數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

第 3章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 3.1 基本概念 3.2 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸 3.3 傳輸模式 3.4 數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼技術(shù) 3.5 多路復(fù)用技術(shù) 3.6 數(shù)據(jù)交換技術(shù) 3.7 錯(cuò)誤檢測(cè)與糾正技術(shù) 2015/8/4 2 3.1 基本概念 1數(shù)據(jù)（ Data） 數(shù)據(jù)是對(duì)客觀事物的符號(hào)描述，可以有不同的形式，如數(shù)字、文字、圖形、圖像、視頻、聲音等都是數(shù)據(jù)?？梢哉f，凡是能被計(jì)算機(jī)處理的對(duì)象都可以稱為數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)從形式上可以分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。模擬數(shù)據(jù)是指在某個(gè)區(qū)間內(nèi)連續(xù)取值的數(shù)據(jù)，例如，聲音、溫度和大氣壓強(qiáng)等都是隨時(shí)間連續(xù)變化的量。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的取值在其定義區(qū)間是離散的，例如自然數(shù)，英文字母、漢字、電子表顯示的時(shí)間等都是離散的數(shù)據(jù)。 2015/8/4 3 2信息（ Information） 信息通常意義上被認(rèn)為是有一定含義的、經(jīng)過加工處理的、有價(jià)值的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過處理仍然是數(shù)據(jù)，只有經(jīng)過解釋后才有意義，才成為信息。 3信號(hào)（ Signal） 信號(hào)是指通信中承載信息的電、磁編碼，它是隨時(shí)間變化的電壓、電流或電磁場(chǎng)。相應(yīng)于數(shù)據(jù)的分類，信號(hào)也可以分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)是隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)；數(shù)字信號(hào)是指離散變化的信號(hào)。 4信道（ Channel） 信道是信息從發(fā)送端到接收端所經(jīng)過的傳輸介質(zhì)。按通信的信號(hào)形式可將信道分為數(shù)字信道和模擬信道；按傳輸介質(zhì)的類型分類可將信道分為有線信道和無線信道。 2015/8/4 4 3.2 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸 3.2.1 并行傳輸 3.2.2 串行傳輸 2015/8/4 5 0 1 0 1 0 1 1 0 3.2.1 并行傳輸 在并行傳輸中，在兩個(gè)通信設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)有 n條通信信道，因此一次可發(fā)送一個(gè)由 n個(gè)比特組成的位組。顯然，這種傳輸方式的速度很快，但使用的線路較多，成本較高，因此一般只用于近距離的通信。 發(fā) 送 方 接 收 方 并行傳輸 2015/8/4 6 3.2.2 串行傳輸 在串行傳輸中，兩個(gè)通信設(shè)備之間只有一條通信信道，比特是一個(gè)一個(gè)依次發(fā)送的，因此，串行傳輸?shù)乃俣戎皇遣⑿袀鬏數(shù)?1/n，但成本較低，只有并行傳輸?shù)?1/n。 發(fā) 送 方 接 收 方 0 1 0 1 0 1 1 0 串行傳輸 在一個(gè)設(shè)備內(nèi)部的傳輸通常是并行的，而兩個(gè)設(shè)備之間的通信又是串行的，因此，在發(fā)送端和線路之間以及接收端和線路之間的接口處，都需要有轉(zhuǎn)換器（前者為并 /串轉(zhuǎn)換，后者是串 /并轉(zhuǎn)換）。 發(fā)送并行數(shù)據(jù)只有一種方法，而串行傳輸有異步傳輸和同步傳輸兩種方法。 2015/8/4 7 3.2.2 串行傳輸 3.2.2.1 異步傳輸 3.2.2.2 同步傳輸 2015/8/4 8 3.2.2.1 異步傳輸 在異步傳輸模式中，信號(hào)的時(shí)序并不重要，但要求信息必須以一種約定的模式來被接收和解釋，只有遵照約定的模式，接收設(shè)備才能正確地獲取信息。 異步傳輸以字符為單位，其數(shù)據(jù)格式如圖 3-1所示。每個(gè)字符都要附加 1位起始位和 1位、 1.5位或 2位停止位，以標(biāo)記字符的開始和結(jié)束。此外，要附加 1位奇偶校驗(yàn)位，一個(gè)字符占用 5-8位，具體位數(shù)與字符集有關(guān)。 傳號(hào) 1 0 0 0 0 0 1 0 傳號(hào) 起始位 字符碼 校驗(yàn)位 停止位 2015/8/4 9 3.2.2.2 同步傳輸 在同步傳輸中，比特流被組裝成更長的“幀”或數(shù)據(jù)塊，一個(gè)數(shù)據(jù)塊包含有許多個(gè)字符，傳輸時(shí)以數(shù)據(jù)塊為單位，每個(gè)數(shù)據(jù)塊的頭部或尾部用特殊字符或比特序列作為開始和結(jié)束的標(biāo)記。由于同步的標(biāo)記方式不同，所以有兩種不同的同步傳輸方式，即面向字符的同步傳輸和面向比特的同步傳輸。 1面向字符的同步傳輸 在面向字符的同步傳輸中，每個(gè)數(shù)據(jù)塊的頭部用一個(gè)或多個(gè)同步字符 SYN來標(biāo)記數(shù)據(jù)塊的開始，用 ETX標(biāo)記數(shù)據(jù)塊的結(jié)束。 