刻只能有一方說話。
3. 全雙工(Full Duplex)方式：通信雙方設(shè)備既是發(fā)送器，也是接收器，兩臺設(shè)備可以同時在兩個方向上傳送數(shù)據(jù)。例如，電話是全雙工設(shè)備，因?yàn)殡p方可同時說話。
四、異步傳輸與同步傳輸(Asynchronous & Synchronous Transmission)
1.同步問題的重要性
在數(shù)字通信中，同步(Synchronous)是十分重要的。當(dāng)發(fā)送器通過傳輸介質(zhì)向接收器傳輸數(shù)據(jù)信息時，如每次發(fā)出一個字符(或一個數(shù)據(jù)幀)的數(shù)據(jù)信號，接收器必須識別出該字符(或該幀)數(shù)據(jù)信號的開始位和結(jié)束位，以便在適當(dāng)?shù)臅r刻正確地讀取該字符(或該幀)數(shù)據(jù)信號的每一位信息，這就是接收器與發(fā)送器之間的基本同步問題。
當(dāng)以數(shù)據(jù)幀傳輸數(shù)據(jù)信號時，為了保證傳輸信號的完整性和準(zhǔn)確性，除了要求接收器應(yīng)能識別每個字符(或數(shù)據(jù)幀)對應(yīng)信號的起止，以保證在正確的時刻開始和結(jié)束讀取信號，也即保持傳輸信號的完整性外；還要求使其時鐘與發(fā)送器保持相同的頻率，以保證單位時間讀取的信號單元數(shù)相同，也即保證傳輸信號的準(zhǔn)確性。
因此當(dāng)以數(shù)據(jù)幀傳輸數(shù)據(jù)信號時，要求發(fā)送器應(yīng)對所發(fā)送的信號采取以下兩個措施：①在每幀數(shù)據(jù)對應(yīng)信號的前面和后面分別添加有別于數(shù)據(jù)信號的開始信號和停止信號；②在每幀數(shù)據(jù)信號的前面添加時鐘同步信號，以控制接收器的時鐘同步。
2.異步傳輸與同步傳輸
異步傳輸與同步傳輸均存在上述基本同步問題：一般采用字符同步或幀同步信號來識別傳輸字符信號或數(shù)據(jù)幀信號的開始和結(jié)束。兩者之間的主要區(qū)別在于發(fā)送器或接收器之一是否向?qū)Ψ桨l(fā)送時鐘同步信號。
異步傳輸(Asynchronous Transmission)以字符為單位傳輸數(shù)據(jù)，采用位形式的字符同步信號，發(fā)送器和接收器具有相互獨(dú)立的時鐘(頻率相差不能太多)，并且兩者中任一方都不向?qū)Ψ教峁⿻r鐘同步信號。異步傳輸?shù)陌l(fā)送器與接收器雙方在數(shù)據(jù)可以傳送之前不需要協(xié)調(diào)：發(fā)送器可以在任何時刻發(fā)送數(shù)據(jù)，而接收器必須隨時都處于準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)。計(jì)算機(jī)主機(jī)與輸入、輸出設(shè)備之間一般采用異步傳輸方式，如鍵盤、典型的RS-232串口(用于計(jì)算機(jī)與調(diào)制解調(diào)器或ASCII碼終端設(shè)備之間)：發(fā)送方可以在任何時刻發(fā)送一個字符(由一個開始位引導(dǎo)，然后連續(xù)發(fā)完該字符的各位，后跟一個位長以上的啞位)。
同步傳輸(Synchronous Transmission)以數(shù)據(jù)幀為單位傳輸數(shù)據(jù)，可采用字符形式或位組合形式的幀同步信號(后者的傳輸效率和可靠性高)，由發(fā)送器或接收器提供專用于同步的時鐘信號。在短距離的高速傳輸中，該時鐘信號可由專門的時鐘線路傳輸；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)采用同步傳輸方式時，常將時鐘同步信號植入數(shù)據(jù)信號幀中，以實(shí)現(xiàn)接收器與發(fā)送器的時鐘同步。
錯誤檢測與修正(Error Check & Correct)
在數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信中，由發(fā)送器發(fā)送的數(shù)據(jù)信號禎(Frame)在經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳到接收器后，由于多種原因可能導(dǎo)致錯誤位(bit errors)的出現(xiàn)，因此必須由接收器采取一定的措施探測出所有的錯誤位，并進(jìn)而采取一定的措施予以修正。
一、錯誤檢測的基本原理(Principle of Error Check)
發(fā)送器向所發(fā)送的數(shù)據(jù)信號禎添加錯誤檢驗(yàn)碼(Check Bits)，并取該錯誤檢測碼作為該被傳輸數(shù)據(jù)信號的函數(shù)；接收器根據(jù)該函數(shù)的定義進(jìn)行同樣的計(jì)算，然后將兩個結(jié)果進(jìn)行比較：如果結(jié)果相同，則認(rèn)為無錯誤位；否則認(rèn)為該數(shù)據(jù)禎存在有錯誤位。
一般說來，錯誤檢測可能出現(xiàn)三種結(jié)果：
1. 在所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)禎中未探測到，也不存在錯誤位
2. 所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)禎中有一個或多個被探測到的錯誤位，但不存在未探測到的錯誤位
3. 被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)禎中有一個或多個沒有被探測到的錯誤位。
顯然我們希望盡可能好地選擇該檢測函數(shù)，使檢測結(jié)果可靠，即：所有的錯誤最好都能被檢測出來；如檢測出現(xiàn)無錯結(jié)果，則應(yīng)不再存在任何未被檢測出來的錯誤。