IBM公司的 BISYNC就是一個(gè)典型的實(shí)例。 2015/8/4 10 2面向比特的同步傳輸 面向比特的同步傳輸是把數(shù)據(jù)塊作為比特流而不是作為字符流來處理。在面向比特的同步傳輸中，由于數(shù)據(jù)塊中可以有任意的比特模式，因此規(guī)定幀頭和幀尾都使用位模式“ 01111110”作為定界標(biāo)志，同時(shí)為了避免在數(shù)據(jù)塊中也出現(xiàn)這種模式，發(fā)送方在所發(fā)送的數(shù)據(jù)中每當(dāng)出現(xiàn) 5個(gè)連續(xù)的 1之后就插入一個(gè)附加的 0。當(dāng)接收方檢測(cè)到 5個(gè)連續(xù)的 1的序列時(shí)，就檢查后續(xù)的一位數(shù)據(jù)，若該比特是 0，接收方就刪除掉這個(gè)附加的 0，否則就表示數(shù)據(jù)的開始或結(jié)束。這種就是位填充技術(shù)。 2015/8/4 11 3.3 傳輸模式 3.3.1 單工模式 3.3.2 半雙工模式 3.3.3 全雙工模式 2015/8/4 12 3.3.1 單工模式 在單工模式（ simplex mode）下，通信是單方向的，如同看電視一樣，電視臺(tái)只管播放，用戶則只能收看。鍵盤和傳統(tǒng)的顯示器分別用來輸入和輸出，都是典型的單工通信設(shè)備。 發(fā)送 接收 單向通道 2015/8/4 13 3.3.2 半雙工模式 在半雙工模式（ half-duplex mode）下，每臺(tái)設(shè)備均能發(fā)送和接收，但不能同時(shí)進(jìn)行。半雙工如同兩人相向過獨(dú)木橋，當(dāng)一人從一邊過橋時(shí)，另一人必須在另一邊等待。對(duì)講機(jī)就是半雙工系統(tǒng)的典型設(shè)備。 發(fā)送 接收 接收 發(fā)送 雙向通道 2015/8/4 14 3.3.3 全雙工模式 在全雙工模式（ full-duplex mode）下，雙方主機(jī)都能同時(shí)發(fā)送和接收。全雙工就像雙車道的公路，允許車輛在兩個(gè)方面同時(shí)行進(jìn)。常見的全雙工例子是電話網(wǎng)絡(luò)，通話的雙方都能同時(shí)說和聽。一條傳輸通路用于發(fā)送，另一條用于接收。 發(fā)送 接收 接收 發(fā)送 雙向通道 2015/8/4 15 3.4 數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼技術(shù) 3.4.1 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼 3.4.2 模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼 3.4.3 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號(hào)調(diào)制 3.4.4 模擬數(shù)據(jù)的模擬信號(hào)調(diào)制 2015/8/4 16 3.4.1 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼 3.4.1.1 單極性編碼 3.4.1.2 極化編碼 3.4.1.3 雙極性編碼 2015/8/4 17 3.4.1.1 單極性編碼 單極性編碼的名稱就是指它的電壓只有一極，即只使用一個(gè)電壓值。通常將高電壓表示二進(jìn)制 1，而零電壓或線路空閑表示二進(jìn)制 0，如圖 3-6中的粗實(shí)線所示。 0 1 0 0 1 1 1 0 1 振幅 時(shí)間 單極性編碼存在致命的缺點(diǎn)，那就是直流分量和同步問題。 2015/8/4 18 3.4.1.2 極化編碼 在極化編碼方案中，采用兩個(gè)電壓值，即一個(gè)正電壓和一個(gè)負(fù)電壓。通過使用兩個(gè)電壓，在大多數(shù)極化編碼技術(shù)中線路上的平均電壓值下降了，從而減輕了單極性編碼中的直流分量問題。在曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼中，每比特均含有正電壓和負(fù)電壓，從而徹底解決了直流分量和同步問題。 2015/8/4 19 1非歸零編碼 （ 1）非歸零電壓編碼（ NRZ-L） 在 NRZ-L編碼方案中，信號(hào)的電壓由它所代表的比特位決定。如一個(gè)正電壓值代表比特 1，而一個(gè)負(fù)電壓值則代表比特 0，從而信號(hào)的電壓就依賴于它所代表的比特，如圖 3-7所示。 （ 2）非歸零反相編碼（ NRZ-I） 在 NRZ-I編碼方案中，信號(hào)電壓的一次反轉(zhuǎn)代表比特 1，也就是說從正電壓到負(fù)電壓的一次跳躍或者負(fù)電壓到正電壓的一次跳躍代表比特 1，比特 0由沒有電壓變化的信號(hào)代表，如圖 3-7所示。 振幅 0 1 0 0 1 1 1 0 1 非歸零電平編碼 時(shí)間 振幅 非歸零反相編碼 時(shí)間 2015/8/4 20 2歸零編碼 在歸零編碼方案中，規(guī)定在每個(gè)比特的中段，信號(hào)都將歸零，即比特 1由正電壓到零的跳變代表，而比特 0則由負(fù)電壓到零的跳變代表，如圖 3-8所示。 振幅 0 1 0 0 1 1 1 0 1 時(shí)間 歸零編碼的主要缺陷在于每比特位都需要兩次信號(hào)變化，從而增加了占用的帶寬。但是相對(duì)于前面介紹的幾種編碼方式而言，它是最有效的。 2015/8/4 21 3雙相位編碼 目前對(duì)同步問題最好的解決方案就是雙相位編碼，在當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)中使用的雙相位編碼有曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼兩種。 （ 1）曼徹斯特編碼（ Manchester Encoding） 曼徹斯特編碼采用一個(gè)負(fù)電壓到正電壓的跳變表示比特 1；正電壓到負(fù)電壓的跳變表示比特 0，每一個(gè)比特的中間均有跳變 （ 2）差分曼徹斯特編碼（ Differential Manchester Encoding） 差分曼徹斯特編碼采用每位的起始處有、無跳變表示 0和 1，若有跳變則為 0，若無跳變則為 1，而每位的中間跳變只用作同步時(shí)鐘信號(hào)。 振幅 0 1 0 0 1 1 1 0 1 曼徹斯特編碼 時(shí)間 振幅 差分曼斯特編碼 時(shí)間 2015/8/4 22 3.4.1.3 雙極性編碼 在數(shù)據(jù)通信行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用的雙極性編碼方案有信號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼（ AMI）、 8零替換編碼（ B8ZS）和高密度雙極性 3零編碼（ HDB3）。 1信號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼（ AMI） 在 AMI編碼方案中， 0值電壓代表二進(jìn)制 0，二進(jìn)制 1由交替的正負(fù)電壓代表，如圖 3-10所示。 振幅 0 1 0 0 1 1 1 0 1 時(shí)間 2015/8/4 23 2雙極性 8零替換編碼（ B8ZS） B8ZS與 AMI不同的地方在于數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)了連續(xù) 8個(gè)以上的 0比特時(shí)的處理方式。當(dāng)出現(xiàn)連續(xù) 8個(gè) 0時(shí)， B8ZS根據(jù)前導(dǎo)的比特 1（即在連續(xù) 8個(gè) 0之前的 1）的電壓值改變對(duì)應(yīng)比特模式。 如果前導(dǎo)比特 1是正電壓脈沖，則 8個(gè)比特 0被編碼成“ 0， 0，0，正，負(fù)， 0，負(fù)，正”。如果前導(dǎo) 1比特是負(fù)電壓脈沖，則 8個(gè) 0比特被編碼成“ 0， 0， 0，負(fù)，正， 0，正，負(fù)”。 2015/8/4 24 3高密度雙極性 3零編碼（ HDB3） 在 HDB3中，當(dāng)出現(xiàn)連續(xù) 4個(gè) 0時(shí)，這 4個(gè) 0將被含有一個(gè)或兩個(gè)脈沖的序列代替， HDB3的替換規(guī)則如表 3-1所示。 自上次替換后傳輸比特 1 的數(shù)目 此次出現(xiàn) 4 個(gè)零之前，最后一個(gè)脈沖的極性 奇數(shù) 偶數(shù) - （負(fù)極） 000 - + 00+ + （正極） 000+ - 00 - 振幅 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 D 8 ZS 時(shí)間 振幅 H D B 3 時(shí)間 2015/8/4 25 3.4.2 模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼 模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼是用數(shù)字信號(hào)來表示模擬數(shù)據(jù)。比如將人的聲音用錄音機(jī)錄制下來并保存到磁盤上就是將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的過程。 模擬 - 數(shù)字編碼 2015/8/4 26 脈沖編碼調(diào)制 PCM（ Pulse Code Modulation）是模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼技術(shù)的重要基礎(chǔ)， PCM編碼包括采樣、量化和編碼三個(gè)過程，其中采樣就是指每隔相等的時(shí)間間隔測(cè)量一次信號(hào)的振幅，從而將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散的樣本序列；量化就是將采樣的結(jié)果賦予一個(gè)特定范圍內(nèi)的整數(shù)值的方法；編碼則是用一定位數(shù)的脈沖碼組表示量化后的采樣值。 PCM的采樣原理是：在某時(shí)間間隔內(nèi)，以有效信號(hào)的最高頻率的兩倍以上頻率對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采樣，利用這些采樣樣本就足可恢復(fù)原來的模擬信號(hào)。例如，帶寬為 4KHz的語音，其采樣頻率為每秒 8K次，即每 125微秒采樣一次就足夠了。如果采用 8位二進(jìn)制代碼對(duì)每個(gè)量化值進(jìn)行編碼，則語音編碼后的數(shù)據(jù)傳輸速率為： 8bit 8000次采樣 /秒 =64000b/s 2015/8/4 27 3.4.3 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號(hào)調(diào)制 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號(hào)調(diào)制是用模擬信號(hào)來代表數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼技術(shù)，例如，通過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)時(shí)，數(shù)據(jù)開始是數(shù)字的，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)行轉(zhuǎn)換。也就是數(shù)據(jù)必須被調(diào)制到一個(gè)模擬信號(hào)上，如圖 3-13所示。 010111011 0 數(shù)字 - 模擬調(diào)制 有三種基本的方法可以將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)制為模擬信號(hào)。 1幅移鍵控 在 ASK中，通過改變同一個(gè)頻率載波信號(hào)的振幅值來表示二進(jìn)制的“ 0”或“ 1”，而振幅改變的同時(shí)頻率和相位保持不變。有時(shí)也用振幅的存在與否表示這兩個(gè)二進(jìn)制值。 