實(shí)際采用的錯誤檢測方法主要有兩類：奇偶校驗(yàn)(Parity)和CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)(Cyclic Redundancy Check)。
二、奇偶校驗(yàn)(Parity)
1.單向奇偶校驗(yàn)
單向奇偶校驗(yàn)(Row Parity)由于一次只采用單個校驗(yàn)位，因此又稱為單個位奇偶校驗(yàn)(Single Bit Parity)。發(fā)送器在數(shù)據(jù)禎每個字符的信號位后添一個奇偶校驗(yàn)位，接收器對該奇偶校驗(yàn)位進(jìn)行檢查。典型的例子是面向ASCII碼的數(shù)據(jù)信號禎的傳輸，由于ASCII碼是七位碼，因此用第八個位碼作為奇偶校驗(yàn)位。
單向奇偶校驗(yàn)又分為奇校驗(yàn)(Odd Parity)和偶校驗(yàn)(Even Parity)，發(fā)送器通過校驗(yàn)位對所傳輸信號值的校驗(yàn)方法如下：奇校驗(yàn)保證所傳輸每個字符的8個位中1的總數(shù)為奇數(shù)；偶校驗(yàn)則保證每個字符的8個位中1的總數(shù)為偶數(shù)。
顯然，如果被傳輸字符的7個信號位中同時有奇數(shù)個(例如1、3、5、7)位出現(xiàn)錯誤，均可以被檢測出來；但如果同時有偶數(shù)個(例如2、4、6)位出現(xiàn)錯誤，單向奇偶校驗(yàn)是檢查不出來的。
一般在同步傳輸方式中常采用奇校驗(yàn)，而在異步傳輸方式中常采用偶校驗(yàn)。
2.雙向奇偶校驗(yàn)
為了提高奇偶校驗(yàn)的檢錯能力，可采用雙向奇偶校驗(yàn)(Row and Column Parity)，也可稱為雙向冗余校驗(yàn)(Vertical and Longitudinal Redundancy Checks)。
三、CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)(Cyclic Redundancy Check) 1.CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)的基本原理 發(fā)送器和接收器約定選擇同一個由n+1個位組成的二進(jìn)制位列P作為校驗(yàn)列，發(fā)送器在數(shù)據(jù) 禎的K個位信號后添加n個位(n < K)組成的FCS 禎檢驗(yàn)列(Frame Check Sequence)，以保證新組成的全部 信號列值可以被預(yù)定的校驗(yàn)二進(jìn)制位列P的值對二取模整除；接收器檢驗(yàn)所接收到數(shù)據(jù) 信號列值(含有數(shù)據(jù)信號 禎和FCS 禎檢驗(yàn)列)是否能被校驗(yàn)列P對二取模整除，如果不能，則存在傳輸錯誤位。P被稱為CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)列，正確選擇P可以提高CRC冗余校驗(yàn)的能力。(注：對二取模的四則運(yùn)算指參與運(yùn)算的兩個二進(jìn)制數(shù)各位之間凡涉及加減運(yùn)算時均進(jìn)行XOR異或運(yùn)算，即：1 XOR 1=0，0 XOR 0=0，1 XOR 0=1)�？梢宰C明，只要數(shù)據(jù) 禎信號列M和校驗(yàn)列P是確定的，則可以唯一確定FCS 禎檢驗(yàn)列(也稱為CRC冗余檢驗(yàn)值)的各個位。 FCS 幀檢驗(yàn)列可由下列方法求得：在M后添加n 個零后對二取模整除以P所得的余數(shù)。 例如：如要傳輸?shù)腗=7位列為1011101，選定的P校驗(yàn)二進(jìn)制位列為10101(共有n+1=5位)，對應(yīng)的FCS 幀校驗(yàn)列即為用1011101 0000(共有 M+n=7+4=11位)對二取模整除以10101后的余數(shù)0111(共有n=4位)。因此，發(fā)送方應(yīng)發(fā)送的全部數(shù)據(jù)列為10111010111。接收方將收到的11位數(shù)據(jù)對二取模整除以P校驗(yàn)二進(jìn)制位列10101，如余數(shù)非0，則認(rèn)為有傳輸錯誤位。 2.CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)多項(xiàng)式P(X) 為了表示方便，實(shí)用時發(fā)送器和接收器共同約定選擇的校驗(yàn)二進(jìn)制位列P常被表示為具有二進(jìn)制系數(shù)(1或0)的CRC標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)多項(xiàng)式P(X)。 (1)CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)常用的標(biāo)準(zhǔn)多項(xiàng)式P(X) 常用的CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)多項(xiàng)式如下： CRC(16位) = X^16+X^15+X^2+1 CRC(CCITT) = X^16+X^12+X^5+1 CRC(32位) =X^32+X^26+X^23+X^16+X^12+X^11+X^10+X^8+X^7+X^5+X^4+X^2+X+1 以CRC(16位)多項(xiàng)式為例，其對應(yīng)校驗(yàn)二進(jìn)制位列為1 1000 0000 0000 0101。
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