2015/8/4 28 2頻移鍵控 在 FSK中，通過改變載波信號(hào)的頻率來表示二進(jìn)制 0或 1，而最大振幅與相位保持不變。 3相移鍵控 在 PSK中，通過改變載波信號(hào)的相位來代表二進(jìn)制 0或 1，同時(shí)最大振幅和頻率保持不變。 0 1 0 0 1 1 1 0 1 二進(jìn)制信號(hào) 幅移鍵控 頻移鍵控 相移鍵控 2015/8/4 29 常用的調(diào)制技術(shù)采用四個(gè)相位，相位偏移值為 /2的倍數(shù)，這種調(diào)制技術(shù)稱為正交相移鍵控 QPSK（ Quadrature Phase-Shift Keying），這時(shí)一個(gè)信號(hào)單元可代表 2個(gè)比特，如圖 3-15所示。 01)472c o s (00)452c o s (10)432c o s (11)42c o s ()(tfAtfAtfAtfAtgQ P S Kcccc2015/8/4 30 標(biāo)準(zhǔn)的 9600 b/s調(diào)制解調(diào)器使用了 12個(gè)相位角度，其中4個(gè)相位具有兩種振幅值。這樣合成的結(jié)果是 8個(gè)相位 8個(gè)振幅 =16種，這就是正交幅移健控 QAM。圖 3-16分別顯示了振幅和相位的兩種合法組合，這些圖形稱為星座圖（ Constellation Diagram），其中（ a）圖為 QPSK的星座圖，圖（ b）是采用了 12個(gè)不同相位的 QAM即 QAM-16的星座圖。 90 90 180 0 180 0 270 270 圖 3 - 1 6 星 座 圖 2015/8/4 31 比特率和波特率是數(shù)據(jù)通信中常用的兩個(gè)術(shù)語，比特率是每秒傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)；而波特率是用來表示每秒傳輸?shù)男盘?hào)單元數(shù)，其中信號(hào)單元由一些比特組成。在圖 3-16（ b）中，使用 V=16種不同的振幅和相位的組合，編碼后的信號(hào)中每個(gè)信號(hào)單元包含 n=4比特。因此，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的 9600 b/s調(diào)制解調(diào)器，它的波特率為 9600/4=2400 Baud，也就是說 2400個(gè)信號(hào)單元包含了 9600比特。據(jù)此可以推論： （調(diào)制率） B=（數(shù)據(jù)率） R/n（信號(hào)元素所含比特?cái)?shù)） 或者說： （比特率） R=nB（波特率） =Blog2 V 2015/8/4 32 3.4.4 模擬數(shù)據(jù)的模擬信號(hào)調(diào)制 模擬數(shù)據(jù)的模擬信號(hào)調(diào)制是用模擬信號(hào)來表示模擬信息的一種技術(shù)，無線電波就是模擬數(shù)據(jù)的模擬信號(hào)調(diào)制通信的典型例子。圖 3-17是模擬數(shù)據(jù)的模擬信號(hào)調(diào)制的示意圖。 模擬 - 模擬調(diào)制 當(dāng)信號(hào)已經(jīng)是模擬形式時(shí)，使用調(diào)制技術(shù)的原因主要有兩個(gè)：首先，實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)挠行钥赡苄枰^高的頻率。例如無線電只能傳輸調(diào)制的信號(hào)，而不能直接傳輸基帶信號(hào)，否則需要有直徑為數(shù)千米的天線。 其次，通過調(diào)制就可以使用頻分復(fù)用技術(shù)，從而可以有效地利用傳輸介質(zhì)的帶寬。 2015/8/4 33 1幅度調(diào)制 幅度調(diào)制簡稱調(diào)幅，在這種技術(shù)中，載波信號(hào)的振幅根據(jù)調(diào)制信號(hào)（需要被調(diào)制的信號(hào)）振幅的改變而調(diào)整，載波信號(hào)的頻率與相位保持不變。 調(diào)幅信號(hào)（被調(diào)制后的信號(hào)）的帶寬等于調(diào)制信號(hào)帶寬的兩倍并且以載波頻率為中心。 音頻信號(hào)的帶寬通常為 5KHz，因此一個(gè)調(diào)幅無線電臺(tái)至少需要 10KHz的帶寬。 調(diào)幅電臺(tái)可以采用在 530到 1700KHz之間的任何頻率作為載波信號(hào)頻率。但是，每個(gè)電臺(tái)的載波頻率必須和其它電臺(tái)的載波頻率間隔至少 10KHz（一個(gè)調(diào)幅帶寬）來防止干擾。因此如果有一個(gè)電臺(tái)使用的載波頻率為 1100KHz，那么下一個(gè)電臺(tái)的載波頻率就不能低于 1110KHz。 2015/8/4 34 2頻率調(diào)制 頻率調(diào)制簡稱調(diào)頻，在調(diào)頻傳輸中，載波信號(hào)的頻率隨著調(diào)制信號(hào)振幅的改變而調(diào)整，載波信號(hào)的最大振幅和相位都保持不變。 調(diào)頻信號(hào)的帶寬是調(diào)制信號(hào)帶寬的 10倍，而且與調(diào)幅一樣以載波信號(hào)頻率為中心。在立體聲廣播里的音頻信號(hào)的帶寬大約是 15KHz，因此每個(gè)調(diào)頻電臺(tái)至少需要 150KHz帶寬。而實(shí)際上通常為每個(gè)電臺(tái)預(yù)留了 200KHz的帶寬以便于容納警戒波段。 調(diào)頻電臺(tái)可以采用 88到 108MHz間的任意頻率作為載波頻率。但為了防止電臺(tái)之間波段重疊，每兩個(gè)電臺(tái)之間必須有至少 200KHz的頻率差。因此對(duì)于 88 108MHz的范圍，雖然有 100個(gè)可能的調(diào)頻波段，但實(shí)際只能使用其中的 50個(gè)，如果一個(gè)調(diào)頻電臺(tái)的載波頻率為 90MHz，則下一個(gè)電臺(tái)的載波頻率至少應(yīng)用 90.2MHz。 2015/8/4 35 3調(diào)相 在調(diào)相傳輸技術(shù)中，載波信號(hào)的相位隨調(diào)制信號(hào)的振幅變化而調(diào)整，最大振幅和頻率保持不變。 實(shí)際使用時(shí)很少采用調(diào)相技術(shù)，只在某些系統(tǒng)中采用調(diào)相來代替調(diào)頻技術(shù)以使硬件更簡單。 2015/8/4 36 3.5 多路復(fù)用技術(shù) 3.5.1 頻分多路復(fù)用 3.5.2 波分多路復(fù)用 3.5.3 時(shí)分多路復(fù)用 2015/8/4 37 3.5.1 頻分多路復(fù)用 1頻分多路復(fù)用的原理 頻分多路復(fù)用是一種模擬技術(shù)，當(dāng)鏈路帶寬高于要傳輸?shù)亩嗦沸盘?hào)的帶寬之和時(shí)可以使用該復(fù)用技術(shù)。 頻分多路復(fù)用的原理是將整個(gè)物理信道的可用帶寬進(jìn)行分割，然后利用載波調(diào)制技術(shù)，將每一路原始信號(hào)的頻譜進(jìn)行遷移，使得多路信號(hào)在整個(gè)物理信道帶寬允許的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)頻譜上的不重疊，從而共用一個(gè)物理信道，同時(shí)為了防止多路信號(hào)之間的相互干擾，必須使用隔離頻帶來隔離每個(gè)子信道 復(fù)用器解復(fù)用器信 道 1信 道 2信 道 32015/8/4 38 3.5.2 波分多路復(fù)用 波分多路復(fù)用實(shí)際上是 FDM的一個(gè)變種。波分多路復(fù)用示意圖如圖 3-19所示，在這種方法中，兩根工作波長不同的光纖連到一個(gè)棱柱（或衍射光柵），兩束光通過棱柱或光柵，合成到一根共享的光纖上，傳送到遠(yuǎn)方的目的地，在接收端再將它們分解開來并分發(fā)到各自的目的地。 能量 能量 能量 光纖 1 光譜 光纖 2 光譜 共享光纖 光譜 共享光纖 光纖 1 光纖 2 光纖 3 光纖 4 棱柱或衍射光柵 2015/8/4 39 3.5.3 時(shí)分多路復(fù)用 時(shí)分多路復(fù)用（ TDM）是一種數(shù)字過程，當(dāng)傳輸介質(zhì)的數(shù)據(jù)速率大于多個(gè)發(fā)送和接收設(shè)備所需要的數(shù)據(jù)速率時(shí)就可以采用這種復(fù)用技術(shù)。在 TDM中，多道傳輸流通過細(xì)分鏈路時(shí)間和交織過程來使用單條鏈路。如圖 3-20所示是 TDM復(fù)用的原理圖，在該圖中，信號(hào) 1、 2、 3按時(shí)間而不是按頻率分割鏈路，然后按順序占據(jù)鏈路。 復(fù)用器123解復(fù)用器1231231數(shù) 據(jù) 流2015/8/4 40 時(shí)分多路復(fù)用有同步時(shí)分多路復(fù)用（ Synchronization Time-Division Multiplexing， STDM）和異步時(shí)分多路復(fù)用（ Synchronism Time-Division Multiplexing， ATDM）兩種實(shí)現(xiàn)方式。 1同步時(shí)分多路復(fù)用 同步時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)是按照信號(hào)的路數(shù)劃分時(shí)間片，每一路信號(hào)具有相同大小的時(shí)間片。時(shí)間片輪流分配給每路信號(hào)，該路信號(hào)在時(shí)間片使用完畢以后要停止通信，并把物理信道讓給下一路信號(hào)使用。當(dāng)其他各路信號(hào)把分配到的時(shí)間片都使用完以后，該路信號(hào)再次取得時(shí)間片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 2015/8/4 41 2異步時(shí)分多路復(fù)用 為了提高設(shè)備的利用效率，可以設(shè)想使有大量數(shù)據(jù)要發(fā)送的用戶占有較多的時(shí)間片，數(shù)據(jù)量小的用戶少占用時(shí)間片，沒有數(shù)據(jù)的用戶不分配時(shí)間片。這時(shí)，為了區(qū)分哪一個(gè)時(shí)間片是哪一個(gè)用戶的，就必須在時(shí)間片上加上用戶的標(biāo)識(shí)。這樣一個(gè)用戶的數(shù)據(jù)并不按照固定的時(shí)間間隔發(fā)送，所以稱為“異步”，因此將這種時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)稱作異步時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)，有時(shí)也稱作統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)（ Statistic Time-Division Multiplexing， STDM）。 2015/8/4 42 時(shí)分多路復(fù)用的典型實(shí)例是北美和日本廣泛使用的 T線路。T線路中的 T1線路由 24路復(fù)用的語音信道組成。每個(gè)信道按順序在輸出流中插入 8比特，每幀有 24 8=192比特，另外再加上 1比特用于同步，這樣， T1線路數(shù)據(jù)率為 193 8000次/s=1.544Mb/s。從技術(shù)上而言，這種格式稱為 DS1（ Digital Signal-1）。 時(shí)分多路復(fù)用允許 4個(gè) T1流復(fù)用到 1個(gè) T2流， 7個(gè) T2流按比特順序合成 1個(gè) T3流， 6個(gè) T3流合成 1個(gè) T4流。要注意的是每次合成都要附加一些額外開銷用于分幀和同步。 T1、 T2、 T3和T4的線路速率及包含的語音信道數(shù)如圖 3-21所示。 業(yè)務(wù)名稱 線路名稱 線路速率（ M b / s ） 語音信道數(shù) DS - 1 T1 1. 54 4 24 DS - 2 T2 6. 31 2 96 DS - 3 T3 44. 7 36 672 DS - 4 T4 274 . 176 4032 2015/8/4 43 另外，與 T線路相對(duì)應(yīng)的是在歐洲以及其它國家廣泛使用的 CCITT的 E線路， E線路與 T線路在概念上是相同的，只是線路速率不同， E線路中的 E1線路具有 2.048Mb/s的數(shù)據(jù)率，該線路由 32個(gè)信道組成，其中 30個(gè)信道用于傳輸信息，2個(gè)信道用于傳輸信令。 2015/8/4 44 3.6 數(shù)據(jù)交換技術(shù) 3.6.1 電路交換 3.6.2 報(bào)文交換 3.6.3 分組交換 2015/8/4 45 3.6.1 電路交換 電路交換也稱為線路交換，是一種直接的交換方式，它為一對(duì)需要進(jìn)行通信的節(jié)點(diǎn)之間提供一條臨時(shí)的專用傳輸通道，這條傳輸通道既可以是物理通道也可以是邏輯通道。一旦連接建立，提供給站點(diǎn)的是固定的數(shù)據(jù)率，無論是模擬數(shù)據(jù)還是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，都可以通過這個(gè)連接從源傳輸?shù)侥康牡?。電話系統(tǒng)采用的交換技術(shù)就是一種典型的電路交換。 電路交換方式的通信過程包括電路建立、數(shù)據(jù)傳送和電路拆除三個(gè)過程。 電 話 交 換 機(jī)2015/8/4 46 3.6.2 報(bào)文交換 報(bào)文交換方式的數(shù)據(jù)傳輸單位是報(bào)文，報(bào)文就是站點(diǎn)一次性要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊，其長度不限且可變。當(dāng)一個(gè)站點(diǎn)要發(fā)送報(bào)文時(shí)，它將目的地址附加到報(bào)文上并發(fā)送給與之相連的交換節(jié)點(diǎn)，每個(gè)交換節(jié)點(diǎn)在收到整個(gè)報(bào)文并檢查無誤后，就暫存這個(gè)報(bào)文，然后根據(jù)報(bào)文中的目的地址信息利用路由信息找出下一個(gè)交換節(jié)點(diǎn)的地址，再把整個(gè)報(bào)文傳送給下一個(gè)交換節(jié)點(diǎn)，如此循環(huán)直到轉(zhuǎn)送到目的節(jié)點(diǎn)，這個(gè)過程稱為存儲(chǔ) -轉(zhuǎn)發(fā)。 P C交 換 節(jié) 點(diǎn)M 2M 1M 1M 1M 1M 2M 22015/8/4 47 3.6.3 分組交換 分組交換是報(bào)文交換的一種改進(jìn)，也是一種存儲(chǔ) -轉(zhuǎn)發(fā)交換方式，它將報(bào)文分成若干個(gè)分組，在每個(gè)分組中，包含有一部分用戶數(shù)據(jù)和一些控制信息。在通過的每個(gè)交換節(jié)點(diǎn)，分組被接收并被短暫地存儲(chǔ)后再發(fā)送至下一個(gè)交換節(jié)點(diǎn)時(shí)，最后傳送到目的地。 每個(gè)分組的長度都有一個(gè)上限，該上限值由網(wǎng)絡(luò)確定，分組可以存儲(chǔ)到內(nèi)存中，這樣就提高了交換速度，因此它適用于交互式通信，如終端與主機(jī)通信。 分組交換是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛的一種交換技術(shù)，它只適合于傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。它包括數(shù)據(jù)報(bào)和虛電路兩種方法。 2015/8/4 48 3.6.3 分組交換 3.6.3.1 數(shù)據(jù)報(bào)方法 3.6.3.2 虛電路方法 2015/8/4 49 3.6.3.1 數(shù)據(jù)報(bào)方法 在分組交換的數(shù)據(jù)報(bào)方法中，每個(gè)分組都將獨(dú)立于其它的分組進(jìn)行處理，就像報(bào)文交換網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)報(bào)文獨(dú)立地處理那樣，在這種技術(shù)中，分組被稱為數(shù)據(jù)報(bào)或數(shù)據(jù)包。圖 3-25說明了數(shù)據(jù)報(bào)方法是如何將 4個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)從發(fā)送方 S傳送到目的端 D的。 SD4 3 2 1 12221344213 44313交 換 機(jī) 或 路 由 器2015/8/4 50 3.6.3.2 虛電路方法 在虛電路方法中，在發(fā)送任何分組之前，需要建立一條邏輯連接，這條邏輯連接我們稱之為虛電路 。 圖 3-26顯示了虛電路方法的工作原理，圖中的實(shí)線為發(fā)送方 S與接收方 D建立的一條虛電路，而虛線則表示物理連接，從圖中可以看出 S發(fā)送的四個(gè)分組沿著同一條虛電路按順序到達(dá)目的地 D。 SD4 3 2 124314 3 2 1 4 3 2 1交 換 機(jī)2015/8/4 51 虛電路的實(shí)現(xiàn)有交換虛電路（ SVC, Switched Virtual Circuit）和永久虛電路（ PVC， Permanent Virtual Circuit）兩種形式。 1交換虛電路 在交換虛電路 SVC這種方法中，每條虛電路在需要通信的時(shí)候被創(chuàng)建，而且僅僅在這次通信交換過程中存在。 2永久虛電路 永久虛電路 PVC類似于租用線路，在這種方法中，兩個(gè)用戶之間存在一條專門的虛電路。這條虛電路是專門提供給特定用戶的，沒有其它人可以使用，同時(shí)，由于這條虛電路總是建立好的，因此它不需要建立連接和終止連接兩個(gè)過程。 2015/8/4 52 3.7 錯(cuò)誤檢測(cè)與糾正技術(shù) 3.7.1 錯(cuò)誤類型 3.7.2 錯(cuò)誤檢測(cè) 3.7.3 錯(cuò)誤糾正 2015/8/4 53 3.7.1 錯(cuò)誤類型 1單比特錯(cuò)誤 單比特錯(cuò)誤是指在給定數(shù)據(jù)單元（比如一個(gè)字節(jié)，一個(gè)字符或者數(shù)據(jù)包）中只有一個(gè)比特被從“ 0”變?yōu)椤?1”或者從“ 1”變?yōu)椤?0”。 2多比特錯(cuò)誤 多比特錯(cuò)誤是指數(shù)據(jù)單元中有兩個(gè)或兩個(gè)以上不連續(xù)的比特從“ 0”變?yōu)椤?1”或者從“ 1”變?yōu)椤?0”。 3突發(fā)錯(cuò)誤 突發(fā)錯(cuò)誤是指數(shù)據(jù)單元中有兩個(gè)或兩個(gè)以上連續(xù)的比特從“ 0”變?yōu)椤?1”或者從“ 1”變?yōu)椤?0”。 2015/8/4 54 3.7.2 錯(cuò)誤檢測(cè) 3.7.2.1 奇偶校驗(yàn) 3.7.2.2 縱向冗余校驗(yàn) 3.7.2.3 循環(huán)冗余校驗(yàn) 3.7.2.4 校驗(yàn)和 2015/8/4 55 3.7.2.1 奇偶校驗(yàn) 奇偶校驗(yàn)又稱作垂直冗余校驗(yàn)（ Vertical Redundancy Check ， VRC），它是一種最常用，最簡單，費(fèi)用也最低的錯(cuò)誤校驗(yàn)方法，。奇偶校驗(yàn)可分為奇校驗(yàn)和偶校驗(yàn)兩種形式。 在奇校驗(yàn)中，在每個(gè)數(shù)據(jù)單元中都附加一位校驗(yàn)位，使得在每個(gè)數(shù)據(jù)單元（包括校驗(yàn)位）中的“ 1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)。 在偶校驗(yàn)中，在每個(gè)數(shù)據(jù)單元中都附加一位校驗(yàn)位，使得在每個(gè)數(shù)據(jù)單元（包括校驗(yàn)位）中的“ 1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)。 發(fā)送方和接收方必須采用同一種校驗(yàn)方式。 奇偶校驗(yàn)可以檢測(cè)出所有單比特錯(cuò)誤，也可以檢測(cè)出發(fā)生錯(cuò)誤的比特?cái)?shù)是奇數(shù)的多比特錯(cuò)誤和突發(fā)錯(cuò)誤。 2015/8/4 56 3.7.2.2 縱向冗余校驗(yàn) 縱向冗余校驗(yàn)（ LRC）是在兩個(gè)維上的奇偶校驗(yàn)，是奇偶校驗(yàn)的一種改進(jìn)方法。圖 3-28說明了縱向冗余校驗(yàn)的工作原理。 整 個(gè) 數(shù) 據(jù) 塊 的 傳 輸 方 向 L R C E r r o r C h e c k 低位 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 1 b i t 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 b i t 2 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 b i t 3 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 b i t 4 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 b i t 5 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 b i t 6 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 b i t 7 每個(gè)字符的傳輸方向1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 偶 校 驗(yàn) 高位 L R C 碼 E r r o r 空格 C h e c k 10 1 1 1 1 1 0 1 10 0 01 01 01 1 10 0 10 01 1 10 0 10 01 10 1 1 1 1 01 1 10 0 10 10 10 0 00 0 1 10 0 00 1 1 1 1 10 10 00 01 10 01 01 01 10 00 1 1 1 1 10 10 1 1 2015/8/4 57 3.7.2.3 循環(huán)冗余校驗(yàn) 循環(huán)冗余校驗(yàn)又稱多項(xiàng)式編碼，是最有效的一種冗余校驗(yàn)技術(shù)。比如幀“ 1010111011”可表示成 M(x)=x9+x7+ x5+x4+x3+x+1，用循環(huán)冗余校驗(yàn)傳輸此幀時(shí)，發(fā)送方和接收方必須事先商定一個(gè)生成多項(xiàng)式 G(x)，要求 G(x)比 M(x)短，且最高位和最低位的系數(shù)必須是 1。假定 G(x)=x4+x+1，表示成二進(jìn)制為 10011；由于 G(x)的最高位是 x4，于是在幀M(x)的末尾附加 4個(gè)“ 0”構(gòu)成 M（ x），即 10101110110000，然后 M（ x）用模 2除法（加法不進(jìn)位，減法不借位）除以G(x)，如圖 3-30所示，除法產(chǎn)生的余數(shù) 0010（余數(shù)的位數(shù)應(yīng)與 G(x)的最高冪次相同，故前面的 0不能省略）便為循環(huán)冗余碼，簡稱 CRC碼。 2015/8/4 58 在發(fā)送方，用 CRC碼替換掉 M (x)末尾的 4個(gè)“ 0”，形成多項(xiàng)式 T(x)，即 10101110110010，然后將 T(x)傳送出去。當(dāng)接收方收到幀 T(x)后，將用 G(x)去除它，如果能被 G(x)除盡，則認(rèn)為數(shù)據(jù)是正確的而接受，否則拒絕接受該數(shù)據(jù)。 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 余數(shù) 2015/8/4 59 3.7.2.4 校驗(yàn)和 在校驗(yàn)和方法中，發(fā)送方將數(shù)據(jù)發(fā)送出去之前，需要完成以下工作： （ 1）將數(shù)據(jù)單元平分成 k段，每段 n（通常為 16）比特。 （ 2）將分段 1和分段 2相加。（其運(yùn)算規(guī)則是： 0+0=0; 1+0=1; 0+1=1; 1+1=0且向前進(jìn)一位，如果最左一列有進(jìn)位，則進(jìn)位加在結(jié)果的最低位上） （ 3）將分段 3與步聚（ 2）中的計(jì)算結(jié)果相加。 （ 4）重復(fù)上述過程直到分段 k被加到上一步的計(jì)算結(jié)果為止。 （ 5）對(duì)最后的計(jì)算結(jié)果取反得到校驗(yàn)和。 將校驗(yàn)和附加在原始數(shù)據(jù)單元的末尾并將此擴(kuò)展后的數(shù)據(jù)單元傳送出去。 2015/8/4 60 當(dāng)接收方收到數(shù)據(jù)后，同樣將數(shù)據(jù)單元（包括 n比特的校驗(yàn)和）細(xì)分成 k+1（因?yàn)橛幸欢问切ｒ?yàn)和）段，每段 n比特，然后將這 k+1段進(jìn)行累加，如果累加的結(jié)果為全 1，則表示數(shù)據(jù)是完整的，否則拒絕接收此數(shù)據(jù)。 1 0 1 0 0 1 0 1 & 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 & 1 該 1 是最左列 進(jìn)位產(chǎn)生的 0 1 1 0 1 0 0 1 其校驗(yàn)和為 1 001 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 & 1 0 0 1 0 1 1 0 校驗(yàn)和 1 1 1 1 1 1 1 0 & 1 最左列的進(jìn)位 1 1 1 1 1 1 1 1 2015/8/4 61 3.7.3 錯(cuò)誤糾正 3.7.3.1 錯(cuò)誤糾正方式 3.7.3.2 海明碼糾錯(cuò)法 2015/8/4 62 3.7.3.1 錯(cuò)誤糾正方式 1自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求 自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求又稱檢錯(cuò)重發(fā)請(qǐng)求，是一種出錯(cuò)后重發(fā)的常用糾錯(cuò)法。采用這種方式時(shí)，發(fā)送端發(fā)送出能夠檢測(cè)出錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)編碼，接收端收到后經(jīng)檢測(cè)如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中有錯(cuò)誤，則通過反向信道把這一判斷結(jié)果反饋給發(fā)送端。然后，發(fā)送端把所保存的數(shù)據(jù)副本重新發(fā)送一次，直到接收端確認(rèn)為止。采用這種方法需要具備雙向通道，一般在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信中應(yīng)用。 2015/8/4 63 2前向糾錯(cuò) 前向糾錯(cuò)又稱為正向糾錯(cuò)，在這種糾錯(cuò)法中，發(fā)送端發(fā)送能使接收端糾正錯(cuò)誤的冗余位，一種經(jīng)典的正向糾錯(cuò)法是海明碼糾錯(cuò)法，海明碼是一種能檢測(cè)并糾正每個(gè)數(shù)據(jù)塊中單比特錯(cuò)誤的位模式，是貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家 RWHamming發(fā)明的。 因?yàn)榧m正錯(cuò)誤比檢測(cè)錯(cuò)誤要復(fù)雜得多，而且需要更多的冗余位，糾正多比特錯(cuò)誤和突發(fā)錯(cuò)誤所需的冗余位位數(shù)非常大，而且在大多數(shù)情況下糾正錯(cuò)誤是十分低效的。因此大多數(shù)錯(cuò)誤糾正技術(shù)都局限于一個(gè)，兩個(gè)或者三個(gè)比特的錯(cuò)誤并只應(yīng)用于沒有反向信道發(fā)送 ACK或 NAK信號(hào)的場(chǎng)合（如單工傳輸）或用于線路傳播時(shí)間很長的場(chǎng)合（如衛(wèi)星傳輸）。 2015/8/4 64 3混合糾錯(cuò)檢錯(cuò) 混合糾錯(cuò)檢錯(cuò)方式是前向糾錯(cuò)方式和自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求方式的結(jié)合，發(fā)送端發(fā)出的碼組不但要有一定的糾錯(cuò)能力，對(duì)于超出糾錯(cuò)能力的錯(cuò)誤要具有檢錯(cuò)能力。這種方式在實(shí)時(shí)性和復(fù)雜性方面是正向糾錯(cuò)和自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求的折衷，因而在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中采用較多。 4反饋校驗(yàn)方式 反饋校驗(yàn)方式又稱回程校驗(yàn)。接收端把收到的數(shù)據(jù)全部由反向信道返回給發(fā)送端，發(fā)送端比較原發(fā)送數(shù)據(jù)與反饋數(shù)據(jù)，從而發(fā)現(xiàn)是否有錯(cuò)誤，并把認(rèn)為有錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)重新發(fā)送，直到發(fā)送端沒有發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤為止。其優(yōu)點(diǎn)是不需要糾錯(cuò)、檢錯(cuò)的編譯器，設(shè)備簡單。缺點(diǎn)是需要反向信道；實(shí)時(shí)性差；發(fā)送端需要一定容量的存儲(chǔ)器。反饋校驗(yàn)方式僅適用于傳輸速率較低、數(shù)據(jù)差錯(cuò)率較低和控制簡單的系統(tǒng)。 2015/8/4 65 3.7.3.2 海明碼糾錯(cuò)法 在海明碼